1. Собрать схему, приведенную на рисунке 1.7. Питание моделей осуществляется от сети переменного тока частотой 50 Гц напряжением 220 в через лабораторный

Рисунок 1.7. Электрическая схема лабораторного стенда

автотрансформатор (ЛАТР). С помощью ЛАТРа установить ток питания для серповидной модели I=0,3 А, для модели с кольцевым сечением I=1 А. Индукционный датчик, подключенный к милливольтметру, устанавливается в точку пространства, в которой производится измерение компоненты магнитного поля В_у. По милливольтметру снимаются показания ЭДС E, и определяется величина поля

, (1.8)

где =0,2 Тл/В - постоянная индукционного датчика.

Измерения проводятся через 20 мм вдоль оси OX на отрезке 0...200 мм, вдоль оси OZ на отрезке 0...300 мм. Вдоль оси OY производится измерение в одной точке на высоте 40 мм. Результаты измерений заносят для каждой модели в таблицу1.2.

Таблица 1.2

№ п/п	Х, мм	Y, мм	Z, мм	E, В	By, Тл	δB*	U, В	I, А

Здесь X, Y, Z - координаты точек, в которых производится измерение поля;

В*=[Bp(x,y,z)-B(0,0,0)] / B(0,0,0) - неоднородность магнитного поля.

По формуле (1.3) рассчитывается величина поля в центре магнитной системы и определяется относительная погрешность расчета:

Вр=[Вр(0,0,0)-В(0,0,0)] / В(0,0,0).

По полученным данным построить графики B_y(x), B_y(y), B_y(z).

2. Измерить активное сопротивление R моделей магнитных систем.

Определить индуктивности моделей по формуле:

3. По формулам (1.1) - (1.2) рассчитать распределение компоненты вдоль оси ОХ во внутренней и внешней области модели с кольцевым сечением, приняв =1,3,5. Расчетную кривую построить в тех же координатах, что и экспериментальную. Аналогичный график построить для внутренней области серповидной модели.

4. Рассчитать по формулам (1.6) и (1.7) теоретические значения индуктивностей моделей и, используя экспериментальные данные, определить погрешность расчета.

Работа 2. Измерение распределения магнитного поля в дискретном тороидальном индуктивном накопителе

Задание

1. Ознакомиться с моделью дискретной и тороидальной магнитной систем индуктивного накопителя энергии, а также с измерительными приборами.

2. Измерить распределение компоненты В_ магнитного поля по радиусу при  = 0°,  =15° и  =30°.

3. Измерить распределение компоненты В_r по радиусу при  = 15.

4. Измерить значение компоненты В_ поля в точках 1, 2 и 3 (рисунок 2.1).

5. Рассчитать максимальное значение индукции магнитного поля по формуле (2.2) для непрерывной тороидальной обмотки и сопоставить с измеренным в пункте 4.

6. Построить графики распределения поля по данным измерений в пунктах 2 и 3.

Теоретическая часть

В ряде областей техники и экспериментальной физики (например, в исследованиях по термоядерному синтезу, при получении плазменного сгустка в электроразрядных ударных трубах и т. д.) существует необходимость генерирования мощных импульсов электрического тока длительностью t_и ~ 10^-3 c и энергией импульса W  10⁶  10⁷Вт. При указанных величинах энергии традиционные источники импульсов тока  конденсаторные батареи  тяжелы и громоздки, и более рациональным становится применение индуктивных накопителей (ИН) электромагнитной энергии.

ИН, по существу, представляет собой электрическую катушку, в магнитном поле которой запасается энергия W = Li²/2 (L  индуктивность, i  ток). Катушка обычно погружается в криостат с жидким хладагентом. В другой возможной конструкции используется проводник в виде трубы, по которой прокачивается хладагент. При этом катушка теплоизолирована.

ИН условно можно классифицировать по следующим признакам:

1. По типу охладителя: "теплые" ИН с естественным (воздушным, водяным, масляным и т.п.) охлаждением и криогенные, в которых проводники охлаждаются сжиженными газами (азотом, неоном, водородом, гелием).

2. По виду проводникового материала:

• с обмотками из сверхпроводящих материалов, таких как Nb-Ti, Nb₃Sn, YBa₂Cu₃O_7-δ , Ba₂Sr₂Ca₂Cu₃O_10-δ или MgB₂ и др.

• криорезистивные, в которых применяются алюминий и медь обычной чистоты при охлаждении жидким азотом и высокой чистоты (например, алюминий марки Аl₉₉₉), при охлаждении жидким водородом или неоном. В последнем случае используется эффект криопроводимости, который проявляется при криогенном охлаждении сверхчистых металлов.

3. По форме катушек:

• цилиндрические,

• тороидальные,

• эллипсоидальные (в частности, сферические).

3. По количеству и схеме соединения обмоток:

• дроссельные (с одной обмоткой),

• трансформаторные (с двумя или большим количеством обмоток), которые позволяют увеличить ток и мощность разрядного импульса.

С той же целью одиночная обмотка может быть составлена из отдельных секций, которые после заряда ИН током могут переключаться с последовательного соединения на параллельное.

3. По наличию магнитного экрана:

• экранированные,

• неэкранированные.

Магнитный экран применяется, если необходимо ликвидировать внешнее магнитное поле ИН (часто называемое полем рассеяния), создаваемое катушками любой геометрии, за исключением тороидальной. Поле рассеяния может создавать помехи в работе чувствительной электронной аппаратуры и значительные усилия на соединительных линиях и токоведущих частях сильноточных коммутаторов, индуцировать при быстром разряде ИН значительные вихревые токи в металлических стенках криостата, вызывая дополнительные потери хладагента из-за джоулева тепловыделения и подчас разрушение криостата усилиями, с которыми воздействует на вихревые токи магнитное поле, и, наконец, в случае крупных магнитных систем поле рассеяния может вредно воздействовать на обслуживающий персонал, находящийся в нем в течение длительного времени.

Простейшим типом магнитного экрана является ферромагнитный сердечник, концентрирующий в себе магнитный поток. Он может быть разомкнутым, но при этом должен охватывать катушку снаружи, так чтобы разрез магнитопровода находился внутри нее.

По сравнению с экранами других типов ферромагнитный экран обладает очень большой массой и поэтому не нашел практического применения.

Неферромагнитные, проводниковые экраны делятся на две группы: диамагнитные (пассивные) и электромагнитные (активные). Диамагнитный экран может быть выполнен в виде охватывающей катушку, замкнутой (возможно, многослойной) оболочки из сверхпроводника I рода. Магнитное поле проникает в такую оболочку на сравнительно небольшую глубину, Очевидно, диамагнитный экран нерационален в случае криорезистивных магнитных систем,

Практическое применение нашел лишь электромагнитный экран. Он выполняется в виде обмотки (сверхпроводящей или резистивной) такой же геометрической формы, как и основная, и располагается снаружи ее. Ток в экранирующей обмотке направлен противоположно току в основной, а величина его выбирается так, чтобы полностью скомпенсировать поле снаружи экранирующей обмотки. Как правило, по такой схеме выполняются эллипсоидальные (в частности, сферические) ИН.

Как известно, тороидальные катушки с непрерывной намоткой не создают внешних магнитных полей и потому не требуют экранирования. Однако непрерывная обмотка нетехнологична. Поэтому крупные тороидальные магнитные системы собираются из отдельных цилиндрических секций. Такие дискретные тороидальные обмотки (ДТО) при малом числе секций (большой дискретности) создают значительные, хотя и быстро убывающие с расстоянием от обмотки внешние магнитные поля.

В связи с этим встает задача нахождения распределения магнитного поля и других характеристик индуктивного накопителя с ДТО. Расчет распределения поля ДТО весьма сложен и требует численных расчетов. Если требуется найти поле внутри области с током (области, заполненной проводником), то это единственно возможный способ. Вне области с током (т.е. вне области, заполненной проводником) поле можно непосредственно измерить на маломасштабной модели, геометрически подобной натурной обмотке. Это и входит в задачу данной работы.