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Supraleitende Magnete

 

Ein supraleitender Magnet ist ein Elektromagnet, dessen Wicklung die Eigenschaft eines Supraleiters hat. Wie bei jedem Elektromagneten wird das Magnetfeld hier durch Gleichstrom erzeugt, der durch den Wicklungsdraht fließt. Da der Strom in diesem Fall jedoch nicht durch einen gewöhnlichen Kupferleiter, sondern durch einen Supraleiter fließt, sind die aktiven Verluste in einer solchen Vorrichtung äußerst gering.

Als Supraleiter für Magnete dieses Typs sind fast immer Supraleiter der zweiten Art, dh solche, bei denen die Abhängigkeit der magnetischen Induktion von der Stärke des longitudinalen Magnetfeldes nicht linear ist.

Damit ein supraleitender Magnet seine Eigenschaften zeigt, reichen gewöhnliche Bedingungen nicht aus - er muss auf eine niedrige Temperatur gebracht werden, die im Prinzip auf verschiedene Arten erreicht werden kann. Der klassische Weg ist folgender: Das Gerät wird in ein Dewar-Gefäß mit flüssigem Helium gegeben, und das Dewar-Gefäß mit flüssigem Helium selbst wird in ein anderes Dewar-Gefäß mit flüssigem Stickstoff gegeben, damit flüssiges Helium so gering wie möglich verdunstet.

Als reales Beispiel für einen starken supraleitenden Magneten können wir den Large Hadron Collider (LHC) -Magneten verwenden, bei dem der stärkste verwendet wird Magnetfeld Es ist notwendig, hochenergetische Protonen auf einer bestimmten Flugbahn in einem ausgedehnten unterirdischen Tunnel mit unglaublicher Geschwindigkeit fliegen zu lassen.

Im LHC-Tunnel sind nacheinander 1232 riesige Elektromagnete installiert, die jeweils etwa 30 Tonnen wiegen und eine Länge von 15 Metern haben. Protonenstrahlen passieren hier dünne Röhren, und diese Röhren passieren nur Dipolmagnete, deren Induktionsgröße im Bereich von 0,54 bis 8,3 T reguliert wird.

Großer Hadron Collider Supraleitender Magnet

Die supraleitenden Eigenschaften von Magneten am LHC werden durch die Verwendung eines speziellen supraleitenden Drahtes erreicht: Jeder magnetische Dipol enthält eine einzelne supraleitende Spule, die mit einem Niob-Titan-Kabel umwickelt ist, und das Kabel selbst besteht aus den dünnsten Drähten mit einem Durchmesser von 6 Mikrometern.

Die Quintessenz ist, dass Niob-Titan ein Niedertemperatursupraleiter ist, so dass die Temperatur, die erforderlich ist, um die nominelle Supraleitung solcher Wicklungen aufrechtzuerhalten, hier nur 1,9 K beträgt (niedriger als die Temperatur der Hintergrundmikrowellenstrahlung im Weltraum).

Das LHC-Magnetkühlsystem arbeitet dank flüssigem Helium, das ständig in Bewegung ist. 97 Tonnen flüssiges Helium befinden sich in einer speziellen Hülle, in der die Überflüssigkeit dieses Kühlmittels unter einem bestimmten Druck erreicht wird.

Die direkte Abkühlung von flüssigem Helium erfolgt unter dem Einfluss von 10.000 Tonnen flüssigem Stickstoff. Der Abkühlvorgang erfolgt in zwei Schritten: Ein herkömmlicher Gefrierschrank kühlt Helium zunächst auf 4,5 K ab und wird dann zusätzlich abgekühlt, jedoch bereits unter vermindertem Druck. All diese Aktionen dauern ungefähr einen Monat.

Wenn die Temperaturbedingungen gewährleistet sind, setzt die Windung großer Ströme ein. Auf dem LHC erreicht der Magnetstrom 12.000 Ampere. Gleichzeitig wird Strom verbraucht, vergleichbar mit dem Stromverbrauch der gesamten Stadt Genf. Die elektrische Energie pro supraleitendem Magneten beträgt ungefähr 10 MJ.

Supraleitende Magnete

Supraleitende Magnete werden beispielsweise auch in NMR-Tomographen und -Spektrometern, in Magnetkissenzügen, in Kernreaktoren und in vielen anderen Versuchsanlagen eingesetzt mit Levitation verbunden.

Eine interessante Tatsache: Schwache diamagnetische Felder haben praktisch keinen spürbaren Einfluss auf die Diamagnetik, aber wenn es um starke Magnetfelder geht, die von supraleitenden Magneten erzeugt werden, ändert sich das Bild hier erheblich.Kohlenstoff, der in organische Objekte und lebende Organismen eindringt, ist ein Diamagnet, sodass ein lebender Frosch in einem Magnetfeld mit einer Induktion von 16 T schweben kann.

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