Superledende magneter

En superledende magnet er en elektromagnet hvis vikling har egenskapen til en superleder. Som i enhver elektromagnet, genereres magnetfeltet her av likestrøm som strømmer gjennom viklingstråden. Men siden strømmen i dette tilfellet ikke går gjennom en vanlig kobberleder, men gjennom en superleder, vil de aktive tapene i en slik anordning være ekstremt små.

Som superledere for magneter av denne typen virker superledere av den andre typen nesten alltid, det vil si de der avhengigheten av magnetisk induksjon av styrken til det langsgående magnetiske felt er ikke-lineær.

For at en superledende magnet skal begynne å vise sine egenskaper, er ikke vanlige forhold nok - den må bringes til en lav temperatur, som i prinsippet kan oppnås på forskjellige måter. Den klassiske måten er dette: Enheten er plassert i et Dewar-kar med flytende helium, og Dewar-karet med flytende helium er plassert inne i et annet Dewar-kar, med flytende nitrogen, slik at flytende helium fordamper så lavt som mulig.

Som et reelt eksempel på en kraftig superledende magnet kan vi bruke Large Hadron Collider (LHC) magnet, der vi ved å bruke den sterkeste magnetfelt det er nødvendig å holde protoner med høy energi som flyr med en utrolig fart på en bestemt bane inne i en utvidet underjordisk tunnel.

1232 enorme elektromagneter, som hver veier rundt 30 tonn, og har en lengde på 15 meter, er installert i tunnelen til LHC etter hverandre. Protonbjelker passerer her gjennom tynne rør, og disse rørene passerer bare innenfor dipolmagneter, hvis induksjonsstørrelse er regulert i området fra 0,54 til 8,3 T.

De superledende egenskapene til magneter på LHC oppnås ved å bruke en spesiell superledende ledning: hver magnetisk dipol inneholder en individuell superledende spole viklet med en niob-titan-kabel, og selve kabelen er sammensatt av de tynneste ledningene med en diameter på 6 mikron.

Hovedpoenget er at niobium-titan er en lavtemperatur-superleder, så temperaturen som kreves for å opprettholde den nominelle superledningen til slike viklinger er her bare 1,9 K (lavere enn temperaturen til bakgrunnen mikrobølgestråling i det ytre rom).

LHC magnetkjølingssystemet fungerer takket være flytende helium, som hele tiden er i bevegelse. 97 tonn flytende helium er plassert inne i et spesielt skall, der overflaten av dette kjølevæsken oppnås under et visst trykk.

Direkte avkjøling av flytende helium skjer under påvirkning av 10.000 tonn flytende nitrogen. Kjøleprosessen utføres i to trinn: en fryser av konvensjonell type avkjøler først helium til 4,5 K, og deretter avkjøles den, men allerede under redusert trykk. All denne handlingen tar omtrent en måned.

Når forholdene angående temperatur er sikret, slår svingen på enorme strømmer inn. På LHC når magnetsforsyningsstrømmen 12.000 ampere. Samtidig forbrukes strøm, sammenlignbar med den som står for strømforsyningen til hele byen Genève. Den elektriske energien per superledende magnet er omtrent 10 MJ.

Superledende magneter brukes også i NMR-tomografer og spektrometre, i magnetiske pute-tog, i termonukleære reaktorer, og i mange andre eksperimentelle installasjoner, for eksempel forbundet med levitasjon.

Et interessant faktum: svake diamagnetiske felt har praktisk talt ingen konkrete effekter på diamagnetikk, men når det gjelder sterke magnetfelt generert av superledende magneter, endres bildet her betydelig.Karbon som kommer inn i organiske gjenstander og levende organismer er en diamagnet, slik at en levende frosk kan sveve i et magnetfelt med en induksjon på 16 T.