O matrice Halbach este un aranjament specific al unei serii de magneți permanenți. Matricea are un model de magnetism rotativ spațial care anulează câmpul pe o parte, dar îl amplifica pe cealaltă parte. Principalele avantaje ale rețelelor Halbach sunt că pot produce câmpuri magnetice puternice pe o parte, în timp ce creează un câmp dispersat foarte mic pe partea opusă. Acest efect este cel mai bine înțeles observând distribuția fluxului magnetic.
Fâșii de materiale feromagnetice (materiale care pot fi magnetizate permanent) cu magnetizări alternative sunt combinate astfel încât câmpurile magnetice să se alinieze deasupra planului structurii compozite, în timp ce sub structură câmpurile sunt în direcții opuse și se anulează. Mai precis, componentele alternative ale magnetizării sunt p/2 sau 90odefazat.
În cazul ideal, prezentat mai sus, această suprapunere ar produce un câmp deasupra planului care este de două ori mai mare decât în cazul în care structura ar fi magnetizată uniform și niciun câmp sub plan. Cu toate acestea, în realitate, cazul ideal nu este niciodată observat și se produce un câmp foarte mic pe partea inferioară. Acest aranjament poate fi continuat pe termen nelimitat pentru a produce matrice mari.
Aceste structuri de „flux unilateral” au fost descoperite pentru prima dată de John C. Mallinson în 1973, care le-a descris drept „curiozități” cu potențialul de a îmbunătăți tehnologia de înregistrare pe bandă magnetică. Cu toate acestea, adevăratul lor potențial nu a fost realizat până în anii 1980, când fizicianul Berkley Klaus Halbach a redescoperit independent acest fenomen magnetic și a creat rețele Halbach pentru a fi utilizate în acceleratoarele de particule. Halbach a produs rețelele folosind materialul feromagnetic cobalt pentru a genera câmpuri magnetice puternice pentru focalizare și direcționarea fasciculelor acceleratoare de particule.
Matricele Halbach au acum multe aplicații și sunt utilizate într-o gamă de sisteme de complexitate diferită. Una dintre cele mai simple aplicații ale marilor Halbach este în magneții de frigider. În acest caz, proprietățile fluxului unilateral sunt exploatate pentru a crește puterea de reținere a magnetului. Rețele variabile de tije magnetice pot fi, de asemenea, combinate pentru a crea sisteme simple de blocare. Dacă magnetizările tijelor sunt dispuse astfel încât câmpul să fie maximizat deasupra planului și minimizat sub acesta, limitarea fluxului poate fi inversată prin rotirea fiecărei tije cu 90 de grade.o.
Un exemplu mai avansat de matrice Halbach în acțiune este într-o cale de tren Maglev sau Inductrack, unde levitația magnetică este utilizată pentru a susține vagonul. Rețele magnetice ridică trenul la o distanță mică deasupra șinei și pot suporta o greutate de până la 50 de ori mai mare decât a magnetului. Operația se bazează pe principiul inducției; pe măsură ce matricea este trecută peste bobinele metalice ale pistei, variațiile câmpului magnetic induc o tensiune în cale. Pista își creează apoi propriul câmp magnetic și, în mod similar când încercați să împingeți cei doi poli ca ai magneților de bară împreună, când acest câmp se aliniază cu câmpul produs de matricea Halbach, repulsia face ca trenul să leviteze. Trenurile Maglev nu suferă de multe dintre forțele de frecare care încetinesc trenurile tradiționale cu roți și sunt capabile să ofere transport de mare viteză. De fapt, sistemul de tren japonez SCMaglev, care a atins 361 mph în 2003, deține în prezent recordul mondial Guinness pentru cel mai rapid transport feroviar.
Rețelele Halbach sunt, de asemenea, folosite în experimente științifice avansate, cum ar fi sincrotronele și laserele cu electroni liberi (FEL), unde sunt cunoscute sub numele de „wigglers” Halbach. FEL-urile au o gamă de frecvență foarte largă și foarte reglabilă și sunt utilizate în multe aplicații, de la medical la militar. Un Wiggler Halbach este una dintre componentele de bază ale unui FEL, unde câmpul magnetic al matricei este folosit pentru a „mișca” periodic un fascicul de particule încărcate (de obicei electroni). Efectul de mișcare provoacă o schimbare a direcției și, prin urmare, o schimbare a accelerației particulelor. Aceasta, la rândul său, duce la emisia de radiație sincrotron de mare intensitate (fotoni) atunci când este combinată cu o sursă laser externă.
De asemenea, este posibil să se creeze cilindri și inele Halbach, unde câmpul magnetic este puternic în interiorul inelului sau cilindrului, dar neglijabil în exterior, sau invers în funcție de dispunerea magneților. Aceste structuri sunt utilizate în mod obișnuit pentru motoarele de curent alternativ fără perii, unde câmpurile parazite în mod tradițional pot reduce cuplul și eficiența. Cu toate acestea, deoarece cilindrii Halbach sunt protejați în mod intrinsec de structura lor, cu aproape tot fluxul conținut în centru, ei sunt capabili să evite această problemă și să producă cupluri mai mari.