Лабораторная работа №2 Получение магнитных полей с помощью электромагнита

1. Теория

1.1. Электромагниты

Сильные магнитные поля получают с использованием комбинации катушки с током и сердечника из ферромагнитного материала. Ток, протекающий по катушке, намагничивает сердечник, в результате общее магнитное поле увеличивается за счет того, что внутри ферромагнитного материала магнитные домены ориентируется в одном направлении, и свои магнитные поля суммируют с внешним полем. Так легко достигается увеличение в зазоре электромагнита поля в десятки – тысячи раз по сравнению с полем созданным катушками. Максимальное поле в электромагните в первом приближении ограничивается индукцией насыщения магнитного материала. Поэтому существует физический предел выше которого получении магнитного поля с помощью электромагнита становиться неэкономичным. Особенно эффективны электромагниты для получения полей в диапазоне от 0.1 Т до 1.5 Т. Хотя на практике помощью электромагнитов с железным сердечником поля получают поля до 2.5 Т. Однако масса магнита на 2.5 Т может составить нескольких тонн, а потребляемая мощность достигать многих киловатт.

Однако в настоящее время существуют постоянные магниты на редкоземельных элементах, которые также позволяют перекрыть диапазон полей до 1 Т. Величина получаемой магнитной индукции для них определяется остаточной намагниченностью материала магнита и для разных материалов может иметь разные значения до величин порядка тесла (максимально – 1.38 Тл для магнитов состава Nd-Fe-B). Постоянные магниты не потребляют энергии и весьма компакты. Но применение дорогостоящих химических элементов (самарий, неодим) увеличивает стоимость таких магнитных систем. К тому же постоянные магниты мало применимы в тех случаях, когда требуется изменять магнитное поле.

Давая выигрыш в величине магнитного поля, в то же время ферромагнитный сердечник ограничивает область, в которой создается магнитное. Обычно зазор магнита не превышает нескольких сантиметров, а диаметр десятков сантиметров. Для многих применений требуется, чтобы величина поля была одной и той же в пределах объекта, который подвергается действию поля. В результате для объектов больших размеров возникает проблема создания достаточно однородного и сильного поля, которое бы оставалось постоянным в пределах исследуемого объекта. Например, для магниторезонансной томографии требуется создание сильных и однородных магнитных полей в объеме человеческого тела. Поэтому электромагниты тут практически не пригодны.

Обычно однородность поля оценивают величиной называемой качеством поля или обратной ей величиной упрощенно называемой неоднородность поля. Под качеством поля понимается величина

ξ = В/ΔВ, (2.1)

где В поле в центре магнитной системы, а ΔВ изменение поля в заданном объеме. Соответственно обратная величина называется степенью неоднородности поля.

Для получения однородного поля необходимо увеличивать длину соленоида, диаметр катушек или диаметр полюсных наконечников. Все это приводит к дополнительным техническим трудностям. В особых случаях, как, например для ЯМР спектрометров, требуется очень высокая однородность магнитного поля до 10⁹, что достигается особой обработкой полюсных наконечников и даже специальными методами такими как компенсация неоднородности дополнительными катушками и быстрым вращением образца. С другой стороны в некоторых физических экспериментах, например по измерению магнитной восприимчивости по методу Фарадея наоборот требуются поля с заданной неоднородностью. Для этого применяют полюса специальной формы.

Д остижимая в магните с железным ярмом однородность поля зависит от геометрической формы полюсных наконечников, соотношения диаметра и ширины зазора, качества обработки поверхности и степени дефектности материала наконечников (рис. 1). В большинстве случаев предпочитают плоские полюсные наконечники с круглым сечением, изготовленные из мелкокристаллического мягкого железа. Каче­ство можно улучшить чисто технически при помощи механической и термической обработки (ковка, отжиг). Чтобы ширина воздушного зазора была везде одинаковой, поверхность полюсные наконечники выставляют строго параллельно. Для уменьшения локальной неоднородности поверхности наконечников должны быть очень тонко обработаны путем шлифования или даже полировки.

В первом приближении локальные неоднородности поля линейно связаны с размерами углублений и возвышений на поверхности; это позволяет задать качество обработки поверхности наконечника исходя из требуемой однородности поля.

Для снижения радиального падения напряженности поля отношение диаметра воздушного зазора к его ширине следует выбирать возможно большим. При этом ширина воздушного зазора определяется размером измерительной головки для размещения образца.

Диаметр полюсных наконечников обычно в 4 - 12 раз превышает ширину зазора в зависимости от требуемого качества поля. Для применяемых в лаборатории магнитов диаметр полюсных наконечников обычно находиться в пределах 5 - 45 см. Применение большей величины отношения диаметра к ширине зазора обычное не дает выигрыша, так как при этом другие несовершенства вызовут большую неоднородность (рис. 1).

Падение напряженности поля к краю зазора частично можно компенсировать при помощи тонкого железного кольца, которое насаживается на конец полюсного наконечника. Существует и другая возможность повышения однородности. Непосредственно на поверхность полюсных наконеч­ников накладываются кольцевые концентрические катушки или проволочные петли "токовые шимы", по которым пропускают регулируемые токи в несколько миллиампер, чтобы компенсировать локальную неоднородность поля.