Свръхпроводящи магнити

Свръхпроводящ магнит е електромагнит, чиято намотка има свойството на свръхпроводник. Както във всеки електромагнит, и тук магнитното поле се генерира от постоянен ток, протичащ през намотката. Но тъй като токът преминава в този случай не през обикновен меден проводник, а през свръхпроводник, активните загуби в такова устройство ще бъдат изключително малки.

Като свръхпроводници за магнити от този тип, свръхпроводниците от втория вид почти винаги действат, тоест тези, при които зависимостта на магнитната индукция от силата на надлъжното магнитно поле е нелинейна.

За да може свръхпроводящият магнит да започне да показва свойствата си, обикновените условия не са достатъчни - той трябва да се доведе до ниска температура, което по принцип може да се постигне по различни начини. Класическият начин е следният: устройството се поставя в съд на Деуар с течен хелий, а самият съд на Деуар с течен хелий се поставя вътре в друг съд на Деуар, с течен азот, така че течният хелий да се изпарява възможно най-ниско.

Като реален пример за мощен свръхпроводящ магнит можем да използваме Големия адронен колайдер (LHC) магнит, в който, използвайки най-силния магнитно поле необходимо е да държите високоенергийни протони, които летят с невероятна скорост по определена траектория вътре в удължен подземен тунел.

1232 огромни електромагнита, всеки с тегло около 30 тона и дължина 15 метра, са монтирани в тунела LHC един след друг. Протонните лъчи се преминават през тънки тръби тук и тези тръби просто преминават вътре в диполни магнити, чиято величина на индукцията се регулира в диапазона от 0,54 до 8,3 T.

Свръхпроводящите свойства на магнитите върху LHC се постигат чрез използване на специален свръхпроводящ проводник: всеки магнитен дипол съдържа индивидуална свръхпроводяща намотка, навити с ниобиево-титанов кабел, а самият кабел е съставен от най-тънките проводници с диаметър 6 микрона.

Долната линия е, че ниобий-титанът е нискотемпературен свръхпроводник, така че температурата, необходима за поддържане на номиналната свръхпроводимост на такива намотки, е тук само 1,9 K (по-ниска от температурата на фоновото микровълново излъчване във външното пространство).

Системата за охлаждане на магнит LHC работи благодарение на течния хелий, който е постоянно в движение. 97 тона течен хелий са разположени вътре в специална обвивка, където свръхтечност на тази охлаждаща течност се постига при определено налягане.

Директното охлаждане на течния хелий става под въздействието на 10 000 тона течен азот. Процесът на охлаждане се осъществява на два етапа: конвенционален тип фризер първо охлажда хелия до 4,5 К, а след това допълнително се охлажда, но вече при понижено налягане. Цялото това действие отнема около месец.

Когато се осигурят условията по отношение на температурата, идва ред на огромните токове. На LHC захранващият ток на магнитите достига 12 000 ампера. В същото време се консумира енергия, сравнима с тази, която отчита захранването на целия град Женева. Електрическата енергия на свръхпроводящ магнит е приблизително 10 MJ.

Свръхпроводящите магнити се използват и в ЯМР томографи и спектрометри, в влакове с магнитна възглавница, в термоядрени реактори и в много други експериментални инсталации, например свързана с левитация.

Интересен факт: слабите диамагнитни полета практически нямат осезаем ефект върху диамагнетиката, но когато става въпрос за силни магнитни полета, генерирани от свръхпроводящи магнити, картината тук се променя значително.Въглеродът, който влиза в органични предмети и в живи организми, е диамагнетик, така че жива жаба може да се извие в магнитно поле с индукция 16 T.