Ювелирное обозрение

Новый сверхмощный магнит легко поместится в дамской сумочке. Учёные уже решают, где можно будет использовать такое чудо.

Инженеры Национальной лаборатории сильных магнитных полей в США (MagLab) сконструировали очень мощный магнит. При этом он практически незаметен: источник сильнейшего магнитного поля упакован в катушку, которая поместится даже в небольшой сумочке.

Сотрудники лаборатории нашли способ создавать и использовать электромагниты, которые сильнее, меньше и универсальнее тех, что были сконструированы когда-либо прежде.

"Мы буквально открываем дверь в новый мир. Из-за своей компактности эта технология способна полностью изменить наши представления об области применения сильных магнитных полей", – объясняет автор уникальной разработки Сынгён Хан (Seungyong Hahn) в пресс-релизе университета.

Новый магнит производит магнитное поле с индукцией в рекордных 45,5 Тесла. Для сравнения, стандартный магнит аппарата магнитно-резонансной томографии (МРТ) создаёт поле в 2-3 Тесла. Кстати, прежний мировой рекордсмен, также созданный в Национальной лаборатории сильных магнитных полей США, был 35-тонным гигантом, генерирующим магнитное поле в 45 Тесла.

В процессе испытаний компактное чудо весом 390 граммов быстро продемонстрировало своё превосходство над предшественником.

Но как же может нечто столь маленького размера генерировать такое мощное магнитное поле? Всё благодаря новаторской конструкции и использованию нового многообещающего проводника, сообщают разработчики.

При создании магнита учёные использовали сверхпроводящий материал. Но не обычный, а специально созданный. Этот особый сплав на основе оксида бария, меди и редкоземельных элементов специалисты коротко именуют REBCO.

Он может выдерживать в два раза большую силу тока по сравнению с обычным сверхпроводником на основе ниобия (а сила протекающего тока определяет и силу магнитного поля). Важным нововведением стало также использование очень тонких (не толще листа бумаги) проводов в виде лент.

Другим ключевым моментом в создании маленького рекордсмена является отсутствие изоляции. Обычные современные электромагниты содержат изолирующий элемент между проводящими слоями, чтобы направлять ток по наиболее эффективному пути. Однако это добавляет вес и объём конструкции.

Отсутствие изоляции не только позволило получить более компактный и изящный прибор, но и помогло избежать возможных отказов конструкции. Они случаются при повреждениях или несовершенствах проводника.

В этом случае течение тока по оптимальному пути прерывается, материал начинает нагреваться и терять свои сверхпроводящие свойства. Но если изоляции в конструкции нет в принципе, то ток сможет протекать в обход проблемного участка, предотвращая развитие отказов.

Чтобы оценить важность представленной разработки, достаточно упомянуть, что сильные магнитные поля находят применение в самых разных областях: медицине (МРТ), фармакологии (ядерный магнитный резонанс), ускорении частиц (как в Большом адронном коллайдере), термоядерных реакторах, а также других специфических областях науки и промышленности.

Инженеры уже запланировали дальнейшие исследования. Они будут искать способы выявления и устранения возможных проблем. Учёные также изучают потенциальные применения своей удивительной разработки с использованием сверхпроводящих магнитов будущего, над созданием которых они активно трудятся.

По словам разработчиков, основная фундаментальная проблема материала REBCO в том, что такой тонкий проводник неизбежно будет иметь дефекты. Но их влияние на магниты будущего пока не изучены. Тем не менее, даже несмотря на все сложности, с которыми ещё предстоит справиться, учёные весьма воодушевлены своим достижением.

Научная статья, посвящённая изобретению американских исследователей и инженеров, опубликована в издании Nature.

Что такое сверхсильные магнитные поля?

В науке для познания природы в качестве инструментов используются различные взаимодействия и поля. В ходе физического эксперимента исследователь, воздействуя на объект исследования, изучает отклик на это воздействие. Анализируя его, делают заключение о природе явления. Наиболее эффективным средством воздействия является магнитное поле, так как магнетизм – широко распространенное свойство веществ.

Силовой характеристикой магнитного поля является магнитная индукция. Далее приводится описание наиболее распространенных методов получения сверхсильных магнитных полей, т.е. магнитных полей с индукцией свыше 100 Тл (тесла).

• минимальное регистрируемое с помощью сверхпроводящего квантового интерферометра (СКВИД) магнитное поле – 10 -13 Тл;
• магнитное поле Земли – 0,05 мТл;
• сувенирные магниты на холодильник – 0,05 Тл;
• альнико (алюминий-никель-кобальт) магниты (AlNiCo) – 0,15 Тл;
• ферритовые постоянные магниты (Fe₂O₃) – 0,35 Тл;
• самариево-кобальтовые постоянные магниты (SmCo) – 1,16 Тл;
• самые сильные неодимовые постоянные магниты (NdFeB) – 1,3 Тл;
• электромагниты Большого адронного коллайдера – 8,3 Тл;
• самое сильное постоянное магнитное поле (Национальная лаборатории сильных магнитных полей Флоридского университета) – 36,2 Тл;
• самое сильное импульсное магнитное поле, достигнутое без разрушения установки (Лос-Аламосская национальная лаборатория, 22 марта 2012 года) – 100,75 Тл.

В настоящее время исследования в области создания сверхсильных магнитных полей проводятся в странах – участниках «Megagauss Club» и обсуждаются на Международных конференциях по генерации мегагауссных магнитных полей и родственным экспериментам (гаусс – единица измерения магнитной индукции в системе СГС, 1 мегагаусс = 100 тесла).

Для создания магнитных полей такой силы необходима очень большая мощность, поэтому в настоящее время их получение возможно только в импульсном режиме, причем длительность импульса не превышает десятков микросекунд.

Разряд на одновитковый соленоид

Самым простым методом получения сверхсильных импульсных магнитных полей с магнитной индукцией в диапазоне 100. 400 тесла является разряд ёмкостных накопителей энергии на одновитковые соленоиды (соленоид – это однослойная катушка цилиндрической формы, витки которой намотаны вплотную, а длина значительно больше диаметра).

Внутренний диаметр и длина используемых катушек обычно не превышают 1 см. Индуктивность их мала (единицы наногенри), поэтому для генерации в них сверхсильных полей требуются токи мегаамперного уровня. Их получают с помощью высоковольтных (10-40 киловольт) конденсаторных батарей с низкой собственной индуктивностью и запасаемой энергией от десятков до сотен килоджоулей. При этом время нарастания индукции до максимального значения не должно превышать 2 микросекунды, иначе разрушение соленоида произойдет раньше, чем будут достигнуто сверхсильное магнитное поле.

Деформация и разрушение соленоида объясняются, что из-за резкого возрастания тока в соленоиде существенную роль играет поверхностный («скин») эффект – ток концентрируется в тонком слое на поверхности соленоида и плотность тока может достигать очень больших величин. Следствием этого является возникновение в материале соленоида области с повышенными температурой и магнитным давлением. Уже при индукции 100 тесла поверхностный слой катушки, выполненный даже из тугоплавких металлов, начинает плавиться, а магнитное давление превышает предел прочности большинства известных металлов. С дальнейшим ростом поля область плавления распространяется вглубь проводника, а на его поверхности начинается испарение материала. В итоге происходит взрывообразное разрушение материала соленоида («взрыв скин-слоя»).

Если же величина магнитной индукции превышает значение 400 тесла, то такое магнитное поле обладает плотностью энергии, сравнимой с энергией связи атома в твёрдых телах и намного превышает плотность энергии химических взрывчатых веществ. В зоне действия такого поля происходит, как правило, полное разрушение материала катушки со скоростью разлета материала витка до 1 километра в секунду.

Метод сжатия магнитного потока (магнитная кумуляция)

Для получения максимального магнитного поля (до 2800 Тл) в условиях лаборатории применяется метод сжатия магнитного потока (магнитная кумуляция).

Внутри проводящей цилиндрической оболочки (лайнера) с радиусом r и сечением S создается аксиальное стартовое магнитное поле с индукцией B и магнитным потоком Ф = BS и. Затем лайнер симметрично и достаточно быстро сжимается внешними силами, при этом его радиус уменьшается до r_f и площадь сечения до S_f. Пропорционально площади сечения уменьшается и магнитный поток, пронизывающий лайнер. Изменение магнитного потока в соответствии с законом электромагнитной индукции вызывает возникновение в лайнере индуцированного тока, создающего магнитное поле, стремящееся компенсировать уменьшение магнитного потока. При этом магнитная индукция соответственно увеличивается до значения B_f=B*λ*S/S_f, где λ – коэффициент сохранения магнитного потока.

Метод магнитной кумуляции реализован в устройствах, получивших название магнитокумулятивных (взрывомагнитных) генераторов. Сжатие лайнера осуществляется давлением продуктов взрыва химических взрывчатых веществ. Источником тока для создания начального магнитного поля служит конденсаторная батарея. Основоположниками исследований в области создания магнитокумулятивных генераторов были Андрей Сахаров (СССР) и Кларенс Фоулер (США).

В одном из опытов в 1964 году на магнитокумулятивном генераторе МК-1 в полости диаметром 4 мм удалось зарегистрировать рекордное поле 2500 Тл. Однако неустойчивость магнитной кумуляции явилась причиной невоспроизводимого характера взрывной генерации сверхсильных магнитных полей. Стабилизация процесса магнитной кумуляции возможна при сжатии магнитного потока системой последовательно включаемых коаксиальных оболочек. Такие устройства называют каскадными генераторами сверхсильных магнитных полей. Их основное достоинство заключается в том, что они обеспечивают стабильность работы и высокую воспроизводимость сверхсильных магнитных полей. Многокаскадная конструкция генератора МК-1, использующая 140 кг взрывчатого вещества, обеспечивающих скорость сжатия лайнера до 6 км/с, позволила получить в 1998 году в Российском федеральном ядерном центре рекордное в мире магнитное поле 2800 тесла в объеме 2 см 3 . Плотность энергии такого магнитного поля более чем в 100 раз превышает плотность энергии самых мощных химических взрывчатых веществ.

Применение сверхсильных магнитных полей

Начало использованию сильных магнитных полей в физических исследованиях было положено трудами советского физика Петра Леонидовича Капицы в конце 1920-х годов. Сверхсильные магнитные поля применяются в исследованиях гальваномагнитных, термомагнитных, оптических, магнитно-оптических, резонансных явлений.

Они применяются, в частности:

• для исследования эффекта Фарадея (эффект Фарадея – поворот на угол β плоскости поляризации линейно поляризованного светового луча, проходящего через изотропную среду, находящуюся в магнитном поле);
• для исследования эффекта Зеемана (эффект Зеемана – расщепление энергетических уровней и спектральных линий атомов под воздействием магнитного поля)
• для изучения свойств веществ в экстремальных условиях, так как энергия магнитного поля напряжённостью 1000. 1500 Тл превышает энергию связи частиц в твёрдых телах, а магнитное давление превышает давление в центре Земли. Это может быть использовано, например, для сжатия водорода. В химических реакциях, отдавая электрон, водород ведет себя как металл, но для полноценного металла водороду не хватает кристаллической решетки. Существует предположение, что при температурах, приближенных к абсолютному нулю, и давлении в миллионы атмосфер, возможно образование кристаллической решетки водорода с удивительными свойствами, например, сверхпроводимостью;
• в оружии электромагнитного импульса (ЭМИ).
  

Каталог магнитов

Создание магнитов

Окунемся немного в прошлое, и вспомним, откуда взялись магниты….

Многие современные электронные устройства работают на основе магнитов. Применять магниты для производства устройств стали относительно недавно, потому что магниты, существующие в природе, не обладают необходимой силой для работы аппаратуры, и только когда людям удалось сделать их более мощными, они стали незаменимым элементом в производстве. Железняк, разновидность магнетитов, считается самым сильным магнитом из всех встречающихся в природе. Он способен притягивать к себе небольшие объекты, например, скрепки для бумаг и скобки.

Где-то в 12-ом веке люди обнаружили, что с помощью железняка можно намагничивать частицы железа – так люди создали компас. Также они заметили, что если постоянно проводить магнитом вдоль железной иглы, то происходит намагничивание иголки. Саму иголку тянет в северо-южном направлении. Позже, известный ученый Уильям Гилберт объяснил, что движение намагниченной иглы в «северо-южном» направление происходит за счет того, что наша планета Земля очень напоминает огромный магнит с двумя полюсами – северным и южным полюсом. Стрелка компаса не настолько сильная как многие перманентные магниты, используемые в наше время. Но физический процесс, который намагничивает стрелки компаса и куски неодимового сплава, практически одинаков. Все дело в микроскопических областях, называемых магнитными доменами, которые являются частью структуры ферромагнитных материалов, таких как железо, кобальт и никель. Каждый домен представляет собой крошечный, отдельный магнит с северным и южным полюсом. В ненамагниченных ферромагнитных материалах каждый из северных полюсов указывает в различные направления. Магнитные домены, направленные в противоположных направлениях, уравновешивают друг друга, поэтому сам материал не производит магнитное поле.

В магнитах, с другой стороны, практически все или, по крайней мере, большая часть магнитных доменов направлены в одну сторону. Вместо того, чтобы уравновешивать, друг друга, микроскопические магнитные поля объединяются вместе, чтобы создать одно большое магнитное поле. Чем больше доменов указывает в одном направление, тем сильнее магнитное поле. Магнитное поле каждого домена проходит от его северного полюса и до южного полюса.

Это объясняет, почему, если разломить магнит напополам, получается два маленьких магнита с северными и южными полюсами.

Это также объясняет, почему противоположные полюса притягивают – силовые линии выходят из северного полюса одного магнита и проникают в южный полюс другого, в результате чего металлы притягиваются и получается один больший магнит. По такому же принципу происходит отталкивание – силовые линии двигаются в противоположных направлениях, и в результате такого столкновения магниты начинают отталкиваться друг от друга.

Для того чтобы сделать магнит, Вам необходимо просто «направить» магнитные домены металла в одном направлении. Для этого вам необходимо намагнить сам металл. Рассмотрим еще раз случай с иголкой: если магнит двигать постоянно в одном направлении вдоль иголки, происходит выравнивание направления всех его областей (доменов). Однако, выравнивать магнитные домены можно и другими способами, например:

— Поместить металл в сильное магнитное поле в северо-южном направлении.

— Двигать магнит в северо-южном направлении, постоянно ударяя по нему молотком, выравнивая его магнитные домены.

— Пропустить через магнит электрический ток.

Ученые предполагают, что два из этих методов объясняют то, как естественные магниты формируются в природе. Другие же ученые утверждают, что магнитный железняк становится магнитом только в том случае, когда его ударяет молния. Третьи же считают, что железняк в природе превратился в магнит еще в момент формирования Земли и сохранился до наших дней.

Наиболее распространенным способом изготовления магнитов на сегодняшний день считается процесс помещения металла в магнитное поле. Магнитное поле вращается вокруг данного объекта и начинает выравнивать все его домены. Однако в этот момент может возникнуть отставание в одном из этих связанных между собой процессов, что называется гистерезисом. На то, чтобы заставить домены поменять свое направление в одну сторону, может уйти несколько минут. Вот что происходит во время этого процесса: Магнитные области начинают вращаться, выстраиваясь в линию вдоль северо-южной линии магнитного поля.

Области, которые уже направлены в «северо-южном» направлении становятся больше, в то время как окружающие их области становятся меньше. Стены домена, границы между соседними доменами, постепенно расширяются, за счет чего сам домен увеличивается. В очень сильном магнитном поле некоторые стены домена полностью исчезают. Получается, что мощность магнита зависит от количества силы, используемой для смены направления доменов. Прочность магнитов зависит от того, насколько трудно было выровнять эти домены. Материалы, которые трудно намагнитить, сохраняют свой магнетизм в течение более длинных периодов, в то время как материалы, которые легко поддаются намагничиванию, обычно быстро размагничиваются.

Уменьшить силу магнита или размагнитить его полностью можно, если направить магнитное поле в противоположном направлении. Размагнитить материал можно также, если нагреть его до точки Кюри, т.е. температурной границы сегнетоэлектрического состояния, при которой материал начинает терять свой магнетизм. Высокая температура размагничивает материал и возбуждает магнитные частицы, нарушая равновесие магнитных доменов.

С магнитами мы сталкиваемся целый день. Они есть, например, в компьютерах: жесткий диск записывают всю информацию при помощи магнита, а также магниты используют во многих компьютерных мониторах. Магниты также являются неотъемлемой частью телевизоров с электронно-лучевой трубкой, акустических колонок, микрофонов, генераторов, трансформаторов, электромоторов, кассет, компасов и автомобильных спидометров. Магниты обладают удивительными свойствами. Они могут индуктировать ток в проводах и заставить электродвигатель вращаться. Достаточно сильное магнитное поле может поднять мелкие объекты или даже небольших животных. Поезда на магнитной подвеске развивают большую скорость только за счет магнитного толчка. Согласно научному журналу (Wired magazine), некоторые люди даже вставляют крошечные неодимовые магниты в пальцы для того, чтобы определять электромагнитные поля.

Приборы отображения магнитного резонанса, работающие за счет магнитного поля, позволяют докторам исследовать внутренние органы пациентов. Также доктора используют электромагнитное импульсное поле для того, чтобы посмотреть правильно ли срастаются сломанные кости после удара. Подобное электромагнитное поле используется астронавтами, которые долгое время находятся в невесомости для того, чтобы предотвратить растяжение мышц и ломки костей.

Магниты также применяются в ветеринарной практики для лечения животных (см.наши пред.статьи) . Например, коровы часто страдают травматическим ретикулоперикардитисом, эта сложная болезнь, развивающаяся у этих животных, которые часто вместе с кормом заглатывают мелкие металлические предметы, которые могут повредить стенки желудка, легкие или сердце животного. Поэтому, часто перед кормлением коров опытные фермеры с помощью магнита очищают их пищу от мелких несъедобных деталей. Однако, если корова уже проглотила вредные металлы, то магнит дают ей вместе с едой. Длинные, тонкие алнико магниты, также называемые «коровьими магнитами», притягивают все металлы и не позволяют им причинить вред желудку коровы. Такие магниты действительно помогают вылечить больное животное, но все же лучше следить за тем, чтобы в коровью еду не попадало вредных элементов. Что касается людей, то им противопоказано глотать магниты, поскольку те, попав в разные части организма, все равно будут притягиваться, что может привести к блокированию кровяного потока и разрушению мягких тканей. Поэтому, когда человек глотает магнит, ему необходима операция.

Некоторые люди считают, что магнитная терапия – это будущее медицины, поскольку это один из наиболее простых, но эффективных методов лечения многих болезней. Многие люди уже на практике убедились в действии магнитного поля. Магнитные браслеты, ожерелья, подушки и многие другие подобные изделия лучше таблеток лечат самые разнообразные заболевания – от артрита и до рака. Некоторые врачи также считают, что стакан намагниченной воды в качестве профилактики может избавить от появления большинства неприятных недугов.

Сторонники магнитной терапии по-разному трактуют полезность этого метода лечения. Одни говорят, что магнит способен притягивать железо, содержащееся в гемоглобине в крови, тем самым улучшая кровообращение. Другие уверяют, что магнитное поле каким-то образом меняет структуру соседних клеток. Но в то же время проведенные научные исследования не подтвердили, что использование статических магнитов может избавить человека от боли или вылечить болезнь. Некоторые сторонники также предлагают всем людям использовать магниты для очищения воды в домах. Большие магниты могут очистить жесткую воду за счет того, что удалят из нее все вредные ферромагнитные сплавы. Но, даже не смотря на то, что магниты вряд ли обладают лечебным действием, они все равно стоят изучения. Кто знает, возможно, в будущем мы все же раскроем полезные свойства магнитов.