W ostatnich latach w ośrodkach naukowych przełamano barierę indukcji magnetycznej 100 tesli (T). Wielkość indukcji jest swoistą miarą „siły” (natężenia) pola magnetycznego. Dla uzmysłowienia skali tych osiągnięć 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. 

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 w żegludze i nawigacji. Stacjonarne i wirujące pola wykorzystano w maszynach elektrycznych: transformatorach, silnikach i generatorach. Zjawiska magnetyczne stanowią podstawę bardzo wielu 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.

Linie sił pola magnetycznego cewki

91 tesli w Centrum Badawczym Rossendorf 

W czerwcu 2011 r. 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. 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.

Magnes impulsowy – eksplozja cewek

Trudności technologiczne

Należy zaznaczyć, że w laboratoriach badawczych uzyskiwano już znacznie silniejsze pola magnetyczne, do tysiąca tesli, lecz o wielokrotnie krótszym czasie trwania – rzędu mikrosekund. Próby takie kończyły się jednak zniszczeniem cewki. Uzyskiwanie pól magnetycznych o wysokiej indukcji napotyka bowiem na poważne utrudnienia praktyczne. Pole magnetyczne wywiera 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 panującego w ich wnętrzu ciśnienia około 40 tys. atm. Dlatego w podobnych eksperymentach używa się specjalnych stopów miedzi wytrzymujących ciśnienie 10 tys. 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.

Magnes 60 T o długim impulsie działania

Ponad 100 tesli w Los Alamos

W 2012 r. ośrodek Rossendorf oddał palmę pierwszeństwa amerykańskiemu Los Alamos National Laboratory, które 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. Magnes ten, podobnie jak urządzenie w drezdeńskim laboratorium, nie ulega zniszczeniu i nadaje się do wielokrotnych prób. Najnowsza instalacja przenosi badania fizyków na dużo wyższy 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. 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 czasowym 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. W celu chłodzenia magnes wewnętrzny umieszczono w kadzi z ciekłym azotem utrzymującym temperaturę minus 198oC. 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.

Opracowano na podstawie
materiałów firmy Europoles Kromiss