Учёные из Китая представили электромагнит, не использующий сверхпроводимость, который установил мировой рекорд — он создал устойчивое электромагнитное поле силой 42 Тл (тесла), побив предыдущий рекорд аналогичной американской установки на 0,6 Тл. Такое мощное магнитное поле необходимо как для разработки ещё более сильных магнитов, так и для решения множества актуальных материаловедческих задач.

Источник изображения: HFIPS

В последние годы создание мощнейших магнитных полей стало проще благодаря использованию сверхпроводимости. С учётом криогенного охлаждения это связано с меньшими затратами энергии на сам процесс и позволяет добиваться ещё более высоких значений напряжённости магнитного поля. Та же команда китайских учёных, например, с помощью гибридной сверхпроводящей магнитной установки два года назад достигла напряжённости магнитного поля в 45,2 Тл.

Однако использование обычных электромагнитов, иногда называемых резистивными (поскольку в их катушках ток испытывает сопротивление при циркуляции по контуру), в ряде случаев оказывается более выгодным. По крайней мере, для них не требуется криогенного оборудования, хотя без активного охлаждения обойтись всё равно нельзя — обмотка сильно нагревается. В таких случаях для оптимального охлаждения мощных электромагнитов был придуман магнит Биттера.

Пример одного из витков магнита Биттера из медной пластины. Источник изображения: Wikipedia

Магнит Биттера состоит из чередующихся слоёв проводящих и изолирующих материалов, в которых просверлены отверстия, создающие рисунок пространственной спирали. Магнитное поле в магните как бы фокусируется под ним, достигая запредельных значений, а по отверстиям с огромной скоростью циркулирует вода или другой хладагент, отводя тепло от обмоток. Китайские учёные смогли опередить своих коллег из США, создав более совершенную электромагнитную установку, и обещают в будущем превзойти этот результат.

Магнитная левитация широко используется для скольжения без трения в игрушках, приборах, фурнитуре и даже в поездах (маглевах). Но всё это работает от внешних источников питания и иногда очень мощных, если мы говорим о сверхпроводящих магнитах для левитирующих поездов. С постоянными магнитами чуть проще, но там свои ограничения. Учёные из Японии попытались соединить оба магнитных эффекта в одном устройстве и кое-что из этого вышло.

Источник изображений: OIST

Для своего исследования учёные из Окинавского института науки и технологий (OIST) взяли обычный графит. Этот материал известен своими диамагнитными свойствами. Он может приобретать намагниченность в наведённом магнитном поле и благодаря ей на некоторое время приобретает способность левитировать над магнитами. Это свойство появляется вместе с возникновением вихревых токов в материале. Правда, эти токи быстро иссякают ввиду высокой проводимости графита, но это оказалось поправимо.

Материал под электронным микроскопом (зелёный — это оксид кремния вокруг графита)

Японцы заключили крупицы графита в оболочку из оксида кремния, который является отличным диэлектриком. Затем они с помощью воска создали из таких крупинок пластинки площадью по 1 см². Придав площадкам намагниченность, им создали условия для левитации над постоянными магнитами. Благодаря хорошей токоизоляции крупинок графита в материале, вихревые токи в них долго не затухали, обеспечивая образцам достаточно длительную левитацию без внешней подпитки.

В поездах на магнитных подушках подобный материал вряд ли появится. Всё-таки, там другой уровень энергии и мощностей. Но эта технология может найти применение в датчиках — силы, ускорения и других. Возможны даже датчики с обратной связью, хотя в этих случаях придётся использовать питание. Зато этим можно будет увеличить чувствительность измерений вплоть до использования в квантовых системах, уверены учёные.

Мировая электромобильная промышленность зависит от поставок сырья из Китая не только в сфере производства тяговых аккумуляторов, но и при выпуске электродвигателей. Японские компании обеспокоены тем, что отечественная автомобильная промышленность уязвима в этом отношении, а потому создают магниты для тяговых электродвигателей, которые не требуют поставляемого из Китая неодима.

Источник изображения: Proterial

Являющаяся подразделением Hitachi компания Proterial ещё в прошлом году начала разработку ферритовых магнитов особой конструкции, которые позволяли бы без использования неодима добиться от электродвигателей таких характеристик, которые устроили бы автопроизводителей. Прототип электродвигателя на их основе был изготовлен и испытан специалистами Proterial в этом году, и компания утверждает, что подобные компоненты силовых установок вполне могут применяться в электромобилях.

Ферритовые магниты состоят преимущественно из оксида железа, поэтому для их производства не требуется неодим, который поставляется из Китая. При этом неодимовые магниты обычно в десять раз сильнее ферритовых, и это качество весьма востребовано при производстве тяговых электродвигателей. Ферритовые магниты по этой причине не нашли особого распространения в этом сегменте рынка. Proterial утверждает, что особая компоновка ферритовых магнитов позволяет компенсировать их изначально более слабые характеристики, и создавать на их основе вполне конкурентоспособные тяговые электродвигатели.

Компания не собирается выпускать такие электродвигатели самостоятельно, но готова снабжать ферритовыми магнитами тех производителей, которые в силу определённых причин не готовы использовать неодимовые магниты. Правда, поставить на конвейер электродвигатели для транспорта на основе ферритовых магнитов придётся не ранее начала следующего десятилетия, если говорить о массовом производстве.