我們知道，在磁場存在的情況下，移動(dòng)的帶電粒子會(huì)感受到施加在其上的力，因此磁場可用于操縱移動(dòng)的帶電粒子。例如，地球磁場通過“推動(dòng)”太陽發(fā)射的高能離子（太陽風(fēng)），使它們繞過地球上的生命，到達(dá)地球兩極來保護(hù)我們。磁場的形狀和強(qiáng)度對(duì)于各種實(shí)驗(yàn)非常重要。適當(dāng)開發(fā)磁場可以約束等離子體，引導(dǎo)、分類和加速移動(dòng)的帶電粒子，甚至制造粒子振蕩。電磁體可以產(chǎn)生磁場，但它們體積很大，并且需要復(fù)雜的電源和冷卻。永磁體更受歡迎，但在高矯頑力和高剩磁永磁體商業(yè)化之前，設(shè)計(jì)人員必須使用大型鋁鎳鈷磁體。鋁鎳鈷磁體比電磁體更容易集成，但它們不能用于陣列，因?yàn)樗鼈儠?huì)消磁，從而限制了它們的使用。當(dāng)新型高矯頑力磁體商業(yè)化時(shí)，設(shè)計(jì)者可將它們排列成陣列，其中各個(gè)元素會(huì)“排斥”，從而增強(qiáng)磁場強(qiáng)度和形狀。這些新型高矯頑力合金由稀土元素制成，第一種是釤鈷（SmCo），第二種是釹鐵硼（NdFeB）。海爾巴赫（Halbach）陣列實(shí)際上是一系列永磁體的特定排列。該陣列具有空間旋轉(zhuǎn)的磁性模式，可以消除一側(cè)的磁場，但增強(qiáng)另一側(cè)的磁場。 海爾巴赫線性陣列和圓形陣列。海爾巴赫陣列起源于克勞斯·海爾巴赫（Klaus Halbach）。克勞斯是一位物理學(xué)家，他于20世紀(jì)80年代在勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室工作時(shí)，發(fā)明并使用這些磁體組件來聚焦粒子加速器束。其實(shí)，約翰·C·馬林森 (John C. Mallinson) 早在幾年前就發(fā)現(xiàn)了這種效應(yīng)，但海爾巴赫對(duì)它們的使用讓他的名字得以保留。海爾巴赫陣列的主要優(yōu)點(diǎn)是它們可以在一側(cè)產(chǎn)生強(qiáng)磁場，同時(shí)在另一側(cè)產(chǎn)生非常小的雜散場。通過觀察磁通量分布可以最好地理解這種效應(yīng)。由12塊磁鐵構(gòu)成的圓形海爾巴赫陣列，有如下常見的4種不同角度配置，可以產(chǎn)生不同的凈磁場方向。 海爾巴赫陣列，K=1 海爾巴赫陣列，K=2 海爾巴赫陣列，K=3 海爾巴赫陣列，K=4K=1，2，3，4，表示繞一圈時(shí)磁化方向“轉(zhuǎn)動(dòng)”多少次。可以想象你繞著磁鐵形成的圓圈行走，每個(gè)磁鐵的旋轉(zhuǎn)方向也會(huì)旋轉(zhuǎn)一定的量。當(dāng)k=1時(shí)，磁鐵旋轉(zhuǎn)360°的時(shí)間與你繞一圈的時(shí)間相同。當(dāng)k=2時(shí)，磁鐵旋轉(zhuǎn)得更快。當(dāng)你繞一圈時(shí)，磁鐵會(huì)旋轉(zhuǎn)兩圈。也就是說，當(dāng)你繞圓圈30°到達(dá)下一個(gè)磁鐵時(shí)，你會(huì)發(fā)現(xiàn)磁化方向旋轉(zhuǎn)了60°。同樣，在k=3中，當(dāng)你繞一圈時(shí)，磁鐵會(huì)旋轉(zhuǎn)三圈。最后，k=4經(jīng)過，磁化方向變化四輪。將圓形陣列展開就得到線性海爾巴赫陣列。平面陣列將磁場包含在陣列的一側(cè)，而圓形陣列將磁場集中在 圓內(nèi)部或外部上。 28磁體，k=2圓形陣列海爾巴赫陣列。海爾巴赫陣列最明顯的好處是，與具有相同數(shù)量磁體的其他陣列相比，產(chǎn)生的磁場非常強(qiáng)。該布置本質(zhì)上提高了磁路的效率。海爾巴赫陣主要缺點(diǎn)是很難組裝在一起，這是因?yàn)樵诮M裝過程中需要抵抗力以及確保組件在使用過程中“保持在一起”， 因?yàn)楹柊完嚵兄械乃写盆F元件都相互排斥。這導(dǎo)致制造成本可能比其他潛在解決方案更高。另一個(gè)缺點(diǎn)是該陣列在高熱應(yīng)用中可能會(huì)出現(xiàn)問題，因?yàn)殛嚵性舜耸┘?/span>退磁場。隨著工作溫度的升高，磁體更容易退磁，并且相鄰磁體的退磁也會(huì)加劇。這些薄而柔韌的磁鐵用來吸引冰箱門，以保持冰箱內(nèi)部較低的溫度。這種磁鐵比釹磁鐵弱得多（僅有其2-3%的強(qiáng)度），但在該應(yīng)用中價(jià)格低廉且有效。海爾巴赫陣列一個(gè)更高級(jí)的應(yīng)用是磁懸浮列車，其中磁懸浮用于支撐車廂。磁性陣列將列車提升到軌道上方一小段距離，并且可以支撐高達(dá)磁鐵50倍的重量。其工作基于感應(yīng)原理，當(dāng)陣列經(jīng)過金屬軌道線圈時(shí)，磁場的變化會(huì)在軌道中感應(yīng)出電壓。然后，軌道會(huì)產(chǎn)生自己的磁場，類似于當(dāng)你嘗試將兩個(gè)相似的釹磁鐵推到一起時(shí)，斥力會(huì)導(dǎo)致火車懸浮。在工業(yè)應(yīng)用中，最常使用K=4陣列，從而放大所施加的磁力。海爾巴赫陣列產(chǎn)生的磁場類似于線圈產(chǎn)生的磁場，但尺寸小、成本低和免維護(hù)。之前聊過的直線電機(jī)，也可以用海爾巴赫陣列產(chǎn)生高磁場，在有限空間內(nèi)減小電機(jī)設(shè)計(jì)尺寸，增加電機(jī)出力。海爾巴赫陣列還用于先進(jìn)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，例如同步加速器和自由電子激光器，它們被稱為海爾巴赫“擺動(dòng)器”。
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