Kursy • Poradniki • Inspirujące DIY • Forum
Elektromagnesy nadprzewodnikowe to jedne z najsilniejszych elektromagnesów, jakie istnieją. Są one zbudowane z materiałów, które nie stawiają żadnego oporu dla prądu elektrycznego!
Warto poznać też inne rodzaje elektromagnesów, które okazują się jeszcze silniejsze! Zajmiemy się więc również m.in. elektromagnesami Bittera.
W poprzednich wpisach omówiliśmy podstawowe informacje na temat tego, czym jest elektromagnes i jakimi parametrami można go opisać. Teraz zajmiemy się bardziej zaawansowanymi tematami, które są niezwykle ciekawe z praktycznego punktu widzenia (np. mogą sprawić, że żaba zacznie lewitować).
Z lektury tego poradnika dowiesz się, czym są elektromagnesy nadprzewodnikowe i gdzie są używane. Oprócz tego poznasz podstawowe informacje na temat bardzo silnych elektromagnesów Bittera, a na koniec przeczytasz, jak wytworzyć silne pole magnetyczne za pomocą… materiałów wybuchowych.
Początkujący z reguły nie rozumieją roli rdzenia w elektromagnesach, transformatorach i cewkach. Bardziej zorientowani są przekonani, i w sumie słusznie, że rdzeń niejako „za darmo” zwiększa pole magnetyczne. Poniekąd tak, dlatego w większości elektromagnesów rdzeń jest błogosławieństwem – jest wręcz niezbędny. Nie zawsze celem jest jednak uzyskanie dużej siły przyciągania, a w wielu zastosowaniach, powiedzmy – naukowych, potrzebna jest jak największa indukcja magnetyczna (więcej w artykule o parametrach elektromagnesów). Wtedy rdzeń może nawet przeszkadzać!
W uproszczeniu: gęstość strumienia w rdzeniu ferromagnetycznym nie może rosnąć w nieskończoność. Co prawda może rosnąć pod wpływem zewnętrznego pola magnetycznego, ale powyżej pewnej wartości, zwanej indukcją nasycenia, ferromagnetyczny rdzeń przestanie pełnić swą dobroczynną funkcję „darmowego wzmacniania pola”.
Najwyższą indukcję nasycenia mają stopy żelaza i kobaltu, rzędu 2,5 tesli (T). W praktyce maksymalna indukcja w większości praktycznie użytecznych rdzeni jest mniejsza niż 2 T.
Na marginesie warto też wspomnieć, że właśnie z uwagi na nasycenie najsilniejsze magnesy trwałe mają indukcję poniżej 2 T, a maksymalna indukcja nie zależy tam od wielkości i siły przyciągania magnesu. Otóż aktualnie najsilniejsze są magnesy neodymowe, które dają indukcję magnetyczną w granicach od 1 do 1,4 T, natomiast ich siła przyciągania zależy od wielkości i masy magnesu.
Przykładowe magnesy neodymowe, które mogą zaskoczyć siłą przyciągania
Najprościej biorąc, jeżeli potrzebne jest pole magnetyczne o indukcji ponad 2 T, to nie ma sensu stosowanie rdzenia ferromagnetycznego. Przy takiej indukcji każdy materiał ferromagnetyczny ulega nasyceniu i nic nie pomaga! A stąd wynika zaskakujący wniosek: elektromagnesy wytwarzające pole magnetyczne o największej indukcji nie posiadają rdzenia ferromagnetycznego.
Nie jest to wcale tylko teoretyczna ciekawostka – magnesy nadprzewodnikowe (nadprzewodzące) są wykorzystywane w praktyce i naprawdę działają jak idealny elektromagnes. Jest to możliwe dzięki pewnym bardzo dziwnym zjawiskom kwantowym.
Około 100 lat temu odkryto, że w niektórych materiałach, nazywanych dlatego nadprzewodnikami, przy obniżaniu temperatury poniżej pewnego progu ich rezystancja nieoczekiwanie zmniejsza się skokowo dosłownie do zera. Tak, nie blisko zera, tylko dokładnie do zera! Istnieją konstrukcje z uzwojeniem wykonanym z tzw. nadprzewodników działające właśnie jak idealny elektromagnes, w którym wystarczy raz wzbudzić przepływ prądu, by stały się magnesami trwałymi.
Grubość tradycyjnych i nadprzewodnikowych przewodów do pracy przy 12,5 kA (zdjęcie: Rama, CC BY-SA 2.0 FR)
Problem w tym, że nadprzewodnik ma swoje idealne właściwości elektryczne tylko w bardzo niskich temperaturach. Z początku potrzebne do tego temperatury były tylko od jednego do kilku stopni wyższe od zera absolutnego (−273,15°C) – wymagają tego tzw. nadprzewodniki niskotemperaturowe.
Przykładowy elektromagnes nadprzewodnikowy (zdjęcie: tataquax, CC BY-SA 2.0)
Z czasem dobrano materiały, które pozostają nadprzewodnikami w znacznie wyższych temperaturach. Są to tzw. nadprzewodniki wysokotemperaturowe. W tej nazwie jest spora przesada. Wprawdzie podobno w pewnym materiale zaobserwowano nadprzewodnictwo w temperaturze powyżej 0°C, ale tylko pod niewyobrażalnie wysokim ciśnieniem.
Ogólnie biorąc, najlepsze „wysokotemperaturowe” nadprzewodniki wymagają temperatury poniżej −120°C, a wiele z nich jeszcze niższej.
Tu trzeba wrócić do rozważań na temat idealnego elektromagnesu, przedstawionych w artykule o parametrach elektromagnesów. Mianowicie idealny elektromagnes z uzwojeniem o zerowej rezystancji nie potrzebuje ciągłego dostarczania energii.
Dotyczy to właśnie nadprzewodzącego elektromagnesu – podczas pracy płynie w nim prąd i nie wymaga on zewnętrznego zasilania, ale nadprzewodzące uzwojenie trzeba utrzymywać w bardzo niskiej temperaturze za pomocą wydajnego systemu chłodzącego, a do tego potrzebna jest energia. Dlatego obecne systemy zawierające elektromagnesy nadprzewodzące też wymagają zasilania energią elektryczną i są energożerne.
Energia w elektromagnesach nadprzewodnikowych nie jest wykorzystywana do generowania pola magnetycznego, a jedynie do utrzymania odpowiednich warunków dla nadprzewodnika.
Magnesy z nadprzewodnikami wykorzystywane są w wielu urządzeniach rezonansu magnetycznego (MRI) i pozwalają wytworzyć indukcję 1–7 T, przeciętnie 3 T. Nawet indukcja 3–7 T to duże osiągnięcie, ponieważ oprócz tak znacznej indukcji trzeba tu też uzyskać znakomitą równomierność pola magnetycznego w dużym obszarze, co naprawdę jest poważnym wyzwaniem.
Standardowe urządzenie MRI, które może generować pole magnetyczne o natężeniu kilku tesli i dużej równomierności
Warto dodać, że wszystkie magnesy w Wielkim Zderzaczu Hadronów (ang. Large Hadron Collider, LHC) w CERN pod Genewą są elektromagnesami. Główne elektromagnesy nadprzewodnikowe wytwarzają pole magnetyczne o indukcji 8,3 T i płynie w nich (bez strat) prąd o natężeniu ponad 11 000 A.
Elektromagnes nadprzewodnikowy w akceleratorze cząstek Fermilab w USA (zdjęcie: gamsiz, CC BY 2.0)
Elektromagnesy używane w CERN wymagają chłodzenia ciekłym helem do temperatury −271,3°C. Nic dziwnego, że potrzeba do tego ogromnych ilości energii. W tym akceleratorze główna pętla, w której w wysokiej próżni poruszają się cząstki, ma aż 27 km długości.
Mogłoby się wydawać, że magnesy nadprzewodzące mogą wytworzyć pole magnetyczne o dowolnie dużej, nieograniczonej indukcji magnetycznej. Tak byłoby, gdyby nadprzewodzące uzwojenie było do końca idealne. Ale jak wiemy, w znanych dziś materiałach nadprzewodnictwo występuje tylko w bardzo niskich temperaturach, a jest i drugi problem, który wyznacza inną barierę.
Otóż to dziwne kwantowe zjawisko nadprzewodnictwa polega w sumie na tym, że elektrony tworzą specyficzne dwójki, tzw. pary Coopera. Okazuje się, że bardzo silne pole magnetyczne uniemożliwia tworzenie takich par. Wzrost indukcji ponad pewną granicę, charakterystyczną dla danego materiału, powoduje, że zjawisko nadprzewodnictwa zanika.
Przekrój przykładowego elektromagnesu nadprzewodnikowego (zdjęcie: tataquax, CC BY-SA 2.0)
To są przyczyny, dla których za pomocą magnesów nadprzewodzących nie można uzyskać dowolnie dużej indukcji. Do tej pory uzyskiwano 10–20 T, maksymalnie w nielicznych do nieco ponad 30 T, a to dzięki zastosowaniu „odporniejszych” nadprzewodników, głównie niskotemperaturowych.
Ogólnie większą indukcję można uzyskać za pomocą nadprzewodników niskotemperaturowych, ale muszą one pracować w temperaturze tuż powyżej zera absolutnego, co oznacza ogromny pobór energii i duże koszty systemu chłodzenia. Trwają eksperymenty z różnymi nadprzewodnikami, w szczególności wysokotemperaturowymi, w których obiecujące, ale trudne do praktycznego wykorzystania są tzw. półprzewodniki typu II.
Opracowanie nadprzewodników wysokotemperaturowych pozwoli zmniejszyć koszty chłodzenia.
We wrześniu 2021 roku pojawiła się informacja, że we współpracy MIT ze start-upem CFS stworzono elektromagnes, który daje indukcję 20 T i dzięki nadprzewodnikom wysokotemperaturowym pobiera stosunkowo mało energii, dzięki czemu może stać się podstawą budowy nowego rodzaju elektrowni jądrowych, opartych na fuzji (łączeniu), a nie – jak dotychczasowe – na rozszczepianiu.
Prace nad nowym rodzajem elektromagnesów nadprzewodnikowych (zdjęcie: mat. prasowe MIT)
Paradoksalnie przez wiele lat najsilniejszymi elektromagnesami nie były te nadprzewodzące, tylko takie, które mają uzwojenia miedziane, ale nie w postaci drutu. Taki dziwny elektromagnes, wynaleziony w roku 1933 przez Francisa Bittera, składa się z kilkuset dysków złożonych podobnie jak rulon monet.
Złożone w rulon cienkie „monety” składają się na potężny miedziany przewód, w którym ogromny prąd płynie po drodze w kształcie spirali, a to dzięki nacięciom w dyskach – „monetach”.
Jeden perforowany dysk wchodzący w skład elektromagnesu Bittera
Bardzo silne pole magnetyczne wytwarzane jest w otworze centralnym. Otwory zewnętrzne służą do tworzenia pakietu – rulonu za pomocą trzpieni (śrub), natomiast mniejsze otwory na powierzchni dysku to kanały, którymi wzdłuż takiego pakietu przepływa ciecz chłodząca, bo także tu podstawowym ograniczeniem jest grzanie się miedzi, przez którą płynie ogromny prąd.
Za pomocą takich elektromagnesów przez długie lata wytwarzano najsilniejsze pola magnetyczne. Przy pracy ciągłej elektromagnes o tego typu budowie może wytworzyć pole o indukcji ponad 30 T. Górną granicę wyznacza zdolność chłodzenia takiego elektromagnesu.
Elektromagnes hybrydowy (zdjęcie: Larkablueeyes, CC BY-SA 3.0)
Powyższa fotografia pokazuje elektromagnes hybrydowy, w którym tego rodzaju miedziany elektromagnes Bittera wytwarzający indukcję nieco ponad 30 T jest umieszczony w polu magnetycznym kilkunastu tesli, wytwarzanym z kolei przez elektromagnes nadprzewodnikowy. Taka dwustopniowa, hybrydowa konstrukcja pozwoliła osiągnąć przy pracy ciągłej indukcję 45 T.
Lubimy rekordy. Do momentu pisania tego artykułu (2022) maksymalna indukcja wytworzona przez elektromagnesy pracujące w trybie ciągłym nie przekroczyła 50 T. Jednak nie to jest najważniejsze. Już indukcja o wartości kilkunastu tesli to ogromne osiągnięcie – w tak silnym polu lewitują nie tylko materiały ferromagnetyczne, ale też inne, o czym świadczy film pokazujący żabę lewitująca w polu o indukcji 16 T.
W praktyce zawsze ważne jest to, ile energii potrzebuje i zamienia na ciepło podczas ciągłego działania dany ekstremalny elektromagnes, czy to Bittera (zawsze bardzo dużo), czy nadprzewodzący. Jak na razie mówimy o indukcji do 50 T. Wartości te dotyczą pracy ciągłej, gdzie ograniczeniem jest grzanie i konieczność ciągłego chłodzenia – odprowadzenia ogromnych ilości ciepła (megawatów mocy strat).
Przy pracy z krótkimi impulsami elektromagnesy Bittera pozwalają uzyskać indukcję do 100 T.
Można też w dość prosty sposób uzyskać jeszcze większą indukcję: wystarczy potężny impuls prądu z zestawu superkondensatorów podany na cewkę o małej liczbie zwojów, a nawet jednozwojową (by indukcyjność i szybkość narastania prądu były największe). Impuls jest wprawdzie króciutki, ale prąd jest tak wielki, że powoduje zniszczenie i efektowne spalenie cewki – jednak zanim to nastąpi, pozwala w krótkim impulsie (kilka mikrosekund) uzyskać indukcję ponad 100 T, nawet do 500 T.
Najsilniejsze impulsowe pola magnetyczne wytworzone przez człowieka mają indukcję ponad 2000 T, nawet blisko 3000 T. Najczęściej wykorzystuje się do tego tzw. generatory magnetokumulacyjne – też o działaniu jednorazowym, niszczone podczas impulsu. W nich na początku procesu następuje rozładowanie baterii kondensatorów, co wstępnie wytwarza dość silne pole magnetyczne. W tym czasie następuje eksplozja materiału wybuchowego i mówiąc najprościej, powoduje ona fizyczne, mechaniczne ściśnięcie, skompresowanie wcześniej wytworzonego pola.
Przykładowa realizacja generatora magnetokumulacyjnego (ilustracja: Triad National Security)
Już sama taka kompresja pola z definicji zwiększa gęstość strumienia, czyli indukcję, a dodatkowo sam proces kompresji powoduje wzmocnienie pola magnetycznego. Można powiedzieć, że finalnie znaczna część energii eksplozji zamienia się w energię pola magnetycznego.
W ten sposób można wytworzyć impulsy o czasie trwania kilku mikrosekund i ogromnej indukcji ponad 2000 T. Takie potężne impulsy, nie tylko pola magnetycznego, ale też elektromagnetycznego, opisywane skrótowcem EMP (ang. electromagnetic pulse), są też rodzajem broni elektronicznej, gdyż z uwagi na wysoką energię odpowiednio skierowane w wąskiej wiązce mogą powodować zniszczenie delikatnych obwodów elektronicznych, a tym samym zniszczyć lub uszkodzić krytyczną infrastrukturę nieprzyjaciela. Wybuchowe generatory magnetokumulacyjne są też przyrządami badawczymi przy sprawdzaniu ewentualnych skutków silnych impulsów EMP i zabezpieczeniem przed nimi.
Podobnie piorun, który daje impuls elektromagnetyczny (ang. lightning electromagnetic pulse, LEMP). Można powiedzieć, że piorun też jest elektromagnesem.
Wytworzenie silnego pola magnetycznego jest dużym wyzwaniem. Można tego dokonać z użyciem ładunków wybuchowych lub (bardziej klasycznie) za pomocą miedzianych elektromagnesów Bittera. Największe nadzieje wiązane są jednak z elektromagnesami nadprzewodnikowymi.
Dzięki materiałom nadprzewodzącym możliwe stało się wykonanie silnych elektromagnesów, które do ciągłego wytwarzania pola magnetycznego nie potrzebują zasilania. Wymagają one ogromnej energii, ale jest ona wykorzystywana wyłącznie do chłodzenia. Jeśli w przyszłości uda się wytworzyć materiały o właściwościach nadprzewodnikowych w temperaturze pokojowej, to elektromagnesy takie nie będą wymagały zasilania. Odkrycie tego typu materiałów byłoby olbrzymim przełomem – nie tylko w kwestii budowy elektromagnesów, ale również np. układów scalonych.
Piotr Górecki
Ładowarka bezprzewodowa, która bazuje na zjawiskach znanych z transformatorów, to coraz popularniejszy gadżet. Warto zatem wiedzieć, jak działa... Czytaj dalej »
Przeczytaj powiązane artykuły oraz aktualnie popularne wpisy lub losuj inny artykuł »
Dołącz do 20 tysięcy osób, które otrzymują powiadomienia o nowych artykułach! Zapisz się, a otrzymasz PDF-y ze ściągami (m.in. na temat mocy, tranzystorów, diod i schematów) oraz listę inspirujących DIY z Arduino i RPi.
Trwa ładowanie komentarzy...