{"id":9104,"date":"2013-02-03T13:06:54","date_gmt":"2013-02-03T12:06:54","guid":{"rendered":"http:\/\/elektrosystemy.home.pl\/ES2\/?p=9104"},"modified":"2016-01-17T20:27:33","modified_gmt":"2016-01-17T19:27:33","slug":"silne-pola-magnetyczne-w-badaniach-naukowych","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/elektrosystemy.pl\/?p=9104","title":{"rendered":"Silne pola magnetyczne w badaniach naukowych"},"content":{"rendered":"

\"\"<\/a>W ostatnich latach w o\u015brodkach naukowych prze\u0142amano barier\u0119 indukcji magnetycznej 100 tesli (T). Wielko\u015b\u0107 indukcji jest swoist\u0105 miar\u0105 \u201esi\u0142y\u201d (nat\u0119\u017cenia) pola magnetycznego. Dla uzmys\u0142owienia skali tych osi\u0105gni\u0119\u0107 wystarczy poda\u0107, \u017ce w polu ziemskim indukcja wynosi 30-60 mikrotesli, za\u015b najpot\u0119\u017cniejsze elektromagnesy do podnoszenia wielu ton z\u0142omu wytwarzaj\u0105 indukcj\u0119 rz\u0119du tylko jednej tesli.\u00a0<\/strong><\/p>\n

W potocznym rozumieniu pole magnetyczne oznacza przestrze\u0144, w kt\u00f3rej wyst\u0119puj\u0105 zjawiska i oddzia\u0142ywania natury okre\u015blanej jako \u201emagnetyczna\u201d. Pola te s\u0105 wytwarzane przez poruszaj\u0105ce si\u0119 \u0142adunki elektryczne, zar\u00f3wno swobodne no\u015bniki pr\u0105du jak te\u017c na\u0142adowane cz\u0105stki w obr\u0119bie atomu. Charakterystyczn\u0105 w\u0142asno\u015bci\u0105 tych p\u00f3l jest dzia\u0142anie na inne \u0142adunki elektryczne znajduj\u0105ce si\u0119 w ruchu wzgl\u0119dem linii si\u0142 pola. Pola magnetyczne znalaz\u0142y wiele praktycznych zastosowa\u0144. Ziemia wytwarza swoje w\u0142asne pole magnetyczne bardzo pomocne w \u017cegludze i nawigacji. Stacjonarne i wiruj\u0105ce pola wykorzystano w maszynach elektrycznych: transformatorach, silnikach i generatorach. Zjawiska magnetyczne stanowi\u0105 podstaw\u0119 bardzo wielu urz\u0105dze\u0144 i uk\u0142ad\u00f3w stosowanych w elektrotechnice, fizyce, medycynie itd. Wraz z rozwojem techniki wzrasta zapotrzebowanie na materia\u0142y o specyficznych w\u0142asno\u015bciach magnetycznych. Badania tych materia\u0142\u00f3w i zjawisk wymagaj\u0105 stosowania coraz silniejszych p\u00f3l magnetycznych. Potrzeby te zmuszaj\u0105 do intensywnego doskonalenia konstrukcji magnes\u00f3w o wy\u017cszych parametrach, dla kt\u00f3rych osi\u0105gni\u0119cia wykorzystywane s\u0105 wyrafinowane wynalazki i technologie.<\/p>\n

\"rys1_OLSZOWIEC_02_2013\"

Linie si\u0142 pola magnetycznego cewki<\/p><\/div>\n

91 tesli w Centrum Badawczym Rossendorf\u00a0<\/strong><\/p>\n

W czerwcu 2011 r. w drezde\u0144skim laboratorium silnych p\u00f3l magnetycznych uruchomiono najwi\u0119ksz\u0105 w \u015bwiecie bateri\u0119 kondensator\u00f3w, kt\u00f3ra pos\u0142u\u017cy\u0142a do uzyskania pola magnetycznego o rekordowej indukcji 91 T. Uk\u0142ad mo\u017ce zgromadzi\u0107 50 MJ energii elektrycznej, a nast\u0119pnie odda\u0107 j\u0105 cewkom w postaci kr\u00f3tkotrwa\u0142ych impuls\u00f3w. Laboratorium nale\u017c\u0105ce do Centrum Badawczego Rossendorf wytwarza impulsowe pole magnetyczne, kt\u00f3re wykorzystuje si\u0119 do bada\u0144 w\u0142asno\u015bci rozmaitych substancji i materia\u0142\u00f3w, w tym nadprzewodnik\u00f3w wysokotemperaturowych, metali i p\u00f3\u0142przewodnik\u00f3w. Innym zastosowaniem najsilniejszych p\u00f3l magnetycznych jest formowanie element\u00f3w maszyn ze stali i metali lekkich na podobie\u0144stwo pot\u0119\u017cnych pras. Kolejnym obszarem bada\u0144 jest spintronika. W tej pocz\u0105tkuj\u0105cej dopiero technologii spin (moment magnetyczny) elektronu zast\u0119puje u\u017cywany w konwencjonalnej mikroelektronice \u0142adunek elektryczny. W przysz\u0142o\u015bci spintronika ma dostarczy\u0107 nowych materia\u0142\u00f3w o znacznie szybszym dzia\u0142aniu, niezb\u0119dnych dla uk\u0142ad\u00f3w elektronicznych i informatycznych. Znajd\u0105 one zastosowanie w przysz\u0142ych procesorach i pami\u0119ciach. W o\u015brodku Rossendorf zastosowano gigantyczn\u0105 bateri\u0119 kondensator\u00f3w wydaj\u0105c\u0105 impulsy pr\u0105du o szczytowym nat\u0119\u017ceniu kilkuset kA. Tak wysoki pr\u0105d przep\u0142ywaj\u0105c przez uk\u0142ad cewek wzbudza kr\u00f3tkotrwa\u0142e pole magnetyczne o indukcji przekraczaj\u0105cej 90 T. Energia elektryczna 50 megad\u017culi (MJ) tego impulsu pr\u0105dowego jest r\u00f3wna energii kinetycznej poci\u0105gu rozp\u0119dzonego do pr\u0119dko\u015bci 150 km\/h. Producent tej najwi\u0119kszej obecnie baterii kondensator\u00f3w, zak\u0142ady zbrojeniowe Rheinmetall Waffe Munition, specjalizuje si\u0119 w wytwarzaniu m.in. elektrycznie zasilanych i sterowanych broni mikrofalowych i laserowych.<\/p>\n

\"rys2_OLSZOWIEC_02_2013\"

Magnes impulsowy \u2013 eksplozja cewek<\/p><\/div>\n

Trudno\u015bci technologiczne
\n<\/strong>
\nNale\u017cy zaznaczy\u0107, \u017ce w laboratoriach badawczych uzyskiwano ju\u017c znacznie silniejsze pola magnetyczne, do tysi\u0105ca tesli, lecz o wielokrotnie kr\u00f3tszym czasie trwania \u2013 rz\u0119du mikrosekund. Pr\u00f3by takie ko\u0144czy\u0142y si\u0119 jednak zniszczeniem cewki. Uzyskiwanie p\u00f3l magnetycznych o wysokiej indukcji napotyka bowiem na powa\u017cne utrudnienia praktyczne. Pole magnetyczne wywiera oddzia\u0142ywanie elektrodynamiczne na przew\u00f3d z pr\u0105dem, przy czym si\u0142a ta jest proporcjonalna do iloczynu nat\u0119\u017cenia pr\u0105du i indukcji pola. W przypadku cewki pole usi\u0142uje wypchn\u0105\u0107 jej zwoje na zewn\u0105trz. Przy indukcji rz\u0119du 25 T miedziane przewody mog\u0105 wr\u0119cz ulec rozerwaniu, gdy\u017c nie wytrzymuj\u0105 panuj\u0105cego w ich wn\u0119trzu ci\u015bnienia oko\u0142o 40 tys. atm. Dlatego w podobnych eksperymentach u\u017cywa si\u0119 specjalnych stop\u00f3w miedzi wytrzymuj\u0105cych ci\u015bnienie 10 tys. atm. Dodatkowo przewody umieszcza si\u0119 w pow\u0142oce wykonanej z odpowiednich w\u0142\u00f3kien, stosowanych m.in. do wyrobu os\u0142on kuloodpornych. W o\u015brodku Rossendorf sze\u015b\u0107 tak powleczonych zwoj\u00f3w tworzy cewk\u0119 o wewn\u0119trznej \u015brednicy 16 mm. W jej wn\u0119trzu powstaje pole o indukcji 50 T przy przep\u0142ywie impulsu pr\u0105du o czasie trwania 20 ms. Cewk\u0119 t\u0119 umieszczono wewn\u0105trz wi\u0119kszej zwojnicy o dwunastu warstwach miedzianego drutu. Zewn\u0119trzna cewka wytwarza pole o indukcji 40 T; pola obu cewek dodaj\u0105 si\u0119 i w wewn\u0119trznej z nich uzyskuje si\u0119 ponad 90 T. Ta podw\u00f3jna cewka w stalowej obudowie o \u0142\u0105cznej masie 200 kg posiada d\u0142ugo\u015b\u0107 55 cm i \u015brednic\u0119 32 cm. Obecnie w drezde\u0144skim o\u015brodku dzia\u0142a pi\u0119\u0107 stanowisk wyposa\u017conych w podobne cewki magnetyczne.<\/p>\n

\"rys3_OLSZOWIEC_02_2013\"<\/a>

Magnes 60 T o d\u0142ugim impulsie dzia\u0142ania<\/p><\/div>\n

Ponad 100 tesli w Los Alamos
\n<\/strong>
\n<\/strong>W 2012 r. o\u015brodek Rossendorf odda\u0142 palm\u0119 pierwsze\u0144stwa ameryka\u0144skiemu Los Alamos National Laboratory, kt\u00f3re prowadzi badania r\u00f3wnie\u017c w innych dziedzinach fizyki. W marcu przekroczono tu po raz pierwszy w \u015bwiecie barier\u0119 100 T. Wynik ten uzyskano w instalacji z\u0142o\u017conej z siedmiu cewek o masie oko\u0142o 8 ton, zasilanej z pot\u0119\u017cnej pr\u0105dnicy wiruj\u0105cej o mocy impulsu 1200 MJ. Magnes ten, podobnie jak urz\u0105dzenie w drezde\u0144skim laboratorium, nie ulega zniszczeniu i nadaje si\u0119 do wielokrotnych pr\u00f3b. Najnowsza instalacja przenosi badania fizyk\u00f3w na du\u017co wy\u017cszy poziom. W szczeg\u00f3lno\u015bci umo\u017cliwia poznanie nowych form nadprzewodnik\u00f3w, odkrycie nowych, magnetycznie uporz\u0105dkowanych stan\u00f3w cia\u0142a sta\u0142ego, obserwacje oscylacji kwantowych i inne eksperymenty w zakresie materia\u0142\u00f3w magnetycznych nowej generacji. Pozwala tak\u017ce na badania nad rezystywno\u015bci\u0105 elektryczn\u0105, magnetotransportem, spektroskopi\u0105 optyczn\u0105, przesy\u0142em \u015bwiat\u0142a, kryszta\u0142ami oraz pr\u00f3by mikroskopu w nanoskali. W o\u015brodku Los Alamos realizowany jest tak\u017ce program badawczy magnes\u00f3w pr\u0105du sta\u0142ego. Jego celem jest uzyskanie najsilniejszych w \u015bwiecie wolnozmiennych p\u00f3l magnetycznych niezb\u0119dnych w licznych aplikacjach. Najwi\u0119ksze stosowane w Los Alamos magnesy dzia\u0142aj\u0105 impulsowo \u2013 wytworzone w nich pole trwa jedynie 15 milisekund. Nawet w tak kr\u00f3tkim przedziale czasowym mo\u017cliwe jest wykonywanie przewidzianych eksperyment\u00f3w i pomiar\u00f3w. Instalacj\u0119, w kt\u00f3rej po raz pierwszy przekroczono barier\u0119 100 T, zasilono z czterech oddzielnych obwod\u00f3w elektrycznych. Trzy z nich o \u0142\u0105cznej mocy szczytowej 1400 MW s\u0142u\u017c\u0105 do wzbudzenia zewn\u0119trznego magnesu. Magnes wewn\u0119trzny czerpie energi\u0119 2 MJ z roz\u0142adowania baterii kondensator\u00f3w. Pierwszy z magnes\u00f3w wytwarza indukcj\u0119 40-44 T, pozosta\u0142e 56-60 T. W celu ch\u0142odzenia magnes wewn\u0119trzny umieszczono w kadzi z ciek\u0142ym azotem utrzymuj\u0105cym temperatur\u0119 minus 198oC. W laboratorium tym uzyskano tak\u017ce rekordow\u0105 indukcj\u0119 magnetyczn\u0105 o d\u0142u\u017cszym czasie trwania. Tzw. hybrydowy uk\u0142ad magnes\u00f3w wyposa\u017cony w tradycyjne uzwojenie rezystancyjne i uzwojenie nadprzewodz\u0105ce pozwoli\u0142 na wytworzenie stabilnego pola 45 T.<\/p>\n

Opracowano na podstawie
\nmateria\u0142\u00f3w firmy Europoles Kromiss <\/strong>\u00a0<\/strong><\/p>\n

 <\/p>\n","protected":false},"excerpt":{"rendered":"

W ostatnich latach w o\u015brodkach naukowych prze\u0142amano barier\u0119 indukcji magnetycznej 100 tesli (T). Wielko\u015b\u0107 indukcji jest swoist\u0105 miar\u0105 \u201esi\u0142y\u201d (nat\u0119\u017cenia) pola magnetycznego. Dla uzmys\u0142owienia skali tych osi\u0105gni\u0119\u0107 wystarczy poda\u0107, \u017ce w polu ziemskim indukcja wynosi 30-60 mikrotesli, za\u015b najpot\u0119\u017cniejsze elektromagnesy do podnoszenia wielu ton z\u0142omu wytwarzaj\u0105 indukcj\u0119 rz\u0119du tylko jednej tesli.\u00a0 W potocznym rozumieniu pole…<\/p>\n","protected":false},"author":3,"featured_media":9108,"comment_status":"closed","ping_status":"open","sticky":false,"template":"","format":"standard","meta":[],"categories":[688],"tags":[],"_links":{"self":[{"href":"https:\/\/elektrosystemy.pl\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/9104"}],"collection":[{"href":"https:\/\/elektrosystemy.pl\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts"}],"about":[{"href":"https:\/\/elektrosystemy.pl\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/types\/post"}],"author":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/elektrosystemy.pl\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/users\/3"}],"replies":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/elektrosystemy.pl\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fcomments&post=9104"}],"version-history":[{"count":6,"href":"https:\/\/elektrosystemy.pl\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/9104\/revisions"}],"predecessor-version":[{"id":11337,"href":"https:\/\/elektrosystemy.pl\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/posts\/9104\/revisions\/11337"}],"wp:featuredmedia":[{"embeddable":true,"href":"https:\/\/elektrosystemy.pl\/index.php?rest_route=\/wp\/v2\/media\/9108"}],"wp:attachment":[{"href":"https:\/\/elektrosystemy.pl\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fmedia&parent=9104"}],"wp:term":[{"taxonomy":"category","embeddable":true,"href":"https:\/\/elektrosystemy.pl\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Fcategories&post=9104"},{"taxonomy":"post_tag","embeddable":true,"href":"https:\/\/elektrosystemy.pl\/index.php?rest_route=%2Fwp%2Fv2%2Ftags&post=9104"}],"curies":[{"name":"wp","href":"https:\/\/api.w.org\/{rel}","templated":true}]}}