Supravadošie magnēti

Supravadošais magnēts ir elektromagnēts, kura tinumam ir supravadītāja īpašības. Tāpat kā jebkurā elektromagnētā, arī magnētisko lauku šeit rada tiešā strāva, kas plūst caur tinuma vadu. Bet, tā kā strāva šajā gadījumā iziet nevis caur parastu vara vadītāju, bet gan ar supravadītāju, aktīvie zaudējumi šādā ierīcē būs ārkārtīgi mazi.

Kā šāda veida magnētu supravadītāji otrā veida supravadītāji gandrīz vienmēr darbojas, tas ir, tādos, kuros magnētiskās indukcijas atkarība no gareniskā magnētiskā lauka stipruma ir nelineāra.

Lai supravadošais magnēts sāktu parādīt savas īpašības, ar parastajiem apstākļiem nepietiek - tas jāuzsilda līdz zemai temperatūrai, kuru principā var sasniegt dažādos veidos. Klasiskais veids ir šāds: ierīci ievieto Dewar traukā ar šķidru hēliju, bet Dewar trauku ar šķidru hēliju ievieto citā Dewar traukā ar šķidru slāpekli tā, lai šķidrais hēlijs iztvaikotu pēc iespējas zemāk.

Kā reālu jaudīga supravadītāja magnēta piemēru mēs varam izmantot lielā hadronu sadursmes (LHC) magnētu, kurā, izmantojot spēcīgāko magnētiskais lauks ir nepieciešams turēt augstas enerģijas protonus, kas lido ar neticamu ātrumu noteiktā trajektorijā paplašinātā pazemes tunelī.

LHC tunelī viens pēc otra ir uzstādīti 1232 milzīgi elektromagnēti, kas katrs sver apmēram 30 tonnas un ir 15 metru gari. Protonu staru kūlis šeit iziet caur plānām caurulēm, un šīs caurules tikai iet iekšā dipola magnētiem, kuru indukcijas lielums tiek regulēts diapazonā no 0,54 līdz 8,3 T.

Magnētu supravadošās īpašības uz LHC tiek sasniegtas, izmantojot īpašu supravadošu vadu: katrā magnētiskajā dipolā ir atsevišķa supravadīšanas spoles brūce ar niobija-titāna kabeli, un pats kabelis sastāv no plānākajiem vadiem ar diametru 6 mikroni.

Rezultāts ir tāds, ka niobija-titāns ir zemas temperatūras supravadītājs, tāpēc temperatūra, kas nepieciešama, lai uzturētu šādu tinumu nominālo supravadītspēju, šeit ir tikai 1,9 K (zemāka nekā fona mikroviļņu starojuma temperatūra kosmosā).

LHC magnēta dzesēšanas sistēma darbojas, pateicoties šķidrajai hēlijai, kas pastāvīgi atrodas kustībā. 97 tonnas šķidrā hēlija atrodas īpašā apvalkā, kurā ar noteiktu spiedienu tiek sasniegta šī dzesēšanas šķidruma superfluiditāte.

Šķidrā hēlija tieša dzesēšana notiek 10 000 tonnu šķidrā slāpekļa ietekmē. Dzesēšanas procesu veic divos posmos: parasto saldētavu vispirms atdzesē hēliju līdz 4.5K, un pēc tam to papildus atdzesē, bet jau pazeminātā spiedienā. Visa šī darbība ilgst apmēram mēnesi.

Kad tiek nodrošināti apstākļi attiecībā uz temperatūru, ieplūst milzīgo straumju pagrieziens. LHC magnētu padeves strāva sasniedz 12 000 ampērus. Tajā pašā laikā tiek patērēta enerģija, kas ir salīdzināma ar to, kas nodrošina visas Ženēvas pilsētas energoapgādi. Elektriskā enerģija uz vienu supravadošo magnētu ir aptuveni 10 MJ.

Supravadošos magnētus izmanto arī NMR tomogrāfos un spektrometros, magnētisko spilvenu vilcienos, termobrandu reaktoros un daudzās citās eksperimentālās iekārtās, piemēram, saistīta ar levitāciju.

Interesants fakts: vājiem diamagnētiskajiem laukiem praktiski nav nekādas taustāmas ietekmes uz diamagnētiku, bet, runājot par spēcīgiem magnētiskajiem laukiem, ko rada supravadoši magnēti, attēls šeit ievērojami mainās.Oglekļa iekļūšana organiskos objektos un dzīvos organismos ir diamagnets, tāpēc dzīvā varde var planēt magnētiskajā laukā ar indukciju 16 T.