Szupravezető mágnesek

A szupravezető mágnes egy elektromágnes, amelynek a tekercselése szupravezető tulajdonságú. Mint minden elektromágnesben, a mágneses teret a tekercselő huzalon átáramló egyenáram generálja. Mivel azonban az áram ebben az esetben nem egy rendes rézvezetőn, hanem egy szupravezetőn halad keresztül, az ilyen eszköz aktív veszteségei rendkívül alacsonyak lesznek.

Mint az ilyen típusú mágnesek szupravezetői, a második típusú szupravezetők szinte mindig úgy működnek, azaz azok, amelyekben a mágneses indukció függése a hosszanti mágneses erő erősségétől nemlineáris.

Annak érdekében, hogy a szupravezető mágnes megmutathassa tulajdonságait, a rendes körülmények nem elegendőek - alacsony hőmérsékleten kell melegedni, amelyet elvileg különféle módon lehet elérni. A klasszikus módszer a következő: az eszközt egy folyékony héliumú Dewar edénybe helyezik, és maga a folyékony héliumú Dewar edényt egy másik folyadék nitrogéntartalmú Dewar edénybe helyezik, hogy a folyékony hélium a lehető legalacsonyabban elpárologjon.

Az erős szupravezető mágnes valódi példájaként használhatjuk a nagy hadroncsatorna (LHC) mágnest, amelyben a legerősebb mágneses mező meg kell tartani a nagy energiájú protonokat hihetetlen sebességgel repülni egy bizonyos pályán egy kiterjesztett földalatti alagútban.

Az LHC alagútba egymás után 1232 hatalmas elektromágnest helyeznek el, amelyek mindegyike körülbelül 30 tonna és 15 méter hosszú. A protonnyalábok itt vékony csöveken haladnak keresztül, és ezek a csövek csak a dipólmágnesek belsejében haladnak át, és azok indukciójának nagyságát 0,54 és 8,3 T között kell szabályozni.

A mágnesek szupravezető tulajdonságai az LHC-n egy speciális szupravezető huzal használatával érhetők el: mindegyik mágneses dipólus egy egyedi szupravezető tekercset tartalmaz, amelyben niobium-titán kábel van, és maga a kábel a legvékonyabb, 6 mikron átmérőjű huzalokból áll.

A lényeg az, hogy a niobium-titán alacsony hőmérsékletű szupravezető, tehát az ilyen tekercsek névleges szupravezető képességének fenntartásához itt csak 1,9 K hőmérsékletet kell elérni (alacsonyabb, mint a háttér mikrohullámú sugárzásának hőmérséklete a világűrben).

Az LHC mágneses hűtőrendszer a folyamatosan mozgásban lévő folyékony héliumnak köszönhetően működik. 97 tonna folyékony hélium helyezkedik el egy speciális héjában, ahol ennek a hűtőfolyadéknak a túlfolyása bizonyos nyomás alatt elérhető.

A folyékony hélium közvetlen hűtése 10 000 tonna folyékony nitrogén hatására megy végbe. A hűtési eljárást két szakaszban hajtják végre: a hagyományos típusú fagyasztók először héliumot hűtenek 4,5 K-ra, majd lehűtik, de már csökkentett nyomáson. Mindez körülbelül egy hónapot vesz igénybe.

Ha a hőmérsékleti viszonyok biztosítottak, akkor hatalmas áramok fordulnak be. Az LHC-n a mágnesek áramellátása eléri a 12 000 ampert. Ugyanakkor az energiafogyasztás hasonló ahhoz, amit a teljes Genfi város áramellátása jelent. A szupravezető mágnesek elektromos energiája körülbelül 10 MJ.

A szupravezető mágneseket NMR tomográfokban és spektrométerekben, mágneses párnás vonatokban, termonukleáris reaktorokban és sok más kísérleti létesítményben, például társult lebegés.

Érdekes tény: a gyenge diamagnetikai mezők gyakorlatilag nem gyakorolnak kézzelfogható hatást a diamagnetikára, de amikor a szupravezető mágnesek által generált erős mágneses terekről van szó, a kép itt jelentősen megváltozik.A szén, amely bejut a szerves tárgyakba és az élő szervezetekbe, diamagnet, tehát az élő béka 16 m indukcióval mágneses mezőben szárnyalhat fel.