Permanent magnet-- Halbach-array

En Halbach-array er et spesifikt arrangement av en serie permanente magneter. Arrayen har et romlig roterende mønster av magnetisme som kansellerer feltet på den ene siden, men forsterker det på den andre. Hovedfordelene med Halbach-arrayer er at de kan produsere sterke magnetiske felt på den ene siden mens de skaper et veldig lite striefelt på motsatt side. Denne effekten forstås best ved å observere den magnetiske fluksfordelingen.

Strimler av ferromagnetiske materialer (materialer som kan magnetiseres permanent) med vekslende magnetiseringer kombineres slik at magnetfeltene retter seg over planet til komposittstrukturen, mens feltene under strukturen er i motsatte retninger og kansellerer ut. Mer presist er de vekslende komponentene til magnetisering p/2 eller 90out av fase.

I det ideelle tilfellet, vist ovenfor, ville denne superposisjonen produsere et felt over planet som er dobbelt så stort som om strukturen var jevnt magnetisert, og ikke noe felt under planet. Men i virkeligheten blir det ideelle tilfellet aldri observert og et veldig lite felt produseres på undersiden. Denne ordningen kan fortsettes i det uendelige for å produsere store arrays.

Disse "ensidige fluks"-strukturene ble først oppdaget av John C. Mallinson i 1973, som beskrev dem som "kuriosa" med potensial til å forbedre teknologi for magnetbåndopptak. Imidlertid ble deres sanne potensial ikke realisert før på 1980-tallet, da Berkley-fysiker Klaus Halbach uavhengig gjenoppdaget dette magnetiske fenomenet og skapte Halbach-matriser for bruk i partikkelakseleratorer. Halbach produserte matrisene ved å bruke det ferromagnetiske materialet kobolt for å generere sterke magnetiske felt for fokusering og styring av partikkelakseleratorstrålene.

Halbach-matriser har nå mange applikasjoner og brukes i en rekke systemer med varierende kompleksitet. En av de enkleste bruksområdene til Halbach-matriser er i kjøleskapsmagneter. I dette tilfellet utnyttes de ensidige fluksegenskapene for å øke holdekraften til magneten. Variable arrays av magnetiske stenger kan også kombineres for å lage enkle låsesystemer. Hvis magnetiseringene til stengene er arrangert slik at feltet maksimeres over planet og minimeres under det, kan fluks-begrensningen snus ved å rotere hver stang 90o.

Et mer avansert eksempel på en Halbach-array i aksjon er i en Maglev-togbane eller Inducttrack, hvor magnetisk levitasjon brukes til å støtte vognen. De magnetiske matrisene løfter toget et lite stykke over sporet og kan bære en vekt på opptil 50 ganger vekten til magneten. Operasjonen er basert på prinsippet om induksjon; når arrayen føres over de metalliske sporspolene, induserer variasjonene i magnetfeltet en spenning i sporet. Sporet skaper da sitt eget magnetfelt, og på samme måte som når du prøver å skyve de to like polene av stangmagneter sammen, når dette feltet er på linje med feltet som produseres av Halbach-arrayen, får frastøting toget til å svæve. Maglev-tog lider ikke av mange av friksjonskreftene som bremser tradisjonelle hjultog og er i stand til å tilby høyhastighetstransport. Faktisk har det japanske SCMaglev-togsystemet, som nådde 361 mph i 2003, for tiden Guinness verdensrekord for den raskeste jernbanetransporten.

Halbach-matriser brukes også i avanserte vitenskapelige eksperimenter som synkrotroner og frie elektronlasere (FELs), der de er kjent som Halbach 'wigglers'. FEL-er har et veldig bredt og svært justerbart frekvensområde, og brukes i mange applikasjoner, fra medisinsk til militær. En Halbach-wiggler er en av kjernekomponentene i en FEL, der arrayens magnetfelt brukes til å periodisk "vrikke" en stråle av ladede partikler (vanligvis elektroner). Vrikkende effekten forårsaker en endring i retningen og derfor en endring i akselerasjonen til partiklene. Dette fører igjen til emisjon av høyintensitets synkrotronstråling (fotoner) når det kombineres med en ekstern laserkilde.

Det er også mulig å lage Halbach-sylindere og -ringer, der magnetfeltet er sterkt inne i ringen eller sylinderen, men ubetydelig utenfor, eller omvendt avhengig av arrangementet av magneter. Disse strukturene brukes vanligvis for børsteløse vekselstrømsmotorer, der tradisjonelt strøfelt kan redusere dreiemoment og effektivitet. Men fordi Halbach-sylindere er iboende skjermet av strukturen, med nesten all fluks inne i midten, er de i stand til å unngå dette problemet og produsere høyere dreiemoment.