Nam châm vĩnh cửu -- mảng Halbach

Mảng Halbach là sự sắp xếp cụ thể của một loạt nam châm vĩnh cửu. Mảng này có một dạng từ tính xoay trong không gian có thể hủy trường ở một bên nhưng lại tăng cường trường ở mặt khác. Ưu điểm chính của mảng Halbach là chúng có thể tạo ra từ trường mạnh ở một phía trong khi tạo ra một trường lạc rất nhỏ ở phía đối diện. Hiệu ứng này được hiểu rõ nhất bằng cách quan sát sự phân bố từ thông.

Các dải vật liệu sắt từ (vật liệu có thể bị từ hóa vĩnh viễn) với từ hóa xen kẽ được kết hợp sao cho từ trường sắp xếp phía trên mặt phẳng của cấu trúc tổng hợp, trong khi bên dưới cấu trúc thì các trường theo hướng ngược nhau và triệt tiêu. Chính xác hơn, các thành phần xen kẽ của từ hóa là p / 2 hoặc 90ongoài giai đoạn.

Trong trường hợp lý tưởng, được trình bày ở trên, sự chồng chất này sẽ tạo ra một trường phía trên mặt phẳng lớn gấp đôi so với trường hợp cấu trúc được từ hóa đồng đều và không có trường nào bên dưới mặt phẳng. Tuy nhiên, trong thực tế, trường hợp lý tưởng không bao giờ được quan sát thấy và một trường rất nhỏ được tạo ra ở mặt dưới. Sự sắp xếp này có thể được tiếp tục vô thời hạn để tạo ra các mảng lớn.

Những cấu trúc "thông lượng một phía" này được John C. Mallinson phát hiện lần đầu tiên vào năm 1973, người đã mô tả chúng là "sự tò mò" với tiềm năng cải thiện công nghệ ghi băng từ. Tuy nhiên, tiềm năng thực sự của chúng đã không được nhận ra cho đến những năm 1980, khi nhà vật lý Berkley Klaus Halbach độc lập phát hiện lại hiện tượng từ tính này và tạo ra các mảng Halbach để sử dụng trong các máy gia tốc hạt. lái các chùm máy gia tốc hạt.

Mảng Halbach hiện có nhiều ứng dụng và được sử dụng trong một loạt các hệ thống có độ phức tạp khác nhau. Một trong những ứng dụng đơn giản nhất của mảng Halbach là trong nam châm tủ lạnh. Trong trường hợp này, các đặc tính từ thông một phía được khai thác để tăng cường khả năng giữ của nam châm. Các mảng thanh từ tính có thể thay đổi cũng có thể được kết hợp để tạo ra các hệ thống khóa đơn giản. Nếu các từ hóa của các thanh được bố trí sao cho trường đạt cực đại phía trên mặt phẳng và cực tiểu bên dưới nó, thì vùng giới hạn từ thông có thể được lật bằng cách quay mỗi thanh 90o.

Một ví dụ nâng cao hơn về mảng Halbach đang hoạt động là trong đường ray xe lửa Maglev hoặc Inductrack, nơi mà lực bay từ tính được sử dụng để hỗ trợ toa tàu. Các mảng từ trường nâng tàu lên một khoảng nhỏ so với đường ray và có thể chịu được trọng lượng gấp 50 lần trọng lượng của nam châm. Hoạt động dựa trên nguyên lý cảm ứng; khi mảng được đi qua các cuộn dây kim loại, các biến thể trong từ trường tạo ra điện áp trong rãnh. Sau đó, đường ray tạo ra từ trường riêng và tương tự như khi bạn cố gắng đẩy hai cực giống như nam châm thanh lại với nhau, khi trường này phù hợp với trường tạo ra bởi mảng Halbach, lực đẩy làm cho đoàn tàu bay lên. Các đoàn tàu Maglev không chịu nhiều lực ma sát làm chậm các đoàn tàu bánh lốp truyền thống và có khả năng vận chuyển tốc độ cao. Trên thực tế, hệ thống tàu SCMaglev của Nhật Bản, đạt tốc độ 361 dặm / giờ vào năm 2003, hiện đang giữ Kỷ lục Guinness Thế giới về vận chuyển đường sắt nhanh nhất.

Mảng Halbach cũng được sử dụng trong các thí nghiệm khoa học tiên tiến như synctron và laser điện tử tự do (FEL), nơi chúng được gọi là Halbach 'wigglers'. FEL có dải tần số rất rộng và có thể điều chỉnh cao, được sử dụng trong nhiều ứng dụng từ y tế đến quân sự. Thiết bị lắc Halbach là một trong những thành phần cốt lõi của FEL, nơi từ trường của mảng được sử dụng để định kỳ 'làm lung lay' một chùm hạt mang điện (thường là các điện tử). Hiệu ứng lắc lư gây ra sự thay đổi hướng và do đó thay đổi gia tốc của các hạt. Điều này dẫn đến phát xạ bức xạ synctron cường độ cao (photon) khi kết hợp với nguồn laser bên ngoài.

Cũng có thể tạo ra hình trụ và vòng Halbach, ở đó từ trường mạnh bên trong vòng hoặc hình trụ nhưng bên ngoài không đáng kể, hoặc ngược lại tùy thuộc vào sự sắp xếp của nam châm. Các cấu trúc này thường được sử dụng cho động cơ xoay chiều không chổi than, trong đó trường truyền thống có thể làm giảm mô-men xoắn và hiệu suất. Tuy nhiên, vì bản chất các xi lanh Halbach được che chắn bởi cấu trúc của chúng, với hầu hết các từ thông chứa bên trong tâm, chúng có thể tránh được vấn đề này và tạo ra mômen xoắn cao hơn.