Сильные импульсные магнитные поля в физическом эксперементе - Лагутин А.С.
ISBN: 5-283-03910-2
Скачать (прямая ссылка):
Пионерские работы по генерации импульсных СМП были выполнены П.Л. Капицей
[6, 7]. История развития техники СМП в 60-е - 70-е годы достаточно
подробно изложена в ряде работ. Первой монографией на русском языке,
обобщающей опыт конструирования соленоидов, была книга В.Р. Карасика [8].
В 1969 г. вышла в свет книга Монтгомери (переведена на русский язык в
1971 г. [5]), посвященная вопросам рационального конструирования
соленоидальных магнитных систем.
Монография Паркинсона и Малхолла [9] представляет собой обзор работ по
расчету, конструированию и технологии создания магнитных систем с полями
большой напряженности.
В 1970 г. появилась монография Кнопфеля (переведена на русский язык в
1972 г. [Ю]), где подробно рассмотрены методы генерации ССМП.
Коллективная монография под редакцией B.C. Комелькова [11] посвящена
вопросам расчета и создания мощных емкостных накопителей и их основных
элементов: конденсаторов, разрядников, кабелей и шин.
Отдельные этапы развития техники СИП и ССМП нашли свое отражение в
обзорах Jlepepa [12], В.Ф. Демичева и П.А. Левита [13], Колма и
Монтгомери [14], Фаулера и др. [18, 19], Герлаха [20, 28, 29],Келлера
[21], Монтгомери [22, 24], B.C. Панасюка, А.А. Соколова и Б.М. Степанова
[23], Гроссингера [25], Мауры и Герлаха [26], А.С. Лагутина и ВЛ. Ожогина
[27], Митчелла [30].
9
1.2. ЭФФЕКТЫ, СОПРОВОЖДАЮЩИЕ ГЕНЕРАЦИЮ СИЛЬНЫХ МАГНИТНЫХ ПОЛЕЙ
Генерация импульсного СМП - достаточно сложная техническая задача, для
успешного решения которой необходимо правильно учесть эффекты,
обусловленные взаимодействием нестационарного магнитного поля и
проводящей среды.
Длительность импульсов поля "от нуля до нуля" т0о и амплитудное значение
магнитной индукции* Вт = д0 Нщ > вРемя нарастания до максимума т0т -
важнейшие характеристики СМП, причем на практике оказывается, что чем
больше амплитуда, тем меньше длительность импульса (табл. 1.2). В
процессе генерации ССМП наиболее существенны эффекты магнитного давления
и теплового разогрева. Импульсный характер СМП приводит к возникновению в
материале соленоида значительных градиентов температуры при В т > 40 Тл,
а магнитное давление (1/2) До Н2 в этих полях превосходит предел
текучести большинства металлов. В реализованных на сегодня генераторах
полей с В т > 80 Тл скорость нарастания поля составляет 106 Тл/с й более,
что приводит к плавлению поверхности проводника из-за его нагрева
индуцированными токами. При д оНт > 120 Тл область плавления быстро
распространяется внутрь проводника, а при ИоНт > 150 Тл начинается
испарение металла с поверхности. С дальнейшим усилением поля возникает
''волна испарения", которая проникает внутрь проводника, взрывая его
поверхностный слой. В импульсных полях с Дт=500 -г 1000 Тл магнитное
давление достигает значений, характерных для центра Земли, а именно 4-
1011 Па. Отметим, что давление Р =' 1/2 д0Н2 действует на проводящую
пластинку, если по другую ее сторону Н = 0. В нестационарных полях это
условие приблизительно выполняется благодаря наличию скин-эффекта.
На проводник, по которому протекает электрический ток плотностью J , в
магнитном поле действует сила с объемной плотностью
Для простоты рассмотрим вначале случай, когда импульсное магнитное поле
воздействует на проводящую полуплоскость (рис. 1.2). Используя
соотношение (1.7), связывающее магнитное поле и ток (в данном случае
индуцированный переменным полем), а также выражение (1.11), находим
давление на проводник:
f = jx в.
(МО
Л ап. |
Р(х, о = - J - Bzdx = Р0 - - д0я2 (х, t),
х dHz
(1.12)
*В СИ единице напряженности поля Я, А/м, соответствуете вакууме индукция
В = 1,256 • 10"6 Тл.
10
Таблица 1.2. Характерные индукции полей и времена их нарастания до
максимума для разных способов получения импульсных магнитных полей
Способ или устройство для создания поля Вт, Тл Т0т, мкс
Плазменный фокус 10 ООО (расчет) 0,1
160 (экспери- 0,2
мент)
Взрывные магнитокумулятивные генераторы 400-1400 10-15
Электромагнитное сжатие потока (металли- 150-300 50
ческий лайнер)
Одновитковые соленоиды:
с разрушением витка 200-400 2,5
без разрушения витка 100-130 5
Многослойные спиральные соленоиды 40-60 200
Многовитковые соленоиды с однородным по 25-65 5-104-2,5-Ю3
сечению распределением тока
где
Р0 = (1/2)доЯ2(0,г) = (1/2)Р2 (0,0/До (1.13)
- давление магнитного поля на поверхности проводника. Следует
подчеркнуть, что этот результат не зависит от природы электрического тока
в проводнике - будь то ток проводимости, создающий импульсное поле, либо
ток, индуцированный в проводнике под действием внешнего нестационарного
магнитного поля. Градиент давления внутри проводника
dP/dx = -ц0Н dH/dx. (1.14)
Рис. 1.2. Взаимодействие импульсного магнитного поля с проводящей
полуплоскостью:
Н н В - соответственно напряженность и индукция магнитного поля; J
плотность тока; Р - магнитное давление; х - расстояние от поверхности
раздела двух Чред; 6 - толщина скин-слоя
11
Таким образом, основная часть магнитного давления ''сосредоточена" в
