В массовом сознании распространено мнение, что магнитные поля используются обычно для концентрации и управления чем-то: электронных пучков, в старых ЭЛТ мониторах и телевизорах, удержания плазмы в термоядерных реакторах и других аналогичных задачах.
Более продвинутые в техническом плане, вспомнят также и про управление электронным пучком в скоростных 3D принтерах по металлу и, даже, использование магнитных полей, для управления ферромагнитной жидкостью, в самодельных дизайнерских часах(ССЫЛКА).
То есть, получается, что «поле используется в качестве инструмента, для концентрации чего-то другого».
Однако, зададимся парадоксальным, на первый взгляд, вопросом: а можно ли сконцентрировать само поле?!
Несмотря на кажущуюся странность этого вопроса, он является одним из основных в физике, так как успешное его решение позволяет достичь многих поразительных вещей, что мы и увидим ниже...
И начнём мы с одной довольно странной конструкции...
По своему опыту, многие, наверное, знают, что это если взять, скажем, неодимовые магниты, то, они всегда будут окружены вокруг магнитным полем.
Но, знали ли вы, что магниты можно расположить таким образом, что их поле можно усилить, одновременно, практически устранив на одной из сторон?!
Такое расположение называется «решётка Гольбаха»:
Как можно видеть на картинке выше (ориентируемся на изображения стрелок, на левых гранях кубиков) — магниты должны быть расположены таким образом, чтобы векторы их намагниченности (показаны в виде стрелок), располагались с соблюдением логики кругового вращения: влево-вверх-вправо-вниз-влево.
Таким образом, здесь мы видим сборку из пяти кубических магнитов.
Как можно заметить, на втором магните сверху, на верхней его грани, нарисован круг с точкой, а на последнем магните, на грани, обращённой к нам, нарисован крестик:
в первом случае, там, где кружок с точкой, это всего лишь означает, что вектор намагниченности направлен вверх — просто сложно изобразить стрелку, направленную вверх (на верхней грани), поэтому, условно, обозначили это как кружок с точкой;
во втором случае, так как вектор намагниченности направлен от нас, что тоже сложно изобразить на грани, обращённой к нам, показали это в виде крестика.
Таким образом, принципиальным моментом является тот, что все кубики магнитов ничем не отличаются друг от друга, кроме определённого разворота вектора намагниченности.
В результате такого их расположения, начинает наблюдаться интересный эффект, заключающийся в практически полном подавлении магнитного поля с одной стороны сборки, и усилении его, с другой стороны:
Как мы видим, на этой последней картинке, количество магнитов в сборке превышает те 5 штук, которые были показаны выше — это не случайно, и подразумевает, что подобная сборка может быть составлена из неограниченного количества магнитов, где нужно принимать во внимание только некоторые факты, относительно их возможного количества: минимальное количество магнитов для достижения полного эффекта составляет 4 штуки, где, как можно убедиться по картинке выше, эту сборку изображают частенько в виде пяти магнитов, с целью более наглядно показать, что «круг вращения» векторов намагниченности (влево-вверх-вправо-вниз-влево) замкнулся; хотя, в реальности, минимальная сборка может быть составлена только из 4 штук, с вращением векторов намагниченности на 90°.
К слову: такой тип сборки называется «решётка» (Гольбаха) именно потому, что напоминает решётку благодаря регулярной структуре направленностей векторов намагниченности.
Теперь, если мы обратим наш взгляд на сборку, то мы увидим, что каждый из магнитов в сборке — окружён силовыми линиями магнитного поля, выходящими из одного полюса и заходящими в другой.
Другими словами, у магнитных линий есть «направленность».
Теперь, предположим, что все магниты в сборке имеют одинаковую магнитную силу (то есть, изготовлены на заводе практически одинаково, с небольшим самопроизвольным варьированием параметров, объясняющимся естественными причинами).
Если подобные магниты расположить рядом друг с другом, чтобы их магнитные поля взаимодействовали (так, как они расположены в сборке, на самой первой картинке выше), то их поля будут взаимодействовать таким образом что часть силовых линий поля, которая выходит из центров полюсов магнитов и направлена вниз, огибая каждый магнит снизу, будет практически полностью обнулена (как можно понять, это часть линий, расположенная ниже и между магнитами, т.е. ниже середины магнитов); в свою очередь, та часть линий, которая выходит в верхнюю часть магнитов — будет (в идеальном случае) в два раза усилена! Примерную картину путей силовых линий можно увидеть выше, на картинке в «шапке» статьи.
Таким образом, подобная сборка представляет собой устройство, не потребляющее какой-либо энергии* и, при этом, усиливающее магнитное поле продолжительное время (практически бесконечно).
*Здесь подразумевается, что для создания подобной сборки используются постоянные магниты; в случае же электромагнитов, понятно, что они будут потреблять электроэнергию для своего питания.
Сборка не обязательно должна располагаться в виде линии, как было показано выше — она может быть собрана также в виде цилиндра, или в виде сферы.
Причём, в последнем случае, если сборка осуществляется в виде сферы, то, наблюдается очень высокая однор��дность поля внутри неё, так как отсутствуют краевые эффекты (о них мы ещё поговорим).
Одним из наиболее известных применений решётки Гольбаха является использование подобной схемы в бесщёточных электродвигателях переменного тока, где магниты ротора собираются в виде цилиндра, по схеме решётки Гольбаха, таким образом, магнитное поле внутри ротора практически отсутствует, усилено и направлено вовне его, что, в итоге, даёт очень высокую напряженность магнитного поля в зазоре, между ротором и статором (статор выполняется классическим, в виде обычных обмоток).
Таким образом, говоря более простыми словами, подобная сборка электродвигателя работает на его эффективность.
Насколько можно судить, ещё одним важнейшим направлением применения принципов решётки Гольбаха (правда уже не непосредственным, а эволюционным, следующим шагом) явилось создание Перпендикулярной Магнитной Записи, которая обеспечила способ хранения данных, в три раза более ёмкий, чем продольная запись до этого.
Среди очевидно интересных способов реализации рассматриваемых принципов сборки, является намагничивание подобным образом гибких декоративных магнитиков на холодильник, что осуществляется с помощью массива головок, создающих в толще единого материала зоны намагниченности, в виде решётки Гольбаха, — это позволяет такому магниту гораздо более сильно приклеиваться к поверхности холодильника, чем он бы приклеился, будучи намагничен однородно, по всей поверхности.
Другими словами, внедрение подобного рисунка намагниченности позволяет реализовать «более сильный магнит», используя более слабую основу...
Подытоживая этот раздел, надо отметить, что способы полезного применения рассмотренного типа сборки не ограничиваются только изученными примерами, и их гораздо больше.
Как мы видим, усилить магнитное поле весьма просто, для этого лишь достаточно произвести некоторые манипуляции с расположением векторов намагниченности, в пространстве.
Однако, что вы скажете насчёт того, если я скажу вам, что магнитное поле можно усилить, даже без каких-либо манипуляций? :-)
Как ни странно, это правда: называется это «краевой эффект» и представляет собой концентрацию силовых линий магнитного поля на гранях, где, чем более острая грань, тем более усиливается магнитное поле!
Самое простое проявление этого эффекта вы все можете видеть многократно, так как оно широко используется в мебели: обычные мебельные магнитные защёлки, представляющие собой две пластинки из стали, между которыми установлен магнит - именно за счёт краевого эффекта, грани стальных пластинок так намертво приклеиваются к другой пластинке (как правило, на двери мебели), установленной перпендикулярно.
Однако, есть вариант и посложнее - обычный шаговый двигатель:
Как можно видеть, у него статор и ротор имеют зубцы, благодаря краевому эффекту на которых, позиционирование ротора осуществляется весьма чётко, в противовес другому варианту, если бы вместо зубцов были гладкие участки ротора и статора, что привело бы к уменьшению крутящего момента, а также нечёткому позиционированию.
Но, это одни из самых простых способов, и, было бы несправедливо не упомянуть и ещё один вариант, который, к тому же, может создавать самые сильные магнитные поля на Земле: «взрывомагнитные генераторы» или «магнитокумулятивные генераторы» — именно на них можно получать магнитные поля, с силой индукции, например, в 2500 Тл, где само устройство будет весьма миниатюрным: около 10 килограмм весом!
Для понимания: сила этого поля будет примерно в 50 млн раз сильнее естественного поля Земли!
Принцип действия этого устройства, в общем, заключается в следующем: сверхскоростное запирание и сжатие магнитного поля, что колоссально увеличивает напряженность поля, за наносекунды.
Первые работы в этой области проводил ещё академик Сахаров ещё в 1950-х годах XX века, где его устройство представляло собой медную катушку, обложенную взрывчатым веществом, а выводы катушки были подключены к конденсаторной батарее.
Для запуска устройства, необходимо было разрядить конденсаторную батарею на катушку, и после того, как магнитное поле достигло максимума, происходил подрыв заряда, которым была обложена катушка. В результате, мощное давление ударной волны от взрывчатки резко сжимало катушку, где на каком-то моменте (когда сила, давящая снаружи, становилась меньше силы сопротивления катушки) происходило разрушение катушки, вызывая высвобождение мощного электромагнитного импульса.
Это была не единственная возможная конструкция, была вариация с электромагнитной катушкой, в центре которой располагалась полая трубка, заполненная быстродействующим взрывчатым веществом.
Запуск устройства производился тем же способом, как и в первом варианте, где давался импульс на катушку, и, после достижения максимального магнитного поля, запускался подрыв центральной трубки.
При подрыве этой трубки с одного из концов, она начинала расширяться наподобие воронки, постепенно замыкая витки катушки, расположенной снаружи, и, соответственно, запирая магнитный поток в оставшихся.
Также, была разработана и вариация, где катушка была намотана поверх взрывчатого вещества, в центр которого была вставлена полая трубка.
После разряда батареи конденсаторов на катушку, происходило намагничивание сердечника - полой трубки, с последующим её сжатием ударной волной.
В целом, конструкций такого рода устройств было разработано довольно много.
Желающие ознакомиться с этой темой более подробно, могут обратиться, например, к книге «Магнитокумулятивные генераторы МК1 сверхсильных магнитных полей» — Долотенко М.И.
Описанные способы сжатие магнитного поля не ограничиваются только рассмотренными выше, и, есть ещё как минимум один интересный вариант: «Z-pinch» — который представляет собой пропускание электрического тока через проводник, например, плазму, в результате чего, вокруг него образуется магнитное поле, сжимающее проводник, и, соответственно, поле вокруг него.
Подытоживая, можно сказать, что управление концентрацией магнитного поля, является одним из ключевых в физике, достижение успеха в котором, позволяет добиться многих поразительных результатов...
Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.
