Superledande magneter

En superledande magnet är en elektromagnet vars lindning har egenskapen till en superledare. Liksom i alla elektromagneter genereras magnetfältet här genom likström som strömmar genom lindningstråden. Men eftersom strömmen passerar i detta fall inte genom en vanlig kopparledare utan genom en superledare kommer de aktiva förlusterna i en sådan anordning att vara extremt små.

Som superledare för magneter av denna typ verkar superledare av den andra typen nästan alltid, det vill säga de i vilka beroendet av magnetisk induktion av styrkan hos det längsgående magnetfältet är olinjärt.

För att en superledande magnet ska börja visa sina egenskaper räcker inte vanliga förhållanden - den måste bringas till en låg temperatur, som i princip kan uppnås på olika sätt. Det klassiska sättet är detta: enheten placeras i ett Dewar-kärl med flytande helium, och Dewar-kärlet med själva flytande helium placeras i ett annat Dewar-kärl, med flytande kväve, så att flytande helium förångas så lågt som möjligt.

Som ett riktigt exempel på en kraftfull superledande magnet kan vi använda Large Hadron Collider (LHC) -magneten, där vi använder den starkaste magnetfält det är nödvändigt att hålla högenergiprotoner som flyger med en otrolig hastighet på en viss bana inuti en utökad underjordisk tunnel.

1232 enorma elektromagneter, som alla väger cirka 30 ton och har en längd på 15 meter, installeras i LHC: s tunnel efter varandra. Protonstrålar passeras genom tunna rör här, och dessa rör passerar bara in i dipolmagneter, vars induktionsstorlek regleras i intervallet 0,54 till 8,3 T.

De superledande egenskaperna hos magneter på LHC uppnås genom att använda en speciell superledande tråd: varje magnetisk dipol innehåller en individuell superledande spole lindad med en niob-titan-kabel, och själva kabeln består av de tunnaste trådarna med en diameter på 6 mikron.

Slutsatsen är att niob-titan är en låg-temperatur superledare, så att temperaturen som krävs för att bibehålla den nominella superledningen för sådana lindningar är här endast 1,9 K (lägre än temperaturen för bakgrunden mikrovågsstrålning i yttre rymden).

LHC-magnetkylsystemet fungerar tack vare flytande helium, som ständigt är i rörelse. 97 ton flytande helium är belägna i ett speciellt skal, där superfluiditeten hos detta kylmedel uppnås under ett visst tryck.

Direkt kylning av flytande helium sker under påverkan av 10 000 ton flytande kväve. Kylprocessen utförs i två steg: en frys med konventionell typ kyler först helium till 4,5 K, och sedan kyls den dessutom, men redan under reducerat tryck. All den här åtgärden tar ungefär en månad.

När förhållandena beträffande temperatur säkerställs, sätts svängningen av enorma strömmar in. På LHC når magneten tillförselströmmen 12 000 ampère. Samtidigt förbrukas kraft, jämförbar med den som står för strömförsörjningen i hela staden Genève. Den elektriska energin per superledande magnet är cirka 10 MJ.

Supraledande magneter används också i NMR-tomografer och spektrometrar, i magnetiska kuddtåg, i termonukleära reaktorer och i många andra experimentella installationer, till exempel i samband med levitation.

Ett intressant faktum: svaga diamagnetiska fält har praktiskt taget inte någon påtaglig effekt på diamagnetik, men när det gäller starka magnetfält genererade av superledande magneter förändras bilden här avsevärt.Kol som tränger in i organiska föremål och levande organismer är en diamagnet, så en levande groda kan sväva i ett magnetfält med en induktion av 16 T.