Permanentný magnet-- Halbachove pole

Halbachove pole je špecifické usporiadanie série permanentných magnetov. Pole má priestorovo rotujúci vzor magnetizmu, ktorý pole na jednej strane ruší, ale na druhej zosilňuje. Hlavnými výhodami polí Halbach sú, že môžu produkovať silné magnetické polia na jednej strane, zatiaľ čo vytvárajú veľmi malé rozptylové pole na opačnej strane. Tento efekt najlepšie pochopíte pozorovaním rozloženia magnetického toku.

Pásy feromagnetických materiálov (materiály, ktoré môžu byť permanentne magnetizované) so striedavou magnetizáciou sú kombinované tak, že magnetické polia sú zarovnané nad rovinou kompozitnej štruktúry, zatiaľ čo pod štruktúrou sú polia v opačných smeroch a rušia sa. Presnejšie povedané, striedavé zložky magnetizácie sú p/2 alebo 90omimo fázy.

V ideálnom prípade uvedenom vyššie by táto superpozícia vytvorila pole nad rovinou, ktoré je dvakrát väčšie, ako keby bola štruktúra rovnomerne magnetizovaná, a žiadne pole pod rovinou. V skutočnosti sa však nikdy nedodrží ideálny prípad a na spodnej strane sa vytvorí veľmi malé pole. Toto usporiadanie môže pokračovať donekonečna na výrobu veľkých polí.

Tieto štruktúry „jednostranného toku“ prvýkrát objavil John C. Mallinson v roku 1973, ktorý ich opísal ako „kuriozity“ s potenciálom zlepšiť technológiu záznamu na magnetickú pásku. Ich skutočný potenciál sa však prejavil až v 80. rokoch, keď fyzik z Berkley Klaus Halbach nezávisle znovu objavil tento magnetický jav a vytvoril Halbachove polia na použitie v urýchľovačoch častíc. Halbach vyrobil polia pomocou feromagnetického materiálu kobaltu na generovanie silných magnetických polí na zaostrenie a riadenie lúčov urýchľovača častíc.

Halbachove polia majú teraz mnoho aplikácií a používajú sa v rôznych systémoch rôznej zložitosti. Jedna z najjednoduchších aplikácií Halbachových polí je v magnetoch na chladničky. V tomto prípade sa využívajú vlastnosti jednostranného toku na zvýšenie prídržnej sily magnetu. Variabilné polia magnetických tyčí môžu byť tiež kombinované na vytvorenie jednoduchých uzamykacích systémov. Ak sú magnetizácie tyčí usporiadané tak, že pole je maximalizované nad rovinou a minimalizované pod ňou, obmedzenie toku sa môže prevrátiť otočením každej tyče 90o.

Pokročilejším príkladom Halbachovho poľa v akcii je vlaková dráha Maglev alebo Inductrack, kde sa na podporu vozňa používa magnetická levitácia. Magnetické polia zdvihnú vlak na malú vzdialenosť nad trať a dokážu uniesť hmotnosť až 50-násobku hmotnosti magnetu. Operácia je založená na princípe indukcie; keď pole prechádza cez kovové cievky dráhy, zmeny magnetického poľa indukujú napätie v dráhe. Dráha potom vytvorí svoje vlastné magnetické pole a podobne ako keď sa pokúsite pritlačiť dva podobné póly tyčových magnetov k sebe, keď sa toto pole zarovná s poľom vytváraným Halbachovým poľom, odpudzovanie spôsobí, že vlak levituje. Vlaky Maglev netrpia mnohými trecími silami, ktoré spomaľujú tradičné kolesové vlaky a sú schopné zabezpečiť vysokorýchlostnú dopravu. V skutočnosti japonský vlakový systém SCMaglev, ktorý v roku 2003 dosiahol rýchlosť 361 mph, je v súčasnosti držiteľom Guinessovej knihy rekordov v najrýchlejšej železničnej doprave.

Halbachove polia sa tiež používajú v pokročilých vedeckých experimentoch, ako sú synchrotróny a lasery s voľnými elektrónmi (FEL), kde sú známe ako Halbachove „wigglery“. FEL majú veľmi široký a vysoko laditeľný frekvenčný rozsah a používajú sa v mnohých aplikáciách od medicíny po armádu. Halbachov wiggler je jednou zo základných súčastí FEL, kde sa magnetické pole poľa používa na periodické „vinutie“ lúča nabitých častíc (zvyčajne elektrónov). Krútiaci efekt spôsobuje zmenu smeru a tým aj zmenu zrýchlenia častíc. To následne vedie k emisii vysokointenzívneho synchrotrónového žiarenia (fotónov) v kombinácii s externým laserovým zdrojom.

Je tiež možné vytvárať Halbachove valce a prstene, kde je magnetické pole vo vnútri prstenca alebo valca silné, ale vonku zanedbateľné, alebo naopak v závislosti od usporiadania magnetov. Tieto štruktúry sa zvyčajne používajú pre bezkomutátorové striedavé motory, kde môžu rozptylové polia znižovať krútiaci moment a účinnosť. Avšak, pretože valce Halbach sú svojou štruktúrou vnútorne tienené, s takmer celým tokom obsiahnutým v strede, dokážu sa tomuto problému vyhnúť a produkovať vyššie krútiace momenty.