Физики нашли идеальный способ укладки магнитов для любых технических целей

Ученые преодолели недостатки известной схемы Хальбаха, работающей исключительно с бесконечно длинными магнитами, разработав новаторские трехмерные магнитные структуры, пригодные для реальных установок ограниченного размера.Источник: Unsplash / CC0

Два немецких физика разработали и экспериментально подтвердили инновационный подход к созданию однородных магнитных полей с использованием постоянных магнитов. Их метод превосходит классическую схему Хальбаха, которая оптимальна только для бесконечно длинных и, следовательно, нереализуемых магнитов, пишет ScienceDaily.

Чтобы создать равномерное магнитное поле на большой площади, применяются специальные способы размещения постоянных магнитов. Один из популярных методов называется конструкцией Хальбаха. По этому принципу вокруг кольца размещают длинные магниты так, чтобы силы отдельных магнитов складывались вместе и создавали ровное поле посередине. Но на практике используются короткие магниты, а не идеально длинные, как предполагает теория. Из-за этого реальное поле получается неровным: сила магнетизма значительно меняется в разных местах внутри кольца. Получается, что классический вариант схемы Хальбаха плохо подходит для небольших устройств, где важно сделать сильное и равномерное магнитное поле.

В своей работе Петер Блюмлер и Инго Реберг представляют оптимальные трехмерные расположения очень компактных магнитов, идеализированные точечными диполями. С целью возможных применений они исследовали, среди прочего, оптимальную ориентацию магнитов для двух геометрий, имеющих отношение к практическому использованию: одиночное кольцо и сложенное двойное кольцо. Так называемая «сфокусированная» конструкция дополнительно позволяет генерировать однородные поля вне плоскости магнита, например, в объекте, расположенном над магнитами.

Физики разрабатывают эффективные альтернативы классической конструкции Хальбаха, имеющие потенциал для широкого спектра применений.Источник: Unsplash

Специалисты создали точные математические формулы для предложенных конфигураций, подтвердив их эффективность опытным путем. Для экспериментов ученые собрали системы из 16 маленьких магнитов типа FeNdB, закрепленных на специальных держателях, напечатанных на 3D-принтере. Затем они измеряли полученные магнитные поля и сравнивали их с расчетными значениями, получив прекрасное совпадение. Новые схемы показали лучшие результаты как по силе магнитного поля, так и по его равномерности, превзойдя традиционные решетки Хальбаха и их известные улучшения.

Новую концепцию разработки магнитных полей можно эффективно применять там, где нужны мощные и равномерные магнитные воздействия. Например, в обычных аппаратах МРТ для диагностики используется мощный сверхпроводящий магнит. Он создает сильное магнитное поле, необходимое для возбуждения атомов водорода в теле пациента. После обработки сигналов от этих возбуждений врачи получают детализированные снимки внутренних органов. Но такие сверхпроводящие магниты сложны в изготовлении и стоят дорого, что затрудняет широкое распространение технологии МРТ. Поэтому активно разрабатываются методы, позволяющие заменить дорогостоящие устройства облегченными системами на основе простых постоянных магнитов. Исследование способствует развитию именно таких технологий, предлагая перспективные решения для создания сильных и однородных магнитных полей. Идеи найдут применение не только в медицинских приборах, но и в устройствах вроде ускорителей элементарных частиц или системах магнитной левитации.

Тем временем в России получили перспективный материал для хранения водорода. Подробнее о нем рассказали в другом материале Hi-Tech Mail.