Сильные импульсные магнитные поля в физическом эксперементе - Лагутин А.С.
ISBN: 5-283-03910-2
Скачать (прямая ссылка):
Распределение тока по сечению витка может быть как сильно неоднородным -
для массивных витков с а > 1, так и близким к однородному - для
тонкостенных соленоидов с г, я* г2.
Поле в центре одновиткового соленоида можно рассчитать по формуле (см.,
например, [10])
В = 0,4 я До (I P/2r i) К (а, (3),
(2.20)
где / - полный ток через виток; К (а, /3) < 1 - геометрический фактор
(рис. 2.8).
Распределение тока по высоте витка тоже отлично от однородного. Вначале
вследствие скинирования ток концентрируется у торцов соленоида, в силу
чего торцы витка перегреваются быстрее, а следовательно, их сопротивление
возрастает, что и обусловливает перераспределение тока к центру.
Последнее, в свою очередь, приводит к тому, что поле в центре витка
оказывается сильнее, чем вычисленное для случая однородного по высоте
витка распределения тока, а поле на краях витка ослабляется (рис. 2.9).
Рис. 2.8. Зависимость геометрического фактора одновиткового соленоида от
Р при фиксированных значениях а [10]
Рис. 2.9. Временные зависимости, полученные в эксперименте с тонкостенным
од-новитковым соленоидом [35]:
I и / - электрический ток и его производная; R + L - сопротивление
соленоида; U - напряжение на соленоиде; В/ и В0 - магнитная индукция на
торце витка и в центре соленоида; начальное напряжение на батарее 12 кВ;
диаметр витка 3 мм, высота 5 мм; толщина 0,5 мм
Получение СМП с помощью одновитковых соленоидов ставит перед
экспериментатором задачу точного расчета теплового режима работы, так как
для генерации полей с Вт > 50 Тл необходимо пропускать через виток
электрический ток от сотен тысяч до миллионов ампер (рис. 2.9). Причиной
тому - очень низкая линейная плотность тока в одновитковом соленоиде.
Соленоиды специальной формы. Описанные выше варианты конструкций
импульсных соленоидов не исчерпывают, конечно, всего имеющегося их
многообразия. Если существуют особые требования к степени однородности
поля в соленоиде или же по эффективности преобразования подводимой
электрической энергии в энергию магнитного поля, то применяются соленоиды
специальной формы (рис. 2.10). В первом случае используются конструкции
типа а, в, г и е, а второму соответствуют варианты б и д, в которых
коэффициент Фабри максимален.
Выбор конструкции. Использование соленоида того или иного типа
определяется конкретными условиями эксперимента - в основном необходимыми
амплитудой и длительностью импульса. Чем короче импульс поля, тем сильнее
сказывается скин-эффект, поэтому в ка-
21
т
а)
А
В)
д)
в!
г)
е)
Рис. 2.10. Аксиальные сечения соленоидов специального назначения:
а, г и е - с повышенной однородностью поля; б и д - с высокой
эффективностью (максимальные коэффициенты Фабри) ; е - с радиальным
доступом
честве материала соленоида с ''коротким" полем можно выбирать проводники
с высоким сопротивлением и большой прочностью. И наоборот, генерация
квазистационарных СМП (т00 > 0,01 с) требует применения не только
прочных, но и очень хорошо проводящих материалов, чтобы избежать
чрезмерных тепловых перегрузок.
Спиральные и одновитковые соленоиды выдерживают большие механические
напряжения, чем многовитковые соленоиды с однородным распределением тока,
зато последние имеют большее отношение индуктивности к сопротивлению и
поэтому более удобны для получения импульсов длительностью свыше 0,001 с,
так как для них легко достигается согласование практически с любым
источником импульсного электрического тока.
Амплитуда магнитного поля в соленоиде ограничивается в основном
разрушением обмотки под действием пондеромоторных сил. При работе в
режиме с максимальной амплитудой импульса, когда материал обмотки
испытывает механические напряжения, близкие к пределу прочности, важной
характеристикой соленоида становится его ресурс, т.е. число импульсов,
которое он способен выдержать. Если конструкционные и технологические
особенности соленоида позволяют быстро его изготовить, а ресурс превышает
несколько десятков импульсов, то можно считать такой соленоид практически
годным к проведению физических экспериментов.
Конструкции соленоидов для создания СМП, описанные ниже, не исчерпывают,
разумеется, всех возможных вариантов, но содержат, на наш взгляд,
интересные технические решения.
22
Поскольку обеспечение высокой механической прочности соленоида,
предназначенного для многократного получения СМП, - одна из важнейших
задач его проектирования, полезно рассмотреть способы оценки механических
нагрузок в соленоидах разных типов.
2.1.2. Механические нагрузки. Соленоиды с однородным распределением тока.
Расчет механических нагрузок в соленоидах такого типа представляет собой
весьма сложную задачу, которую решают всегда приближенно, так как ряд
данных не может быть определен с достаточной точностью. Это относится
прежде всего к распределению локальных напряжений в соленоиде,
обусловленных локальными пондеромоторными силами. Неизвестен, как
правило, модуль упругости композитного материала, которым фактически
