Метаматериал для усиления магнитных полей


СОДЕРЖАНИЕ:

Наука

Сильнее любого магнитного поля на Земле.

Исследователи предложили новый способ использования лазеров для генерации магнитных полей, которые по своей мощности на порядок превосходят те, что мы на сегодняшний день способны произвести на нашей планете.

В природе подобные суперсильные поля существуют только в космическом пространстве, и они могут быть ключом к использованию чистой энергии ядерного синтеза и моделированию астрофизических процессов в лабораторных условиях.

Идея захватывающая, однако до сих пор в качестве доказательств жизнеспособности данной технологии физики использовали лишь теоретические расчеты, и экспериментально она пока не подтверждена, на что имеется уважительная причина: на данный момент мы не располагаем достаточно мощными лазерами, чтобы ее проверить.

Между тем на бумаге замысел работает благодаря так называемому эффекту Фарадея, который является результатом необычного взаимодействия между светом и магнитным полем.

Это довольно сложный процесс. Если говорить в общих чертах, эффект Фарадея связан с тем фактом, что при движении электромагнитной волны — такой, как видимый свет — через немагнитную среду ее плоскость поляризации будет вращаться при наличии постоянного магнитного поля.

Если разбирать это явление немного подробнее, можно сказать, что, когда свет поляризован, это значит, что все световые волны вибрируют в одной плоскости. Но угол этой плоскости может вращаться.

А благодаря эффекту Фарадея при свете, проходящем через среду, плоскость поляризации будет вращаться в соответствии с постоянным магнитным полем.

Как все это связано с лазерами? Ну, побочный результат эффекта Фарадея заключается в том, что, если вы начинаете воздействовать на поляризацию видимого света, проходящего через магнитную среду, она будет порождать магнитное поле.

Чем сильнее электромагнитная волна, тем выше производимое ею магнитное поле — так что, если вы используете действительно сильные лазеры, у вас должно возникнуть реально крутое поле.

Физики экспериментируют с этой идеей начиная с 1960-х годов, но причина, по которой она до сих пор не реализована, в том, что эффект Фарадея также требует наличия поглощения — того, что обычно происходит в ходе столкновения электронов.

После того как вы добьетесь определенной интенсивности лазера, электроны становятся ультрарелятивистскими, это означает, что они в своем огромном множестве сталкиваются реже и обычного поглощения в итоге не происходит.

По этой причине исследователи предположили, что лазер, достаточно мощный, чтобы создать суперсильное магнитное поле, также будет останавливать процесс абсорбции, что в свою очередь сведет на нет эффект Фарадея.

Однако недавно исследователи из России, Италии и Германии выдвинули гипотезу о том, что при очень высокой интенсивности лазерных волн поглощение может осуществляться не за счет столкновения электронов, но благодаря радиационному трению.

А этот особый тип трения, по крайней мере на бумаге, может привести к генерации суперсильного магнитного поля.

По расчетам команды ученых, достаточно мощный лазер будет способен производить поля с магнитной индукцией в несколько гигагаусс (гаусс (Гс) является единицей измерения магнитных полей).

Для сравнения: гигагаусс — это 10 9 Гс, или 1 000 000 000 Гс. Магнитное поле сумасшедшей силы, создаваемое магнитно-резонансным томографом, может достичь только 70 000 Гс, в то время как поверхность нейтронной звезды составляет около 1012 Гс.

Магнитные поля, которые мы можем создавать сегодня в лаборатории, достигают предела 108 Гс, с их помощью удается эффективно контролировать ядерный синтез в течение длительных периодов времени — то, где эта новая технология может особенно пригодиться.

Она также позволит ученым в лаборатории воссоздать невероятно сильные магнитные условия космического пространства.

«Новая область исследований — лабораторная астрофизика — возникла сравнительно недавно и сегодня стремительно развивается, — рассказывает один из исследователей, Сергей Попруженко, из Московского инженерно-физического института (Национальный исследовательский ядерный университет „МИФИ“). — Наша работа представляет особый интерес, поскольку предлагает новые возможности в этой области».

Задача теперь состоит в том, чтобы экспериментально проверить эту новую технику, чтобы понять, работает ли она в реальной жизни так, как это происходит на бумаге. Но если Попруженко предсказывает, что нам удастся сделать это в «ближайшем будущем», все-таки необходимо подождать, пока в нашем распоряжении окажется лазер достаточной мощности.

Хорошая новость в том, что в рамках европейского проекта Extreme Light Infrastructure три лазера уже находятся на стадии разработки в Чехии, Румынии и Венгрии, так что прогресс налицо.

«За счет радиационного трения эти лазерные установки будут способны переносить нагрузки, необходимые для генерации сверхсильных магнитных полей, а также окажутся полезными для наблюдения многих других фундаментальных эффектов сильного поля», — говорит Попруженко.

Материалы ИноСМИ содержат оценки исключительно зарубежных СМИ и не отражают позицию редакции ИноСМИ.

Ссылки по теме:

Лазерное оружие США: амбициозные планы

Космический лазер КНР

Лучшие

Все комментарии

GreyCat
_Andrew_
PS739
Serge3leo
Serge3leo
AmInvest
AmInvest
Чтоб я так жил

Где они этих первоклашек набрали?
Свойства квантовых волн таковы, что при взаимодействии с веществом обнаруживаются такие «сущности», которые принято называть электрическим и магнитным полем (и создаваемых им полем, отсутствие ярко выраженной «аномалии» связано с нарушением взаимной компенсации полей составляющих вещество частиц). «Аномалия» выражается в наличии «заряженности» циркулируемого (закольцованных квантовых траекторий) излучения «частиц» (центров масс «атомов») в виде электрического «заряда» и «намагниченности». Излучение радиоволн представляет собой передачу слабосвязанной материи в виде пакетов квантов (массообмен, перетеканием вещества, «телепортация», но в мизерных масштабах), при захвате материей выражающихся в приращении энергии электронов внешнего для атомов «облака Гейзенберга».

Каким подозревали первые «усмирители гроз» и электролизного накопления (они дали также толчок развитию металлургии для кабелестроения), свет (привет Фарадей) представляет собой передачу «электро-магнитной» энергии (здравствуй Максвелл). Смена «поляризации» волны происходит вследствие суперпозиции поля при взаимодействии с веществом, обладающим «аномально» выраженным статичным полем. Естественно, представляя собой стороны одной и той же медали (электричество и магнетизм, как если рассматривать лёд и воду как отдельные «сущности», только не в термодинамическом смысле, а кристаллографическом). Значит электромагнитными волнами (а свет относится к этому тоже) можно производить магнитные эффекты (создавать поля, раньше к этому пытались приспособить сверхпроводники, но решётки атомов существенно тормозили скорости передачи квантовой энергии. В вакууме (физическом, как известно «природа не терпит пустоты») нет постоянного перевозбуждения оболочек атомов среды, в которой происходит передача (коэффициенты торможения выражаются в электрической и магнитной проницаемости). Просто скорости изменения магнитного поля таких высоких «частот» (это лишь пространственно-временная сигнатура цуга волн поля) никто не регистрировал (свет — десятки террагерц). Обычно люди привыкли иметь дело с постоянным или медленно-переменным (килогерцы) полем, в крайнем случае опосредованно коэрцитивным материалам (по типу пермаллоя, сендаста, феррита, неодима и прочих; напомню что есть два типа «аномалий» — ферромагнитики и антиферромагнетики, диамагнетики и парамагнетики, имеющих противоположные свойства, это к сведению). Извините, если что перепутал, лет 20 не открывал учебников, но это для любящих пошутить гуманитариев, чтобы настроить их на более конструктивный лад, а не верю-неверю.

В качестве заключения скажу, что это шаг в правильном направлении (практическом, т.к. в теории многим это было очевидно). Дело не в удержании плазмы, а управляемлм термояде. Ведь научились же в химии автоматизированной секвентированию и сепарации соединений (производство рнк и белков поставлено на поток), ускорив техпроцесс в тысячи раз? Значит и здесь, кто ищет, тот обрящет. Успехов.

Использование магнитных метаматериалов существенно увеличивает эффективность систем беспроводной передачи энергии

Характеристики беспроводной передачи

За прошедшее десятилетие исследования в направлении беспроводной передачи энергии привели к разработке нескольких практических технологий, таких, как беспроводная зарядка мобильных и бытовых устройств, электрических автомобилей и т.п. Однако, все эти технологии пока еще имеют ограничения по дальности и достаточно малую эффективность при передаче энергии даже на тех малых расстояниях, на которых они способны функционировать.

В новых исследованиях, проведенных учеными из университета Тенцзи, Шанхай, Китай, был разработан способ значительного улучшения эффективности технологии беспроводной передачи энергии. Использование специальных магнитных метаматериалов, искусственных материалов, имеющих сложную структуру и структуру поверхности, эффективность передачи была увеличена с нескольких процентов до 20 процентов на расстоянии передачи в 4 сантиметра.

Идея беспроводной передачи энергии зародилась в 1890-х года, когда небезызвестный Никола Тесла начал проводить свои первые эксперименты в этом направлении. Теперь, более чем столетие спустя, эта идея вновь привлекла внимание ученых. И уже в 2007 году исследователи Массачусетского технологического института продемонстрировали первые практические системы беспроводной передачи, которые выпускались организованной для этого дела компанией Witricity.

По совпадению, у метаматериалов был достаточно схожая история. В начале 20 века ученые начали следования в области искусственных материалов, которые могли взаимодействовать со светом весьма необычными способами, но только в начале 2000-х, когда в распоряжении людей появились соответствующие технологии, были изготовлены первые образцы истинных метаматериалов.

Метаматериал, созданный китайскими учеными, является основой конструкции катушек, обеспечивающих работу неизлучающей беспроводной передачи энергии, технологии, используемой большинством существующих устройств передачи энергии. Одна катушка создает магнитное поле, а вторая катушка индуктивности служит для создания электрической составляющей электромагнитных колебаний.

Как в большинстве метаматериалов, используемые в метаматериале катушек структуры должны иметь размеры, кратные длинам волн, на которых работает данное устройство. Такой подход позволяет реализовать управление излучением электромагнитных волн такими способами, которые невозможно получить при использовании простых магнитных материалов. В данном случае, основу метаматериала составляют структуры, своего рода «метаатомы», размерами в 2.6 сантиметра, являющиеся составными частями спиральных медных катушек. Особый размер структур в 2.6 сантиметра очень важен, он обеспечивает сильную связь между резонансными свойствами метаатомов и длиной волны электромагнитного излучения, которая отвечает за увеличение эффективности передачи энергии.

Несмотря на использование «чудесных» метаматериалов, эффективность передачи энергии сильно зависит от расстояния, 32% при 3 сантиметрах, 15% при пяти сантиметрах и 20% при 4 сантиметрах. Но самым интересным расстоянием является именно 4 сантиметра, идеально подходящее для множества определенных областей применения, таких, как зарядка кардиоводителей и других имплантируемых медицинских устройств.

В ближайшем времени исследователи собираются произвести адаптацию разработанной ими технологии беспроводной передачи энергии для множества областей практического применения. И в первую очередь им придется разработать новые технологии изготовления метаматериалов, которые позволят производить такие материалы крупными партиями и по более низкой стоимости, нежели их нынешняя стоимость.

Нашли ошибку? Выделите и нажмите Ctrl + Enter

digitall_angell

.: Хроники ментальных путешествий :.

Ментальная разведка и метаконтакт. Новый взгляд на историю, медицину, «других» и возможности Матрицы

Генная инженерия материи: как магнитным полем сжимают металл

А вы знали, что металлы можно сжимать мощным магнитным полем?

Перед вами примеры, добытые в электрическом музее Тесла.

Прямо на ваших глазах берут монетку, кладут её в моток медной проволоки, пропускают через все это мощный заряд и вуаля! Детали под катом.

Обращаем внимание на лучевые стяжки к центру

Они называются линии Чернова-Людерса следы в виде тонких тёмных линий, появляющиеся на полированной или шлифованной поверхности стального образца при достижении предела текучести в процессе холодной пластической деформации. При растяжении или сжатии ориентированы примерно под углом 45° к оси образца, т. е. совпадают с направлением плоскостей главных касательных напряжений. Впервые описаны Л. Людерсом (L. Luders, Германия) в 1859 и независимо от него Д. К. Черновым в 1884. Ч.—Л. л. иногда называют также фигурами текучести или линиями деформации. Ист

Нужны монеты до 1998 года выпуска, позднее изменили сплав и он не поддается воздействию

При сжатии монеты становятся выпуклыми и раза в полтора толще оригинала.

. судя по всему, ввиду торроидальной природы магнитного поля, сжимающего материю к центру и выталкивающего её к полюсам.

Машина, которая это делает, называется шринкер (shrink = сжимать). В музее говорят, что таких всего две в мире, у них и в США (для публики).

Вот ролик о том, как это делается в штатах:

High speed coin shrinking

Сама монета уменьшается за тысячные доли секунды (в клипе на отметке 00:56), а проволока разлетается на куски.

На сайте http://www.capturedlightning.com/ можно посмотреть и приобрести разные монеты в сжатом состоянии.

Вот самые интересные экземпляры. Обращаем внимание, как полностью затягиваются дырки по центру и меняется форма в некоторых случаях

При сжатии двух монет одновременно наглядно видно образующееся торроидальное поле, отталкивающее их друг от друга по центру и сжимающее по периферии:

Наглядно видно, что поле неоднородно, имеет свой горизонт и к экватору намного сильнее, чем на полюсах

Иногда разные металлы сжимаются немного неравномерно, выталкивая центр.

К сожалению, нигде в сети не нашел информации о том, меняют ли монеты свой объем. Вычислить это по методу Архимеда не представляется возможным без лаборатории, слишком микроскопичны образцы и их изменения.

Однако, известно, что сжимаемость металлов может составлять 6-15% от изначального объема (а для щелочных металлов и до 40%. детали тут), поэтому объем наверняка уменьшается при таких нагрузках (особенно учитывая, то 99.99999. % материи — пустота)

То, что мы видим тут, является начальным этапом экспериментов по изменению свойств материи на квантовых уровнях (открытых вниманию публики). Это и есть то, что раньше называли алхимией. Судя по всему, это одно из скрытых предназначений адронного коллайдера.

При наличии достаточных мощностей, понимания основополагающих принципов полевых/ квантовых/ голографических взаимодействий, а главное — технологий, можно не только сжимать и расширять металлы, но и любой другой физический объект (который обладает своей кристаллической решеткой), а также извлекать (отфильтровывать) из него нужные материалы.

Более того, научившись не только наблюдать и телепортировать кванты, но и переводить их из проявленного состояния частицы в непроявленное состояние волны и обратно, а также работать с собственой психической энергией, кристаллами и кристаллическими решетками, как это делали предыдущие цивилизации, мы можем научиться генерировать материю из чистой энергии, окружающего нас эфира, либо менять её свойства, например из белковой в минеральную. Об этом еще поговорим.

Каждый электрик должен знать:  Что делать, если поврежден кабель скрытой проводки

Реальность многомерна, мнения о ней многогранны. Здесь показана лишь одна или несколько граней. Не стоит принимать их за истину в последней инстанции, ибо истина безгранична, а у каждого уровня сознания своя картина мира и уровень обработки информации. Учимся отделять наше от не нашего, либо добывать информацию автономно )

17. Магнитное поле проводника с током и способы его усиления.

При прохождении тока по прямолинейному проводнику вокруг него возникает магнитное поле (рис. 26). Магнитные силовые линии этого поля располагаются по концентрическим окружностям, в центре которых находится проводник с током.

Н аправление магнитных силовых линий можно определить по правилу буравчика.Если поступательное движение буравчика (рис. 27) совместить с направлением тока в проводнике, то вращение его рукоятки укажет направление силовых линий магнитного поля вокруг проводника. Чем больше ток, проходящий по проводнику, тем сильнее возникающее вокруг него магнитное поле. При изменении направления тока магнитное поле также изменяет свое направление.

По мере удаления от проводника магнитные силовые линии располагаются реже.

Способы усиления магнитных полей. Для получения сильных магнитных полей при небольших токах обычно увеличивают число проводников с током и выполняют их в виде ряда витков; такое устройство называют катушкой.

При проводнике, согнутом в виде витка (рис. 28,а), магнитные поля, образованные всеми участками этого проводника, будут внутри витка иметь одинаковое направление. Поэтому интенсивность магнитного поля внутри витка будет больше, чем вокруг прямолинейного проводника. При объединении витков в катушку магнитные поля, с озданные отдельными витками, складываются (рис. 28,б) и их силовые линии соединяются в общий магнитный поток. При этом концентрация силовых линий внутри катушки возрастает, т. е. магнитное поле внутри нее усиливается. Чем больше ток, п роходящий через катушку, и чем больше в ней витков, тем сильнее создаваемое катушкой магнитное поле.

Катушка, обтекаемая током, представляет собой искусственный электрический магнит. Для усиления магнитного поля внутрь катушки вставляют стальной сердечник; такое устройство называется электромагнитом.

О пределить направление магнитного поля, создаваемого витком или катушкой, можно также с помощью правой руки (рис.29) и буравчика (рис. 30).

18. Магнитные свойства различных веществ.

Все вещества в зависимости от магнитных свойств делят на три группы: ферромагнитные, парамагнитные и диамагнитные.

К ферромагнитным материалам относят железо, кобальт, никель и их сплавы. Они обладают высокой магнитной проницаемостью µ и хорошо притягиваются к магнитам и электромагнитам.

К парамагнитным материалам относят алюминий, олово, хром, марганец, платину, вольфрам, растворы солей железа и др. Парамагнитные материалы притягиваются к магнитам и электромагнитам во много раз слабее, чем ферромагнитные материалы.

Диамагнитные материалы к магнитам не притягиваются, а, наоборот, отталкиваются. К ним относят медь, серебро, золото, свинец, цинк, смолу, воду, большую часть газов, воздух и пр.

Магнитные свойства ферромагнитных материалов. Ферромагнитные материалы благодаря их способности намагничиваться широко применяют при изготовлении электрических машин, аппаратов в других электротехнических установок.

Кривая намагничивания. Процесс намагничивания ферромагнитного материала можно изобразить в виде кривой намагничивания (рис. 31), которая представляет собой зависимость индукции В от напряженности Н магнитного поля (от намагничивающего тока I).

К ривую намагничивания можно разбить на три участка:О-а, на котором магнитная индукция возрастает почти пропорционально намагничивающему току; а-б, на котором рост магнитной индукции замедляется, и участок магнитного насыщения за точкой б, где з ависимостьВ от Н становится опять прямолинейной, но характеризуется медленным нарастанием магнитной индукции при увеличении напряженности поля.

П еремагничивание ферромагнитных материалов, петля гистерезиса. Большое практическое значение, особенно в электрических машинах и установках переменного тока, имеет процесс перемагничивания ферромагнитных материалов. На рис. 32 показан график изменения индукции при намагничивании и размагничивании ферромагнитного материала (при изменении намагничивающего тока I. Как видно из этого графика, при одних и тех же значениях напряженности магнитного поля магнитная индукция, полученная при размагничивании ферромагнитного тела (участок а-б-в), будет больше индукции, полученной при намагничивании (участки О-а и д-а). Когда намагничивающий ток будет доведен до нуля, индукция в ферромагнитном материале не уменьшится до нуля, а сохранит некоторое значение Вr, соответствующее отрезку О-б. Это значение называется остаточной индукцией.


Явление отставания, или запаздывания, изменений магнитной индукции от соответствующих изменений напряженности магнитного поля называется магнитным гистерезисом, а сохранение в ферромагнитном материале магнитного поля после прекращения протекания намагничивающего тока — остаточным магнетизмом.

П ри изменении направления намагничивающего тока можно полностью размагнитить ферромагнитное тело и довести магнитную индукцию в нем до нуля. Обратная напряженностьНс, при которой индукция в ферромагнитном материале уменьшается до нуля, называется коэрцитивной силой. Кривую О-а, получающуюся при условии, что ферромагнитное вещество было предварительно размагничено, называют первоначальной кривой намагничивания. Кривую изменения индукции называют петлей гистерезиса.

В лияние ферромагнитных материалов на распределение магнитного поля. Если поместить в магнитное поле какое-либо тело из ферромагнитного материала, то магнитные силовые линии будут входить и выходить из него под прямым углом. В самом теле и около него будет иметь место сгущение силовых линий, т. е. индукция магнитного поля внутри тела и вблизи него возрастает. Если выполнить ферромагнитное тело в виде кольца, то во внутреннюю его полость магнитные силовые линии практически проникать не будут (рис. 33) и кольцо будет служить магнитным экраном, защищающим внутреннюю полость от влияния магнитного поля. На этом свойстве ферромагнитных материалов основано действие различных экранов, защищающих электроизмерительные приборы, электрические кабели и другие электротехнические устройства от вредного воздействия внешних магнитных полей.

Придуман метаматериал для усиления магнитных полей

Разработка может понадобиться для совокупностей магнитной левитации, беспроводной энергопередачи либо в других задачах, где нужны сильные переменные поля, но одновременно с этим нужно обеспечить безопасность для человека.

Биологические ткани прозрачны для магнитных полей. В данной связи весьма интересно обучиться усиливать магнитную составляющую электромагнитных колебаний без роста электрической составляющей. Подобный трюк открыл бы дорогу новым совокупностям, применяющим магнитные поля (скажем, для левитирующих поездов), каковые были бы и экономичнее, и надёжнее, чем существующие аналоги.

Ярослав Уржумов, доктор наук университета Дюка, внес предложение метод достижения искомого результата: «Магнитно-активный метаматериал теоретически может уменьшить величину тока, нужного для достаточно сильного магнитного поля. Это разрешит снизить паразитические электрические поля в окружающей среде и создать замечательные и надёжные электромагнитные совокупности».

Ещё 10 лет назад Ярослав получал образование столичном физтехе, а сейчас его умения были пользуются спросом в Соединенных Штатах. Имеется чем гордиться, и имеется чему огорчиться (фото Duke University, Pratt School of Engineering).

его коллеги и ярослав совершили численное моделирование и установили, что макроскопические объекты, выстроенные из метаматериалов с отрицательной магнитной проницаемостью, при последовательности условий способны увеличивать магнитные силы в низкочастотных полях.

Это явление физики назвали магнитостатический поверхностный резонанс (MSR). Учёные говорят, что по собственному принципу он похож на плазмонный поверхностный резонанс в оптике, наблюдающийся в материалах с отрицательной диэлектрической проницаемостью.

Авторы смоделировали метаматериал с высокой анизотропией: в нём магнитная проницаемость отрицательна в одном направлении, но хороша во всех других. Расчёт продемонстрировал, что таковой объект способен за счёт резонанса быстро усиливать магнитное поле.

«Явление MSR может разрешить магнитным совокупностям левитации расширить массу поднимаемых объектов на порядок при применении для того чтобы же количества электричества», — заявил Уржумов. Подобное необыкновенное управление электромагнитными силами в полной мере может понадобиться и в других устройствах – от маленьких оптических пинцетов, удерживающих атомы, до экзотического электромагнитного оружия.

В данной связи кроме этого весьма интересно отыскать в памяти, что в совокупностях беспроводной энергопередачи по разработке WiTricity употребляется сильное пульсирующее магнитное поле, которое, как заявляют авторы, безвредно для животных и людей.

По данным университета Дюка, несколько экспериментаторов из Бостонского колледжа (Boston College) на данный момент сооружает некоторый прототип для того чтобы метаматериала – магнитного усилителя, в соответствии с выкладками его коллег и ярослава.

(Подробности новой работы раскрывает статья в Physical Review B.)

Метаматериал для усиления магнитных полей

Разработка может пригодиться для систем магнитной левитации, беспроводной передачи энергии или в других задачах, где необходимы сильные переменные поля, но в то же время желательно обеспечить безопасность для человека.

Биологические ткани прозрачны для магнитных полей. В этой связи интересно научиться усиливать магнитную составляющую электромагнитных колебаний без роста электрической составляющей. Подобный трюк открыл бы дорогу новым системам, использующим магнитные поля (скажем, для левитирующих поездов), которые были бы и экономичнее, и безопаснее, чем существующие аналоги.

Ярослав Уржумов, профессор университета Дюка, предложил способ достижения искомого результата: «Магнитно-активный метаматериал теоретически может уменьшить величину тока, необходимого для создания достаточно сильного магнитного поля. Это позволит снизить паразитические электрические поля в окружающей среде и создать мощные и безопасные электромагнитные системы».

Ярослав и его коллеги провели численное моделирование и установили, что макроскопические объекты, построенные из метаматериалов с отрицательной магнитной проницаемостью, при ряде условий способны увеличивать магнитные силы в низкочастотных полях.

Это явление физики назвали магнитостатический поверхностный резонанс (MSR). Учёные говорят, что по своему принципу он похож на плазмонный поверхностный резонанс в оптике, наблюдающийся в материалах с отрицательной диэлектрической проницаемостью.

Авторы смоделировали метаматериал с очень высокой анизотропией: в нём магнитная проницаемость отрицательна в одном направлении, но положительна во всех других. Расчёт показал, что такой объект способен за счёт резонанса резко усиливать магнитное поле.

«Явление MSR может позволить магнитным системам левитации увеличить массу поднимаемых объектов на порядок при использовании такого же количества электроэнергии», — заявил Уржумов. Подобное необычное управление электромагнитными силами вполне может пригодиться и в других устройствах – от крохотных оптических пинцетов, удерживающих атомы, до экзотического электромагнитного оружия.

В этой связи также интересно вспомнить, что в системах беспроводной передачи энергии по технологии WiTricity используется сильное пульсирующее магнитное поле, которое, как заявляют авторы, безвредно для людей и животных.

По информации университета Дюка, группа экспериментаторов из Бостонского колледжа (Boston College) сейчас строит некий прототип такого метаматериала – магнитного усилителя, в соответствии с выкладками Ярослава и его коллег.

Сверхсильные импульсные магнитные поля

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 rf и площадь сечения до Sf. 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 Bf=B*λ*S/Sf, 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).

Каждый электрик должен знать:  Квалификационная характеристика электромонтера по ремонту электрооборудования 4-го разряда

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).

Применение метаматериалов в антенной технике Текст научной статьи по специальности « Физика»

Аннотация научной статьи по физике, автор научной работы — Авдюшин А. С., Власов М. Ю., Пастернак Ю. Г.

В статье приводится сводная информация о метаматериалах , их классификация и особенности электродинамических свойств. Рассматриваются элементарные способы реализации искусственных сред с отрицательной электрической и/или магнитной проницаемостью. Перечисляются варианты применения метаматериалов в антенной технике

Похожие темы научных работ по физике , автор научной работы — Авдюшин А. С., Власов М. Ю., Пастернак Ю. Г.

APPLICATION OF METAMATERIALS IN ANTENNA TECHNOLOGY

The article is a summary of metamaterials , their >metamaterials in antenna technology

Текст научной работы на тему «Применение метаматериалов в антенной технике»

ПРИМЕНЕНИЕ МЕТАМАТЕРИАЛОВ В АНТЕННОЙ ТЕХНИКЕ

А.С. Авдюшин, М.Ю. Власов, Ю.Г. Пастернак

В статье приводится сводная информация о метаматериалах, их классификация и особенности электродинамических свойств. Рассматриваются элементарные способы реализации искусственных сред с отрицательной электрической и/или магнитной проницаемостью. Перечисляются варианты применения метаматериалов в антенной технике

Ключевые слова: метаматериалы, кольцевой разомкнутый резонатор, отрицательный индекс преломления, левосторонние среды, антенны

Массовое распространение и взрывная эволюция мобильных устройств в последнее десятилетие ставит перед инженерами и учеными все новые задачи по повышению энергоэффективности и одновременному уменьшению массы и габаритов используемых радиоэлектронных компонентов. Не в последнюю очередь это относится к антенным системам, к которым в современных устройствах предъявляются все более жесткие требования по таким параметрам, как эффективность, широкопо-лосность, надежность и функциональность. Удовлетворение этим требованиям невозможно без реализации новых физических явлений, разработки новых материалов и технологий. В последние годы разработчиков СВЧ устройств и антенн всё больше привлекают новые материалы и среды с необычными электродинамическими свойствами, и прежде всего метаматериалы.

Метаматериал — композиционный материал, свойства которого обусловлены не столько свойствами составляющих его элементов, сколько искусственно созданной периодической структурой из макроскопических элементов, обладающих произвольными размерами и формой. Искусственная периодическая структура модифицирует диэлектрическую и магнитную проницаемости исходного материала. [1]

Таким образом, метаматериалы представляют собой искусственно сформированные и особым образом структурированные среды, обладающие электромагнитными свойствами, сложно достижимыми технологически либо не встречающимися в природе. Приставка «мета» переводится с греческого как «вне», что позволяет трактовать термин «метаматериалы» как структуры, чьи эффективные электромагнитные свойства выходят за пределы свойств образующих их компонентов.

Анализ публикаций по различным аспектам технологий метаматериалов позволяет классифицировать все многообразие естественных и искусственных сред в зависимости от эффективных зна-

Авдюшин Артем Сергеевич — ЗАО «ИРКОС», начальник

отдела, e-mail: AvdushinAS@gmail.com

Власов Михаил Юрьевич — ВГТУ, аспирант, e-mail:

Пастернак Юрий Геннадьевич — ВГТУ, д-р техн. наук, профессор, e-mail: PastemakYG@mail.ru

чений их диэлектрической (e ) и магнитной (m )

проницаемостей (рис. 1). У почти всех встречающихся в природе веществ диэлектрическая и магнитная проницаемости больше нуля. Существенно, что у подавляющего большинства сред в наиболее интересных для практического использования диапазонах частот эти параметры, как правило, вообще больше или равны единице. В зарубежной литературе данные материалы обычно называют DPS (double positive, двойные положительные), подчеркивая тем самым положительность значений как e , так и m (правый верхний квадрант на рис. 1). DPS-среды считаются прозрачными для электромагнитных волн, если внутренние потери в них малы. [2]

Материалы, у которых отрицательна e либо m, называют SNG (single negative, моно-отрицательные). В таких средах электромагнитные волны быстро затухают по экспоненте. В отношении подобных материалов полагают, что они непрозрачны для излучения, если их толщина больше, чем характерная экспоненциальная длина затухания электромагнитных волн. Если e 0 , SNG-материал называют ENG (e -отрицательный), если e > 0 и m Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

(е>0, ц Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

где ар — параметр, именуемыи радиальнои

плазменной частотой (радиальной частотой собственных колебаний плазмы) и зависящий от плотности, величины заряда и массы носителей зарядов. Ниже плазменной частоты диэлектрическая проницаемость отрицательна, и электромагнитные волны не могут распространяться из-за потери средой прозрачности. При а > а р величина е > 0, и

электромагнитные волны могут проходить через ионизированную среду. Известным примером электромагнитной плазмы является ионосфера земли, от которой излучение низкой частоты отражается (при е<а) Не можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

— радиус проводника, с — скорость света, а -удельная электропроводность материала проводника. [1]

Для достижения независимости избирательных свойств метасреды от направления электромагнитных волн следует использовать трехмерные формы структурообразующих элементов. Обобщением

проводных решений на изотропный вариант ЕКО-материалов является триплетная конструкция (рис. 3).

Рис. 3. Триплетный элемент для создания изотропных ENG-структур [4]

Средами с положительной диэлектрической и отрицательной магнитной проницаемостями являются, в определенных частотных режимах, некоторые гиротропные вещества. Простейшим элементом, позволяющим создать искусственную MNG-среду (метаматериал), является кольцевой разомкнутый резонатор (КРР, англ. split ring resonator, SRR) (рис. 4).

Если электрическое поле параллельно осям проводников, то в них возбуждается ток, создающий эквивалентные электрические дипольные моменты. Усреднение дипольных моментов образует диэлектрическую проницаемость структуры с частотной зависимостью плазменного типа:

где w — частота электронной плазмы, £ -параметр затухания:

Рис. 4. Кольцевой разомкнутый резонатор

В этой структуре емкость между двумя кольцами компенсируется их индуктивностью. Изменяющееся во времени магнитное поле с вектором напряженности, перпендикулярным поверхности колец, вызывает потоки, которые, в зависимости от резонансных свойств структуры, порождают вторичное магнитное поле, усиливающее исходное либо противодействующее ему, что приводит к положительным или отрицательным эффективным значениям т [2]. Магнитная проницаемость метаматериала, созданного с применением таких структур, описывается формулой:

где со0т — резонансная частота кольцевого резонатора, X — параметр затухания:

Здесь а — внутренний радиус меньшего кольца, 5 — радиальное расстояние между кольцами, р — расстояние между центрами соседних КРР, Яг -погонное сопротивление металлического проводника.

Как видно из формулы (5), на частотах выше резонансной эффективная магнитная проницаемость такого метаматериала отрицательна. [1]

Применение этих структур для получения метаматериалов, обладающих отрицательными эффективными значениями диэлектрической и магнитной составляющей, впервые предложил Джон Пендри [5] в 1999 году. Его подход заключался в том, что если композитный материал состоит из дискретных рассеивающих элементов, размер которых меньшие длины волны излучения, то данный композит с точки зрения электродинамики можно рассматривать как непрерывный в ограниченной полосе частот. Другими словами, физическая среда будет непрерывной в электромагнитном смысле, если ее свойства могут быть описаны усредненными параметрами, изменяющимися в масштабе, намного большем, чем размеры и интервал образующих материал компонентов.

Уже через год эта идея была развита Дэвидом Смитом с коллегами из Калифорнийского университета в Сан-Диего, представившими [6] метаматериал, построенный на основе сочетания форм разновидностей элементарных антенн (рис. 5).

Таким образом был впервые получен материал, обладающий одновременно отрицательными диэлектрической и магнитной проницаемостями (БКО-материал). До недавнего времени этот класс материалов был представлен только искусственными конструкциями, однако и лишь в 2006 году было

установлено, что кристаллы Ьа2/3Са1/3Мп3 обладают такими же свойствами в диапазоне 150 ГГц.

БКО-материалы обладают рядом интересных свойств, наиболее примечательным из которых является отрицательный коэффициент преломления электромагнитных волн п . Впервые этот эффект был теоретически предсказан в работах Виктора Веселаго [7], а после создания первой БКО-структуры подтвержден экспериментально. Результаты прямого измерения угла преломления для призмы, изготовленной на основе метаматериала, приведенного на рис. 5, убедительно показали, что преломление электромагнитной волны на границе вакуума и такой композитной среды подчиняется закону Снеллиуса с отрицательным значением индекса п . [8]

Рис. 5. Комбинация структур с отрицательной диэлектрической и отрицательной магнитной проницаемостями (экспериментальная реализация) [1]

Кроме этого, В DNG-среде векторы Умова-Пойтинга и фазовой скорости (волновой вектор k) противоположны, соответственно E, H и k формируют левостороннюю систему координат (в отличие от DPS среды, в которой они формируют правостороннюю систему). Из-за этого DNG-среды также называют LHM (left-hand materials, левосторонние материалы).

Отрицательная величина коэффициента преломления изменяет геометрическую оптику линз и других объектов, образованных из DNG-материалов. Например, фокусирующая линза становится рассеивающей. Напротив, отклоняющая двояковогнутая линза, изготовленная из DNG-материала, действует как фокусирующая. Кроме того, обычная плоскопараллельная пластина с n = -1 может выступать в роли собирающей линзы. [7]

Поскольку метаматериалы являются структурами с уникальными электромагнитными свойствами, они находят широкое применение при разработке и производстве различных СВЧ-устройств. На их основе строят резонаторы, фазовращатели, фильтры и т. п.


Компоненты электромагнитных цепей, обладающие свойствами метаматериалов, применяются также в технике антенн в диапазоне частот от 100

МГц до 100 ГГц. Основными направлениями использования метаматериалов при этом являются:

— излучатели, расположенные над высокоим-педансной поверхностью;

— антенны с излучающей поверхностной волной;

— уменьшение взаимного влияния элементов антенных решеток, в том числе в М1МО-устройствах;

— увеличение коэффициента усиления рупорной антенны. [1]

Использование метаматериалов является одним из наиболее перспективных и динамических развивающихся направлений в СВЧ-техники. Потенциал, заложенный в нем, еще только предстоит полностью раскрыть, но уже сейчас применение искусственных структур с необычными электродинамическими свойствами позволяет создать СВЧ-устройства и антенны, характеристики которых недостижимы другими способами.

1. И.Б. Вендик, О.Г. Вендик. Метаматериалы и их применение в технике сверхвысоких частот // Журнал технической физики. 2013. Т. 83. Вып. 1. С. 3-28.

2. В. Слюсар. Метаматериалы в антенной технике: история и основные принципы // ЭЛЕКТРОНИКА НТБ. 2009. № 7. С. 70-79

3. Metamaterials: Physics and Engineering Explorations/Edited by N. Engheta and R. W. Ziolkowski. — Wiley-IEEE Press, 2006.

4. M. Hudlicka, J. Machac, I.S. Nefedov. A Triple Wire Medium as an Isotropic Negative Permittivity Metamaterial — Progress in Electromagnetics Research, PIER 65, 2006, p. 233-246.

5. J.B. Pendry et al. Magnetism from conductors and enhanced nonlinear phenomena. — IEEE Trans. Microw. Theory Tech., Vol. 47, No.11, 1999, p. 2075-2084.

6. D.R. Smith et al. Composite Medium with Simultaneously Negative Permeability and Permittivity — Physical Review Letters, Vol. 84, N 18, 1 May 2000, p. 4184-4187.

7. Веселаго В.Г. Электродинамика веществ с одновременно отрицательными значениями s и ц. // Успехи физических наук. 1967. Т. 92. № 7. С. 517-526.

8. R.A. Shelby, D.R. Smith, S. Schultz. Experimental Verification of a Negative Index of Refraction. — Science, 6 April 2001, Vol. 292, No. 5514, p. 77-79.

Закрытое акционерное общество «ИРКОС» (г. Воронеж) Воронежский государственный технический университет

APPLICATION OF METAMATERIALS IN ANTENNA TECHNOLOGY A.S. Avdushin, M.Yu. Vlasov, Yu.G. Pasternak

The article is a summary of metamaterials, their classification and specifics of electrodynamic properties. Discusses how to implement the basic artificial media with negative permittivity and / or permeability. Includes options for use of metamaterials in antenna technology

Key words: metamaterials, split ring resonator, negative refractive index, left-hand materials, antennas

устройство для создания мощного высокочастотного переменного магнитного поля

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для силового действия магнитного поля на атомы (молекулы) вещества, усиления магнитного поля и нагрева вещества индукционным способом. Техническим результатом является уменьшение сопротивления, силы тока и, следовательно, уменьшение силы Лоренца и температур катушек индуктивности. Устройство содержит управляющий колебательный контур с внешним генератором и катушкой индуктивности и замкнутые колебательные контуры, образованные катушкой индуктивности и конденсатором, и создает мощное высокочастотное переменное магнитное поле. Катушки индуктивности управляющего и замкнутых колебательных контуров образуют соленоид, составленный на множества катушек равного номинала, плоскости витков которых взаимно параллельны. Конденсаторы в замкнутых колебательных контурах имеют равные номиналы. Внешний генератор управляющего колебательного контура выполнен в виде генератора высокочастотного переменного электрического тока. 4 ил.

Рисунки к патенту РФ 2375722

Устройство для создания мощного высокочастотного переменного магнитного поля относится к области электротехники и может быть применено для силового действия магнитного поля на атомы (молекулы) вещества, усиления магнитного поля и нагрева вещества индукционным способом.

Известно устройство для бесконтактной передачи электроэнергии с непосредственным преобразованием ее в тепловую, для возбуждения электрических токов в токопроводящих телах переменным электромагнитным полем, содержащее источник питания, блок реактивной емкостной мощности (конденсатор), индуктор в виде соленоида, нагреваемый объект, где для питания индукторов применяются машинные, статические преобразователи, а также генераторы (БСЭ т. № 10, стр.262, столбец 772. Москва. Издательство «Советская энциклопедия» 1972 г.).

Для нагрева при помощи индуктора в виде соленоида на вещество в ограниченном объеме воздействуют мощным, высокочастотным, переменным магнитным полем.

При осуществлении данного процесса с применением классического соленоида возникают следующие проблемы. Поскольку мощность электромагнитного поля зависит от индуктивности, которая зависит от силы тока, протекающего по обмотке соленоида, возникают следующие побочные эффекты, затрудняющие получение сильного магнитного поля.

— на элемент обмотки действует сила Лоренца, стремящаяся изменить геометрию, способная разорвать обмотку;

— при протекании тока по проводнику с определенным сопротивлением выделяется мощность, пропорциональная квадрату силы тока, следовательно, для усиления магнитного поля необходимо на порядок увеличивать мощность, которая согласно закону Джоуля-Ленца вся выделится в тепло, передаваемое не только нагреваемому телу, но и нагреву всей установки.

Применение же высокой частоты переменного тока в соленоиде вызывает дополнительное индуктивное сопротивление, что усугубляет проблему с отводом тепла.

Проблемой является и то, что частота импульсов электромагнитного поля, индуцирующего магнитное поле, находится в обратной зависимости от индуктивности, что затрудняет совмещение мощности поля и его высокочастотности.

Данной установке присуще высокое реактивное сопротивление, за счет которого и происходит нагрев не только среды воздействия, но и самого индуктора.

Известен магнитодинамический, индукционный насос, содержащий индуктор, магнитопровод, обмотку индуктора, канал, жидкий металл и подающий электропроводящую жидкость с помощью электромагнитной силы, которая возникает от взаимодействия магнитного поля индуктора с полем электрического тока, индуктируемого в проходящей через насос среде (БСЭ т. № 10, стр.262, столбец 773. Москва. Издательство «Советская энциклопедия» 1972 г.).

Для создания мощного электромагнитного поля, необходимого для работы насоса, необходимо высокое напряжение, которое требует мощного источника электроэнергии, при этом возникает перегрев всего устройства, для устранения которого применяются сложные инженерные решения.

Наиболее близким по технической сути является усилитель магнитного потока и силовые электротехнические устройства на его основе по патенту RU 2201001 от 2000.04.20, опубл. 2003.03.20, МПК 7, H01F 38/06, H01F 27/42, техническим результатом которого является создание усилителя магнитного потока, позволяющего достигнуть существенной экономии потребляемой энергии промышленного тока.

Усилитель магнитного потока в электротехническом устройстве выполнен в виде силового резонансного по току колебательного контура с собственной частотой колебаний, равной частоте колебаний тока в питающем его источнике, включающего параллельно соединенные катушку индуктивности с трансформаторным сердечником, емкость с образованием общего магнитопровода — приемника/преобразователя усиленного магнитного потока. Параметры катушки индуктивности, сердечника и емкости выбраны из расчета установления в общем магнитопроводе магнитной индукции, близкой к пределу его полного магнитного насыщения в диапазоне нагрузок от холостого хода до номинальной мощности электротехнического устройства.

Но в данном устройстве для усиления магнитного поля используется сердечник трансформаторного типа, что исключает использование рабочей зоны внутри соленоида для воздействие на что-либо.

Задачей предлагаемого технического решения является создание универсального устройства для создания мощного высокочастотного переменного магнитного поля при минимальном сопротивлении, силе тока и, как следствие, при минимальных параметрах силы Лоренца и низких температурах катушек индуктивности.

Задача решена за счет устройства для создания мощного высокочастотного переменного магнитного поля, содержащего управляющий колебательный контур с внешним генератором и катушкой индуктивности и замкнутые колебательные контуры, образованные катушкой индуктивности и конденсатором, при этом катушки индуктивности управляющего и замкнутых колебательных контуров образуют соленоид, составленный на множества катушек равного номинала, плоскости витков которых взаимно параллельны; конденсаторы в замкнутых колебательных контурах имеют равные номиналы, внешний генератор управляющего колебательного контура выполнен в виде генератора высокочастотного переменного электрического тока.

Образование соленоида из множества катушек индуктивности равного номинала, управляющего и замкнутых колебательных контуров приводит к тому, что при сравнительно малых по сравнению с индуктивностью и сопротивлением всего соленоида индуктивности и сопротивлении каждой индивидуальной катушки индуктивности колебательного контура время ее релаксации мало, что позволяет выполнить внешний генератор управляющего колебательного контура в виде генератора высокочастотного переменного электрического тока и использовать в работе контура высокую частоту переменных электромагнитных колебаний.

Взаимно параллельное расположение плоскости витков всех катушек обеспечивает максимальное магнитное сцепление управляющего и замкнутых контуров.

В силу равенства номиналов катушек индуктивности и конденсаторов все колебательные контуры работают в одной фазе, что позволяет создать когерентный электромагнитный поток.

Следовательно, устройство создает мощное высокочастотное переменное магнитное поле при минимальном сопротивлении, силе тока и, как следствие, при минимальных параметрах силы Лоренца и низких температурах катушек индуктивности.

Устройство для создания мощного высокочастотного переменного магнитного поля показано на чертежах, где на фиг.1 изображено расположение управляющего и колебательных контуров на диэлектрической платформе, на фиг.2 — то же, вид сверху, на фиг.3 — то же, вид сбоку, на фиг 4 — плоскость витка катушки индуктивности.

На фиг.1, 2, 3, 4 изображено устройство для создания мощного высокочастотного переменного магнитного поля, где управляющий колебательный контур 1, замкнутые колебательные контуры 2, катушка индуктивности L y 3 управляющего контура; катушки индуктивности L 1 , L 2 , L i , L j 4 колебательных контуров, конденсаторы C 1 , С 2 , C i , С j 5 колебательных контуров, внешний генератор 6 высокочастотного переменного электрического тока, плоскость витков 7, диэлектрическая платформа 8.

Устройство для создания мощного высокочастотного переменного магнитного поля выполнено следующим образом.

В отличие от классического соленоида в предлагаемом устройстве соленоид разделен на множество маловитковых катушек с малым индукционным сопротивлением и, как следствие, малым временем релаксации, что позволяет создавать электромагнитное поле высокой переменной частоты.

Источник магнитного поля — соленоид, витками катушки которого являются катушки 3 и 4 индуктивности L у , L 1 , L 2 , L i , L j , управляющего 1 и нескольких замкнутых колебательных контуров 2 с равными номиналами комплектующих деталей электрических цепей, с индукционным (бесконтактным) возбуждением электрического тока от внешнего генератора 6 высокочастотного переменного электрического тока.

Устройство выполнено в виде соленоида. Управляющий колебательный контур 1 выполнен из внешнего импульсного генератора 6 высокочастотного переменного электрического тока и катушки индуктивности 3 управляющего контура L y .

Несколько колебательных контуров 2 выполнены из катушек индуктивностей 4, имеющих от 2 до 9 витков 7, при этом L 1 =L 2 =L i =L j , и конденсаторов 5, при этом C 1 =С 2 =С i =С j .

Конденсаторы 5 колебательных контуров, катушки индуктивности 3 управляющего колебательного контура 1 и катушки индуктивности 4 колебательных контуров 2 расположены на диэлектрической платформе 6.

Плоскости витков 7 всех катушек 3, 4 индуктивности взаимно параллельны для достижения максимального магнитного сцепления управляющего и замкнутых контуров.

Устройство для создания мощного высокочастотного переменного магнитного поля работает следующим образом.

Устройство работает по принципу соленоида как источника мощного высокочастотного переменного магнитного поля.

Источник магнитного поля — соленоид, витками катушки которого являются катушки индуктивности 4 нескольких замкнутых колебательных контуров 2 с равными номиналами комплектующих деталей электрических цепей, с индукционным (бесконтактным) возбуждением электрического тока от внешнего генератора высокочастотного переменного электрического тока.

При подаче генератором 6 импульсов электрического тока в катушку 3 управления L у , управляющего колебательного контура 1 в ней создается магнитный поток мощностью пропорциональной числу витков, который пронизывает витки катушек 4 индуктивностей L 1 , L 2 , L i , L j , соседних колебательных контуров 2. Плоскости витков 7 всех катушек 3, 4 индуктивностей взаимно параллельны для достижения максимального магнитного сцепления управляющего и замкнутых контуров. Так как генератор 6 управления формирует высокочастотный переменный ток, то в катушках индуктивности 4 колебательных контуров 2 создается электрический ток взаимной индукции. Он заряжает конденсаторы 5 колебательных контуров 2, которые начинают работать самостоятельно в режиме генерации магнитного поля, каждый в своих катушках индуктивности 4.

В силу равенства параметров катушек индуктивности L 1 =L 2 =L i =L j , равенства параметров конденсаторов C 1 =С 2 =С i =С j все колебательные контуры 2 работают в одной фазе, что позволяет создать когерентный электромагнитный поток.

Согласно теории электромагнитной индукции взаимная суммарная индуктивность всех соседствующих катушек индуктивности 4, составляющих собственно соленоид, пропорциональна произведению количества их витков. То есть, каждый последующий колебательный контур 2, включенный в схему, увеличивает суммарный магнитный поток в количество раз витков своей катушки индуктивности 4, без увеличения силы электрического тока. В данном режиме вся схема работает по мощности как единый соленоид с количеством витков, равным сумме витков всех катушек 4 колебательных контуров 2.

При протекании через катушку индуктивности 4 переменного электрического тока ее индивидуальное сопротивление состоит из сопротивления материала катушки и индуктивного сопротивления, которое зависит от числа витков. Но сопротивление каждой катушки 4 колебательного контура 2 чрезвычайно мало, так как имеет малое количество витков (2-9 витков).

Следовательно, в рабочей зоне внутри соленоида имеется магнитный поток, формируемый суммой витков всех катушек 3 и 4 системы, при минимальном сопротивлении и силе электрического тока. Данные условия позволяют минимизировать все нежелательные физические процессы формирующегося при помощи соленоида магнитного поля.

Согласно теории электромагнитных колебаний частота электромагнитных импульсов обратно пропорциональна их мощности, определяемой номиналом емкости конденсатора 5 и катушки индуктивности 4, а время релаксации катушки индуктивности 4 зависит от отношения ее индуктивности к собственному сопротивлению.

Параметры конденсаторов 5, катушек индуктивности 4 и расстояния между катушками выбирают исходя из требуемой потребителю частоты высокочастотного электромагнитного поля.

При малых индуктивности и сопротивлении каждой индивидуальной катушки индуктивности 4 колебательного контура 2 время ее релаксации мало, что позволяет использовать в работе контура высокую частоту переменных электромагнитных колебаний.

Следовательно, соленоид работает как источник мощного высокочастотного переменного магнитного поля при минимальном сопротивлении, силе тока и, как следствие, при минимальных параметрах силы Лоренца и низких температурах катушек индуктивности 4.

Электрический ток для формирования магнитного поля создается не за счет мощности внешнего источника, а за счет наведения ЭДС индукции в каждом колебательном контуре. При этом температура непосредственно катушек индуктивности низка и не требует сложных технических решений для охлаждения и преодоления силы Лоранца, стремящихся разорвать катушки индуктивности.

Техническим результатом является создание устройства, создающего мощное высокочастотное переменное магнитное поле при минимальном сопротивлении, силе тока и, как следствие, при минимальных параметрах силы Лоренца и низких температурах катушек индуктивности за счет того, что катушки индуктивности управляющего и замкнутых колебательных контуров образуют соленоид, составленный на множества катушек равного номинала, плоскости витков которых взаимно параллельны; конденсаторы в замкнутых колебательных контурах имеют равные номиналы, внешний генератор управляющего колебательного контура выполнен в виде генератора высокочастотного переменного электрического тока.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Устройство для создания мощного высокочастотного переменного магнитного поля, содержащее управляющий колебательный контур с внешним генератором и катушкой индуктивности, и замкнутые колебательные контура, образованные катушкой индуктивности и конденсатором, отличающееся тем, что катушки индуктивности управляющего и замкнутых колебательных контуров образуют соленоид, составленный на множества катушек равного номинала, плоскости витков которых взаимно параллельны, конденсаторы в замкнутых колебательных контурах имеют равные номиналы, внешний генератор управляющего колебательного контура выполнен в виде генератора высокочастотного переменного электрического тока.

Увеличение мощности магнита

Усиление электромагнита

Чтобы понять, как увеличить силу магнита, нужно разобраться в процессе намагничивания. Это произойдет, если магнит расположить во внешнем магнитном поле противоположной стороной к исходной. Увеличение же мощности электромагнита происходит тогда, когда увеличивается подача тока или умножаются витки обмотки.

Увеличить силу магнита можно с помощью стандартного набора необходимого оборудования: клея, набора магнитов (нужны именно постоянные), источника тока и изолированного провода. Они понадобятся для осуществления тех способов увеличения силы магнита, которые представлены ниже.

Усиление с помощью более мощного магнита

Этот способ заключается в использовании более мощного магнита для усиления исходного. Для осуществления надо поместить один магнит во внешнее магнитное поле другого, обладающего большей мощностью. Также с этой же целью применяют электромагниты. После удержания магнита в поле другого, произойдет усиление, но специфика заключается в непредсказуемости результатов, поскольку для каждого элемента такая процедура будет работать индивидуально.

Усиление с помощью добавления других магнитов

Известно, что каждый магнит имеет два полюса, причем каждый притягивает противоположный знак других магнитов, а соответствующий – не притягивает, лишь отталкивает. Как увеличить мощность магнита, используя клей и дополнительные магниты. Здесь предполагается добавление других магнитов с целью увеличения итоговой мощности. Ведь, чем больше магнитов, тем, соответственно, будет больше сила. Единственное, что нужно учесть, — это присоединение магнитов одноименными полюсами. В процессе они будут отталкиваться, согласно законам физики. Но задача состоит в склеивании, несмотря на сложности в физическом плане. Лучше использовать клей, который предназначен для склеивания металлов.

Метод усиления с использованием точки Кюри

В науке есть понятие точки Кюри. Усиление или ослабление магнита можно произвести, нагревая или охлаждая его относительно самой этой точки. Так, нагревание выше точки Кюри или сильное охлаждение (гораздо ниже нее) приведет к размагничиванию.

Надо заметить, что свойства магнита при нагревании и охлаждении относительно точки Кюри имеют скачкообразное свойство, то есть, добившись правильной температуры можно усилить его мощность.

Метод №1

Если возник вопрос, как сделать магнит сильнее, если его сила регулируется электрическим током, то сделать это можно с помощью увеличения тока, который подается на обмотку. Здесь идет пропорциональное увеличение мощности электромагнита и подачи тока. Главное, ⸺ постепенная подача, чтобы не допустить перегорания.

Метод №2

Для осуществления этого метода надо увеличить количество витков, но длина должна оставаться неизменной. То есть, можно сделать один-два дополнительных ряда провода, чтобы общее количество витков стало больше.

В этом разделе рассмотрены способы, как увеличить силу магнита в домашних условиях, для экспериментов можно заказать на сайте МирМагнитов .

Усиление обычного магнита

Множество вопросов возникает, когда обычные магниты перестают выполнять свои прямые функции. Это часто происходит из-за того, что бытовые магниты таковыми не являются, ведь, по сути, они намагниченные металлические части, которые теряют свойства с течением времени. Усилить мощность таких деталей или вернуть им свойства, которые были изначально, невозможно.

Надо заметить, что прикреплять к ним магниты, даже более мощные, не имеет смысла, поскольку, при их соединении обратными полюсами, внешнее поле становится гораздо слабее или вообще нейтрализуется.

Это можно проверить с помощью обычной бытовой занавески-москитки, которая должна закрываться посередине при помощи магнитов. Если на слабые исходные магниты сверху прикрепить более мощные, то в результате штора вообще потеряет свойства соединения с помощью притяжения, потому что противоположные полюса нейтрализуют внешние поля друг друга на каждой из сторон.

Эксперименты с неодимовыми магнитами

Неомагнит довольно популярен, его состав: неодим, бор, железо. Такой магнит обладает высокой мощностью и отличается стойкостью к размагничиванию.

Как усилить неодим? Неодим очень подвержен коррозии, то есть быстро ржавеет, поэтому неодимовые магниты покрывают никелем, чтобы повысить срок службы. Также они напоминают керамику, их легко разбить или расколоть.

Но пытаться увеличивать его мощность искусственным способом нет смысла, потому что это постоянный магнит, он имеет определенный для себя уровень силы. Поэтому, если вам необходимо иметь более мощный неодим, лучше приобрести его, учитывая нужную силу нового.

Заключение: в статье рассмотрена тема, как увеличить силу магнита, в том числе, как увеличить мощность неодимового магнита. Получается, что существует несколько способов увеличить свойства магнита. Потому что бывает просто намагниченный металл, увеличить силу которого невозможно.

Наиболее простые способы: с помощью клея и других магнитиков (они должны быть приклеены идентичными полюсами), а также – более мощного, во внешнем поле которого должен находится исходный магнит.

Рассмотрены способы увеличения силы электромагнита, которые заключаются в дополнительной обмотке проводами или усилении поступления тока. Единственное, что нужно учитывать — это силу поступления тока в целях безопасности и сохранности аппарата.

Обычные и неодимовые магниты не способны поддаваться на увеличение собственной мощности.

Каждый электрик должен знать:  Как проверить мультиметром конденсатор самому
Добавить комментарий
Классы МПК: G01R33/34 элементы конструкции, например резонаторы
Патентообладатель(и): Шаталов Дмитрий Петрович (RU)
Приоритеты: