Magneti superconduttori

Un magnete superconduttore è un elettromagnete il cui avvolgimento ha la proprietà di un superconduttore. Come in ogni elettromagnete, il campo magnetico viene generato qui dalla corrente continua che fluisce attraverso il filo di avvolgimento. Ma poiché la corrente passa in questo caso non attraverso un normale conduttore di rame, ma attraverso un superconduttore, le perdite attive in un tale dispositivo saranno estremamente piccole.

Come superconduttori per magneti di questo tipo, i superconduttori del secondo tipo agiscono quasi sempre, cioè quelli in cui la dipendenza dell'induzione magnetica dalla forza del campo magnetico longitudinale non è lineare.

Affinché un magnete superconduttore inizi a mostrare le sue proprietà, le condizioni ordinarie non sono sufficienti: deve essere portato a una bassa temperatura, che in linea di principio può essere raggiunta in vari modi. Il modo classico è questo: il dispositivo è collocato in una nave Dewar con elio liquido e la nave Dewar con elio liquido stesso è posta all'interno di un'altra nave Dewar, con azoto liquido, in modo che l'elio liquido evapori il più basso possibile.

Come un vero esempio di un potente magnete superconduttore, possiamo usare il magnete Large Hadron Collider (LHC), in cui, usando il più forte campo magnetico è necessario tenere i protoni ad alta energia che volano a una velocità incredibile su una certa traiettoria all'interno di un tunnel sotterraneo esteso.

1232 enormi elettromagneti, ciascuno del peso di circa 30 tonnellate e con una lunghezza di 15 metri, sono installati uno dopo l'altro nel tunnel dell'LHC. I raggi di protoni passano qui attraverso tubi sottili, e questi tubi passano solo all'interno dei magneti a dipolo, la cui intensità dell'induzione è regolata nell'intervallo da 0,54 a 8,3 T.

Le proprietà superconduttive dei magneti sull'LHC sono ottenute utilizzando uno speciale filo superconduttore: ogni dipolo magnetico contiene una singola bobina superconduttiva avvolta con un cavo di niobio-titanio e il cavo stesso è composto dai fili più sottili con un diametro di 6 micron.

La linea di fondo è che il niobio-titanio è un superconduttore a bassa temperatura, quindi la temperatura richiesta per mantenere la superconduttività nominale di tali avvolgimenti è qui solo di 1,9 K (inferiore alla temperatura della radiazione a microonde di fondo nello spazio esterno).

Il sistema di raffreddamento a magnete LHC funziona grazie all'elio liquido, che è costantemente in movimento. 97 tonnellate di elio liquido si trovano all'interno di un guscio speciale, dove la superfluidità di questo liquido di raffreddamento si ottiene sotto una certa pressione.

Il raffreddamento diretto dell'elio liquido avviene sotto l'influenza di 10.000 tonnellate di azoto liquido. Il processo di raffreddamento si svolge in due fasi: un congelatore di tipo convenzionale prima raffredda l'elio a 4,5 K, quindi viene ulteriormente raffreddato, ma già a pressione ridotta. Tutta questa azione dura circa un mese.

Quando le condizioni relative alla temperatura sono assicurate, inizia la svolta di enormi correnti. Sull'LHC, la corrente di alimentazione dei magneti raggiunge i 12.000 ampere. Allo stesso tempo, l'energia viene consumata, paragonabile a quella che rappresenta l'alimentazione elettrica dell'intera città di Ginevra. L'energia elettrica per magnete superconduttore è di circa 10 MJ.

I magneti superconduttori sono utilizzati anche nei tomografi e spettrometri NMR, nei treni a cuscino magnetico, nei reattori termonucleari e in molte altre installazioni sperimentali, ad esempio associato alla levitazione.

Un fatto interessante: i deboli campi diamagnetici praticamente non hanno alcun effetto tangibile sulla diamagnetica, ma quando si tratta di forti campi magnetici generati da magneti superconduttori, l'immagine qui cambia significativamente.Il carbonio che entra negli oggetti organici e negli organismi viventi è un diamagnet, quindi una rana vivente può librarsi in un campo magnetico con un'induzione di 16 T.