Suprajohtavat magneetit

Suprajohtava magneetti on sähkömagneetti, jonka käämityksellä on suprajohtimen ominaisuus. Kuten missä tahansa sähkömagneetissa, magneettikenttä syntyy tässä käämijohtimen läpi virtaavan tasavirran avulla. Mutta koska virta ei kulje tässä tapauksessa tavallisen kuparijohtimen, vaan suprajohteen läpi, aktiiviset häviöt tällaisessa laitteessa ovat erittäin pienet.

Tämän tyyppisten magneettien suprajohteina toisen tyyppiset suprajohteet toimivat melkein aina, toisin sanoen sellaisia, joissa magneettisen induktion riippuvuus pitkittäisen magneettikentän lujuudesta on epälineaarinen.

Jotta suprajohtava magneetti alkaisi näyttää ominaisuuksiaan, tavalliset olosuhteet eivät riitä - se on saatettava matalaan lämpötilaan, joka voidaan periaatteessa saavuttaa monin tavoin. Klassinen tapa on tämä: laite asetetaan Dewar-astiaan, jossa on nestemäistä heliumia, ja Dewar-astia, jossa on nestemäinen helium, itse sijoitetaan toisen Dewar-astian sisälle, jossa on nestemäistä typpeä, niin että nestemäinen heliumi haihtuu mahdollisimman vähän.

Todellisena esimerkkinä tehokkaasta suprajohtavasta magneetista voimme käyttää LHC (Large Hadron Collider) -magneettia, jossa vahvinta magneettikenttä on välttämätöntä pitää korkean energian protoneja lentävän uskomattoman nopeudella tietyllä radalla laajennetun maanalaisen tunnelin sisällä.

LHC: n tunneliin on asennettu peräkkäin 1232 valtavaa sähkömagneettia, jokaisen paino on noin 30 tonnia ja pituus 15 metriä. Protonipalkit johdetaan täällä ohuiden putkien läpi ja nämä putket kulkevat vain dipolimagneettien sisäpuolella, joiden induktion suuruutta säädetään alueella 0,54 - 8,3 T.

Magneettien suprajohtavat ominaisuudet LHC: ssä saavutetaan käyttämällä erityistä suprajohtavaa lankaa: Jokainen magneettinen dipoli sisältää erillisen suprajohtavan kelan, jonka haava on niobium-titaanikaapeli, ja itse kaapeli koostuu ohuimmista johdoista, joiden halkaisija on 6 mikronia.

Tärkeintä on, että niobium-titaani on matalan lämpötilan suprajohdin, joten tällaisten käämien nimellisen suprajohtavuuden ylläpitämiseen vaadittava lämpötila on täällä vain 1,9 K (alempi kuin ulkoavaruuden taustamikroaaltosäteilyn lämpötila).

LHC-magneettijäähdytysjärjestelmä toimii nestemäisen heliumin ansiosta, joka on jatkuvasti liikkeessä. 97 tonnia nestemäistä heliumia sijaitsee erityisen vaipan sisällä, jossa tämän jäähdytysnesteen superneste saavutetaan tietyssä paineessa.

Nestemäisen heliumin suora jäähdytys tapahtuu 10000 tonnin nestemäisen typen vaikutuksesta. Jäähdytysprosessi suoritetaan kahdessa vaiheessa: tavanomainen tyyppinen pakastin jäähdyttää ensin heliumin 4,5 K: seen, ja sitten se jäähdytetään vielä, mutta jo alennetussa paineessa. Kaikki tämä toiminta kestää noin kuukauden.

Kun lämpötilaolosuhteet taataan, valtavien virtojen käännös tulee sisään. LHC: n magneettien syöttövirta on 12 000 ampeeria. Samanaikaisesti energiaa kuluu, verrattavissa koko Geneven kaupungin virrankulutukseen. Sähköenergia suprajohtavaa magneettia kohden on noin 10 MJ.

Suprajohtavia magneetteja käytetään myös NMR-tomografissa ja spektrometreissä, magneettisissa tyynyjunissa, lämpöydinreaktoreissa ja monissa muissa kokeellisissa laitteistoissa, esimerkiksi liittyy levitation.

Mielenkiintoinen tosiasia: heikoilla diamagneettisilla kentillä ei käytännössä ole mitään konkreettista vaikutusta diamagnetiikkaan, mutta kun kyse on suprajohtavien magneettien tuottamista voimakkaista magneettikentistä, kuva tässä muuttuu merkittävästi.Hiilen pääsy orgaanisiin esineisiin ja eläviin organismeihin on diamagnetti, joten elävä sammakko voi nousta magneettikentässä induktion ollessa 16 T.