Magnesy nadprzewodzące

Magnes nadprzewodzący to elektromagnes, którego uzwojenie ma właściwość nadprzewodnika. Jak w każdym elektromagnesie pole magnetyczne jest generowane tutaj przez prąd stały przepływający przez drut uzwojenia. Ale ponieważ prąd przepływa w tym przypadku nie przez zwykły miedziany przewodnik, ale przez nadprzewodnik, straty czynne w takim urządzeniu będą bardzo małe.

Jako nadprzewodniki dla tego typu magnesów nadprzewodniki drugiego rodzaju prawie zawsze działają, to znaczy takie, w których zależność indukcji magnetycznej od siły wzdłużnego pola magnetycznego jest nieliniowa.

Aby magnes nadprzewodzący zaczął wykazywać swoje właściwości, zwykłe warunki nie wystarczą - należy doprowadzić go do niskiej temperatury, co w zasadzie można osiągnąć na różne sposoby. Klasyczny sposób jest następujący: urządzenie umieszcza się w naczyniu Dewara z ciekłym helem, a naczynie Dewara z samym ciekłym helem umieszcza się w innym naczyniu Dewara z ciekłym azotem, tak aby ciekły hel odparował tak nisko, jak to możliwe.

Jako prawdziwy przykład silnego magnesu nadprzewodzącego możemy użyć magnesu dużego zderzacza hadronów (LHC), w którym przy użyciu najsilniejszego pole magnetyczne konieczne jest utrzymywanie wysokoenergetycznych protonów latających z niewiarygodną prędkością na określonej trajektorii wewnątrz rozszerzonego podziemnego tunelu.

1232 ogromnych elektromagnesów, każdy o wadze około 30 ton i długości 15 metrów, jest instalowanych jeden po drugim w tunelu LHC. Wiązki protonowe przechodzą tutaj przez cienkie rurki, a te rurki po prostu przechodzą wewnątrz dipolowych magnesów, których wielkość indukcji jest regulowana w zakresie od 0,54 do 8,3 T.

Nadprzewodzące właściwości magnesów w LHC uzyskuje się za pomocą specjalnego drutu nadprzewodzącego: każdy dipol magnetyczny zawiera indywidualną cewkę nadprzewodzącą uzwojoną kablem niobowo-tytanowym, a sam kabel składa się z najcieńszych drutów o średnicy 6 mikronów.

Najważniejsze jest to, że niob-tytan jest niskotemperaturowym nadprzewodnikiem, więc temperatura wymagana do utrzymania nominalnego nadprzewodnictwa takich uzwojeń wynosi tutaj tylko 1,9 K (niższa niż temperatura tła promieniowania mikrofalowego w przestrzeni kosmicznej).

System chłodzenia magnesu LHC działa dzięki ciekłemu helowi, który jest ciągle w ruchu. 97 ton ciekłego helu znajduje się w specjalnej powłoce, w której nadciekłość tego chłodziwa osiąga się pod pewnym ciśnieniem.

Bezpośrednie chłodzenie ciekłego helu odbywa się pod wpływem 10 000 ton ciekłego azotu. Proces chłodzenia odbywa się w dwóch etapach: konwencjonalna zamrażarka typu najpierw chłodzi hel do 4,5 K, a następnie jest dodatkowo chłodzona, ale już pod zmniejszonym ciśnieniem. Cała ta akcja trwa około miesiąca.

Kiedy warunki dotyczące temperatury są zapewnione, nadchodzi zwrot ogromnych prądów. W LHC prąd zasilający magnesy osiąga 12 000 amperów. Jednocześnie zużywa się energię, porównywalną do tej, która stanowi źródło zasilania całego miasta Genewy. Energia elektryczna na magnes nadprzewodzący wynosi około 10 MJ.

Magnesy nadprzewodzące są również stosowane w tomografach i spektrometrach NMR, w pociągach z poduszką magnetyczną, w reaktorach termojądrowych oraz w wielu innych instalacjach eksperymentalnych, na przykład związane z lewitacją.

Ciekawy fakt: słabe pola diamagnetyczne praktycznie nie mają żadnego namacalnego wpływu na diamagnetyki, ale jeśli chodzi o silne pola magnetyczne generowane przez magnesy nadprzewodzące, obraz tutaj zmienia się znacznie.Węgiel wchodzący do obiektów organicznych i żywych organizmów jest diamagnetem, więc żywa żaba może szybować w polu magnetycznym z indukcją 16 T.