Een Halbach-array is een specifieke opstelling van een reeks permanente magneten. De array heeft een ruimtelijk roterend patroon van magnetisme dat het veld aan de ene kant annuleert, maar het aan de andere kant versterkt. De belangrijkste voordelen van Halbach-arrays zijn dat ze aan de ene kant sterke magnetische velden kunnen produceren en aan de andere kant een zeer klein verdwaald veld kunnen creëren. Dit effect is het best te begrijpen door de magnetische fluxverdeling te observeren.
Stroken ferromagnetische materialen (materialen die permanent kunnen worden gemagnetiseerd) met wisselende magnetisaties worden zodanig gecombineerd dat de magnetische velden boven het vlak van de composietstructuur uitkomen, terwijl onder de structuur de velden zich in tegengestelde richtingen bevinden en opheffen. Om precies te zijn, de wisselende componenten van magnetisatie zijn p / 2 of 90ouit fase.
In het ideale geval, hierboven weergegeven, zou deze superpositie een veld boven het vlak produceren dat twee keer zo groot is als wanneer de structuur uniform gemagnetiseerd zou zijn, en geen veld onder het vlak. In werkelijkheid wordt het ideale geval echter nooit waargenomen en wordt er een zeer klein veld aan de onderkant geproduceerd. Deze opstelling kan voor onbepaalde tijd worden voortgezet om grote arrays te produceren.
Deze "eenzijdige flux" -structuren werden voor het eerst ontdekt door John C. Mallinson in 1973, die ze beschreef als "curiositeiten" met het potentieel om de magnetische bandopnametechnologie te verbeteren. Hun ware potentieel werd echter pas gerealiseerd in de jaren 1980, toen Berkley-fysicus Klaus Halbach dit magnetische fenomeen onafhankelijk herontdekte en Halbach-arrays creëerde voor gebruik in deeltjesversnellers. Halbach produceerde de arrays met behulp van het ferromagnetische materiaal kobalt om sterke magnetische velden te genereren voor het focussen en sturen van de deeltjesversnellerbundels.
Halbach-arrays hebben nu veel toepassingen en worden gebruikt in een reeks systemen van verschillende complexiteit. Een van de eenvoudigste toepassingen van Halbach-arrays is in koelkastmagneten. In dit geval worden de eenzijdige fluxeigenschappen benut om de houdkracht van de magneet te vergroten. Variabele arrays van magnetische staven kunnen ook worden gecombineerd om eenvoudige sluitsystemen te creëren. Als de magnetisaties van de staven zo zijn gerangschikt dat het veld boven het vlak wordt gemaximaliseerd en eronder wordt geminimaliseerd, kan de fluxbegrenzing worden omgedraaid door elke staaf 90 te draaieno.
Een meer geavanceerd voorbeeld van een Halbach-array in actie is in een Maglev-treinspoor of Inductrack, waar magnetische levitatie wordt gebruikt om het rijtuig te ondersteunen. De magnetische arrays tillen de trein een kleine afstand boven het spoor en kunnen een gewicht van maximaal 50 keer dat van de magneet dragen. De operatie is gebaseerd op het principe van inductie; als de array over de metalen rupsspoelen wordt geleid, induceren de variaties in het magnetisch veld een spanning in het spoor. De baan creëert dan zijn eigen magnetisch veld en, net als wanneer je probeert de twee als polen van staafmagneten tegen elkaar te duwen, wanneer dit veld uitlijnt met het veld dat door de Halbach-array wordt geproduceerd, zorgt afstoting ervoor dat de trein zweeft. Maglev-treinen hebben geen last van veel van de wrijvingskrachten die traditionele wieltreinen vertragen en in staat zijn om snel vervoer te bieden. In feite heeft het Japanse SCMaglev-treinsysteem, dat in 2003 361 mph bereikte, momenteel het Guinness World Record voor het snelste spoorvervoer.
Halbach-arrays worden ook gebruikt in geavanceerde wetenschappelijke experimenten zoals synchrotrons en vrije elektronenlasers (FELs), waar ze bekend staan als Halbach 'wigglers'. FELs hebben een zeer breed en zeer afstembaar frequentiebereik en worden gebruikt in vele toepassingen, variërend van medisch tot militair. Een Halbach-wiggler is een van de kerncomponenten van een FEL, waarbij het magnetisch veld van de array wordt gebruikt om periodiek een bundel geladen deeltjes (meestal elektronen) te 'wiebelen'. Het wiebelende effect veroorzaakt een verandering in de richting en dus een verandering in de versnelling van de deeltjes. Dit leidt op zijn beurt tot emissie van hoge intensiteit synchrotronstraling (fotonen) in combinatie met een externe laserbron.
Het is ook mogelijk om Halbach-cilinders en -ringen te maken, waarbij het magnetische veld sterk is in de ring of cilinder, maar verwaarloosbaar buiten, of omgekeerd, afhankelijk van de opstelling van magneten. Deze structuren worden meestal gebruikt voor borstelloze AC-motoren, waar traditioneel verdwaalde velden het koppel en de efficiëntie kunnen verminderen. Omdat Halbach-cilinders echter intrinsiek worden afgeschermd door hun structuur, waarbij bijna alle flux zich in het midden bevindt, kunnen ze dit probleem vermijden en hogere koppels produceren.