Концентратор магнитного поля для учебного прибора

 

Использование: в физике, в частности для демонстрации физических приборов. Сущность изобретения: концентратор содержит постоянный магнит 1, сосуд Дьюара 2, криогенную жидкость 3, держатель диафрагмы 4, кольцо с диафрагмой 5. 2 ил.

Изобретение относится к учебным приборам по курсу общей физики, в частности к концентраторам магнитного поля, демонстрация сжатия магнитного поля на которых включена в лабораторный практикум технических университетов и высших технических заведений.

Известен учебный прибор концентратор магнитного поля (Лекционные демонстрации по физике. М. Наука, 1972. Под ред. В. И. Ивероновой. с. 393.). В учебном приборе используется то обстоятельство, что при импульсном уменьшении площади контура из проводящего материала происходит импульсное увеличение напряженности магнитного поля и подобное увеличение может быть достигнуто даже в том случае, если контур является незамкнутым. В рассматриваемом приборе магнитное поле сжимается между тремя дюралюминиевыми пластинками, одновременно двигающимися к центру зазора магнита. Демонстрация сжатия магнитного поля производится следующим образом: пластины, находящиеся в зазоре магнита, разводят, затем резким движением смыкают пластины. Флюксометр при постоянном поле магнита 3000 э регистрирует импульсное приращение поля на 200 300 э. После остановки пластин величина магнитного поля в зазоре магнита восстанавливается до постоянного значения в 3000 э.

В теоретическом плане рассмотрен вопрос о сжатии магнитного поля с помощью сверхпроводящего контура (Природа, N 8, 1990, ст. Магнитная кумуляция). "Рассмотрим идеальную магнитную кумуляцию сжатие аксиального магнитного потока цилиндрической оболочкой из сверхпроводящего вещества. В этом случае магнитный поток Ф сохраняется постоянным при любой скорости сжатия".

Сущностью изобретения является использование в конструкции магнитного концентратора сверхпроводящих материалов, в том числе высокотемпературных. Основным элементом в учебном приборе по изобретению является кольцо из сверхпроводящего материала с встроенным механизмом ирисовой диафрагмы, лепестки которой также изготовлены из сверхпроводящего материала. При этом кольцо образует замкнутый сверхпроводящий контур и остается таковым при изменении величины диафрагмы.

В предлагаемой конструкции используется также свойство сверхпроводящего контура сохранять заключенный в него при переходе в сверхпроводящее состояние магнитный поток независимо от дальнейших изменений величины внешнего магнитного поля (А, Роуз-Инс. Введение в физику сверхпроводимости, с. 27).

Так как даже высокотемпературные сверхпроводники являются таковыми при криогенных температурах, возникает необходимость в охлаждении концентратора криогенными жидкостями (жидкий азот и др.) и необходимость в сосуде для хранения криогенных жидкостей сосуде Дьюара. Широко известный в криогенной технике сосуд Дьюара представляет собой емкость с двойными стенками, между которыми создается вакуумированное пространство. Наиболее распространенным материалом для изготовления емкостей является медь. Для данного конкретного случая применения сосуда Дьюара для охлаждения магнитного концентратора медь не является идеальным материалом так как является диамагнетиком и вытесняет магнитное поле из своего объема. Это может привести к искажению результатов по измерению величины измеряемого магнитного поля, так измерения производятся через стенки сосуда Дьюара.

В изобретении предлагается с целью исключения искажений магнитного поля использовать для изготовления сосуда Дьюара сплав с нулевой магнитной восприимчивостью (или, что тоже самое с магнитной проницаемостью, равной единице).

Одним из таких сплавов, которые представляют собой сплав диамагнетика и парамагнетика в определенных соотношениях, является сплав палладий серебро (С. В. Вонсовский. Магнетизм. М. Наука, 1984, с. 109). Так как зависимость магнитной проницаемости от температуры у диамагнетиков и парамагнетиков является противоположной, то в сплаве диамагнетика и парамагнетика достигнутое значение магнитной проницаемости, равное единице сохраняется в широком диапазоне криогенных температур (до температуры жидкого азота и ниже) (Справочник. Физические величины. 1991, с. 593 609).

Изобретение поясняется фиг. 1 и 2.

На фиг. 1 представлена часть конструкции учебного прибора для демонстрации свойств магнитного поля. Позиция 1 показывает постоянный магнит, изготовленный из сплава альнико. Позиция 2 показывает сосуд Дьюара с двойными стенками, изготовленный из сплава палладий серебро. Позиция 3 указывает криогенную жидкость, например жидкий азот. Позиция 4 показывает держатель кольца с встроенной диафрагмой, также изготовленного из сплава палладий-серебро, обладающего нулевой магнитной восприимчивостью. Позиция 4 показывает кольцо с встроенной диафрагмой, изготовленными из сверхпроводящих материалов с высокой температурой перехода в сверхпроводящее состояние. Механизм диафрагмы аналогичен механизму диафрагмы, например, объектива "Гелиос-44" с фиксированными значениями относительных отверстий 2; 2,8; 4; 5,6; 8; 11; 16.

На фиг. 2 позиция 6 показывает крышку сосуда Дьюара, также изготовленную из сплава с нулевой магнитной восприимчивостью и с двойными вакуумированными стенками, как и весь сосуд Дьюара. Позиция 7 показывает рычаг для переключения относительного отверстия диафрагмы, изготовленный из сплава с нулевой магнитной проницаемостью. Позиция 8 показывает лепестки ирисовой диафрагмы, изготовленные из сверхпроводящего материала с высокой температурой перехода в сверхпроводящее состояние.

Порядок работы с прибором следующий. Сосуд Дьюара устанавливается между полюсами постоянного магнита. Затем в сосуд Дьюара наливается жидкий азот. Затем в сосуд Дьюара опускается вместе с крышкой кольцо с диафрагмой, причем диафрагма полностью открыта т. е. ее отверстие является максимально большим.

После охлаждения диафрагмы, что проявляется по прекращению кипения жидкого азота, сосуд Дьюара удаляется из магнита и переносится к установке для измерения магнитного поля. В ходе измерения поле можно сжимать, уменьшая относительное отверстие диафрагмы с помощью переключателя рычага для переключения диафрагмы. Измерение магнитного поля производится с помощью магнитометра любого типа, применяемого в лабораторной практике.

Предлагаемый учебный прибор позволяет производить измерения магнитного поля не в импульсном, а в постоянном режиме, что увеличивает точность измерений. Можно также демонстрировать опыты по ослаблению магнитного поля.

Формула изобретения

Концентратор магнитного поля для учебного прибора, содержащий постоянный магнит, устройство для ступенчатого сжатия магнитного поля, отличающийся тем, что он содержит сосуд Дьюара для хладагента, выполненный из сплава с нулевой магнитной восприимчивостью, кольцо, выполненное из сверхпроводящего материала, устройство для сжатия магнитного поля, выполненное в виде ирисовой диафрагмы из высокотемпературного сверхпроводящего материала и установленное в сверхпроводящее кольцо.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2