Постійний магніт -- Матриця Halbach

Матриця Гальбаха — це особливе розташування серії постійних магнітів. Масив має структуру магнетизму, що обертається в просторі, яка скасовує поле з одного боку, але посилює його з іншого. Основні переваги масивів Halbach полягають у тому, що вони можуть створювати сильні магнітні поля з одного боку, створюючи дуже мале поле розсіювання з протилежного боку. Цей ефект найкраще зрозуміти, спостерігаючи за розподілом магнітного потоку.

Смужки феромагнітних матеріалів (матеріалів, які можна постійно намагнічувати) зі змінною намагніченістю поєднують таким чином, що магнітні поля вирівнюються над площиною композитної структури, тоді як під структурою поля мають протилежні напрямки та компенсуються. Точніше, змінні компоненти намагніченості - p/2 або 90oпоза фазою.

В ідеальному випадку, показаному вище, ця суперпозиція створила б поле над площиною, яке вдвічі більше, ніж якби структура була рівномірно намагнічена, і ніякого поля під площиною. Однак насправді ідеальний випадок ніколи не спостерігається, і на нижній стороні створюється дуже маленьке поле. Цю схему можна продовжувати нескінченно для створення великих масивів.

Ці структури «одностороннього потоку» були вперше виявлені Джоном К. Маллінсоном у 1973 році, який описав їх як «цікавості», що потенційно можуть покращити технологію запису на магнітну стрічку. Однак їхній справжній потенціал не було реалізовано до 1980-х років, коли фізик з Берклі Клаус Гальбах самостійно заново відкрив це магнітне явище та створив масиви Гальбаха для використання в прискорювачах частинок. Гальбах виготовив масиви, використовуючи феромагнітний матеріал кобальт для створення сильних магнітних полів для фокусування та керування пучками прискорювача частинок.

Матриці Halbach зараз мають багато застосувань і використовуються в ряді систем різної складності. Одним із найпростіших застосувань масивів Halbach є магніти на холодильник. У цьому випадку властивості одностороннього потоку використовуються для підвищення утримуючої сили магніту. Змінні масиви магнітних стрижнів також можна комбінувати для створення простих систем замків. Якщо намагніченість стрижнів розташована таким чином, що поле максимізується над площиною і мінімізується під нею, обмеження потоку можна змінити обертанням кожного стрижня на 90°.o.

Більш просунутий приклад масиву Хальбаха в дії — залізнична колія Maglev або Inductrack, де для підтримки вагона використовується магнітна левітація. Магнітні масиви піднімають потяг на невелику відстань над колією і можуть витримувати вагу, що в 50 разів перевищує вагу магніту. Дія заснована на принципі індукції; Коли масив проходить по металевих котушках доріжки, зміна магнітного поля індукує напругу в доріжці. Потім колія створює власне магнітне поле, і, подібно до того, як ви намагаєтеся зіштовхнути два подібні полюси стрижневих магнітів, коли це поле вирівнюється з полем, створюваним масивом Гальбаха, відштовхування змушує поїзд левітувати. Потяги Maglev не страждають від багатьох сил тертя, які сповільнюють традиційні колісні потяги, і здатні забезпечити високу швидкість транспортування. Фактично, японська система поїздів SCMaglev, яка досягла 361 миль/год у 2003 році, наразі є рекордсменом Гіннеса як найшвидший залізничний транспорт.

Матриці Гальбаха також використовуються в передових наукових експериментах, таких як синхротрони та лазери на вільних електронах (FEL), де вони відомі як «віглери» Гальбаха. FELs мають дуже широкий і добре настроюваний діапазон частот і використовуються в багатьох сферах застосування, починаючи від медицини і закінчуючи військовими. Віглер Хальбаха є одним із основних компонентів ЛСЕ, де магнітне поле масиву використовується для періодичного «ворушення» пучка заряджених частинок (зазвичай електронів). Ефект ворушіння викликає зміну напрямку і, отже, зміну прискорення частинок. Це, у свою чергу, призводить до випромінювання високоінтенсивного синхротронного випромінювання (фотонів) у поєднанні із зовнішнім лазерним джерелом.

Також можна створювати циліндри та кільця Гальбаха, де магнітне поле сильне всередині кільця чи циліндра, але незначне зовні, або навпаки, залежно від розташування магнітів. Ці конструкції, як правило, використовуються для безщіткових двигунів змінного струму, де традиційні поля розсіювання можуть знизити крутний момент і ефективність. Однак, оскільки циліндри Halbach внутрішньо захищені своєю структурою, причому майже весь потік міститься в центрі, вони здатні уникнути цієї проблеми та виробляти вищі крутні моменти.