Способ косокругового намагничивания ферромагнитного тороида

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для изготовления постоянных магнитов в виде ферромагнитных тороидов с большой коэрцитивной силой, векторы намагничивания которых являются косокруговыми, для магнитных амортизаторов вместо поршневых амортизаторов колебательных движений на основе двух совмещенных одноименными магнитными полюсами тороидов с косокруговой намагниченностью, вращение одного из которых относительно другого в одном направлении осуществляется легко, а в противоположном - с усилиями. Технический результат состоит в обеспечении косокругового намагничивания тороида и задании требуемого угла вектора намагниченности для любой точки поверхности торца тороида относительно вертикали, проведенной из такой точки на плоскости торца тороида. Способ состоит в помещении тороида в соленоид, ось которого совмещена с осью симметрии тороида, и пропускании через соленоид импульса однонаправленного тока, величина которого соответствует магнитному насыщению тороида. На тороид наматывают катушку индуктивности, последовательно соединенную с соленоидом и источником импульса тока намагничивания до насыщения материала тороида, после чего с последнего снимают обмотку. Изменение величины угла между вектором намагниченности, исходящим из произвольной точки поверхности тороида, и вертикалью, восстановленной из такой точки, задают соотношением напряженностей магнитных полей, создаваемых в соленоиде и катушке, намотанной на тороиде. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

 

Изобретение относится к области физики магнетизма и может быть использовано для изготовления ферритовых тороидов с большой коэрцитивной силой - постоянных магнитов, векторы намагничивания которых являются косокруговыми (термин введен автором).

Известно намагничивание ферромагнитных материалов с высокой коэрцитивной силой при создании постоянных магнитов путем помещения ферромагнитных образцов различной конфигурации в насыщающее постоянное магнитное поле или путем помещения таких материалов в соленоид с импульсом однонаправленного тока, создаваемого электрическим разрядом от импульсного высоковольтного конденсатора с достаточной энергией в импульсе [1-3].

В том случае если на тороиде расположена обмотка вокруг направляющей тороида, в нем возникает намагниченность, магнитные силовые линии представляют собой замкнутые окружности, расположенные внутри тороида, а направление магнитных силовых линий соответствует правовращающему буравчику. Такой постоянный магнит с внешними ферромагнитными телами практически не вступает в силовое взаимодействие, так как снаружи тороида силовое магнитное поле практически отсутствует.

Если тороид разместить в охватывающем его соленоиде, витки которого расположены осесимметрично к оси симметрии тороида, то последний намагничивается так, что на его верхнем и нижнем торцах возникают полюсы постоянного магнита S и N, причем направление магнитных силовых линий от северного полюса N к южному полюсу S во внешней среде также подчиняется правилу правовращающего буравчика (при движении свободных электронов в проводнике соленоида по часовой стрелке, как по виткам буравчика, его ввинчивание указывает направление магнитных силовых линий поступательным движением буравчика). Такие постоянные магниты используются для фокусировки электронных пучков в лампах обратной волны или, например, в электродинамиках.

Ближайшим аналогом заявляемого способа может быть способ намагничивания ферромагнитных тороидов с помощью соленоидов с импульсным током [2].

Создание постоянных магнитов с косокруговой намагниченностью ферромагнитных тороидов автору неизвестно. Уточним вводимый термин «косокруговая намагниченность» ферромагнитного тороида. Пусть ось симметрии последнего совпадает с осью Z, а торцевая поверхность тороида лежит в плоскости XY. Тогда из любой i-ой точки на торцевой поверхности тороида можно провести вектор, лежащий в плоскости Y_iZ_i под некоторым углом относительно оси Z_i, а ось Y_i является касательной к окружности с центром в начале координатной системы XYZ, проходящей через данную точку i на данной окружности. Координатная система X_iY_iZ_i своим началом имеет точку i, координаты которой равны x_i, y_i, и z_i для системы координат XYZ. Радиус окружности r_i, проходящей через точку i, определяется как , при этом Z_i=0 для любых точек i, принадлежащих поверхности торца ферромагнитного тороида. Ось X_i направлена по радиусу r_i соответствующей окружности. Угол наклона φ вектора намагниченности H_i, исходящего из точки i, относительно оси Z_i определяется по формуле tg φ=H_||/H⊥, где H_|| и H⊥ - напряженности магнитного поля в ферромагнитном тороиде соответственно вдоль осей Y_i и Z_i. Если значения H⊥ и H_|| не зависят от положения точки i, то φ=const(i).

Целью изобретения является обеспечение косокругового намагничивания ферромагнитного тороида. Другой целью изобретения является задание требуемого угла вектора намагниченности для любой точки поверхности торца ферромагнитного тороида относительно вертикали, проведенной из такой точки.

Указанная цель достигается в способе косокругового намагничивания ферромагнитного тороида, основанном на помещении ферромагнитного тороида в соленоид, ось которого совмещена с осью симметрии ферромагнитного тороида, и пропускании через соленоид импульса однонаправленного тока, величина которого соответствует магнитному насыщению ферромагнитного тороида, отличающемся тем, что на ферромагнитный тороид наматывают катушку индуктивности, которую последовательно соединяют с соленоидом и источником импульса тока намагничивания до насыщения материала ферромагнитного тороида, после чего с последнего снимают обмотку.

Заявляемый способ отличается тем, что изменение величины угла между вектором намагниченности, исходящим из произвольной точки поверхности торца ферромагнитного тороида, и вертикалью, восстановленной из такой точки, задают соотношением напряженностей магнитных полей, создаваемых в соленоиде и катушке, намотанной на ферромагнитном тороиде.

Достижение поставленных целей объясняется принципом суперпозиции насыщающих магнитных полей, создаваемых токами в соленоиде и катушке, намотанной на ферромагнитном тороиде, который обусловливает различное угловое положение векторов намагниченности по отношению к оси Z (соответственно осям Z_i для соответствующих точек i на поверхности торца ферромагнитного тороида).

Заявляемый способ поясняется представленными чертежами 1-3, а его практическое использование - чертежами 4 и 5.

На фиг.1 схема намагничивания содержит ферромагнитный тороид 1, на котором намотана катушка индуктивности 2. Эта конструкция введена в соленоид 3, ось которого совпадает с осью симметрии ферромагнитного тороида. Катушка индуктивности 2 и обмотка соленоида 3 включены последовательно с источником импульсного однонаправленного тока подмагничивания, который состоит из накопительного конденсатора 4 высокого напряжения, резистора 5, которые включены к источнику высокого напряжения 6 постоянного тока. По достижении на накопительном конденсаторе 4 достаточно высокого потенциала возникает электрический пробой через разрядник 7, и импульс тока разряда с накопительного конденсатора 4 протекает через указанные обмотки и высоковольтный силовой диод 8, который препятствует возникновению в контуре «индуктивность обмоток - накопительный конденсатор» колебательного режима. При этом ферромагнитный тороид доводится импульсом тока до насыщения, и после перезаряда накопительного конденсатора экстратоками индуктивностей соленоида и катушки, намотанной на ферромагнитном тороиде, ток в цепи обмоток прерывается, и в ферромагнитном тороиде сохраняется намагниченность, соответствующая остаточной индукции, как это имеет место при намагничивании известных постоянных магнитов.

На фиг.2 представлена та же схема в разрезе для вида сбоку. Согласно известному правилу буравчика, если направление тока в обмотках происходит по часовой стрелке, то направление магнитных силовых линий от северного к южному полюсам в окружающем пространстве совпадает с направлением движения правовращающего буравчика. На фиг.2 катушка 2 намотана на два одинаковых ферромагнитных тороида 1а и 1б, и оба они вставлены в соленоид 3. Направления токов указаны стрелками. При этом накопительный конденсатор 4 разряжается через катушку 2, соленоид 3, высоковольтный силовой диод 8 и разрядник 7. Обмотка соленоида 3 включена так, что ток разряда направлен против часовой стрелки (от конца обмотки к ее началу, обозначенных буквами «К» и «Н» соответственно). Поэтому верхние торцы ферромагнитных тороидов 1а и 1б соответствуют северным полюсам (N), а нижние - южным (S). Поскольку на фиг.2 показан разрез устройства вертикальной плоскостью, то за счет намагничивающего тока в соответствующих сечениях ферромагнитных тороидов возникают полюсы S (слева) и N (справа). На самом деле направление магнитных силовых линий, обусловленное только током в катушке 2, представляют замкнутые окружности, как показано на фиг.1.

На фиг.3 показаны угловые положения векторов косокругового намагничивания ферромагнитного тороида для двух оппозитно расположенных точек k и m. Векторы напряженности магнитного поля H_k и H_m называются главными векторами для соответствующих точек торцевой поверхности, поскольку они соответствуют продольным магнитным осям прямых постоянных магнитиков, составляющих ферромагнитный тороид и наклоненных к осям Z_k и Z_m под определенными углами φ=arctg(H_||/H⊥). Такие прямые постоянные магнитики могут быть однодоменными нитями, домены в которых выстраиваются при намагничивании по одному направлению для всех доменов данной нити. Векторы H_k и H_m формируются от алгебраического сложения векторов H_|| и H⊥, образованных действием токов в соленоиде 3 и катушке индуктивности 2 соответственно. Выбором числа витков этих обмоток можно изменять соотношение H_||/H⊥ и, следовательно, величину угла φ наклона векторов H_k и H_m к соответствующим осям Z_k и Z_m для точек k и m.

На фиг.4 рассмотрено силовое взаимодействие двух ферромагнитных тороидов 1а и 1б (фиг.2), но при условии, что ферромагнитный тороид 1б перевернут на 180° относительно перпендикуляра к оси, указанной пунктиром на фиг.3. При этом ферромагнитный тороид 1б будем именовать как 1б* (звездочка обозначает указанный переворот). Ферромагнитные тороиды 1а и 1б* показаны в форме сечения по АА (фиг.3 с изменением масштаба по высоте). Стрелками показаны проекции главных векторов H_i для пяти различных точек полуторцов ферромагнитных тороидов для их северного (N) и южного (S) полюсов. При этом одинаковые по полярности полюсы (южные S) ферромагнитных тороидов 1а и 1б* стремятся оттолкнуть эти тороиды друг от друга по вертикальному направлению за счет составляющих H⊥, что общеизвестно, а также создают вращательные моменты во взаимно противоположных направлениях за счет составляющих H_|| (в верхнем тороиде 1а вращательный момент направлен против часовой стрелки при виде сверху, а в нижнем тороиде 1б* - по часовой стрелке).

На фиг.5 использовано свойство пары ферромагнитных тороидов с косокруговым намагничиванием и переворотом одного из тороидов на 180° создавать одновременно силы отталкивания и вращательные моменты в оригинальном устройстве, которое состоит из пары ферромагнитных тороидов 1а и 1б* с косокруговым намагничиванием, один из которых - нижний 1б* закреплен неподвижно на горизонтальном основании 9, а другой - верхний 1а может вращаться на оси 10 через закрепленные на нем штанги 11 с подшипником 12. Силовое отталкивание пары тороидов с учетом зазора между его близлежащими торцами может уравновешивать вес верхнего ферромагнитного тороида 1а со штангами 11, что существенно снизит потери на трение в подшипнике 12. В таком устройстве обеспечивается легкое вращение ферромагнитного тороида 1а в направлении по указанной стрелке и торможение в противоположном направлении, что может быть практически использовано в магнитных амортизаторах, вместо поршневых амортизаторов колебательных движений, при использовании оси вращения (демпфируемой) с рычагом, воспринимающим колебательные движения механических систем.

Отметим, что при изменении направления тока в соленоиде 3 на противоположное (заменой выводов «K» и «H» обмотки) при неизменной конфигурации катушки 2 и ее подключении просто меняются полюсы на торцах ферромагнитных тороидов, однако не меняются направления вращательных моментов. С другой стороны, если поменять местами концы обмотки катушки 2, то изменятся направления наклонов главных векторов H_i и, следовательно, изменятся на противоположные направления вращательных моментов, то есть возникает реверс свойств демпфирования магнитных амортизаторов.

Модификацией рассмотренного на фиг.5 устройства, реализующего заявляемый способ, может быть использование двух различных по габаритам установок для косокругового намагничивания ферромагнитных тороидов, один из которых имеет наружный диаметр, несколько меньший внутреннего диаметра другого, и оба тороида вложены один в другой. При этом эти тороиды взаимно центрируются друг относительно друга за счет сил отталкивания одноименных близлежащих полюсов, а также создают вращательные моменты во взаимно противоположных направлениях.

Известно, что для прямых или подковообразных постоянных магнитов характерна диаграмма направленности ξ(α) напряженности магнитного поля, которая вдоль продольной магнитной оси вдвое больше, чем для поперечных направлений [4], и может иметь вид ξ(α)=0,5(1+cosα), где α - угол между продольной магнитной осью и направлением на заданную точку, не лежащую на линии продольной магнитной оси. Это позволяет считать, что возникающие в паре ферромагнитных тороидов с косокруговой намагниченностью вращательные моменты могут в принципе привести их во вращательное движение друг относительно друга с сохранением момента импульса всей системы в целом. Вращательное движение массовых тел связано с возникновением кинетической энергии, хотя энергия магнитного поля ферромагнитных тороидов при этом не претерпевает изменений (за исключением так называемого «старения» постоянных магнитов). Это обстоятельство требует своего объяснения (в части соблюдения закона сохранения энергии). Одним из возможных объяснений может быть механизм Хиггса [5-8], то есть взаимодействие безмассовых бозонов Хиггса вакуумного поля с калибровочными полями, описывающими магнитное поле, с образованием в процессе спонтанного нарушения калибровочной симметрии «массовых магнитных частиц» - импульсов Δp, которые превращаются в энергию ΔW=Δp²/2m, где m - масса ферромагнитного тела, получающего кинетическую энергию при взаимодействии с магнитным полем, и при этом источник магнитного поля выступает лишь в роли своеобразного катализатора протекающих процессов передачи энергии из внешнего пространства. Механизм Хиггса и спонтанное нарушение калибровочной симметрии в 2008 году были отмечены Нобелевской премией по физике, и указанные рассуждения дополняют это фундаментальное открытие в физике (квантовой электродинамике), которое раскрыло механизм возникновения массовых частиц из безмассовых вакуумных полей, раскрыло тайну рождения Вселенной в результате Большого взрыва, что физики собираются опытно подтвердить с помощью данных Большого адронного коллайдера в ЦЕРНе с энергией встречных протонов 14 ГэВ и с детекторами бозонов Хиггса, кварк-глюонной плазмы и античастиц.

Литература

1. Преображенский А.А., Биширд Е.Г., Магнитные материалы и элементы, 3 изд., М., 1986.

2. Февралева И.Е., Магнитотвердые материалы и постоянные магниты, К., 1969.

3. Постоянные магниты, Справочник, М., 1971.

4. Эберт Г., Краткий справочник по физике, пер. с нем., под ред. К.П.Яковлева, изд. 2-ое, ГИФМЛ, М., 1963, стр.420.

5. Higgs P.W., Broken symmetries and the masses of gauge bosons, «Phys. Rev. Let.», 1964, v.12, p.132.

6. Englert F., Brout R., Broken symmetry and the mass of gauge vector mtsons, Phys. Rev. Lett, 1964, v.13, p.321.

7. Guralnic G.S., Hagen C.R., Kibble T.W.B., Global conservation laws and massless particles, Phys. Rev. Lett., 1964, v.13, p.585.

8. L3 Collaboration, Phys. Reports, 1993, v.236, p.1.

1. Способ косокругового намагничивания ферромагнитного тороида, основанный на помещении ферромагнитного тороида в соленоид, ось которого совмещена с осью симметрии ферромагнитного тороида, и пропускании через соленоид импульса однонаправленного тока, величина которого соответствует магнитному насыщению ферромагнитного тороида, отличающийся тем, что на ферромагнитный тороид наматывают катушку индуктивности, которую последовательно соединяют с соленоидом и источником импульса тока намагничивания до насыщения материала ферромагнитного тороида, после чего с последнего снимают обмотку.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что изменение величины угла между вектором намагниченности, исходящим из произвольной точки поверхности торца ферромагнитного тороида, и вертикалью, восстановленной из такой точки, задают соотношением напряженностей магнитных полей, создаваемых в соленоиде и катушке, намотанной на ферромагнитном тороиде.