Supravodivé magnety

Supravodivý magnet je elektromagnet, ktorého vinutie má vlastnosť supravodiča. Rovnako ako u každého elektromagnetu sa tu vytvára magnetické pole jednosmerným prúdom, ktorý tečie cez vinutý drôt. Pretože však prúd v tomto prípade neprebieha cez obyčajný medený vodič, ale cez supravodič, budú aktívne straty v takomto zariadení extrémne malé.

Ako supravodiče pre magnety tohto typu pôsobia supravodiče druhého druhu takmer vždy, to znamená tie, v ktorých je závislosť magnetickej indukcie od sily pozdĺžneho magnetického poľa nelineárna.

Na to, aby supravodivý magnet začal prejavovať svoje vlastnosti, nestačia bežné podmienky - musí sa znížiť na nízku teplotu, ktorú je možné v zásade dosiahnuť rôznymi spôsobmi. Klasickým spôsobom je toto: zariadenie sa umiestni do Dewarovej nádoby s kvapalným héliom a Dewarova nádoba s tekutým héliom sa umiestni do inej Dewarovej nádoby s tekutým dusíkom, takže sa kvapalné hélium vyparuje na čo najnižšiu možnú mieru.

Ako skutočný príklad výkonného supravodivého magnetu môžeme použiť magnet s veľkým hadronom (LHC), v ktorom využívame najsilnejší magnetické pole je potrebné udržiavať vysokoenergetické protóny lietajúce neuveriteľnou rýchlosťou na určitej trajektórii vnútri rozšíreného podzemného tunela.

V tuneli LHC sa za sebou inštaluje 1232 obrovských elektromagnetov, z ktorých každá váži asi 30 ton a má dĺžku 15 metrov. Protónové lúče tu prechádzajú tenkými trubicami a tieto trubice prechádzajú iba vnútri dipólových magnetov, ktorých veľkosť indukcie je regulovaná v rozsahu od 0,54 do 8,3 T.

Supravodivé vlastnosti magnetov na LHC sa dosahujú použitím špeciálneho supravodivého drôtu: každý magnetický dipól obsahuje samostatnú supravodivú cievku navinutú nióbovo-titánovým káblom a samotný kábel sa skladá z najtenších drôtov s priemerom 6 mikrónov.

Pointa je, že niób-titán je nízkoteplotný supravodič, takže teplota potrebná na udržanie nominálnej supravodivosti takýchto vinutí je tu iba 1,9 K (nižšia ako teplota pozadia mikrovlnného žiarenia vo vesmíre).

Chladiaci systém magnetov LHC funguje vďaka kvapalnému héliu, ktoré je neustále v pohybe. 97 ton kvapalného hélia sa nachádza vo vnútri špeciálneho plášťa, kde sa superfluidita tohto chladiva dosiahne pri určitom tlaku.

Priame chladenie tekutého hélia nastáva pod vplyvom 10 000 ton tekutého dusíka. Chladiaci proces sa uskutočňuje v dvoch stupňoch: bežná mraznička najprv ochladí hélium na 4,5 K a potom sa navyše ochladí, ale už pod zníženým tlakom. Všetky tieto kroky trvajú asi mesiac.

Keď sú podmienky týkajúce sa teploty zaistené, zapne sa obrat obrovských prúdov. Na LHC dosahuje napájací prúd magnetov 12 000 ampérov. Zároveň sa spotrebuje energia porovnateľná s energiou dodávanou do celého mesta Ženeva. Elektrická energia na supravodivý magnet je približne 10 MJ.

Supravodivé magnety sa používajú aj v NMR tomografoch a spektrometroch, vo vlakoch s magnetickým vankúšom, v termonukleárnych reaktoroch a v mnohých ďalších experimentálnych zariadeniach, napríklad spojené s levitáciou.

Zaujímavý fakt: slabé diamagnetické polia nemajú prakticky žiadny hmatateľný vplyv na diamagnetiku, ale pokiaľ ide o silné magnetické polia generované supravodivými magnetmi, obraz sa tu výrazne mení.Uhlík, ktorý vstupuje do organických objektov a do živých organizmov, je diamagnet, takže živá žaba môže stúpať v magnetickom poli s indukciou 16 T.