Zjawiska magnetyczne stanowią podstawę niezliczonych urządzeń i układów stosowanych w elektrotechnice, fizyce, medycynie itd. Wraz z rozwojem techniki wzrasta zapotrzebowanie na materiały o specyficznych własnościach magnetycznych. Badania tych materiałów i zjawisk wymagają stosowania coraz silniejszych pól magnetycznych. Potrzeby te zmuszają do intensywnego doskonalenia konstrukcji magnesów o wyższych parametrach, dla których osiągnięcia wykorzystywane są wyrafinowane wynalazki i technologie.

W potocznym rozumieniu pole magnetyczne oznacza przestrzeń, w której występują zjawiska i oddziaływania natury określanej jako „magnetyczna”. Pola te są wytwarzane przez poruszające się ładunki elektryczne, zarówno swobodne nośniki prądu, jak też naładowane cząstki w obrębie atomu. Charakterystyczną własnością tych pól jest działanie na inne ładunki elektryczne znajdujące się w ruchu względem linii sił pola.
Pola magnetyczne znalazły wiele praktycznych zastosowań. Ziemia wytwarza swoje własne pole magnetyczne bardzo pomocne np. w żegludze i nawigacji. Stacjonarne i wirujące pola wykorzystano w maszynach elektrycznych: transformatorach, silnikach i generatorach.

Rys. 1. Linie sił pola magnetycznego cewki

W ostatnich latach uzyskano „historyczne” sukcesy przełamując barierę indukcji magnetycznej 100 tesli (T). Wielkość ta tj. indukcja jest swoistą miarą „siły” (natężenia) pola magnetycznego. Dla uzmysłowienia skali tego osiągnięcia wystarczy podać, że w polu ziemskim indukcja wynosi 30-60 mikrotesli, zaś najpotężniejsze elektromagnesy do podnoszenia wielu ton złomu wytwarzają indukcję rzędu tylko jednej tesli.

Instalacja w Centrum Badawczym Rossendorf

W czerwcu 2011 roku w drezdeńskim laboratorium silnych pól magnetycznych uruchomiono największą w świecie baterię kondensatorów, która posłużyła do uzyskania pola magnetycznego o rekordowej indukcji 91 T. Układ może zgromadzić
50 MJ energii elektrycznej, a następnie oddać ją cewkom w postaci krótkotrwałych impulsów. Laboratorium należące do Centrum Badawczego Rossendorf wytwarza impulsowe pole magnetyczne, które wykorzystuje się do badań własności rozmaitych substancji i materiałów, w tym nadprzewodników wysokotemperaturowych, metali i półprzewodników.

Rys. 2. Magnes 60 T o długim impulsie działania

Innym zastosowaniem najsilniejszych pól magnetycznych jest formowanie elementów maszyn ze stali i metali lekkich na podobieństwo potężnych pras. Kolejnym obszarem badań jest spintronika. W tej początkującej dopiero technologii spin (moment magnetyczny) elektronu zastępuje używany w konwencjonalnej mikroelektronice ładunek elektryczny. W przyszłości spintronika ma dostarczyć nowych materiałów o znacznie szybszym działaniu, niezbędnych dla układów elektronicznych i informatycznych. Znajdą one zastosowanie w przyszłych procesorach i pamięciach.
W ośrodku Rossendorf zastosowano gigantyczną baterię kondensatorów wydającą impulsy prądu o szczytowym natężeniu kilkuset kA. Tak wysoki prąd, przepływając przez układ cewek, wzbudza krótkotrwałe pole magnetyczne o indukcji przekraczającej 90 T. Energia elektryczna 50 megadżuli (MJ) tego impulsu prądowego jest równa energii kinetycznej pociągu rozpędzonego do prędkości 150 km/h. Producent tej największej obecnie baterii kondensatorów, zakłady zbrojeniowe Rheinmetall Waffe Munition, specjalizuje się w wytwarzaniu m.in. elektrycznie zasilanych i sterowanych broni mikrofalowych i laserowych. Należy zaznaczyć, że w laboratoriach badawczych uzyskiwano już znacznie silniejsze pola magnetyczne dochodzące do tysiąca tesli, lecz o wielokrotnie krótszym czasie trwania rzędu mikrosekund. Niestety próby takie kończyły się nieuchronnym zniszczeniem cewki. Warto też nadmienić, że we wszechświecie wykryto obecność pól o wielokrotnie większej indukcji, np. w gwiazdach neutronowych szacuje się ją na 10⁸ T!

Cewki magnetyczne
Uzyskiwanie pól magnetycznych o wysokiej indukcji napotyka na poważne utrudnienia praktyczne. Pole magnetyczne wywiera – jak wiadomo – oddziaływanie elektrodynamiczne na przewód z prądem, przy czym siła ta jest proporcjonalna do iloczynu natężenia prądu i indukcji pola. W przypadku cewki pole usiłuje wypchnąć jej zwoje na zewnątrz. Przy indukcji rzędu 25 T miedziane przewody mogą wręcz ulec rozerwaniu, gdyż nie wytrzymują one panującego w ich wnętrzu ciśnienia około
40 000 atm. Dlatego w podobnych eksperymentach używa się specjalnych stopów miedzi wytrzymujących ciśnienie 10 000 atm. Dodatkowo przewody umieszcza się w powłoce wykonanej z odpowiednich włókien, stosowanych m.in. do wyrobu osłon kuloodpornych.
W ośrodku Rossendorf sześć tak powleczonych zwojów tworzy cewkę o wewnętrznej średnicy 16 mm. W jej wnętrzu powstaje pole o indukcji 50 T przy przepływie impulsu prądu o czasie trwania
20 ms. Cewkę tę umieszczono wewnątrz większej zwojnicy o dwunastu warstwach miedzianego drutu. Zewnętrzna cewka wytwarza pole o indukcji 40 T; pola obu cewek dodają się i w wewnętrznej z nich uzyskuje się ponad 90 T. Ta podwójna cewka w stalowej obudowie o łącznej masie 200 kg posiada długość 55 cm i średnicę 32 cm. Obecnie w drezdeńskim ośrodku działa pięć stanowisk wyposażonych w podobne cewki magnetyczne.

Rys. 3. Magnes impulsowy – eksplozja cewek

Los Alamos National Laboratory

Palmę pierwszeństwa ośrodek Rossendorf oddał w 2012 roku amerykańskiemu Los Alamos National Laboratory, który prowadzi badania również w innych dziedzinach fizyki. W marcu przekroczono tu po raz pierwszy w świecie barierę 100 T. Wynik ten uzyskano w instalacji złożonej z siedmiu cewek o masie około 8 ton zasilanej z potężnej prądnicy wirującej o mocy impulsu 1200 MJ. Oczywiście magnes ten, podobnie jak urządzenie w drezdeńskim laboratorium, nie ulega zniszczeniu i nadaje się do wielokrotnych prób.
Najnowsza instalacja przenosi badania fizyków na nieosiągalny dotychczas poziom. W szczególności umożliwia poznanie nowych form nadprzewodników, odkrycie nowych, magnetycznie uporządkowanych stanów ciała stałego, obserwacje oscylacji kwantowych i inne eksperymenty w zakresie materiałów magnetycznych nowej generacji. Pozwala także na badania nad rezystywnością elektryczną, magnetotransportem, spektroskopią optyczną, przesyłem światła, kryształami oraz próby mikroskopu w nanoskali.

Program badawczy magnesów prądu stałego
W ośrodku Los Alamos realizowany jest także program badawczy magnesów prądu stałego. Jego celem jest uzyskanie najsilniejszych w świecie wolnozmiennych pól magnetycznych niezbędnych w licznych aplikacjach. Największe stosowane w Los Alamos magnesy działają impulsowo – wytworzone w nich pole trwa jedynie
15 milisekund. Nawet w tak krótkim przedziale czasu możliwe jest wykonywanie przewidzianych eksperymentów i pomiarów. Instalację, w której po raz pierwszy przekroczono barierę 100 T, zasilono z czterech oddzielnych obwodów elektrycznych. Trzy z nich o łącznej mocy szczytowej 1400 MW służą do wzbudzenia zewnętrznego magnesu. Magnes wewnętrzny czerpie energię 2 MJ z rozładowania baterii kondensatorów. Pierwszy z magnesów wytwarza indukcję 40-44 T, pozostałe 56-60 T. Magnes wewnętrzny umieszczono w celu chłodzenia w kadzi z ciekłym azotem utrzymującym temperaturę minus 198^oC. W laboratorium tym uzyskano także rekordową indukcję magnetyczną o dłuższym czasie trwania. Tzw. hybrydowy układ magnesów wyposażony w tradycyjne uzwojenie rezystancyjne i uzwojenie nadprzewodzące pozwolił na wytworzenie stabilnego pola 45 T.

Opracował Piotr Olszowiec
Opracowano na podstawie materiałów
Helmholtz-Zentrum Dresden-Rossendorf
i Los Alamos National Laboratory