Лабораторная работа №1

Изучение и измерение магнитного поля соленоида

Цель работы: Ознакомится с различными способами получения и измерения магнитного поля. Ознакомится с простейшими инженерными расчетами источников магнитных полей. Провести измерение поля соленоида и определить его параметры.

Теория

1. Способы получения магнитных полей

Существует два способа получения магнитного поля. В первом способе магнитное поле создается намагниченным веществом, именно так изготовляют постоянные магниты. В другом способе магнитное поле создается током протекающем по проводнику нужной конфигурации.

Простейшим источником магнитного поля является виток с током. Поле на оси витка с током дается выражением:

, (1.1)

здесь μ₀ – магнитная проницаемость вакуума, R – радиус витка, I – ток, х – расстояние от центра витка. Поле в центре витка можно получить из предыдущего выражения:

.

Одиночный виток с током можно применить только для создания слабых магнитных полей.

Значение магнитного поля Земли является естественным эталоном, относительно которого можно обсуждать сильные и слабые магнитные поля. Хотя поле Земли несколько меняется в зависимости от географического положения и геологических условий, но можно считать его приблизительно равным 0.5·10^-4 Т или 0.5 Гс.

Магнитное поле сравнимое с полем Земли можно получить с помощью витка радиусом 0.1 м при токе порядка 8 А. Катушка всего из 10 витков позволяет снизить ток в 10 раз, что позволяет без всяких технических проблем получать такие поля.

Поскольку магнитные силовые линии проникают сквозь многие материалы, то при создании полей меньших или сравнимых с полем Земли требуется магнитная экранировка всей магнитной системы. В качестве магнитных экранов используют ферромагнитные материалы с высокой магнитной проницаемостью. В таких материалах магнитные силовые линии замыкаются в ферромагнетике и не проникают внутрь экранируемого объема.

Создание магнитных полей, превышающих поле Земли не более чем в 100 раз, не составляет технической проблемы. Такие магнитные поля можно получить с помощью цилиндрических катушек – соленоидов или плоских катушек специальной конфигурации, например катушек Гельмгольца. Однако достижение более сильных полей с помощью катушек наталкивается на серьезные технические проблемы. Как видно из выражения (1.1) индукция поля пропорциональна току. В свою очередь сопротивление катушки растет пропорционально длине провода или приблизительно пропорционально числу витков. Соответственно для получения сильных магнитных полей требуется увеличивать ток, протекающий по катушке имеющей значительное сопротивление. Мощность выделяющаяся на обмотке согласно Р = I²·R растет пропорционально квадрату тока. Существует правило: "Увеличение поля в 10 раз влечет за собой рост потребляемой мощности в 100 раз". В итоге при создании поля больше 0.1 Т выделяемое в катушке тепло становиться столь значительным, что требуется принудительное охлаждение. Обычно эта проблема решается путем покачивания через соленоид охлаждающей воды. Но и на этом пути возникают технические трудности. Соленоиды, предназначенные для получения полей от единиц до десятков тесла, потребляют от десятков до тысяч мегаватт мощности. Самые сильные источники поля являются уникальными сооружениями и применяются только в нескольких лабораториях в мире. Поскольку потребляемая мощность сравнима с энергопотреблением небольшого города.

Для намотки можно воспользоваться сверхпроводящим проводом, сопротивление, которого при низких температурах равно нулю. В замкнутой накоротко катушке из сверхпроводящего провода может циркулирующий ток, который будет "вечно" создавать сильное поле без всяких затрат энергии. Однако очень сильные магнитные поля разрушают сверхпроводимость. Поэтому сверхпроводники обычно используют для создания полей в диапазоне до 10 Т. Но их применение зачастую ограничено из-за необходимости использования жидкого гелия.

Частным методом для получения сверхсильных магнитных полей является импульсная генерация магнитного поля в небольших по размерам катушках. Но создаваемые таким способом поля существуют очень ограниченное время - обычно меньше долей секунды. Хотя этого часто оказывается достаточным для проведения научных исследований.

Для создания магнитных полей больше 0.1 Т часто используют комбинацию катушки и сердечника из ферромагнитных материалов. По этому принципу устроены электромагниты. По сравнению с соленоидом электромагнит потребляет в десятки раз меньше мощность. Но электромагниты становятся столь же неэкономичными и громоздкими сооружениями, когда требуется получить поле, превышающее поле насыщения железа. По этой причине электромагниты редко применяются для создания поля большего, чем 2 Т.

Постоянные магниты также применяются для создания магнитных полей. Особенно в тех случаях, когда поле не требуется изменять в пределах больших нескольких процентов от номинала. Магниты на основе традиционных сплавов ферромагнитных материалов, таких как железо, кобальт никель, не позволяют создать поля большие, чем 0.8 Т. Только магниты, в составе которых применяются редкоземельные элементы, такие как самарий или неодим позволяют получить поля до 1 Т.