Supergeleidende magneten

Een supergeleidende magneet is een elektromagneet waarvan de wikkeling de eigenschap heeft van een supergeleider. Zoals bij elke elektromagneet, wordt het magnetische veld hier gegenereerd door gelijkstroom die door de wikkeldraad vloeit. Maar aangezien de stroom in dit geval niet door een gewone koperen geleider gaat, maar door een supergeleider, zullen de actieve verliezen in een dergelijk apparaat extreem klein zijn.

Als supergeleiders voor magneten van dit type werken supergeleiders van de tweede soort bijna altijd, dat wil zeggen die waarbij de afhankelijkheid van magnetische inductie van de sterkte van het longitudinale magnetische veld niet-lineair is.

Om een ​​supergeleidende magneet zijn eigenschappen te laten vertonen, zijn gewone omstandigheden niet voldoende - hij moet op een lage temperatuur worden gebracht, wat in principe op verschillende manieren kan worden bereikt. De klassieke manier is deze: het apparaat wordt in een Dewar-vat met vloeibaar helium geplaatst en het Dewar-vat met vloeibaar helium zelf wordt in een ander Dewar-vat met vloeibare stikstof geplaatst, zodat vloeibaar helium zo laag mogelijk verdampt.

Als een echt voorbeeld van een krachtige supergeleidende magneet, kunnen we de Large Hadron Collider (LHC) -magneet gebruiken, waarbij de sterkste magnetisch veld het is noodzakelijk om hoogenergetische protonen te houden die met een ongelooflijke snelheid op een bepaald traject binnen een uitgebreide ondergrondse tunnel vliegen.

1232 enorme elektromagneten, elk met een gewicht van ongeveer 30 ton, en een lengte van 15 meter, worden na elkaar in de LHC-tunnel geïnstalleerd. Protonenstralen worden hier door dunne buizen geleid en deze buizen passeren gewoon binnen dipoolmagneten, waarvan de grootte van de inductie wordt geregeld in het bereik van 0,54 tot 8,3 T.

De supergeleidende eigenschappen van magneten op de LHC worden bereikt met behulp van een speciale supergeleidende draad: elke magnetische dipool bevat een individuele supergeleidende spoel gewikkeld met een niobium-titanium kabel en de kabel zelf bestaat uit de dunste draden met een diameter van 6 micron.

Het komt erop neer dat niobium-titanium een ​​supergeleider bij lage temperatuur is, dus de temperatuur die vereist is om de nominale supergeleiding van dergelijke wikkelingen te handhaven is hier slechts 1,9 K (lager dan de temperatuur van de achtergrondmicrogolfstraling in de ruimte).

Het LHC-magneetkoelsysteem werkt dankzij vloeibaar helium, dat constant in beweging is. 97 ton vloeibaar helium bevindt zich in een speciale schaal, waar superfluïditeit van dit koelmiddel wordt bereikt onder een bepaalde druk.

Directe koeling van vloeibaar helium vindt plaats onder invloed van 10.000 ton vloeibare stikstof. Het koelproces wordt in twee fasen uitgevoerd: een conventionele vriezer koelt eerst helium tot 4,5 K en wordt vervolgens extra gekoeld, maar al onder verminderde druk. Al deze actie duurt ongeveer een maand.

Wanneer de temperatuuromstandigheden zijn gewaarborgd, begint de draai van enorme stromen. Op de LHC bereikt de voedingsstroom van de magneten 12.000 ampère. Tegelijkertijd wordt stroom verbruikt, vergelijkbaar met de stroomvoorziening van de hele stad Genève. De elektrische energie per supergeleidende magneet is ongeveer 10 MJ.

Supergeleidende magneten worden ook gebruikt in NMR-tomografen en spectrometers, in magnetische kussens, in fusiereactoren en in vele andere experimentele installaties, bijvoorbeeld geassocieerd met levitatie.

Een interessant feit: zwakke diamagnetische velden hebben praktisch geen tastbaar effect op diamagnetiek, maar als het gaat om sterke magnetische velden gegenereerd door supergeleidende magneten, verandert het beeld hier aanzienlijk.Koolstof die organische objecten en levende organismen binnendringt, is een diamagnet, dus een levende kikker kan in een magnetisch veld vliegen met een inductie van 16 T.