Патент на изобретение №2392681

(54) СПОСОБ КОСОКРУГОВОГО НАМАГНИЧИВАНИЯ ФЕРРОМАГНИТНОГО ТОРОИДА

(57) Реферат:

Изобретение относится к электротехнике и может быть использовано для изготовления ферритовых тороидов с большой коэрцитивной силой – постоянных магнитов, векторы намагничивания которых являются косокруговыми, то есть когда из любой i-ой точки на торцевой поверхности тороида можно провести вектор, лежащий в плоскости у_i z_i под некоторым углом относительно оси z_i, где ось у_i является касательной к окружности с центром в начале координатной системы x_i у_i z_i, проходящей через данную точку i на данной окружности. Технический результат состоит в получении управляемого косокругового намагничивания ферромагнитных тороидов. Способ косокругового намагничивания ферромагнитного тороида основан на совместном использовании двух включенных последовательно по насыщающему току намагничивания катушек, ось симметрии одной из которых совпадает с осью z симметрии ферромагнитного тороида, а другая – намотана на самом тороиде. Первая из них создает намагниченность вдоль оси симметрии тороида (параллельно оси z_i), а вторая – вдоль оси у, для каждой из точек i торца тороида. Поэтому результирующий вектор намагниченности, исходящий из точки i и обозначаемый как H_i, располагается под углом =arctg(H_||/H) к оси z_i и лежит в плоскости у_i z_i, где Н_|| и H – напряженности магнитного поля в ферромагнитном тороиде соответственно вдоль осей у_i и z_i. 2 з.п. ф-лы, 4 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 движению правовращающего буравчика. Такой постоянный магнит с внешними ферромагнитными телами практически не вступает в силовое взаимодействие, так как снаружи тороида силовое магнитное поле практически отсутствует.

Если тороид поместить в охватывающий его соленоид, витки которого расположены осесимметрично к оси симметрии тороида, то последний намагничивается так, что на его верхнем и нижнем торцах возникают полюсы постоянного магнита N и S, 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 x, у. Тогда из любой i-ой точки на торцевой поверхности тороида можно провести вектор, лежащий в плоскости у_i z_i под некоторым углом относительно оси Z_i, а ось Y_i является касательной к окружности с центром в начале координатной системы x, у, z, проходящей через данную точку i на данной окружности. Координатная система x_i у_i z_i своим началом имеет точку i, координаты которой равны X_i, Y_i и Z_i для системы координат x, у, z. 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 вектора намагниченности H_i, исходящего из точки i, относительно оси z_i определяется по формуле tg=Н_||/Н, где Н_|| и H – напряженности магнитного поля в ферромагнитном тороиде соответственно вдоль осей у_i и z_i. Если значения H и Н_|| не зависят от положения точки i, то =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, в том числе обеспечение зеркально симметричного распределения векторов намагниченности для пары ферромагнитных тороидов.

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.

Заявляемый способ отличается тем, что для зеркально симметричного косокругового распределения векторов намагниченности в паре одинаковых ферромагнитных тороидов изменяют на противоположное направление токов намагничивания в обмотках соленоида и идентичных катушках индуктивности, намотанных на каждый из ферромагнитных тороидов, с помощью соответствующего переключателя.

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 осям z_i для соответствующих точек i на поверхности торца ферромагнитного тороида.

Заявляемый способ поясняется представленными фигурами 1-3, а его практическое использование – фигурой 4.

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 намагничивания, который состоит из накопительного конденсатора 4 высокого напряжения, резистора 5, которые подключены к источнику высокого напряжения 6 постоянного тока. По достижению 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. Для изменения направления токов намагничивания ферромагнитного тороида 1 в обмотках 2 и 3 на противоположные в схеме использован двойной переключатель 9. В одном его положении «а» намагничивают ферромагнитный тороид 1а, а в другом – в положении «b» – намагничивают ферромагнитный тороид 1b (указаны на фиг.3).

На фиг.2 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 результирующими 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 =arctg (Н_||/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 Н_||, образованных действием токов в соленоиде 3 и катушке индуктивности 2 соответственно. Выбором числа витков этих обмоток можно изменять соотношение Н_||/H и, следовательно, величину угла наклона векторов H_k и H_m к соответствующим осям z_k и z_m для точек k и m. Аналогичным образом обстоит дело для любых других точек на торцах ферромагнитного тороида.

На фиг.3 представлены разрезы по АА для пары одинаковых ферромагнитных тороидов 1а и 1b с их векторами намагниченности, образованной в схеме фиг.1 при различных положениях двойного переключателя 9 (соответственно «а» и «b»).

На фиг.4 использовано свойство пары ферромагнитных тороидов 1а и 1b с зеркально симметричным косокруговым намагничиванием создавать одновременно силы отталкивания и вращательные моменты в оригинальном устройстве, которое состоит из пары ферромагнитных тороидов 1а и 1b с косокруговым намагничиванием, один из которых – нижний 1b – закреплен неподвижно на горизонтальном основании 10, а другой – верхний 1а – может вращаться на оси 11 через закрепленные на нем штанги 12 с подшипником 13, имеющим степень свободы по перемещению вдоль оси 11 при перемещении ферромагнитного тороида 1а относительно неподвижно закрепленного ферромагнитного тороида 1b. Силовое отталкивание пары тороидов с учетом зазора между его близлежащими торцами с одинаковыми магнитными полюсами (полюсами S) может уравновешивать вес верхнего ферромагнитного тороида 1а со штангами 12 и подшипником 13, что существенно снизит потери на трение в последнем. В таком устройстве обеспечивается легкое вращение ферромагнитного тороида 1а в направлении по указанной стрелке и торможение в противоположном направлении, что может быть практически использовано, например, в магнитных амортизаторах, вместо газовых или масляных поршневых амортизаторов колебательных движений, при использовании оси вращения (демпфируемой) с рычагом, воспринимающим колебательные движения механических систем. Зазор между ферромагнитными тороидами 1а и 1b устанавливается автоматически при равенстве вертикальных составляющих F магнитных сил отталкивания и веса ферромагнитного тороида 1b с присоединенными к нему массами штанг 12 и подшипника 13.

Рассмотрим операционную сущность заявляемого технического решения. Известно, что для прямых или подковообразных постоянных магнитов характерна диаграмма направленности () напряженности магнитного поля, которая вдоль продольной магнитной оси вдвое больше, чем для поперечных направлений [4], и может иметь вид ()=0,5(1+cos), где – угол между продольной магнитной осью и направлением на заданную точку, не лежащую на линии продольной магнитной оси. При этом тело ферромагнитного тороида 1 можно рассматривать как бы состоящим из совокупности доменных нитей, каждая из которых по ее магнитному вектору намагниченности ориентирована вдоль соответствующих результирующих векторов H_i, исходящих из соответствующих точек i на торце ферромагнитного тороида. Каждую из таких по-разному ориентируемых доменных нитей можно интерпретировать как прямой постоянный магнит с указанной выше диаграммой направленности (кардиоидоподобной). Продольная магнитная ось таких прямых постоянных магнитов ориентирована вдоль вектора намагниченности H_i и при этом горизонтальная составляющая силового действия такого «магнита» на связанную с ним часть ферромагнитного тела (нижнего ферромагнитного тороида 1b на фиг.4) распределена вдоль оси у_i некоторым сложным образом с максимумом силы отталкивания, большим максимума силы притяжения (указанные максимумы расположены по разные стороны относительно точки i на оси у_i). Таким образом, каждая точка i торца ферромагнитного тороида с косокруговым намагничиванием, а точнее – соответствующая дифференциальная поверхность ds_i площади S торца, связанная с точкой i, создает результирующий дифференциал силы df_i, вектор которой направлен вдоль оси у_i, что приводит к возникновению вращательного момента M₁, величина которого вычисляется интегрированием по всей поверхности торца ферромагнитного тороида:

где r_i – радиус окружности, проходящей через точку i, с центром на оси симметрии ферромагнитного тороида, как было ранее указано, . При этом размер дифференциальной площадки торца ds_i фактически определяется размером домена ферромагнитного материала. Таким образом, общее число элементарных прямых «магнитов» (доменных нитей) в ферромагнитном тороиде равно отношению площади торца S к размеру дифференциальной площадки ds_i, и каждый из этих «магнитов» создает однонаправленный дифференциальный вращательный момент. 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 за счет действия горизонтальных составляющих F_|| магнитных сил. Если имеет место взаимодействие двух одинаковых ферромагнитных тороидов с зеркально симметричным косокруговым намагничиванием, как указано на фиг.4, то результирующий вращательный момент М удваивается, то есть имеем М=2M₁.

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 р, которые превращаются в энергию W=р²/2m, 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 было отмечено 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 ЦЕРН, с энергией встречных протонов 14 ТэВ и с детекторами бозонов Хиггса, кварк-глюонной плазмы и античастиц. Возможно и иное объяснение механизма силового взаимодействия магнитного поля постоянных магнитов с ферромагнитными телами или другими постоянными магнитами (как в данном рассмотрении между постоянными магнитами 1а и 1b), которое надлежит выяснить теоретической физике.

Практическое изготовление ферромагнитных тороидов с косокруговой намагниченностью легко выполнимо, например, в Институте ферритов в Санкт-Петербурге, а устройство, представленное на фиг.4, может быть изготовлено на одном из предприятий оптико-механической промышленности, например во ФГУП «ВНЦ «ГОИ им. С.И.Вавилова» (СПб).

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.l2, 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.l3, p.585.

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

Формула изобретения

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.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для зеркально симметричного косокругового распределения векторов намагниченности в паре одинаковых ферромагнитных тороидов изменяют на противоположное направление токов намагничивания в обмотках соленоида и идентичных катушках индуктивности, намотанных на каждый из ферромагнитных тороидов, с помощью соответствующего переключателя.

РИСУНКИ