Nam châm siêu dẫn

Một nam châm siêu dẫn là một nam châm điện có cuộn dây có đặc tính của chất siêu dẫn. Như trong bất kỳ nam châm điện nào, từ trường được tạo ra ở đây bằng dòng điện trực tiếp chạy qua dây quấn. Nhưng vì dòng điện đi qua trong trường hợp này không phải thông qua một dây dẫn bằng đồng thông thường, mà qua chất siêu dẫn, tổn thất hoạt động trong một thiết bị như vậy sẽ vô cùng nhỏ.

Là chất siêu dẫn cho nam châm loại này, chất siêu dẫn loại thứ hai hầu như luôn luôn hoạt động, nghĩa là, những chất mà sự phụ thuộc của cảm ứng từ vào cường độ của từ trường dọc là không tuyến tính.

Để nam châm siêu dẫn bắt đầu thể hiện tính chất của nó, điều kiện thông thường là không đủ - nó phải được đưa đến nhiệt độ thấp, về nguyên tắc có thể đạt được theo nhiều cách khác nhau. Cách cổ điển là thế này: thiết bị được đặt trong bình Dewar có helium lỏng và bình Dewar có helium lỏng được đặt bên trong một bình Dewar khác, với nitơ lỏng, để helium lỏng bay hơi càng thấp càng tốt.

Như một ví dụ thực tế về một nam châm siêu dẫn mạnh mẽ, chúng ta có thể sử dụng nam châm Máy va chạm Hadron lớn (LHC), trong đó, sử dụng mạnh nhất từ trường cần phải giữ các proton năng lượng cao bay với tốc độ đáng kinh ngạc trên một quỹ đạo nhất định bên trong một đường hầm ngầm mở rộng.

1232 nam châm điện khổng lồ, mỗi chiếc nặng khoảng 30 tấn và có chiều dài 15 mét, được lắp đặt trong đường hầm của LHC lần lượt. Các chùm proton được truyền qua các ống mỏng ở đây và các ống này chỉ truyền vào bên trong nam châm lưỡng cực, cường độ cảm ứng được điều chỉnh trong phạm vi từ 0,54 đến 8,3 T.

Các đặc tính siêu dẫn của nam châm trên LHC đạt được bằng cách sử dụng một dây siêu dẫn đặc biệt: mỗi lưỡng cực từ chứa một cuộn dây siêu dẫn riêng lẻ với cáp niobi-titan, và bản thân cáp được cấu tạo từ các dây mỏng nhất có đường kính 6 micron.

Điểm mấu chốt là niobi-titan là chất siêu dẫn nhiệt độ thấp, do đó nhiệt độ cần thiết để duy trì tính siêu dẫn danh nghĩa của các cuộn dây như vậy chỉ ở đây là 1,9 K (thấp hơn nhiệt độ của bức xạ vi sóng nền ngoài không gian).

Hệ thống làm mát nam châm LHC hoạt động nhờ helium lỏng, liên tục chuyển động. 97 tấn helium lỏng được đặt bên trong lớp vỏ đặc biệt nơi đạt được độ siêu lỏng của chất làm mát này dưới một áp suất nhất định.

Làm mát trực tiếp helium lỏng xảy ra dưới ảnh hưởng của 10.000 tấn nitơ lỏng. Quá trình làm mát được thực hiện theo hai giai đoạn: một tủ đông loại thông thường đầu tiên làm lạnh heli đến 4,5K, sau đó nó được làm mát bổ sung, nhưng đã chịu áp suất giảm. Tất cả hành động này mất khoảng một tháng.

Khi các điều kiện liên quan đến nhiệt độ được đảm bảo, sự xuất hiện của dòng điện lớn sẽ xuất hiện. Trên LHC, dòng cung cấp nam châm đạt 12.000 ampe. Đồng thời, năng lượng được tiêu thụ, tương đương với nguồn điện được cung cấp bởi toàn bộ thành phố Geneva. Năng lượng điện trên mỗi nam châm siêu dẫn là khoảng 10 MJ.

Nam châm siêu dẫn cũng được sử dụng trong máy chụp cắt lớp và quang phổ kế NMR, trong các tàu đệm từ, trong các lò phản ứng nhiệt hạch, và trong nhiều cài đặt thí nghiệm khác, ví dụ liên quan đến bay.

Một sự thật thú vị: thực tế các trường từ tính yếu không có bất kỳ ảnh hưởng hữu hình nào đối với diamagnetics, nhưng khi nói đến từ trường mạnh được tạo ra bởi nam châm siêu dẫn, hình ảnh ở đây thay đổi đáng kể.Carbon xâm nhập vào các vật thể hữu cơ và các sinh vật sống là một diamagnet, vì vậy một con ếch sống có thể bay lên trong từ trường với cảm ứng 16 T.