Давление магнитного поля

Магнитная левитация

Давление магнитного поля

Парить в воздухе, возвышаясь над твёрдой поверхностью, – мечта каждого йога. Левитация – лёгкость и независимость от притяжения Земли. Среди различных способов преодоления земного притяжения есть магнитный вариант. Это решение широко применяется и стабильно в действии. Его называют магнитной левитацией.

Пример магнитной левитации

Способы реализации магнитной левитации

Название способа говорит о том, что для нейтрализации магнитного поля планеты применяется искусственное магнитное поле. На практике магнитная левитация (МЛ) выполняется при помощи магнитов:

  • постоянного;
  • сверхпроводящего;
  • электрического.

Есть ограничения, не позволяющие в полной мере применять этот вид, а именно – можно работать только с материалом, характеризующимся низкотемпературными условиями использования и высокими электрическими свойствами проводимости.

Примеры магнитной левитации

Формула магнитного потока

Левитацию в магнитном поле можно проследить на принципе действия магнитной подушки. По такому принципу работают на транспорте маглевы. На ветках Шанхайского метро до сих пор ездят поезда, воздушная подушка которых организована с применением магнитного давления.

Маглев в Германии – поезд на магнитной подушке

Диамагнитная левитация тоже может служить подобным примером. Диамагнетики – вещества, которые на атомном уровне, под воздействием МП, намагничиваются в противоположном направлении.

Их магнитная восприимчивость имеет встречную направленность действующего на них поля. Однако её величина мала. Диамагнетиком является и человек. Показателен такой опыт: в МП с индукцией от 11 Тл размещают человеческую руку.

Между пальцами руки небольшому магниту возможно придать стабильное неподвижное положение и изменять его, не прикасаясь к нему.

Основные типы магнитной левитации

Магнитное давление на объект, подлежащий «парению», осуществляется несколькими способами. Выделяют два типа подобной левитации:

  • EMS – электромагнитные конструкции;
  • EDS – электродинамические устройства.

Система EMS отличается нестабильным равновесным положением. Для обеспечения стабильности необходимо применять АСУ (автоматизированные системы управления) и осуществлять постоянный контроль. Притягивающая сила возникает между проводником из ферромагнетика и электрическими магнитами.

Системы типа EDS базируются на принципах появления вихревых токов в проводящих компонентах. Для того чтобы вихревые токи появились, необходимо действие переменного поля магнитной природы.

Важно! Системы EDS делятся на два вида взаимодействия. Первый – стационарные катушки вступают во взаимосвязь с магнитами, имеющими сверхпроводимость. Второй – изменения магнитных полей (МП) происходят в результате действия сил, которые генерирует переменный ток.

Силы отталкивания, которые используются в электродинамических системах, делают их инертно стабильными.

Постоянные магниты никогда не используются самостоятельно, только в гибридных установках. Это связано с тем, что постоянный магнит не может обеспечить стабильного положения ни в одной из степеней свободы, значит, без поддержки других сил воздействия на статичность положения тут не обойтись.

Интересно. Чтобы уйти от привязки к объектам из магнитных материалов и позволить системам работать с элементами другой структуры материалов, есть необычное решение – использование магнитных вставок (посредников).

Подъёмная сила

Вектор магнитной индукции: формула

Преодоление земного притяжения заставляет левитирующий объект зависать в воздухе. В случае МЛ сила, заставляющая это сделать, – магнитное поле, действующее на него.

Кроме того, существует способность магнетиков и систем, собранных с их использованием, воздействовать друг на друга.

Сила, с которой они либо притягиваются, либо отталкиваются, зависит от магнитной поверхности и создаваемого ими МП.

Исходя из этого, можно, применив формулу, рассчитать магнитное давление Pmag.:

P mag = B2/2µ0,

где:

  • B – магнитная индукция, Тл;
  • µ0 – магнитопроницаемость в вакууме, µ0 = 4π×10−7 Н·А−2.

Искомая сила на 1 м2 поверхности (Pmag) измеряется в Паскалях.

Левитирующий магнит – результат действия подъёмной силы МП

Устойчивость

Мало только заставить предмет парить и зависать в воздухе. Необходимо добиться его устойчивого состояния, которое бывает:

  • статическое;
  • динамическое.

Два этих невесомых состояния имеют некоторые принципиальные различия.

Статическая

Равнодействующие силы, которые возвращают предмет в равновесное положение при любом его отклонении, обеспечивают статическую устойчивость.

Динамическая

Способность устройства, создающего левитацию, подавлять всевозможные вибрирующие движения обеспечивает динамическое устойчивое состояние. Так как само МП не имеет встроенного механизма подавления вибраций, то это делается дополнительно. Для этого используются варианты воздействия:

  • лобового сопротивления;
  • действия вихревых токов;
  • работа управляемых электромагнитов;
  • гашение вибрации с помощью инерционного демпфера.

Для работы электромагнитов в данном случае применяются БЭУ (блоки электронного управления), которые контролируют процесс смещения и вносят необходимую коррекцию в работу магнитов.

Использование МЛ

Применения МЛ не исчерпывается демонстрацией, где левитирующая лягушка подвешена в воздухе при помощи сильного МП. Небольшой перечень возможностей использования левитации с воздействием магнитного поля:

  • на транспорте;
  • в энергетике;
  • в летательных аппаратах;
  • ветряных генераторах;
  • магнитных подшипниках.

Транспорт с магнитной левитацией

Основной плюс использования маглевов – экономный режим потребления энергии, за счёт снижения трения между рельсами и колёсами в традиционных вариантах. Основные затраты приходятся на преодоление сопротивления воздушных масс. Современное оформление вагонов, практическое отсутствие шумов и вибрации делают этот вид транспорта перспективным.

История супер поездов

В России не производят маглевы, но в Санкт-Петербурге подобные разработки грузовых поездов на магнитной подушке уже ведутся. Ученые создали прототип грузового маглева, в дальнейшем обещают сконструировать и пассажирский.

Страны лидеры – Китай и Япония, представляют свои разработки, которые работают уже не один год. Коммерческая скоростная линия в Шанхае позволяет перемещаться из одной точки в другую со скоростью более 430 км/ч.

Японский вариант

Скоростное первенство по праву достаётся японским поездам подобного типа. Весной 2015 года опытный экземпляр поезда установил рекорд на участке, построенном в префектуре Яманаси.

Модель Синкансэн L0 развила на этом участке скорость 603 км/ч. Японцы ведут разработки ещё с 70-х годов прошлого века.

Работы ведутся в институте ж/д техники (JRTRI), в тесном сотрудничестве с оператором Japan Railways.

Магнитные подшипники

В лазерных установках и в оборудовании, где необходима высокая точность (оптические системы), нашли своё применение магнитные подшипники. Они обладают целой линейкой положительных качеств:

  • отсутствие трения, потери равны нулю;
  • повышенная скорость вращения;
  • низкий коэффициент вибрации;
  • возможность герметизации;
  • автоматический электронный контроль.

Газовые турбины, электрогенераторы, работающие на высоких оборотах, криогенные установки – это только некоторые решения для использования таких подшипников.

Бесконтактный магнитный подшипник

Применение в энергетике

Избавление от трения в магнитных подшипниках позволяет говорить о применении магнитной левитации в энергетике.

КПД газовых турбин на ТЭС (тепловых электрических станциях) повысился с применением таких деталей.

Возможность контролировать и регулировать работу подшипниковых узлов высокооборотных генераторов тока позволила модернизировать и повысить коэффициент автоматизации процесса получения электроэнергии.

Летательные аппараты

Обычный вертолёт тоже можно назвать левитирующим объектом, однако силу земного притяжения он преодолевает с помощью воздушного потока, создаваемого лопастями. Летательные аппараты, использующие МП и движущиеся целенаправленно в разных плоскостях, – это ещё только будущее. В отличие от поездов, проблема конструктивного выполнения стороннего МП находится только в процессе поиска решения.

Самолёт на магнитной подушке

Использование МЛ в ветрогенераторах

Всё дело – в магнитной подвеске, которая значительно увеличивает срок службы генератора. При её наличии ветряная турбина требует гораздо меньших затрат в обслуживании.

Дальнейшие перспективы использования

Переход транспорта любых видов на МЛ позволит в корне изменить транспортные системы.

Кроме коллективного использования таких видов транспорта, возможен переход на индивидуальные системы передвижения человека.

Экономия энергии, долговечность вращающихся механизмов, подъём и перемещение грузов – всё это в корне изменит структуру промышленных и сельскохозяйственных объектов, а также внешний облик планеты.

Эксперименты по левитации дома

До того, как сделать левитирующий магнит, можно выполнить небольшой опыт по созданию условий левитации дома. Для этого понадобятся:

  • шесть кольцеобразных постоянных магнитов с внутренним диаметром 6-8 мм;
  • обычный графитовый карандаш;
  • подставка, выполненная из куска поролона размером 120*250 мм;
  • упор из плексиглаза, оргстекла или другого прочного материала.

Два магнита размещают на карандаше через 100 мм друг от друга. На этом же расстоянии в поролоне закрепляют две пары идентичных магнитов. Тройка магнитов (два на опоре и один на карандаше) должна визуально составлять пирамиду. Регулируя расстояния между магнитами, добиваются левитации карандаша.

Левитация карандаша в домашних условиях

Как сделать левитирующий магнит своими руками

Такой магнит называют левитрон. Его возможно изготовить своими руками, для этого необходимы:

  • катушка индуктивности от старого телевизора;
  • транзисторы S9018 и IRF540N;
  • два сопротивления по 1 кОм (0, 5 Вт);
  • датчик Холла от ненужного DVD ROM или CD ROM дисковода (на схеме SSE);
  • железный болт диаметром 8 мм;
  • полоска пластика для обеспечения зазора.

Электрическая схема устройства левитрона

Важно! Питание устройства подбирается с помощью регулируемого источника питания. Транзисторы устанавливаются на радиаторы. Болт служит сердечником катушки и вставляется внутрь неё.

Конструкция представляет собой вертикальную колонну, внизу которой в магнитном поле левитирует кусочек плоского магнита.

Магнитная левитация – вполне реальный процесс, который отвечает всем законам физики. Результаты разработок, как личного характера, так и творческих достижений специализированных лабораторий, делают ставку на реальную «магнитную подушку» для движения технического прогресса.

Источник: https://amperof.ru/teoriya/magnitnaya-levitaciya.html

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Давление магнитного поля

Cтраница 1

Магнитное давление может быть использовано помимо удерживания плазмы также для разгона ее до больших скоростей.

В обоих случаях магнитные поля могут создаваться токами либо во внешних проводниках, либо в самой плазме.

РўРµ же принципы применяются РІ электромагнитных насосах, служащих для перекачки расплавленных металлов. Простейшим устройством является кондукционный электромагнитный насос.  [1]

Магнитное давление определяется индукцией тангенциального магнитного поля РЅР° поверхности кумулятивной струи Р’ [ loJ / TrRj, РіРґРµ J – сила тока, протекающего РїРѕ РљРЎ, RJ – радиус элемента РљРЎ.  [3]

Магнитное давление может быть использовано, РїРѕРјРёРјРѕ удержания плазмы ( РїРёРЅС‡-эффект), также для разгона ее РґРѕ больших скоростей.  [5]

Роль магнитного давления, связанного с Щ, аналогична роли капиллярного давления при формировании капли жидкости или пузырька газа в последней.

Напомним, что капиллярные силы РІ жидкости РїСЂРёРІРѕРґСЏС‚ Рє тому, что давление РїРѕРґ ее искривленной поверхностью РЅРµ равно давлению РІРЅРµ жидкости, Р° для существования пузырька газа или капли необходимо, чтобы давление внутри РЅРёС… отличалось РѕС‚ давления снаружи. Сходные черты цилиндрических доменов Рё пузырьков газа отражены РІ распространенном английском термине magnetic babble ( магнитный пузырек) для обозначения ЦМД.  [6]

Существование магнитного давления делает возможной работу разнообразных магнитных насосов и ловушек.

В исследовании управляемых термоядерных реакций магнитное поле используется для изоляции плазмы, нагретой до миллионов градусов Цельсия, от стенок заключающего ее сосуда.

Размеры плазменного канала с током определяются сжимающим действием магнитного давления ( пинч-эффект), уравновешивающего давление раскаленной плазмы.

Правда, РІ таких установках магнитное давление является источником нестабильностей, вызванных локальными сжатиями Рё изгибами плазмы СЃ током.  [7]

Чтобы противодействовать магнитному давлению СЂС‚, РІРѕ взрывной волне должна Р±СЊРїСЊ сконцентрирована энергия СЃ плотностью wpm.  [8]

Р’ этом случае магнитное давление стремится вернуть плазменный столб Рє начальному состоянию. Выполнение этого же соотношения требуется РІ случае увеличения радиуса плазменного столба.  [9]

РџСЂРё малых токах магнитное давление невелико, РЅРѕ РїСЂРё токах РІ сотни тысяч Рё миллионы ампер давление становится столь большим, что разряд полностью отрывается РѕС‚ стенок Рё плазма оказывается хорошо изолированной РѕС‚ стенок.  [10]

Уравнение описывает СЂРѕСЃС‚ магнитного давления как РёР·-Р·Р° эффектов нестабильности, так Рё Р·Р° счет сжатия среды.  [11]

РќР° границу плазмы действует магнитное давление Р‘2 / 8Р», обусловленное скачком магнитного поля РѕС‚ нуля внутри плазмы РґРѕ величины Р’ РІРЅРµ плазмы. РћРЅРѕ должно уравновешивать давление плазмы.  [12]

Зто означает, что магнитное давление в различных точках окружности каждой секции имеет разную величину. Следовательно, и в этом случае в отличие от соленоидов должны возникать большие изгибающие усилия.

Чтобы скомпенсировать эти силы, необходимо использовать бандаж, который может оказаться громоздким и дорогим. Поэтому предпочтительнее обходиться без него, что возможно, если изменить форму секций катушки.

 [13]

Плазменный столб, сжимаемый азиму.  [14]

РџРѕРґ действием: того магнитного давления может идти такой же быстрый процесс сжатия, как Рё РїСЂРё кратковременных импульсных разрядах. РќР° СЂРёСЃ. 3 для сравнения изображены схемы линейного РїРёРЅС‡-эффекта ( Р°) Рё сжатия цилинд-СЂРёС‡.  [15]

Страницы:      1    2    3    4

Источник: https://www.ngpedia.ru/id653379p1.html

Проводники в магнитном поле. Магнитное давление

Давление магнитного поля

С тем, что такое магнитное давление, мы уже познакомились в задаче 2 гл. 4. Напомним, что поле между проводящими плоскостями было равно Н = i, где i — линейная плотность поверхностного тока, а давление на каждую плоскость составляло

P = iBBH = μ0i2/2

Нетрудно сообразить, что такое же точно давление будет действовать на любую плоскую поверхность проводящего тела, если вне тела существует магнитное поле В, параллельное поверхности, а в самом теле В = 0. Действительно, величина г однозначно следует из теоремы о циркуляции, и все последующие соображения остаются в силе. Нужно только переписать формулу для давления на поверхность проводника, исходя из того, что задано

все-таки именно поле в вакууме:

P = μ0H2/2 =B2/2μ0 = (BH)/2

|Н (7.1)

Существенно, во-первых, то обстоятельство, что магнитное давление обусловлено «непроникновением» магнитного поля в проводник.

Если последний пребывает в сверхпроводящем состоянии, это всегда верно, но и в обратном, гораздо более обыденном случае это совершенно реально. Как мы увидим далее (гл.

8), проникновение поля в проводящую среду — процесс не мгновенный, и чем выше проводимость, тем более он затянут во времени.

Во-вторых, при выводе формулы (7.1) мы использовали упрощенную геометрию: внешнее поле, параллельное плоской поверхности проводника. Это сужает круг явлений, которые мы могли бы обсуждать, либо создает опасность ошибок, проистекающих от расширительного толкования результата (7.1).

Прежде чем давать формальное описание сил, действующих в магнитном поле на проводящую среду, приведем чрезвычайно удобную форму для архимедовой силы, использующую операцию векторного дифференцирования.

Рассмотрим некоторую текучую среду, т. е. жидкость или газ, подчиняющуюся закону Паскаля, и выделим в ней малый объем — кубик со сторонами dx, dy, dz (рис. 7.1). Пусть мы можем пренебречь всеми объемными силами (силой тяжести и т. д.

); принимаем во внимание только силу, связанную с неоднородностью давления, — а это и есть архимедова сила. Как было показано в гл.

9 курса механики, эффекты, обусловленные неоднородностью давления, удобно выводить из объемной плотности силы f = dF/dV:

U = – и т. д. = f = -VV. (7.2)

С силой в форме G.2) удобно работать; скажем, закон Архимеда можно мгновенно получить, уравновесив ею плотность силы тяжести pg. Нам же она понадобится для сравнения именно с плотностью силы Ампера, которую

мы предварительно перепишем следующим образом:

f= [j B] = -[B[▼H]] = (B▼)H-«▼(BH)».

Проводя формальные векторные операции с оператором дифференцирования ▼, следует заботиться о том, чтобы справа от него оставались лишь те величины, которые подлежат дифференцированию. Этому правилу не удовлетворяет последний член в правой части; чтобы подчеркнуть это, он заключен в кавычки.

Рus. 7.1

В стоящем справа от оператора скалярном произведении вектор В дифференцироваться не должен. Если, однако, связь между В и Н линейна — а это во всяком случае верно для всех диа- и пара- магнитных проводников,, то мы можем представить формулу для плотности силы Ампера в виде

(В Т-П f =-УЦ- + (ВУ)Н. (7.3)

/ А dz х У

Второй член в правой части (7.

3) называется «максвелловским натяжением силовых линий» (формально он и в самом деле имеет вид упругой силы), что же касается первого, то он оказался абсолютно идентичен архимедовой силе (7.

2), если в нее подставить давление в виде (7.1). Таким образом, формула (7.1) оказалась точной, но теперь мы должны сделать два важных замечания относительно границ ее применимости.

1. «Натяжение силовых линий» обусловлено их кривизной. Действительно, если силовые линии — прямые, то поле может меняться лишь поперек силовых линий, но не вдоль них, поэтому (В▼)H = 0.

Следовательно, мы можем свести силу Ампера к магнитному давлению, только когда имеем право пренебречь кривизной силовых линий.

Это не значит, что они должны быть непременно прямыми — просто радиус их кривизны должен быть много больше толщины слоя, в котором магнитная индукция В меняется на

величину порядка ее самой. Вот пример ситуации, когда натяжением пренебречь нельзя: магнитное поле в проводнике установилось таким образом, что токи в нем не текут.

Допустим, вне проводника проходит прямой провод с током, и поле в проводящей среде соответствует формуле (4.9). Из (7.1), казалось бы, следует, что в проводнике возникает некоторый перепад давлений, а значит, и силы. Но из формулы (4.

6) следует, что при j = 0 должно быть и f = 0. Действительно, можно показать, что в этом случае два члена

в правой части G.3) в точности компенсируют друг друга.

2. Возможная причина недоразумений — независимость формул (7.1) и (7.3) от проводимости среды. На первый взгляд может показаться, что и на диэлектрик должно действовать точно такое же давление. В этой связи полезно напомнить, что при выводе (7.3) мы существенным образом воспользовались двумя предположениями: теоремой о циркуляции

rot Н = j

и линейной зависимостью В(Н). Как уже было замечено в гл.

4, теорема о циркуляции у нас пока не дописана; в нестационарном случае в правой части появится еще один член (и добавим, забегая вперед, — роль его будет тем важнее, чем ниже проводимость вещества).

Таким образом, для настоящего диэлектрика наш вывод справедлив только при условии абсолютной стационарности задачи, и, поскольку тока проводимости в непроводящем

веществе просто не может быть, два члена в правой части (7.3) обязаны при этом точно друг друга компенсировать. Тем самым определяется класс допустимых магнитных конфигураций в линейном диэлектрике.

Положение дел меняется, если мы имеем дело с магнитоактивной средой (линейная зависимость В(Н) представляет не более, чем частный случай).

Тогда к силам Ампера, обязанным своей природой токам проводимости, добавятся силы, обусловленные намагниченностью образца. Это и будет темой последующего рассмотрения.

Источник: https://studopedia.su/10_28605_provodniki-v-magnitnom-pole-magnitnoe-davlenie.html

ПроГипертонию
Добавить комментарий