От себя.
Относительно свежая книга по данному вопросу, предыдущие мной выложенные были постарше в основном до 1970, а в этой в ней освещено что интересного произошло с 1970 года , событий много, но большинство из них мало повторяемо для энтузиастов «надомников», хотя всё относительно, с людьми обжимающими взрывом катушку с током.
Видео обзор книги
Введение
В течение более ста последних лет среди физиков и инженеров не убывает интерес к проблеме получения всё более сильных магнитных полей. Этот интерес вызван, в первую очередь, различными применениями сильных полей в исследованиях и в технологии. Вместе с тем эффекты, сопровождающие получение таких полей настолько разнообразны и интересны, что их изучение позволяет получить много новых сведений о диффузии поля в
проводящую среду, о возникновении и развитии разнообразных магнитогидродинамических течений, о фазовых переходах в металлах и об их свойствах при высоких температурах и давлениях. Целью настоящей книги является изложение современных представлений о технологии получения сильных и сверхсильных импульсных полей и о физических процессах, которые имеют место при воздействии этих полей на проводники, используемые в магнитных системах. Необходимо дать как качественное описание этих процессов, так и дать их количественную трактовку. Далее, следуя установившейся традиции, сильными будем называть поля с индукцией выше 10Т. Сверхсильными (или мегагауссными) целесообразно называть поля с индукцией выше
100 T (1 млн. Гаусс). В этом диапазоне можно выделить мультимегагауссные поля, индукция которых превышает 400-500 Т.
Особенность сверхсильных полей состоит в том, что при их воздействии на проводящие тела в условиях выраженного скин-эффекта, оказываются превзойдёнными как механический прочностной порог, так и порог плавления поверхностного слоя. В
мультимегагауссном поле наступает взрыв скин-слоя — его испарение, сопровождаемое потерей проводимости.
Амплитуда индукции поля, получаемого в магнитах различного типа, ограничивается нагревом обмотки выше допустимого уровня и ее разрушением под действием электромагнитных сил. Проблема нагрева особенно существенна в магнитах, предназначенных для получения постоянных полей и не использующих сверхпроводники.
Уровень полей, достигнутых в таких магнитах со сложными системами охлаждения, ограничен значениями индукции масштаба 20 Т. Применение сверхпроводников, работающих при температуре жидкого гелия, позволяет снять проблему нагрева, что дает
возможность создавать стационарное поле с индукцией до приблизительно 20 Т. Наиболее высокие значения индукции могут быть получены при использовании высокотемпературных сверхпроводников с высоким критическим полем и большим
критическим током. Дальнейший прогресс в области применения сверхпроводящих магнитов в значительной степени связан с решением проблем их прочности. Нагрев обмотки можно значительно уменьшить, если сократить длительность протекания в ней тока, то есть создавать поле в виде достаточно коротких импульсов. Этому направлению техники сильных магнитных полей здесь уделено основное внимание. Оно начало развиваться в 20-е годы прошлого века благодаря работам П.Л. Капицы и Уэлла. В опытах с длительностью импульса, составлявшей сотые доли секунд и меньше, были получены поля с индукцией масштаба 30-40 Т. При этом удалось обеспечить допустимый адиабатический нагрев обмотки, и основным препятствием для получения еще более сильного поля стала ее недостаточная прочность. Дальнейшее развитие технологии
не разрушаемых магнитов связано с созданием все более совершенных конструкций обмоток и применением самых прочных материалов. Тем не менее, несмотря на усилия многих лабораторий, не удается создать магниты многократного использования, в которых амплитуда индукции превышает 80-90 Т. Существенно более сильное импульсное поле можно получить в разрушаемых магнитах и методом магнитной кумуляции. Первое из
этих направлений начало развиваться в конце 50-х годов благодаря тому, что к этому времени был достигнут значительный прогресс в разработках мощных генераторов импульсных токов, использующих мало индуктивные высоковольтные конденсаторные батареи. В пионерской работе Фюрза, Левина и Ванека было получено поле с индукцией 160 Т. Эта работа дала толчок многочисленным исследованиям, в которых импульсное поле с малым временем нарастания создавалось в одновитковых магнитах с характерными
размерами внутреннего радиуса и длины порядка одного сантиметра и менее. В настоящее время этим методом в опытах с применением генераторов с относительно небольшой энергией (масштаба 1 МДж и менее) достигнуты поля с индукцией, близкой к 400 T
Применение мегавольтных формирующих линий с запасом энергии масштаба 10 в 7 степени Дж позволило увеличить характерный размер области, где создается поле, и дало возможность достижения мультимегагауссных полей, несмотря на взрыв скин-слоя.
Наиболее сильное поле достигнуто в настоящее время методом магнитной кумуляции. Этот метод, основанный на быстром сжатии магнитного потока стенками проводящего цилиндра, впервые реализован группами А.Д. Сахарова в СССР и Фаулера в США в
конце 50-х годов. Дальнейшее развитие этой технологии, основанное на глубоком изучении физики процесса и усовершенствовании методики эксперимента, позволило достичь поля с индукцией до 2800 T. Физике и технике сильных магнитных полей посвящено несколько обзорных статей и монографий. Большая часть из них рассматривает, главным образом, неразрушаемые магнитные системы. В обзоре Г.М. Страховского и Н.В. Кравцова, в книгах
Паркинсона и Малхолла, Монтгомери, В.Р. Карасика, А.С. Лагутина и В.И. Ожогина, описаны методы расчёта полей систем с заданным распределением тока, приведены методики расчётов механических напряжений в многовитковых магнитах различной конфигурации. Импульсные поля занимают основное место в книге Кнопфеля, в монографии, изданной под редакцией В.С. Комелькова. Эта книги охватывает основные аспекты техники сильных полей, описанные в литературе, вышедшей до 1970 года. Весьма полный сборник рефератов работ по получению сильных магнитных полей, публикованных до 1970 года, содержится в книге [16]. Дальне йший прогресс в технологии импульсных полей нашел отражение в книге [17], в обзорах [18, 19], в книге, вышедшей под редакцией Герлаха и Миуры [20]. Эта книга содержит также статьи, в которых описаны применения сильных импульсных магнитных полей в различных областях науки. Создание установки для получения сильного магнитного поля включает в себя следующие этапы.
- Расчёт поля соленоида и выбор его геометрической формы,
обеспечивающей требуемую конфигурацию поля, а также расчёт
тока, необходимого для питания магнитной системы. - Выбор источника энергии и согласование его с нагрузкой.
- Расчёт механических напряжений в обмотке соленоида.
- Анализ тепловых процессов в катушках.
Все эти вопросы в определённой мере рассматриваются в главах
1-4. Здесь описывается постановка задач и расчёта поля магнитных
систем, и приводятся некоторые важные расчётные формулы
(глава 1). Особое внимание уделено задачам, в которых граничные
условия соответствуют резко выраженному скин-эффекту, что
свойственно импульсным полям (глава 2). Вопросы диффузии поля
излагаются в третьей главе, где уделено внимание джоулеву нагреву и
способам его снижения, описывается нелинейная диффузия.
В четвёртой главе рассматриваются некоторые вопросы энергетики магнитных систем: оптимизация системы магнит — емкостной накопитель; оптимизация по Фабри магнитных систем со стационарным полем, энергетика систем, предназначенных для
ускорения проводников электромагнитными силами. Пятая, шестая и седьмая главы содержат материал, касающийся не разрушаемых магнитных систем. Кратко рассматриваются вопросы расчёта сил и напряжений в традиционных многовитковых магнитных системах с азимутальным током, включая обмотки с равно нагруженными слоями. Приводятся оценки напряжений в магнитах при коротких импульсах, когда играют роль инерционные эффекты (глава 5). Вместе с тем, в рамках книги рассматриваются теоретические аспекты создания квазибессиловых магнитов, в которых возможно резкое снижение механических напряжений. Это достигается благодаря
выбору распределения тока в слоях обмотки и созданию конфигурации, обеспечивающей равновесие слоёв. Есть основания считать, что такие магниты могут позволить преодолеть прочностные ограничения и выйти на мегагауссный уровень полей в не разрушаемых магнитных системах без чрезмерного увеличения их размеров и энергии. Поэтому в шестой главе уделено внимание изложению идей, развиваемых в последние годы в этом направлении в Санкт-Петербургском государственном политехническом
университете. В седьмой главе кратко описаны конструкции не разрушаемых магнитов различных типов, включая как многовитковые магнитные системы, так и одновитковые магниты. В этой главе даны также примеры применений сильных импульсных магнитных полей в задачах, где осуществляется силовое воздействие поля на проводящие тела для целей их деформирования или ускорения. Последние три главы посвящены созданию сверхсильных полей. В восьмой главе рассмотрены физические эффекты, проявляющиеся при получении поля в разрушающихся одновитковых магнитах. Здесь приводятся описание экспериментов, обзор экспериментальных
данных и описываются качественные особенности разрушения одновитковых магнитов. Совокупность процессов, выступающих при взрыве витка, в конечном счёте, проявляется в том, когда начинается и насколько быстро происходит спад геометрического фактора — отношения мгновенных значений индукции и тока. Картина взрыва витков рассматривается в этой главе как в случае полного (тонкостенные витки), так и в случае частичного разрушения(толстостенные магниты). Количественное описание этих процессов выполняется в указанной главе в рамках простой гидродинамической модели, описывающей разрушение коротких толстостенных витков как двухмерное течение идеальной несжимаемой жидкости. Вместе с тем здесь приведены результаты более полного компьютерного моделирования разрушения тонкостенных витков.
Девятая глава содержит анализ процессов одномерного течения в полях мегагауссного диапазона, когда формируется ударная волна, и возможен электрический взрыв скин-слоя. Этот процесс рассматривается как в рамках простейшей модели течения среды с
идеальной проводимостью, так и в более точной постановке с учётом нагрева среды в скин-слое и потери ею проводимости при расширении. Аналитические расчёты здесь сопоставлены с результатами компьютерного моделирования. Итогом анализа являются оценки параметров источников энергии, используемых для генерирования поля в разрушающихся одновитковых магнитах. Последняя глава книги содержит описание метода магнитной кумуляции, оценки длительности импульса и анализ факторов,
препятствующих достижению расчётного значения индукции. Аналитические оценки и в этой части сопоставлены с известными результатами компьютерных расчётов.
В основу данной книги легли лекции автора по курсу « Физика и техника сильных магнитных полей» для студентов кафедры «Электроэнергетика и Техника высоких напряжений» Электромеханического факультета СПбГПУ. Она может быть полезна
также для физиков и инженеров, использующих сильные магнитные поля и создающих магнитные системы для их получения.