مغناطيس كهربائي مر

📅 آخر تحديث: ٢ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٢ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 3 صور
الموسوعة الحرة
القوى المغناطيسية المعاكسة المؤثرة على الماء داخل جسم ضفدع حيّ ترفعه في تجويف رأسي قطره 3.2 سم في ملف لولبي من نوع بيتر، في مختبر نايميخن للمغناطيسات عالية المجال، نايميخن، هولندا. كان المجال المغناطيسي حوالي 16 تسلا . الفيديو متوفر. [ 1 ]

المغناطيس الكهربائي من نوع بيتر ، أو الملف اللولبي من نوع بيتر، هو نوع من المغناطيسات الكهربائية اخترعه الفيزيائي الأمريكي فرانسيس بيتر عام 1933 ، ويُستخدم في الأبحاث العلمية لتوليد مجالات مغناطيسية قوية للغاية . وقد استُخدمت مغناطيسات بيتر الكهربائية لتحقيق أقوى المجالات المغناطيسية الاصطناعية المستمرة على وجه الأرض، والتي تصل قوتها إلى 45 تسلا ، وذلك حتى عام 2011.[ 2 ]​

تاريخ

تم اختراع هذا التصميم في عام 1933 من قبل الفيزيائي الأمريكي فرانسيس بيتر ، وتم تسميته تكريماً له.

صفات

تُستخدم المغناطيسات الكهربائية من نوع بيتر حيثما تكون هناك حاجة إلى مجالات مغناطيسية قوية للغاية. تصل النوى الحديدية المستخدمة في المغناطيسات الكهربائية التقليدية إلى حد التشبع ، وتقتصر قدرتها على توليد مجالات مغناطيسية تبلغ حوالي 2 تسلا. يمكن للمغناطيسات الكهربائية فائقة التوصيل توليد مجالات مغناطيسية أقوى، ولكنها تقتصر على مجالات تتراوح بين 10 و20 تسلا، بسبب ظاهرة زحف التدفق المغناطيسي ، على الرغم من أن الحدود النظرية أعلى من ذلك. للحصول على مجالات أقوى، تُستخدم المغناطيسات الكهربائية المقاومة ذات الملف اللولبي من تصميم بيتر. من عيوبها أنها تتطلب تيارات تشغيل عالية جدًا، وتبدد كميات كبيرة من الحرارة.

بناء

لوحة من  مغناطيس بيتر بقوة 16 تسلا، قطرها 40  سم، مصنوعة من النحاس. يمر بها تيار كهربائي مقداره 20 كيلو أمبير أثناء التشغيل.

تُصنع مغناطيسات بيتر من صفائح معدنية موصلة دائرية (تُعرف بصفائح بيتر ) وفواصل عازلة مُكدسة بشكل حلزوني ، بدلاً من لفائف الأسلاك. يسري التيار الكهربائي في مسار حلزوني عبر الصفائح. يهدف تصميم الصفائح المُكدسة إلى تحمل الضغط الميكانيكي الخارجي الهائل الناتج عن قوى لورنتز بسبب المجال المغناطيسي المؤثر على الشحنات الكهربائية المتحركة في الصفيحة، والذي يزداد مع مربع شدة المجال المغناطيسي. بالإضافة إلى ذلك، يدور الماء عبر ثقوب في الصفائح كمبرد ، لتبديد الحرارة الهائلة المتولدة في الصفائح نتيجة التسخين المقاوم بفعل التيارات العالية المتدفقة فيها. كما يزداد تبديد الحرارة مع مربع شدة المجال المغناطيسي.

في منتصف التسعينيات، قام باحثون في المختبر الوطني للمجالات المغناطيسية العالية (NHMFL) بجامعة ولاية فلوريدا في تالاهاسي بتطوير هذا التصميم الأساسي، فابتكروا ما يُعرف باسم " فلوريدا بيتر" . [ 3 ] [ 4 ] [ 5 ] وبفضل إطالة فتحات التثبيت والتبريد، انخفضت الإجهادات المتولدة في النظام بشكل ملحوظ، وتحسنت كفاءة التبريد. فعندما كانت الإجهادات تزداد في صفائح بيتر الأصلية، كانت تنثني قليلاً، مما يؤدي إلى خروج فتحات التبريد الدائرية الصغيرة عن محاذاتها، وبالتالي انخفاض فعالية نظام التبريد. أما صفائح فلوريدا بيتر، فتنثني بشكل أقل نتيجة انخفاض الإجهادات، وتبقى فتحات التبريد المطولة محاذية جزئيًا دائمًا، بغض النظر عن أي انثناء قد تتعرض له الأقراص. وقد أتاح هذا التصميم الجديد زيادة في الكفاءة بنسبة 40%، وأصبح التصميم المفضل للمغناطيسات المقاومة القائمة على صفائح بيتر.

كثافة التيار وكثافة التدفق المغناطيسي

على عكس سلك النحاس، لا تكون كثافة التيار في القرص الحامل للتيار منتظمة عبر مساحة مقطعه العرضي، بل هي دالة لنسبة القطر الداخلي للقرص إلى نصف قطر محدد داخله. ويترتب على هذه العلاقة أن كثافة التيار تتناقص مع زيادة نصف القطر. وبالتالي، يتدفق معظم التيار بالقرب من نصف القطر الداخلي للقرص. تتميز الأقراص الكبيرة (أي الأقراص ذات الفرق الكبير بين نصف قطرها الداخلي والخارجي) بتفاوت أكبر في كثافة التيار بين جزئيها الداخلي والخارجي. وهذا بدوره يقلل من الكفاءة ويسبب تعقيدات إضافية في النظام نظرًا لوجود تدرج أكبر في درجة الحرارة والإجهاد على طول القرص. ولذلك، غالبًا ما تُستخدم سلسلة من الملفات المتداخلة لأنها توزع التيار بشكل أكثر انتظامًا على مساحة إجمالية كبيرة مقارنةً بملف واحد مع أقراص كبيرة.

يجب مراعاة عدم انتظام كثافة التيار عند حساب كثافة التدفق المغناطيسي. ينص قانون أمبير لحلقة سلكية أساسية تحمل تيارًا على أن التدفق المغناطيسي المحوري يتناسب طرديًا مع شدة التيار المار في السلك، ويرتبط بالهندسة الأساسية للحلقة، ولكنه لا يأخذ في الحسبان هندسة المقطع العرضي للسلك. تكون كثافة التيار منتظمة عبر مساحة المقطع العرضي للسلك. هذا لا ينطبق على قرص بيتر. لذلك، يجب استبدال مصطلح التيار بمصطلحات تتناول مساحة المقطع العرضي للقرص وكثافة التيار. ونتيجة لذلك، تصبح معادلة كثافة التدفق المغناطيسي المحوري لقرص بيتر أكثر تعقيدًا.

ترتبط كثافة التدفق التفاضلي بكثافة التيار والمساحة التفاضلية. يجب إدخال عامل المساحة للتعويض عن التغيرات في القرص الناتجة عن التبريد وفتحات التثبيت.

سجلات

أقوى مغناطيس كهربائي في العالم، وهو  مغناطيس بيتر الهجين فائق التوصيل بقوة 45 تسلا، الموجود في المختبر الوطني الأمريكي للمجالات المغناطيسية العالية، تالاهاسي، فلوريدا، الولايات المتحدة الأمريكية.

تم توليد أقوى المجالات المغناطيسية المستمرة على سطح الأرض بواسطة مغناطيسات بيتر. وبلغت أقوى قوة مجال مستمر تم تحقيقها باستخدام مغناطيس مقاوم فقط 41.5 تسلا، وذلك حتى تاريخ 22 أغسطس 2017.  [ 6 ] [ 7 ]​​​​​​​

اعتبارًا من 31 مارس 2014  أقوى مجال مستمر تم تحقيقه بواسطة مغناطيس يعمل في درجة حرارة الغرفة هو 37.5  تسلا تم إنتاجه بواسطة مغناطيس كهربائي من نوع بيتر في مختبر المغناطيس عالي المجال بجامعة رادبود في نيميغن ، هولندا . [ 8 ]

تم إنتاج أقوى مجال مغناطيسي اصطناعي مستمر، بقوة 45  تسلا، بواسطة جهاز هجين يتكون من مغناطيس بيتر داخل مغناطيس فائق التوصيل . [ 2 ] ينتج المغناطيس المقاوم 33.5  تسلا، بينما ينتج الملف فائق التوصيل 11.5 تسلا المتبقية.  يتطلب المغناطيس المقاوم 30  ميغاواط من الطاقة، بينما يجب الحفاظ على درجة حرارة الملف فائق التوصيل عند 1.8 كلفن (-456.43 درجة فهرنهايت) باستخدام الهيليوم السائل، ويستغرق تبريده ستة أسابيع. تبلغ تكلفة تشغيله بكامل طاقته 1452 دولارًا أمريكيًا في الساعة. في عام 2019، حقق مغناطيس كهربائي آخر فائق التوصيل جزئيًا الرقم القياسي العالمي لمجال مغناطيسي ثابت للتيار المستمر: 45.5 تسلا. [ 9 ]   

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ "الضفدع العائم" . يوتيوب . 7 يونيو 2009.
  2. 1 2 كوين، كريستين (2008). "المغناطيس: من الصغير إلى الجبار" . مختبر المغناطيس U. المختبر الوطني للمجالات المغناطيسية العالية. مؤرشف من الأصل في 21 ديسمبر 2014. تم الاسترجاع في 31 أغسطس 2008 .
  3. ↑ بيرد، دكتور في الطب؛ ديكسون، آي آر؛ توث، ج. (1 يونيو 2004). "تصميم الجيل القادم من مغناطيسات فلوريدا-بيتر في مختبر NHMFL". معاملات IEEE في مجال الموصلية الفائقة التطبيقية . 14 (2): 1253-1256 . رمز Bibcode : 2004ITAS...14.1253B . doi : 10.1109/TASC.2004.830545 . ISSN 1051-8223 . 
  4. ↑ بيرد، مارك د. (1 أغسطس 2004). "تقنية المغناطيس المقاوم للحشوات الهجينة" . علم وتكنولوجيا الموصلات الفائقة . 17 (8): R19– R33. doi : 10.1088/0953-2048/17/8/R01 . ISSN 0953-2048 . 
  5. ↑ مختبر المجال المغناطيسي العالي الوطني. "صنع المغناطيس المقاوم - MagLab" . nationalmaglab.org . تاريخ الاسترجاع: 13 يونيو 2024 .
  6. ↑ "مختبر ماج لاب يستعيد الرقم القياسي لأقوى مغناطيس مقاوم" . المختبر الوطني للمجالات المغناطيسية العالية. 22 أغسطس 2017. تم الاطلاع عليه بتاريخ 14 مايو 2023 .
  7. ↑ توث، ج.؛ بول، إس تي (أبريل 2018). ""تصميم وبناء واختبار أول مغناطيس مقاوم بالكامل بقوة 41.5 تسلا في مختبر NHMFL في تالاهاسي"،" . IEEE Transactions on Applied Superconductivity . 28 (3). IEEE: 1–4 . Bibcode : 2018ITAS...2875578T . doi : 10.1109/TASC.2017.2775578 . S2CID 7923594. " 
  8. ↑ «مختبر المغناطيس عالي المجال يحطم الرقم القياسي العالمي بمغناطيس جديد بقوة 37.5 تسلا» . مختبر المغناطيس عالي المجال. 31 مارس 2014. مؤرشف من الأصل في 4 سبتمبر 2015. تم الاطلاع عليه في 21 مايو 2014 .
  9. ↑ "مغناطيس يسجل رقماً قياسياً عالمياً بقوة 45.5 تسلا" . 17 يونيو 2019.