Υπεραγώγιμοι μαγνήτες

Ένας υπεραγώγιμος μαγνήτης είναι ένας ηλεκτρομαγνήτης του οποίου η περιέλιξη έχει την ιδιότητα ενός υπεραγωγού. Όπως σε κάθε ηλεκτρομαγνήτη, το μαγνητικό πεδίο παράγεται εδώ με συνεχές ρεύμα που ρέει διαμέσου του σύρματος περιέλιξης. Αλλά επειδή το ρεύμα περνά σε αυτή την περίπτωση όχι μέσω ενός συνηθισμένου αγωγού χαλκού, αλλά μέσω ενός υπεραγωγού, οι ενεργές απώλειες σε μια τέτοια συσκευή θα είναι εξαιρετικά μικρές.

Ως υπεραγωγοί για μαγνήτες αυτού του τύπου, υπεραγωγοί του δεύτερου είδους σχεδόν πάντοτε ενεργούν, δηλαδή εκείνοι στους οποίους η εξάρτηση της μαγνητικής επαγωγής στη δύναμη του διαμήκους μαγνητικού πεδίου είναι μη γραμμική.

Για να αρχίσει να δείχνει τις ιδιότητές του ένας υπεραγώγιμος μαγνήτης, οι συνήθεις συνθήκες δεν αρκούν - πρέπει να φθάσουν σε χαμηλή θερμοκρασία, η οποία μπορεί κατ 'αρχήν να επιτευχθεί με διάφορους τρόπους. Ο κλασικός τρόπος είναι αυτός: η συσκευή τοποθετείται σε δοχείο Dewar με υγρό ήλιο και το δοχείο Dewar με ίδιο υγρό ήλιο τοποθετείται σε άλλο δοχείο Dewar με υγρό άζωτο, έτσι ώστε το υγρό ήλιο να εξατμίζεται όσο το δυνατόν χαμηλότερα.

Ως πραγματικό παράδειγμα ενός ισχυρού υπεραγώγιμου μαγνήτη, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε τον μαγνήτη Large Hadron Collider (LHC), στον οποίο, χρησιμοποιώντας τα ισχυρότερα μαγνητικό πεδίο είναι απαραίτητο να κρατήσουμε πρωτόνια υψηλής ενέργειας που πετούν με απίστευτη ταχύτητα σε μια συγκεκριμένη τροχιά μέσα σε μια εκτεταμένη υπόγεια σήραγγα.

1232 τεράστιοι ηλεκτρομαγνήτες, που το καθένα ζυγίζει περίπου 30 τόνους και έχουν μήκος 15 μέτρων, τοποθετούνται στη σήραγγα του LHC ένα μετά το άλλο. Οι δέσμες πρωτονίων περνούν μέσα από λεπτούς σωλήνες εδώ, και αυτοί οι σωλήνες περνούν μόνο μέσα σε δίπολο μαγνήτες, το μέγεθος της επαγωγής του οποίου ρυθμίζεται στην περιοχή από 0,54 έως 8,3 T.

Οι υπεραγώγιμες ιδιότητες των μαγνητών στο LHC επιτυγχάνονται με τη χρήση ειδικού υπεραγώγιμου σύρματος: κάθε μαγνητικό δίπολο περιέχει ένα ξεχωριστό υπεραγώγιμο πηνίο πηνίου με ένα καλώδιο νιοβίου-τιτανίου και το ίδιο το καλώδιο αποτελείται από τα λεπτότερα σύρματα με διάμετρο 6 μικρά.

Η κατώτατη γραμμή είναι ότι το νιόβιο-τιτάνιο είναι υπεραγωγός χαμηλής θερμοκρασίας, οπότε η θερμοκρασία που απαιτείται για τη διατήρηση της ονομαστικής υπεραγωγιμότητας τέτοιων περιελίξεων είναι μόνο 1.9 K (χαμηλότερη από την θερμοκρασία της ακτινοβολίας μικροκυμάτων υποβάθρου στο διάστημα).

Το σύστημα ψύξης μαγνητών LHC λειτουργεί χάρη στο υγρό ήλιο, το οποίο βρίσκεται σε συνεχή κίνηση. 97 τόνοι υγρού ηλίου βρίσκονται μέσα σε ένα ειδικό κέλυφος όπου η υπερρευστότητα αυτού του ψυκτικού μέσου επιτυγχάνεται υπό μια ορισμένη πίεση.

Η άμεση ψύξη του υγρού ηλίου λαμβάνει χώρα υπό την επίδραση 10.000 τόνων υγρού αζώτου. Η διαδικασία ψύξης διεξάγεται σε δύο στάδια: ένας συμβατικός καταψύκτης αρχικά ψύχει ήλιο στα 4.5Κ και στη συνέχεια ψύχεται επιπλέον, αλλά ήδη υπό μειωμένη πίεση. Όλη αυτή η ενέργεια διαρκεί περίπου ένα μήνα.

Όταν εξασφαλίζονται οι συνθήκες θερμοκρασίας, εισέρχεται η σειρά τεράστιων ρευμάτων. Στο LHC, το ρεύμα τροφοδοσίας των μαγνητών φθάνει τα 12.000 αμπέρ. Ταυτόχρονα, καταναλώνεται ενέργεια, συγκρίσιμη με εκείνη που οφείλεται στην παροχή ρεύματος ολόκληρης της πόλης της Γενεύης. Η ηλεκτρική ενέργεια ανά υπεραγώγιμο μαγνήτη είναι περίπου 10 MJ.

Οι υπεραγώγιμοι μαγνήτες χρησιμοποιούνται επίσης σε τομογραφίες NMR και φασματογράφοι, σε μαγνητικές αμαξοστοιχίες μαξιλαριών, σε θερμοπυρηνικούς αντιδραστήρες και σε πολλές άλλες πειραματικές εγκαταστάσεις, για παράδειγμα που σχετίζονται με την αφαίρεση.

Ένα ενδιαφέρον γεγονός είναι ότι τα αδύναμα διαμαγνητικά πεδία δεν έχουν πρακτική επίδραση στις διαμαγνητικές, αλλά όταν πρόκειται για ισχυρά μαγνητικά πεδία που παράγονται από υπεραγώγιμους μαγνήτες, η εικόνα εδώ αλλάζει σημαντικά.Ο άνθρακας που εισέρχεται σε οργανικά αντικείμενα και ζωντανούς οργανισμούς είναι ένα διαμάντι, οπότε ένας ζωντανός βάτραχος μπορεί να ανεβαίνει σε ένα μαγνητικό πεδίο με επαγωγή 16 T.