Magnetičtí mágové z MagLabu vytvořili nejsilnější magnetické pole světa  
Pozoruhodný elektromagnet nového typu se supravodivými prvky vytvořil magnetické pole o indukci 45,5 tesla. Je to světový rekord pro kontinuální magnetické pole, který padl po dvou desetiletích. Zůstává sice v laboratořích amerického MagLabu, držitel rekordu je teď ale mnohem menší a lehčí, než byl jeho předchůdce.
Nejsilnější magnet světa. Kredit: Florida State University.
Nejsilnější magnet světa. Kredit: Florida State University.

Nedávno padl světový rekord kontinuálního magnetického pole. Pokořil ho přitom magnet, jehož velikost odpovídá zhruba polovině role toaletního papíru. Dosavadním držitelem titulu nejsilnějšího magnetu byl přitom po celá dvě dlouhá desetiletí mnohonásobně rozměrnější kovový gigant z laboratoří National High Magnetic Field Laboratory, čili MagLab, americké Florida State University.

 

Tvůrcem nového magnetického Davida, který zúčtoval s Goliášem, je Seungyong Hahn z MagLabu a jeho tým. Vědci a inženýři prestižní magnetické laboratoře vyvinuli postup, jak vyrobit a používat elektromagnety, které jsou silnější, menší a více všestranné, než kdy elektromagnety byly. Jejich výzkum v těchto dnech publikoval časopis Nature.

 

Seungyong Hahn uprostřed. Kredit: Florida State University.
Seungyong Hahn uprostřed. Kredit: Florida State University.

Podle Hahna má jejich technologie slibný potenciál zcela změnit aplikace se silnými magnetickými poli, protože je oproti stávajícím zařízení prakticky kapesní. Je to zázrak miniaturizace výkonných magnetů. Díku tomuto rekordu by teď mohly vzniknout výkonné magnety, které budou malé, přímo maličké. Takové magnety nového typu by se uplatnily v urychlovačích částic, fúzních reaktorech nebo třeba v medicínských či technických diagnostických zařízeních.

 

Miniaturní výkonný magnet Hahnova týmu vytvoří kontinuální magnetické pole 45,5 tesla. Typický magnet soudobého zařízení pro magnetickou rezonanci v nemocnicích přitom vytváří magnetické pole s indukcí 2 nebo 3 tesla. Dosavadním držitelem rekordu byl 35-tunový behemot, kterého postavili rovněž v laboratořích MagLab. V roce 1999 vytvořil kontinuální magnetické pole 45 tesla.

 

National High Magnetic Field Laboratory. Kredit: UkrNole 485 / Wikimedia Commons.
National High Magnetic Field Laboratory. Kredit: UkrNole 485 / Wikimedia Commons.

V tuto chvíli je magnetická velryba, které v MagLabu láskyplně přezdívají 45-T, stále nejsilnějším fungujícím magnetem světa s trvalým provozem. Probíhá na něm špičkový výzkum fyziky materiálů. Nový rekord magnetu Hahnova týmu 45,5-T, který váží pouhých 390 gramů, čili téměř 90tisíckrát méně, nicméně ukázal, že v dohledné budoucnosti už magnety nejspíše nebudou zdaleka tak velké.

 

Klíčem k úspěchu nového rekordního magnetu Hahnova týmu je nový design elektromagnetu a nový typ supravodiče. Megamagnet 45-T používá supravodiče ze slitin niobu, které se využívají již velmi dlouho. Nový magnet 45,5-T obsahuje jako supravodiče nový materiál REBCO (rare earth barium copper oxide), který přináší oproti stávajícím supravodičům celou řadu výhod. Může například přenášet až dvojnásobek elektrického proudu ve srovnání se stejně velkým supravodičem ze sloučeniny niobu. 

Video:  National MagLab creates world-record magnetic field with small, compact coil

 

Literatura
Florida State University 12. 6. 2019, Nature online 12. 6. 2019.

Datum: 14.06.2019
Tisk článku

Za hranicemi biotroniky - Patrovský Věnceslav
 
 
cena původní: 375 Kč
cena: 334 Kč
Za hranicemi biotroniky
Patrovský Věnceslav
Související články:

Jak vznikají nejsilnější magnetická pole vesmíru?     Autor: Stanislav Mihulka (31.07.2013)
1200 tesla: V Japonsku spustili nejsilnější kontrolovaný magnet světa     Autor: Stanislav Mihulka (26.09.2018)
Magnety se po zásahu laserem chovají jako kapalina     Autor: Stanislav Mihulka (21.04.2019)



Diskuze:

síla

Jiří Petráš,2019-06-14 21:05:17

Magnetické pole o síle 45 T to není. Je to magnetické pole o magnetické indukci 45 T.
Veličina se jmenuje Magnetická indukce, značka B, jednotka Tesla, značka jednotky T.
Jiné veličiny jsou
Intenzita magnetického pole
Magnetický indukční tok
Magnetomotorické napětí
...

Odpovědět

Video

Pavel Hudecek,2019-06-14 15:32:45

Chybička se asi vloudila, pod článkem je video s letadlem, nikoli magnetem. Prosím o opravu:-)

Odpovědět

supravodice

Roman Rodak,2019-06-14 09:57:33

Ako funguje obmedzenie max. prudu v supravodicoch? Urcuje ho hustota volnych elektronov, alebo rychlost akou sa dokazu v supravodici pohybovat, alebo je to niecim inym?

Odpovědět


Re: supravodice

Martin Pecka,2019-06-14 10:33:39

Taky me to zarazilo... jeden by rekl, ze bez odporu nebude ani max limit na proud... Ale na to eletrine rozumim moc malo, abych mohl pronaset nejaka moudra.

Odpovědět


Re: Re: supravodice

Petr Mikulášek,2019-06-14 17:34:35

Jsou tam v podstatě stejný limity, jako pro normmální elektromagnet.

První z nich je indukce, bez ní by to nebyl elektromagnet. Při změně mag. pole se vytváří "protiproud", který se odečte od toho, co už magnetem teče ( = indukční reaktance). Druhý limit je vnitřní odpor zdroje.

Takže odpadá jenom třetí mechanismus, činný odpor vinutí, který by omezil proud ze zdroje s vnitřním odporem menším, než je činný odpor vinutí se stabilním mag. polem. Ten představuj ztráty - ohřev vinutí.

Odpovědět


Re: Re: Re: supravodice

Pavel Hudecek,2019-06-14 21:12:51

Je dobré si uvědomit, že reaktance je veličina střídavá, rostoucí s frekvencí. Do takovéhoto elektromagnetu samozřejmě nikdo rozumný nebude chtít pouštět střídavý proud. Reaktance je tedy 0. Takže skončíme u vzorce:

i = U.t/L

A tady platí známé "kdo si počká, ten se dočká".

Druhý limit také není problém, od toho je rozumný zdroj stabilizovaný, aby jeho odpor mohl být prakticky nulový. Takže při snaze o rekord se použije takový zdroj, aby jeho vlastnosti nebránily dosažení limitu, který překonat nejde.

No a ten nepřekonatelný limit je kritická hodnota magnetického pole na povrchu supravodiče, což je materiálová vlastnost. Tehdy supravodič přestane být supravodičem.

Poznámka: Spousta lidí má problém chápat chování cívek, přestože obvykle chápou kondenzátory. Chování cívky ovšem naprosto přesně odpovídá chování kondenzátoru, jen je ve všech vzorcích prohozeno napětí s proudem. A platí to dokonce i pro snad všechny parazitní jevy.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: supravodice

Florian Stanislav,2019-06-15 13:18:25

P. Hudeček píše :
i = U.t/L
komentář :No snad magnetický indukční tok = L.I = U.t.
Dále píše :
"Spousta lidí má problém chápat chování cívek, přestože obvykle chápou kondenzátory. Chování cívky ovšem naprosto přesně odpovídá chování kondenzátoru, jen je ve všech vzorcích prohozeno napětí s proudem. A platí to dokonce i pro snad všechny parazitní jevy."
komentář :Jsem rád, že jsem mezi těmi, co mají problém tu podobnost chápat.
https://www.e-fyzika.cz/kapitoly/02-magnetismus-vzorce.pdf
https://cs.wikipedia.org/wiki/Kondenz%C3%A1tor
Náboj Q = C.U =I.t, pak I = C.U/t a podobnost s Vaším vzorcem pro magnetismus i = U.t/L není nic moc.
Kromě toho v elektrostatice je veličina permitivita a v magnetismu permeabilita.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: supravodice

Pavel Hudecek,2019-06-15 14:46:30

> i = U.t/L
> komentář :No snad magnetický indukční tok = L.I = U.t.

Samozřejmě obojí. Musí to platit už proto, že můj a váš vzorec se liší jen korektním převedením I na druhou stranu (v mém je I malé, protože ho mám jako časově závislé). A jestli mi nevěříte, vemte si nějakou cívku, generátor obdélníkových pulzů stabilního napětí a osciloskop a koukejte.

Takhle to funguje v každém spínaném zdroji, tzn. doma se Vám to děje dohromady tak milionkrát za sekundu na 10 místech najednou, ani o tom nevíte.

A mimochodem, pokud ta cívka bude mít přesně 1 henri, a napájet to budete 1 V, poroste proud právě 1 A/s.

Samozřejmě toto vše platí za předpokladu zanedbatelného R, jinak přichází ke slovu ta složitější varianta i=(U/R)*(1-e^-(t/T)).

> Náboj Q = C.U =I.t, pak I = C.U/t a podobnost s Vaším vzorcem pro magnetismus i = U.t/L není nic moc.

To bude tím, že elektrický náboj nemá přímý ekvivalent v podobě magnetického náboje. Předně tedy jsem nepsal o elektřině a magnetismu, ale o cívkách a kondenzátorech, jakožto elektronických součástkách. Ale máte částečně pravdu, jsou z toho výjimky.

Takže např:

E = 1/2*L*I^2 vs E = 1/2*C*U^2
i = U.t/L vs u = I.t/C (a totéž v integrální podobě, pokud se i vstupní veličiny mění v čase)
I = U/(2*pi*f*L) vs U = I/(2*pi*f*C)

A ty parazitní jevy:

piezoelektrický vs magnetostrikční
elektroluminiscence vs magnetoluminiscence
přesycení feroelektrik vs přesycení feromagnetik
ztráty proudem v paralellním odporu vs ztráty napětím na sériovém odporu

> https://cs.wikipedia.org/wiki/Kondenz%C3%A1tor

Jsem autorem asi 90 % textu.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Re: supravodice

Pavel Hudecek,2019-06-15 14:52:45

Pardon, ne 90, ale většiny rozhodně:-)
Té většiny, co se hojně odkazuje na datasheety součástek.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: supravodice

Pavel Hudecek,2019-06-15 16:21:11

Tak se mi to trochu rozleželo v hlavě a ta symetrie mezi cívkou a kondenzátorem je samozřejmě platná bez výjimek.

> Náboj Q = C.U =I.t, pak I = C.U/t a podobnost s Vaším vzorcem pro magnetismus i = U.t/L není nic moc.

Q = C*U, tedy I*t = C*U

pro cívky platí U*t = L*I (což jste shodou okolností sám napsal)

Taky si můžete všimnout, že když v definici faradu prohodíte proud a napětí, dostanete definic henri.

> Kromě toho v elektrostatice je veličina permitivita a v magnetismu permeabilita.

Ano, jediné co liší jsou konstanty. Ale to je věc volby jednotek.

Takže bezezbytku platí, že chování cívky odpovídá chování kondenzátoru, kterému jsme ve všech vzorcích prohodili napětí a proud (a samozřejmě indukčnost nahradili kapacitou).

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Re: supravodice

Florian Stanislav,2019-06-15 18:02:42

No jak skvělé a jednoduché. Napětí nahradíme proudem, kapacitu indukčností, permitivitu permeabilitou a pak jsou 2-3 vzorce sobě podobné. A jiné ne např. F = BQv.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Re: Re: supravodice

Pavel Hudecek,2019-06-15 21:33:57

Prostě to funguje pro všechny vzorce, které má smysl aplikovat na elektronické součástky zvané cívka a kondenzátor. Jak velká F teoreticky působí uvnitř, mě, jakožto vývojáře elektroniky, nezajímá. Čili pro mě je to naprosto symetrické.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Re: Re: Re: supravodice

Florian Stanislav,2019-06-16 00:48:20

"Takhle to funguje v každém spínaném zdroji, tzn. doma se Vám to děje dohromady tak milionkrát za sekundu na 10 místech najednou, ani o tom nevíte."
Komentář: nevím. Mikrovlnná trouba má frekvenci 2,45 GHz, procesory třeba 200 MHz, jinak proud doma má frekvenci 50 Hz. Osciloskop s obdélníkovými kmity si doma nepouštím a jednotku henry píšu s y ne henri. Nepíšu hesla Wikipedie, nevyvíjím elektroniku, vzorec F = BQv je z fyziky střední školy, pro mě je to vzorec pro sílu působící ve vnějším magnetickém poli (vyvolaném třeba cívkou s proudem) na náboj o rychlosti v. S kondenzátorem to symetrické není. I kdyby to bylo k něčemu dobré, tak nač dramatické závěry kolem toho. Takže v pohodě a končím.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: Re: Re: Re: Re: Re: supravodice

Albert Mlčoch,2019-06-18 08:11:58

Víte prosím, co je to spínaný zdroj? V té mikrovlnce ho máte taky, jinak by vám tam nejel display a časovač pro odpočet. Pochybuju, že váš procesor na pc má 200 MHz, ano či ne, má napájení ze spínaného zdroje. Dále si spínaným zdrojem nabíjíte mobil, foťák, roter, CD přehrávač, TV případně LED osvětlení a další. Pokud máte novější ledničky, pračku a další spotřebiče, tak jim spínané zdroje napájejí veškerou nízkonapěťovou elektroniku.
Ale hlavně, že jste nejvyšší mudrlant. :)

Odpovědět


Re: Re: Re: supravodice

Alexandr Kostka,2019-06-15 07:21:41

Btw, co mechanická odolnost? Jádro a cívka na sebe magneticky působí a při 45T to "asi" nebude slabý stisk.

Odpovědět


Re: Re: Re: Re: supravodice

Pavel Hudecek,2019-06-15 10:17:59

Jádro bych z toho zcela vynechal. Neexistuje materiál, který by nad nějakých pár T dokázal s něčím pomoct, takže do supravodiových magnetů se jádro zpravidla nedává.

Ale bude tam působit síla, která se snaží sousední závity přitáhnout k sobě a druhá, která se je snaží přetrhat. Obě úměrné druhé mocnině proudu. Dá se tedy očekávat, že cívka je za provozu zasunutá v něčem hodně pevném.

Odpovědět


Re: supravodice

Pavel Hudecek,2019-06-14 12:16:18

Problém je interakce s magnetickým polem. Při vzniku supravodivosti je vnější Mg pole vytlačeno*, jelikož se začne indukovat proud, který pole kompenzuje**. Vlastní supravodivost je založena na Cooperových párech, které mohou vznikat, když se rychlost elektronů dostatečně přiblíží k rychlosti fononů. Bohužel jsou docela křehké. Od jisté intenzity vnějšího pole se začnou rozpadat a nastane rychlý proces zvaný quench, často doprovázený pěknými efekty. Z tohoto důvodu supravodič zpravidla tvoří jen tenoučkou vrstvu na Cu drátech, jejichž průřez je takový, aby přežily tento proces.

*Proto supravodiče levitují nad magnety a naopak. Případně do nich může Mg pole tzv. vmrznout, kdy jsou uvnitř tenké kanálky, kudy prochází. Díky tomu pak může supravodič naopak třeba viset pod magnetem.

**Tohle umí i normální kovy, ale kompenzační proud rychle zaniká. Viditelně se to projeví např. když necháme padat silný magnet v měděné trubce.

Odpovědět




Pro přispívání do diskuze musíte být přihlášeni












Tento web používá k poskytování služeb, personalizaci reklam a analýze návštěvnosti soubory cookie. Používáním tohoto webu s tím souhlasíte. Další informace