Электромагниты: две силы объединяются
Резистивные электромагниты, ещё один тип временных магнитов, сочетают в себе силу электричества и магнетизма, обеспечивая колоссальный эффект...
Резистивные электромагниты, ещё один тип временных магнитов, сочетают в себе силу электричества и магнетизма, обеспечивая колоссальный эффект. Хотя сверхпроводящие электромагниты, о которых мы вскоре поговорим, обладают множеством преимуществ, определённые законы физики не позволяют им достичь напряжённости поля, свойственной электромагнитам.
Здесь, в MagLab, находятся одни из самых мощных в мире резистивных магнитов; они способны генерировать постоянное магнитное поле силой 35 тесла. Ученые используют эти сильные поля для проведения широкого спектра экспериментов, посвященных физическим, химическим и биологическим процессам в различных типах материи.
Но электромагниты не обязательно должны быть очень мощными. Будь то тостер или телевизор, даже небольшие могут быть весьма полезны. Чтобы сделать такой, вам понадобится провод.
Теперь подключите этот провод так, чтобы по нему шёл ток. Результат? Магнитное поле (показано синим цветом) и временный магнит, который вы включили с помощью тока. Представьте себе простейший электромагнит.
Оказывается, вокруг каждого электрического провода существует магнитное поле. Этот факт был открыт изумленным датчанином по имени Ганс Христиан Эрстед в 1819 году, когда он заметил, что магнитная стрелка компаса выстраивается перпендикулярно близлежащему проводу с током.
Физический факт
Слышали ли вы когда-нибудь о «животном магнетизме»? Некоторые врачи когда-то считали, что магнитные поля проходят через тело человека, и что прикладывание к ним магнитов может вылечить различные болезни. Некоторые люди и сегодня верят, что магниты обладают особыми целебными свойствами.
Это происходит потому, что электрический ток – поток электронов по проводу – всегда создаёт магнитное поле. Вы можете определить, в каком направлении движутся невидимые линии этого поля: если вы направите большой палец правой руки в направлении тока, магнитное поле будет распространяться в том же направлении, в котором указывают ваши пальцы, согнутые, словно обхватывающие стержень.
Магнитное поле вокруг бытовых электропроводов и бытовых приборов довольно слабое. Например, на расстоянии около 30 см от жужжащего потолочного вентилятора магнитное поле составляет всего несколько миллигаусс. Чтобы создать гораздо более мощный магнит, нам нужно выйти на новый уровень. Давайте посмотрим, что произойдёт, если мы возьмём тот же провод и свернём его в один оборот.
Что вы знаете? Благодаря этому простому шагу все меньшие, отдельные магнитные поля, вращающиеся вокруг провода, объединились, создав гораздо более сильное магнитное поле.
Если таков эффект от создания одной катушки, что произойдёт, если мы сделаем их, скажем, десять? Давайте попробуем и выясним.
Очень круто! Наше новое магнитное поле примерно в 10 раз мощнее. Кстати, эта специальная катушка называется соленоидом, и создаваемое ею магнитное поле увеличивается пропорционально количеству витков. Скручивание провода также делает поле более однородным, что важно для учёных, исследующих воздействие магнитных полей на различные материалы.
Мы можем ещё больше увеличить мощность магнитного поля этого соленоида, вставив в середину сердечник из железного сплава. Помните, как мы рассматривали ранее атомы железа, каждый из которых был крошечным магнитом? Когда вы помещаете сердечник из железного сплава в магнитное поле, все атомы железа выстраиваются в соответствии с ним, значительно увеличивая напряжённость магнитного поля, при этом не потребляя больше электричества! Кстати об электричестве: чем больше мощности вы добавляете к соленоиду, тем сильнее его магнитное поле.
Этот базовый соленоид можно усовершенствовать, заменив катушки специально разработанными пластинами Биттера , которые лучше выдерживают как давление, возникающее в сильных магнитных полях, так и нагрев, возникающий под действием электрического тока. Эти пластины были впервые изобретены Фрэнсисом Биттером в 1936 году. В 1990-х годах ученые MagLab значительно усовершенствовали его конструкцию, изобретя пластину Флоридского Биттера, которая позволила создавать более мощные магниты. В большинстве крупных электромагнитов, используемых в исследовательских целях, используются пластины Биттера, поэтому их иногда называют «магнитами Биттера».
Эти электромагниты называются «резистивными», потому что, как и в любой машине, работающей на обычном электричестве, электроны, составляющие ток, встречают сопротивление, сталкиваясь с атомами и другими электронами на своём пути. Эта неэффективность дорого обходится, когда приходит время платить за электричество; фактически, Магнитная лаборатория потребляет около 7 процентов электроэнергии, потребляемой в Таллахасси, городе с населением около 160 000 человек! Если бы у нас не было магнитов, наш местный источник питания мог бы одновременно зажигать около полумиллиона 100-ваттных лампочек! MagLab также использует значительное количество воды, которая продавливается через отверстия в пластинах Биттера, чтобы предотвратить перегрев магнитов.
Итак, резистивные магниты потребляют много электроэнергии и воды – две дорогие привычки. Именно здесь сверхпроводящие магниты, следующий тип временных магнитов, который мы рассмотрим, обладают некоторыми преимуществами.
