Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Prezentace se nahrává, počkejte prosím

Silná magnetická pole, jejich vytváření a využití Ivo Doležel Elektrotechnická fakulta ČVUT, Praha Katedra elektroenergetiky.

Podobné prezentace


Prezentace na téma: "Silná magnetická pole, jejich vytváření a využití Ivo Doležel Elektrotechnická fakulta ČVUT, Praha Katedra elektroenergetiky."— Transkript prezentace:

1 Silná magnetická pole, jejich vytváření a využití Ivo Doležel Elektrotechnická fakulta ČVUT, Praha Katedra elektroenergetiky

2 Obsah: 1.Úvod 2.Magnetická pole – zdroje, vlastnosti, klasifikace 3.Supravodivost 4.Silná magnetická pole, jejich vytváření a využití

3 Historie poznávání magnetismu se datuje do doby asi 200 let př. n. l. Tehdy byl v Číně objeven kompas (v té době se pravděpodobně jednalo o kus magnetovceplovoucího na dřevěném prkénku v nádobě s vodou). Ačkoli byl využívándlouhá staletí zejména k navigaci při mořeplavbě, princip jeho činnosti zůstal skryt až do počátku 19. století. Historie poznávání magnetismu se datuje do doby asi 200 let př. n. l. Tehdy byl v Číně objeven kompas (v té době se pravděpodobně jednalo o kus magnetovce plovoucího na dřevěném prkénku v nádobě s vodou). Ačkoli byl využíván dlouhá staletí zejména k navigaci při mořeplavbě, princip jeho činnosti zůstal skryt až do počátku 19. století. 1. Úvod

4 V roce 1820 Hans Christian Oersted (Dánsko) odhalil, že magnetické pole může býtgenerováno elektrickými proudy. Několik let poté nalezl Michael Faraday (Anglie) princip, podle něhož se energie magnetického pole může přeměňovat na energii mechanickou a naopak. Tím byly položeny fyzikální základy pro návrh a konstrukci různých elektrických strojů (zejména generátorů a motorů). V roce 1820 Hans Christian Oersted (Dánsko) odhalil, že magnetické pole může být generováno elektrickými proudy. Několik let poté nalezl Michael Faraday (Anglie) princip, podle něhož se energie magnetického pole může přeměňovat na energii mechanickou a naopak. Tím byly položeny fyzikální základy pro návrh a konstrukci různých elektrických strojů (zejména generátorů a motorů). Hans Christian Oersted Michael Faraday 1777– – – –1867

5 V současné době se s nejrůznějšími zařízeními, jejichž činnost je založena na na účincích magnetického pole, setkáváme na každém kroku (od počítačových disků přes nejrůznější elektrické stroje a přístroje až po medicínské techniky jako například zobrazování na základě magnetické rezonance - MRI). V současné době se s nejrůznějšími zařízeními, jejichž činnost je založena na na účincích magnetického pole, setkáváme na každém kroku (od počítačových disků přes nejrůznější elektrické stroje a přístroje až po medicínské techniky jako například zobrazování na základě magnetické rezonance - MRI).

6 Velikost magnetických polí generovaných přírodními i umělými zdroji magnetické pole ve vesmíru –10 -8 T magnetické pole Země 1·10 -5 –3·10 -5 T magnetické pole podkovovitého magnetu 0.1–0.2 T magnetické pole zařízení pro MRI v medicíně magnetické pole zařízení pro MRI v medicíně 3–4 T trvalé magnetické pole supravodivého magnetu trvalé magnetické pole supravodivého magnetu 22 T trvalé magnetické pole stejnosměrného magnetu trvalé magnetické pole stejnosměrného magnetu 35 T trvalé magnetické pole hybridního magnetu trvalé magnetické pole hybridního magnetu 80 T pulzní magnetické pole nedestruktivního magnetu pulzní magnetické pole nedestruktivního magnetu 45 T pulzní magnetické pole destruktivního magnetu pulzní magnetické pole destruktivního magnetu 2800 T magnetické pole neutronové hvězdy magnetické pole neutronové hvězdy 10 6 –10 8 T magnetické pole magnetaru magnetické pole magnetaru –10 13 T

7 Magnetické pole Země Magnetické pole magnetaru Magnetické pole Země Magnetické pole magnetaru

8 Zařízení pracující se silnými magnetickými poli mají zpravidla vyšší důležitost ve vědecké než v civilní sféře. Stačí zmínit výzkum v oblasti elektrotechniky, medicíny nebo fyziky subatomárních částic. Zejména v posledním případě existují trvalé snahy o zesilování magnetických polí, která řídí dráhy těchto částic ve vysokoenergetických urychlovačích. Zařízení pracující se silnými magnetickými poli mají zpravidla vyšší důležitost ve vědecké než v civilní sféře. Stačí zmínit výzkum v oblasti elektrotechniky, medicíny nebo fyziky subatomárních částic. Zejména v posledním případě existují trvalé snahy o zesilování magnetických polí, která řídí dráhy těchto částic ve vysokoenergetických urychlovačích. Příkladem je projekt tokamaku ITER, jenž se nachází ve stadiu vývoje (na projektu se podílejí EU, USA, Japonsko, Rusko a Kanada). Tento tokamak by měl jako první vygenerovat více energie, než spotřebuje. Příkladem je projekt tokamaku ITER, jenž se nachází ve stadiu vývoje (na projektu se podílejí EU, USA, Japonsko, Rusko a Kanada). Tento tokamak by měl jako první vygenerovat více energie, než spotřebuje.

9 2. Magnetické pole – zdroje, vlastnosti, klasifikace Existují dva zdroje magnetických polí: Existují dva zdroje magnetických polí: - permanentní magnety, - elektrické proudy (obecněji pohyb elektricky nabitých částic). Při výkladu o permanentních magnetech je nutno začít s vysvětlením feromagnetismu. Jedná se o jev, kdy určitý materiál může vykazovat spontánní magnetizaci. Jeho podstatou je skutečnost, že ve feromagnetikách vznikají malé oblasti (domény), v nichž dochází ke shodné orientaci magnetických dipólů.Při jisté teplotě (Curieově) však tato spontánní magnetizace mizí. Na druhou stranu, velikost domén se zvětšuje s klesající teplotou. Při výkladu o permanentních magnetech je nutno začít s vysvětlením feromagnetismu. Jedná se o jev, kdy určitý materiál může vykazovat spontánní magnetizaci. Jeho podstatou je skutečnost, že ve feromagnetikách vznikají malé oblasti (domény), v nichž dochází ke shodné orientaci magnetických dipólů. Při jisté teplotě (Curieově) však tato spontánní magnetizace mizí. Na druhou stranu, velikost domén se zvětšuje s klesající teplotou. Mezi feromagnetika patří například Fe, Co, Ni a některé kovy vzácných zemin, jako gadolinium Gd, dysprosium Dy, neodym Nd a samarium Sm. Mezi feromagnetika patří například Fe, Co, Ni a některé kovy vzácných zemin, jako gadolinium Gd, dysprosium Dy, neodym Nd a samarium Sm.

10 Klasickou teorii feromagnetismu vypracoval Pierre Weiss. Tato teorie vycházela z následujících předpokladů: 1.V molekulách feromagnetických materiálů existuje pole, které zde při teplotách nižších než Curieova vyvolává nasycenou magnetizaci. 2.Každé feromagnetikum se za teplot nižších než Curieova rozpadá na malé oblasti, zvané Weissovy domény. Pierre Weiss 1865– –1940

11 Molekulární pole vytváří nasycenou magnetizaci v doménách tím, že v každé z nich orientuje magnetické momenty atomů nebo iontů ve stejném směru. Nepůsobí-li však externí pole, jsou směry spontánní magnetizace v každé doméně jiné, takže se navzájem prakticky vyruší a látka se jeví navenek jako nemagnetická. Teprve vlivem vnějšího pole dochází k postupnému uspořádání magnetických momentů. Molekulární pole vytváří nasycenou magnetizaci v doménách tím, že v každé z nich orientuje magnetické momenty atomů nebo iontů ve stejném směru. Nepůsobí-li však externí pole, jsou směry spontánní magnetizace v každé doméně jiné, takže se navzájem prakticky vyruší a látka se jeví navenek jako nemagnetická. Teprve vlivem vnějšího pole dochází k postupnému uspořádání magnetických momentů. Bylo dlouho nevyjasněné, co je příčinou vzniku molekulárního pole. Nejprve se mělo za to, že toto pole je způsobeno klasickým vzájemným působením magnetických momentů sousedních atomů. Výpočty však prokázaly, že magnetické síly nemohou vyvolat spontánní magnetizaci, neboť nestačí orientovat magnetické momenty proti tepelnému pohybu ani za nízkých teplot. Energie tepelného pohybu je totiž daleko větší než je energie klasických magnetických dipólů. Kromě toho bylo později experimentálně prokázáno, že molekulární pole ve své podstatě není polem magnetickým. Prochází-li totiž proud elektronů zmagnetovanou niklovou fólií, elektrony se znatelně neodchýlí. Kdyby molekulární pole bylo polem magnetickým, měl by nastat znatelný odklon. Bylo dlouho nevyjasněné, co je příčinou vzniku molekulárního pole. Nejprve se mělo za to, že toto pole je způsobeno klasickým vzájemným působením magnetických momentů sousedních atomů. Výpočty však prokázaly, že magnetické síly nemohou vyvolat spontánní magnetizaci, neboť nestačí orientovat magnetické momenty proti tepelnému pohybu ani za nízkých teplot. Energie tepelného pohybu je totiž daleko větší než je energie klasických magnetických dipólů. Kromě toho bylo později experimentálně prokázáno, že molekulární pole ve své podstatě není polem magnetickým. Prochází-li totiž proud elektronů zmagnetovanou niklovou fólií, elektrony se znatelně neodchýlí. Kdyby molekulární pole bylo polem magnetickým, měl by nastat znatelný odklon.

12 Podle současné teorie je feromagnetismus podmíněný vlastnostmi nespárovaných elektronů na určitých orbitách atomů příslušných prvků (pokud jsou na orbitě dva elektrony, magnetické účinky jejich spinů se vyruší). Ukázalo se, že všechny feromagnetické prvky jsou sestaveny z atomů s nespárovanými elektrony, opak ale neplatí. Aby byl materiál feromagnetický, musí jeho atomy nejen obsahovat nespárované elektrony, ale tyto elektrony na sebe musí působit i na značnou vzdálenost tak, aby byly jejich magnetické účinky orientovány stejně. Síly, kterými tyto částice na sebe působí, se nazývají výměnné. Podle současné teorie je feromagnetismus podmíněný vlastnostmi nespárovaných elektronů na určitých orbitách atomů příslušných prvků (pokud jsou na orbitě dva elektrony, magnetické účinky jejich spinů se vyruší). Ukázalo se, že všechny feromagnetické prvky jsou sestaveny z atomů s nespárovanými elektrony, opak ale neplatí. Aby byl materiál feromagnetický, musí jeho atomy nejen obsahovat nespárované elektrony, ale tyto elektrony na sebe musí působit i na značnou vzdálenost tak, aby byly jejich magnetické účinky orientovány stejně. Síly, kterými tyto částice na sebe působí, se nazývají výměnné. Magnetické domény jsou touto vlastností charakteristické. Lze je přirovnat k mikroskopickým sousedstvím, ve kterých existuje silné působení mezi jedinci a výsledkem tohoto působení je vysoká úroveň uspořádanosti. Magnetické domény jsou touto vlastností charakteristické. Lze je přirovnat k mikroskopickým sousedstvím, ve kterých existuje silné působení mezi jedinci a výsledkem tohoto působení je vysoká úroveň uspořádanosti.

13 Druhým Weissovým předpokladem je, že feromagnetická látka se rozpadá na malé oblasti, zvané domény, spontánně zmagnetované do nasycení. Jejich existenci lze dokázat experimentálně. Druhým Weissovým předpokladem je, že feromagnetická látka se rozpadá na malé oblasti, zvané domény, spontánně zmagnetované do nasycení. Jejich existenci lze dokázat experimentálně. Na povrch zbroušeného a vyleštěného feromagnetika se nalije tenká vrstva suspendovaného feromagnetického oxidu železitého ve vodě. Částice tohoto materiálu se usazují na povrchu a vytvoří obrazce pozorovatelné pod mikroskopem. Vznik těchto obrazců je způsoben usazováním oxidu železitého na přechodu z jedné doménové oblasti do druhé (v místech, kde vzniká rozptýlené pole). Mimo přechodové oblasti je magnetické pole homogenní a do těchto míst není prášek vtahován. Na povrch zbroušeného a vyleštěného feromagnetika se nalije tenká vrstva suspendovaného feromagnetického oxidu železitého ve vodě. Částice tohoto materiálu se usazují na povrchu a vytvoří obrazce pozorovatelné pod mikroskopem. Vznik těchto obrazců je způsoben usazováním oxidu železitého na přechodu z jedné doménové oblasti do druhé (v místech, kde vzniká rozptýlené pole). Mimo přechodové oblasti je magnetické pole homogenní a do těchto míst není prášek vtahován.

14 Nepůsobí-li na feromagnetikum vnější magnetické pole, jsou jednotlivé domény uspořádány takovým způsobem, že celkový součet momentů všech domén je rovný nule. K nemagnetickému stavu lze dospět tím, že feromagnetikum zahřejeme nad Curieovu teplotu a pak zvolna ochlazujeme na původní teplotu. Nepůsobí-li na feromagnetikum vnější magnetické pole, jsou jednotlivé domény uspořádány takovým způsobem, že celkový součet momentů všech domén je rovný nule. K nemagnetickému stavu lze dospět tím, že feromagnetikum zahřejeme nad Curieovu teplotu a pak zvolna ochlazujeme na původní teplotu. vytváří se spinové víry či vlny (orientace spinů je v tomto stavu dosti spojitá)

15 Proč ale feromagnetický krystal netvoří jedinou doménu, ale rozpadá se na větší počet domén? Tato otázka souvisí s celkovou energií krystalu, která má snahu dosáhnout minimální hodnoty. A ta sestává z výměnné energie vyvolávající spontánní magnetizaci, z energie rozptylového vnějšího magnetického pole a další energie (např. magnetostrikční). Je-li krystal ve tvaru kvádru a tvoří jedinou doménu (je celý zmagnetovaný v jednom směru), má sice minimální výměnnou energii (interakční energii mezi spiny), má však velkou energii v rozptylovém poli. Energie rozptylového pole je menší, je-li krystal rozdělen na dvě opačně orientované domény. Proč ale feromagnetický krystal netvoří jedinou doménu, ale rozpadá se na větší počet domén? Tato otázka souvisí s celkovou energií krystalu, která má snahu dosáhnout minimální hodnoty. A ta sestává z výměnné energie vyvolávající spontánní magnetizaci, z energie rozptylového vnějšího magnetického pole a další energie (např. magnetostrikční). Je-li krystal ve tvaru kvádru a tvoří jedinou doménu (je celý zmagnetovaný v jednom směru), má sice minimální výměnnou energii (interakční energii mezi spiny), má však velkou energii v rozptylovém poli. Energie rozptylového pole je menší, je-li krystal rozdělen na dvě opačně orientované domény.

16 V okamžiku, kdy se ale takový materiál vloží do vnějšího magnetického pole, dojde k následujícím jevům: Při slabém vnějším poli se začnou domény, v nichž je magnetický Při slabém vnějším poli se začnou domény, v nichž je magnetický moment orientován ve směru pole, zvětšovat na úkor domén moment orientován ve směru pole, zvětšovat na úkor domén ostatních. Tím se výsledné pole výrazně zesílí (i více než 1000 x). ostatních. Tím se výsledné pole výrazně zesílí (i více než 1000 x). Při silnějším vnějším poli pak dojde ke skokovému Při silnějším vnějším poli pak dojde ke skokovému natočení magnetických momentů v doménách ve natočení magnetických momentů v doménách ve směru krystalografických os nejbližších směru směru krystalografických os nejbližších směru vnějšího magnetického pole vnějšího magnetického pole

17 Zatímco řada feromagnetických materiálů se po vynětí z magnetického pole vrátí do prakticky nezmagnetovaného stavu, u permanentních magnetů tomu tak není. V permanentních magnetech již magnetizace zůstane buď na stejné úrovni, jaké dosáhla ve vnějším magnetickém poli, nebo jen mírně zeslábne. Zatímco řada feromagnetických materiálů se po vynětí z magnetického pole vrátí do prakticky nezmagnetovaného stavu, u permanentních magnetů tomu tak není. V permanentních magnetech již magnetizace zůstane buď na stejné úrovni, jaké dosáhla ve vnějším magnetickém poli, nebo jen mírně zeslábne. Každý magnet (tedy i permanentní) má severní a jižní pól. Severní je ten, který se v zemském magnetickém poli stáčí na sever. Ať rozdělíme permanentní magnet na sebemenší kousky, každý z nich má stále severní a jižní pól. Existuje sice i teorie magnetických monopólů, ty však doposud nebyly experimentálně prokázány. Každý magnet (tedy i permanentní) má severní a jižní pól. Severní je ten, který se v zemském magnetickém poli stáčí na sever. Ať rozdělíme permanentní magnet na sebemenší kousky, každý z nich má stále severní a jižní pól. Existuje sice i teorie magnetických monopólů, ty však doposud nebyly experimentálně prokázány.

18 Druhy permanentních magnetů: - Nejsilnější s obsahem Nd (Nd 2 Fe 14 B). Výroba lisováním v magnetickém poli a následným spékáním. Jejich povrch však oxiduje a je nutno je poli a následným spékáním. Jejich povrch však oxiduje a je nutno je galvanizovat (buď vrstvou Ni, Zn nebo Sn). Unesou až tisícinásobek galvanizovat (buď vrstvou Ni, Zn nebo Sn). Unesou až tisícinásobek vlastní váhy. Jsou však křehké a ztrácejí magnetické vlastnosti už při vlastní váhy. Jsou však křehké a ztrácejí magnetické vlastnosti už při teplotě nad 80°C. Materiál lze doplňovat epoxidovou pryskyřicí. teplotě nad 80°C. Materiál lze doplňovat epoxidovou pryskyřicí. S použitím těchto magnetů lze dosáhnout magnetické indukce nad 2 T. S použitím těchto magnetů lze dosáhnout magnetické indukce nad 2 T. - Sm-Co magnety (SmCo 5, Sm 2 Co 17 ) se vyrábějí rovněž práškovou metalurgií (spékáním). Jsou velmi křehké tvrdé a obrobitelné jen metalurgií (spékáním). Jsou velmi křehké tvrdé a obrobitelné jen v nezmagnetovaném stavu. Má anizotropní vlastnosti, pracovní v nezmagnetovaném stavu. Má anizotropní vlastnosti, pracovní teplota do 250°C. Materiál lze doplňovat epoxidovou pryskyřicí. teplota do 250°C. Materiál lze doplňovat epoxidovou pryskyřicí.

19 - Tvrdé ferritové magnety se vyrábějí z feritů barya a stroncia lisováním a následným spékáním. Lze je magnetovat jen v předepsaném směru. a následným spékáním. Lze je magnetovat jen v předepsaném směru. Materiál má vlastnosti keramiky, je velmi špatně obrobitelný. Je velmi Materiál má vlastnosti keramiky, je velmi špatně obrobitelný. Je velmi odolný vůči prostředí a levný. odolný vůči prostředí a levný. - Magnety AlNiCo jsou zpravidla tyčové a magnetizují se ve směru její osy. Pracují s vysokou mírou stability ve velkém teplotním rozsahu osy. Pracují s vysokou mírou stability ve velkém teplotním rozsahu (–270 až 400°C). Jsou odolné vůči vlivům prostředí. (–270 až 400°C). Jsou odolné vůči vlivům prostředí. - Pružné permanentní magnety se vyrábí z plastu podobného gumě, v němž jsou umístěny ferritové permanentní magnety. Odolné vůči v němž jsou umístěny ferritové permanentní magnety. Odolné vůči vlivům prostředí. vlivům prostředí.

20 Pokud se jedná o generaci magnetických polí elektrickými proudy či pohybujícími se elektricky nabitými částicemi, v lineárním prostředí se řídí Biot-Savartovým zákonem. Jean Baptiste Biot 1774– –1862

21 Magnetická pole můžeme dělit podle celé řady hledisek. Např. - rozměrovost (1D, 2D, 3D), - časový průběh (konstantní, harmonická, periodická, pulzní, obecná), - zdroje (elektrický proud, permanentní magnety, kombinované), - prostorové rozložení (homogenní, nehomogenní, gradientní), - lineární či nelineární a eventuálně některé další. Matematické modelování magnetických polí vychází z Maxwellových rovnic obvykle v diferenciálním tvaru James Clerk Maxwell1831–1879

22 Předchozí rovnice jsou ještě doplněny materiálovými vztahy V současné době se však k popisu magnetických polí používá spíš potenciálů. Nejobvyklejší je vektorový magnetický potenciál A (lze jej definovat v celém poli) a někdy se používá skalární magnetický potenciál  (ten lze definován pouze v oblastech mimo proudy)  Tyto  potenciály jsou definovány vztahy V současné době se však k popisu magnetických polí používá spíš potenciálů. Nejobvyklejší je vektorový magnetický potenciál A (lze jej definovat v celém poli) a někdy se používá skalární magnetický potenciál  (ten lze definován pouze v oblastech mimo proudy)  Tyto  potenciály jsou definovány vztahy Po zavedení těchto potenciálů do Maxwellových rovnic se pro popis pole získají příslušné rovnice: Po zavedení těchto potenciálů do Maxwellových rovnic se pro popis pole získají příslušné rovnice: - v časově neproměnném poli Poissonova nebo Laplaceova, - v lineárním harmonickém poli nízkých kmitočtů Helmholtzova, - v obecně časově proměnném poli pomalých změn parabolická, - v obecně časově proměnném poli rychlých změn hyperbolická.

23 Jejich řešení se v současné době provádí různými numerickými technikami: - metody diferenciální (diferenční, vážených reziduí), - metody integrální (integrální či integrodiferenciální rovnice) - metody založené na stochastickém přístupu. Pro řešení magnetických polí existuje profesionální SW - Opera - FLUX - MagNet - COMSOL - ANSYS - a některé další

24 Při vytváření magnetických polí (zejména silnějších) je třeba brát v úvahu dva doprovázející jevy. Jedná se o Při vytváření magnetických polí (zejména silnějších) je třeba brát v úvahu dva doprovázející jevy. Jedná se o - jevy tepelné a - jevy silové. K oteplení dochází zejména u klasických proudovodičů, jimiž je magnetické pole generováno. Velké proudy v těchto vodičích zde generují Jouleovy ztráty, což vede k jejich oteplení. K oteplení dochází zejména u klasických proudovodičů, jimiž je magnetické pole generováno. Velké proudy v těchto vodičích zde generují Jouleovy ztráty, což vede k jejich oteplení. Nadměrnému oteplení se bráníme - chlazením, jež je zajištěno vhodným mediem (voda protékající vnitřkem vodičů, přirozené či nucené chlazení vzduchem, olejem apod.), vodičů, přirozené či nucené chlazení vzduchem, olejem apod.), - využitím supravodičů.

25 U silných magnetických polí však hrají hlavní roli silové účinky, které jsou(alespoň v lineárním prostředí) kvadraticky závislé na velikosti magnetické indukce. U silných magnetických polí však hrají hlavní roli silové účinky, které jsou (alespoň v lineárním prostředí) kvadraticky závislé na velikosti magnetické indukce. V magnetickém poli rozlišujeme dva druhy sil: V magnetickém poli rozlišujeme dva druhy sil: - síly působící ve vnějším poli na vodiče protékané proudem, - síly působící na feromagnetické materiály. Obecně lze říci, že dva paralelní vodiče protékané proudy stejného směru se přitahují, v případě opačných směrů se odpuzují. Totéž platí i pro proudová vlákna, kde přítažné síly mohou dosáhnout takové velikosti, že v plazmatu či ve vodivé kapalině vlákno přiškrtí a přetrhnou (pinch effect). Obecně lze říci, že dva paralelní vodiče protékané proudy stejného směru se přitahují, v případě opačných směrů se odpuzují. Totéž platí i pro proudová vlákna, kde přítažné síly mohou dosáhnout takové velikosti, že v plazmatu či ve vodivé kapalině vlákno přiškrtí a přetrhnou (pinch effect).

26 Pokud se jedná o tělesa z feromagnetických materiálů, ta jsou přitahována vždy do silnějšího magnetického pole (příkladem je železné jádro v cívkových elektromagnetech, které je při sepnutí proudu do cívky vtahováno). Pokud se jedná o tělesa z feromagnetických materiálů, ta jsou přitahována vždy do silnějšího magnetického pole (příkladem je železné jádro v cívkových elektromagnetech, které je při sepnutí proudu do cívky vtahováno). Silné magnetické pole je proto třeba stínit (aktivně nebo pasivně), jinak hrozí, že železné předměty budou přitahovány k jeho zdroji (úrazy, zničení různých předmětů apod.). Silné magnetické pole je proto třeba stínit (aktivně nebo pasivně), jinak hrozí, že železné předměty budou přitahovány k jeho zdroji (úrazy, zničení různých předmětů apod.).

27 U extrémně silných magnetických polí (20 T a více) hrozí již i destrukce některých konstrukčních částí, zejména těch, jejichž mechanická pevnost je nižší, než silami vyvolaný tlak. A rostoucí energie a namáhání konstrukčních částí mohou negativně ovlivňovat jak celistvost celého zařízení, tak i bezpečnost obsluhy. U extrémně silných magnetických polí (20 T a více) hrozí již i destrukce některých konstrukčních částí, zejména těch, jejichž mechanická pevnost je nižší, než silami vyvolaný tlak. A rostoucí energie a namáhání konstrukčních částí mohou negativně ovlivňovat jak celistvost celého zařízení, tak i bezpečnost obsluhy. Je tedy nutno věnovat větší pozornost výběru materiálů pro vodiče, konstrukční části, elektrickou izolaci, v případě supravodivých magnetů se musí dbát o zachování stability pole atd. Je tedy nutno věnovat větší pozornost výběru materiálů pro vodiče, konstrukční části, elektrickou izolaci, v případě supravodivých magnetů se musí dbát o zachování stability pole atd.

28 3. Supravodivost Nejprve určitá rekapitulace z atomové teorie: atom sestává z jádra a elektronového obalu. Stavba obalu je velmi důležitá. Elektrony obíhají atom po drahách charakterizovaných určitou energií a tyto dráhy se seskupují do slupek (orbitalů). Nejvnějšnější slupka se nazývá valenční. Nejprve určitá rekapitulace z atomové teorie: atom sestává z jádra a elektronového obalu. Stavba obalu je velmi důležitá. Elektrony obíhají atom po drahách charakterizovaných určitou energií a tyto dráhy se seskupují do slupek (orbitalů). Nejvnějšnější slupka se nazývá valenční. Atom hliníku má např. 13 protonů a 13 elektronů. Ve valenční slupce jsou však jen 3 elektrony. A tyto elektrony mohou dodáním určité (malé) energie valenční slupku opustit a pohybovat se v krystalové mřížce hliníku. Tak vznikají volné elektrony a elektrický proud, hlavně v kovech. Samozřejmě, valenční slupka atomu hliníku je ochotna jiné elektrony zase přijímat, teoreticky jich zde může být až osm.

29 Elektrony se z valenční slupky atomu Al uvolňují samovolně i při pokojové teplotě díky tepelným fluktuacím. V hliníkovém vodiči položeném volně na stole se však tyto elektrony pohybují neuspořádaně od atomu k atomu. Připojíme-li k vodiči baterii, situace se dramaticky změní: tyto volné elektrony začnou putovat k jejímu kladnému pólu. Tento pohyb (drift) však není rovnoměrný a je pomalý (desítky centimetrů za hodinu). Připojíme-li k vodiči baterii, situace se dramaticky změní: tyto volné elektrony začnou putovat k jejímu kladnému pólu. Tento pohyb (drift) však není rovnoměrný a je pomalý (desítky centimetrů za hodinu).

30 Interakce pohybujících se elektronů s dalšími volnými elektrony či kmitajícími atomovými jádry je příčinou rezistance a následného ohřevů vodičů. A čím větší tato interakce je, tím více je volným elektronům bráněno v pohybu a tím menší proud vodičem protéká. Se zvyšující se teplotou dochází k ještě intenzívnějšímu kmitání atomů a následně tedy i k četnějším interakcím. Tak vznikají (většinou) neužitečné tepelné ztráty. Je tedy logické, že odejmeme-li atomům tepelnou energii, jejich kmitavý pohyb se tlumí a při teplotě absolutní nuly by měl prakticky ustat (k tomuto bodu se lze ovšem jen přiblížit). Tím se odstraní hlavní překážka pohybu volných elektronů a kovové materiály se dostanou do supravodivého stavu (Heike Kamerlingh Onnes, Holandsko, 1911, toho dosáhl heliem, které je však drahé, obtížně se s ním pracuje a je vysoce nepraktické). Podstata supravodivosti však zůstala Onnesovi utajena. Je tedy logické, že odejmeme-li atomům tepelnou energii, jejich kmitavý pohyb se tlumí a při teplotě absolutní nuly by měl prakticky ustat (k tomuto bodu se lze ovšem jen přiblížit). Tím se odstraní hlavní překážka pohybu volných elektronů a kovové materiály se dostanou do supravodivého stavu (Heike Kamerlingh Onnes, Holandsko, 1911, toho dosáhl heliem, které je však drahé, obtížně se s ním pracuje a je vysoce nepraktické). Podstata supravodivosti však zůstala Onnesovi utajena.

31 Dalším důležitým objevem, souvisejícím s chováním kovů za nízkých teplot, je Meissnerův efekt. Ten spočívá ve skutečnosti, že supravodivý materiál odpuzuje magnetické pole (je diamagnetický). Pohybujeme-li magnetem podél vodiče, indukuje se v něm proud (princip všech generátorů). V supravodiči se ale indukuje proud, který vytvoří přesně opačné magnetické pole (takže uvnitř supravodiče se obě pole vyruší) a magnet je jím odpuzován. Síla přitom nezávisí na natočení magnetu a může být tak velká, že magnet nad supravodičem levituje.

32 Ve čtyřicátých až šedesátých letech byla objevena celá řada nových supravodivých materiálů (1941 – nitrid niobu, 16 K, 1953 – křemičitan vanadu, 17.5 K, 1962 – první komerčně využitelný materiál NbTi, Westinghouse). O vysvětlení nízkoteplotní supravodivosti se zasloužili Bardeen, Cooper a Schrieffer až v roce O vysvětlení nízkoteplotní supravodivosti se zasloužili Bardeen, Cooper a Schrieffer až v roce 1957.

33 Mechanismus je asi následující: jestliže se uvolní elektron a začne se pohybovat v krystalové mřížce, jistě se dříve nebo později dostane do blízkosti dvou kladně nabitých iontů (z nichž se rovněž uvolnily elektrony). Tyto ionty se k volnému elektronu lehce přitáhnou, ale nepřijmou ho do své valenční sféry. Naopak, vytvoří kladně nabitou vlnu jménem fonon, která uvolní z nějaké valenční slupky další elektron (s opačným spinem) a oba elektrony pak putují mřížkou spolu. Neovlivňují přitom jen samy sebe, ale i další páry takových elektronů. Platnost BCS teorie u teplých supravodičů je však velmi omezená (platí beze zbytku jen asi do 40 K). Platnost BCS teorie u teplých supravodičů je však velmi omezená (platí beze zbytku jen asi do 40 K). Atomy kovů tvoří mřížkovou krystalickou strukturu a v ní se volné elektrony pohybují. Pokud je kov chlazen tekutým heliem, jednotlivé atomy v mřížce kmitají s velmi malou amplitudou. A podle BCS teorie se volné elektrony párují (Cooperovy páry) a tyto dvojice pronikají mřížkou daleko snáze. Atomy kovů tvoří mřížkovou krystalickou strukturu a v ní se volné elektrony pohybují. Pokud je kov chlazen tekutým heliem, jednotlivé atomy v mřížce kmitají s velmi malou amplitudou. A podle BCS teorie se volné elektrony párují (Cooperovy páry) a tyto dvojice pronikají mřížkou daleko snáze.

34 Supravodiče můžeme dělit podle různých kritérií např. podle kritické teploty: Supravodiče můžeme dělit podle různých kritérií např. podle kritické teploty: - nízkoteplotní – objevuje se u čistých kovů a jejich slitin, kritická teplota T c < 23 K a proto musíme tyto materiály chladit kapalným teplota T c < 23 K a proto musíme tyto materiály chladit kapalným heliem, heliem, - vysokoteplotní – objevuje se u křehkých keramických materiálů, kritická teplota T c ~ 90 K a můžeme tedy chladit tyto materiály kritická teplota T c ~ 90 K a můžeme tedy chladit tyto materiály tekutým dusíkem. tekutým dusíkem. Dále je rozdělujeme podle dokonalého, respektive nedokonalého vytěsňování magnetického pole ze svého objemu: Dále je rozdělujeme podle dokonalého, respektive nedokonalého vytěsňování magnetického pole ze svého objemu: - I. druhu – magnetické pole vytěsňují ze svého objemu dokonale, - II. druhu – magnetické pole pronikne zčásti i do supravodiče ve formě tzv. vortexů (supravodivých vírů). formě tzv. vortexů (supravodivých vírů).

35 Do skupiny supravodičů I. druhu patří kovy a polokovy, které jsou vodivé za normální teploty. Vyžadují ochlazení na velmi nízkou teplotu, aby se utlumily molekulární vibrace na úroveň umožňující nepřerušované proudění elektronů, což je podmínka supravodivosti daná BCS teorií. Supravodivých materiálů I. typu je celá řada a jsou uvedeny v následující tabulce, avšak překvapivě mezi ně nepatří měď, stříbro a zlato, což jsou nejlepší kovové vodiče.

36 Přechod do supravodivého stavu je u supravodičů I. druhu zpravidla velmi ostrý. Projevuje se zde silný diamagnetismus – schopnost odpuzovat vnější magnetické pole a jeho zdroj. Přechod do supravodivého stavu je u supravodičů I. druhu zpravidla velmi ostrý. Projevuje se zde silný diamagnetismus – schopnost odpuzovat vnější magnetické pole a jeho zdroj.

37 I další prvky mohou být převedeny do supravodivého stavu pomocí zvýšení tlaku. Jako příklad lze uvést fosfor, který patří mezi supravodiče I. typu s nejvyšší T c, ale až při tlaku 2.5 Mbar (T c = 14–22 K). I další prvky mohou být převedeny do supravodivého stavu pomocí zvýšení tlaku. Jako příklad lze uvést fosfor, který patří mezi supravodiče I. typu s nejvyšší T c, ale až při tlaku 2.5 Mbar (T c = 14–22 K).

38 Mezi supravodiče II. typu patří kovy, intermetalické sloučeniny, slitiny, ale i keramika na bázi perovskitů. Perovskity jsou krystalické keramiky, jejichž jména se odvozují od minerálu známého jako perovskit. Jsou to nejvíce se vyskytující minerály na světě, jejichž poměr kovu ke kyslíku je přibližně 2 ku 3. Supravodiče na bázi oxidů mědi jsou tedy nazývány perovskity. Samotné jméno perovskit vzniklo z jména ruského mineraloga Lva Aleksejeviče von Perovskiho. Tyto materiály (označované rovněž jako tvrdé supravodiče) mají vyšší kritické teploty a dosahují podstatně vyšších kritických magnetických polí. Kritické proudové hustoty jsou zde asi 1000 A/mm 2. Magnety tak dosahují silných elektromagnetických polí, které nejsou realizovatelné klasickým způsobem. Navíc je pole velmi homogenní, časové stálé a spotřeba energie je minimální. Kritické proudové hustoty jsou zde asi 1000 A/mm 2. Magnety tak dosahují silných elektromagnetických polí, které nejsou realizovatelné klasickým způsobem. Navíc je pole velmi homogenní, časové stálé a spotřeba energie je minimální.

39 Supravodiče II. typu se od I. typu odlišují tím, že přechod z normálního do supravodivého stavu probíhá přes tzv. přechodový stav. Také je u nich možné pronikání externího magnetického pole povrchem. Ovšem magnetický tok ve skutečnosti neprochází přímo podpovrchovou vrstvou supravodivého materiálu, ale mikroskopickými kanály, které zůstávají v nesupravodivém stavu. Tyto kanály se nazývají supravodivé víry neboli vortexy. Na jejich obvodu tečou stínící proudy, které supravodivý materiál stíní od magnetického toku v jádru vortexu. Supravodič má nulový měrný odpor, tepelné ztráty jsou v něm nulové a vložíme-li ho do magnetického pole, indukované stínící proudy se na jeho povrchu netlumí a vnější magnetické pole je uvnitř supravodiče dokonale odstíněno. Vnější pole se v důsledku povrchových proudů zdeformuje. Supravodivý materiál vložený do magnetického pole se snaží zachovat ve svém objemu původní stav (bez pole), a proto vnější pole ze svého objemu vypuzuje. Prvním supravodičem II. typu byla slitina olova a bismutu. Roku 1930 jej připravili W. de Haas a J. Voogd. To, že se jedná o supravodič, bylo zjištěno až po objevení Meissnerova efektu.

40 Vysokoteplotní supravodiče Objev těchto supravodivých materiálů byl opravdovým technologickým průlomem, neboť tyto materiály bylo možné chladit jen levným kapalným dusíkem. Pro novou generaci supravodičů se ujal název vysokoteplotní supravodiče (HTS – High Temperature Superconductors). Postupně byla nalezena celá řada supravodivých materiálů postavených na tzv sloučeninách s chemickými vzorci La 2-x Ba x CuO 4, La 2-x Sr x CuO 4, La 2-x Sr x CaCuO 4, Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7−x, Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10, Tl 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 10 a řada dalších. Hodnoty dosahovaných kritických teplot se pohybují od 30–130 K. Byly dosaženy i podstatně vyšší kritické teploty (přes 300 K), jejich supravodivost má ovšem velmi krátké trvání, nebo mizí již při nepatrných proudových hustotách. Mechanismus vzniku supravodivosti u keramik na bázi perovskitů zatím není plně objasněn. Objev těchto supravodivých materiálů byl opravdovým technologickým průlomem, neboť tyto materiály bylo možné chladit jen levným kapalným dusíkem. Pro novou generaci supravodičů se ujal název vysokoteplotní supravodiče (HTS – High Temperature Superconductors). Postupně byla nalezena celá řada supravodivých materiálů postavených na tzv sloučeninách s chemickými vzorci La 2-x Ba x CuO 4, La 2-x Sr x CuO 4, La 2-x Sr x CaCuO 4, Y 1 Ba 2 Cu 3 O 7−x, Bi 2 Sr 2 Ca 2 Cu 3 O 10, Tl 2 Ba 2 Ca 2 Cu 3 O 10 a řada dalších. Hodnoty dosahovaných kritických teplot se pohybují od 30–130 K. Byly dosaženy i podstatně vyšší kritické teploty (přes 300 K), jejich supravodivost má ovšem velmi krátké trvání, nebo mizí již při nepatrných proudových hustotách. Mechanismus vzniku supravodivosti u keramik na bázi perovskitů zatím není plně objasněn.

41

42 Supravodič na bázi: La-Ba-Cu-O. (Bednorz, Müller )

43

44 Struktura HgBa 2 Ca 2 Cu 3 O 8 CuO 2 Ca Ca BaO BaO HgO Příslušné materiály jsou velmi křehké a výroba vodičů z nich je velmi náročná. Používá se: Příslušné materiály jsou velmi křehké a výroba vodičů z nich je velmi náročná. Používá se: - kombinované válcování a žíhání polykrystalického materiálu v Cu polykrystalického materiálu v Cu či Ag trubičce, či Ag trubičce, - napařování nebo chemické nanášení tenkých vrstev nanášení tenkých vrstev supravodiče na ohebné podložky supravodiče na ohebné podložky ve tvaru ohebných pásků. ve tvaru ohebných pásků. V současné době se takto vyrábějí supravodiče o délkách až několika kilometrů.

45 YBaCuO neboli struktura. Na levém obrázku je základní krystalová buňka (její rozměry jsou 38 nm × 39 nm × 117 nm). Na prostředním obrázku je návaznost atomů kyslíku na sousední krystalové buňky. Napravo je prostorové uspořádání atomů kyslíku. Nad a pod atomem ytria se nachází roviny Cu-O 2 charakteristické pro tyto keramiky.

46 Supravodiče prvního a druhého druhu se ještě liší tak zvanou kritickou hodnotou pole. To je hodnota magnetického pole, při níž vzorek ztratí supravodivost. Jsou–li supravodiče prvního druhu vystaveny kritickému poli, supravodivost ztrácejí. Uveďme například rtuť: ta je supravodivá při teplotě 4.2 K. Pokud ji však vystavíme magnetickému poli o velikosti indukce T nebo větší, Cooperovy páry se rozpadnou a rtuť se stane opět normálně vodivá. Jsou–li supravodiče prvního druhu vystaveny kritickému poli, supravodivost ztrácejí. Uveďme například rtuť: ta je supravodivá při teplotě 4.2 K. Pokud ji však vystavíme magnetickému poli o velikosti indukce T nebo větší, Cooperovy páry se rozpadnou a rtuť se stane opět normálně vodivá. U supravodičů druhého druhu je situace složitější, neboť ty mají dvě kritické hodnoty pole. Např. materiál Nb 3 Sn je při nepřítomnosti magnetického pole supravodivý při teplotě 18 K. Je-li přiložené magnetické pole menší než 0.01 T (nižší hodnota), je materiál dokonale supravodivý. Pro pole o indukci nad 29 T ztrácí supravodivost zcela. Mezi těmito dvěma stavy je tzv. smíšený stav, kdy část materiálu je normálně vodivá, druhá část supravodivá. U supravodičů druhého druhu je situace složitější, neboť ty mají dvě kritické hodnoty pole. Např. materiál Nb 3 Sn je při nepřítomnosti magnetického pole supravodivý při teplotě 18 K. Je-li přiložené magnetické pole menší než 0.01 T (nižší hodnota), je materiál dokonale supravodivý. Pro pole o indukci nad 29 T ztrácí supravodivost zcela. Mezi těmito dvěma stavy je tzv. smíšený stav, kdy část materiálu je normálně vodivá, druhá část supravodivá.

47

48 Typy supravodičů Magnet YBCO 52 / 82 mm, 26.8 T

49 Návrh a konstrukce zařízení, které generují silná magnetická pole, Návrh a konstrukce zařízení, které generují silná magnetická pole, není snadná a vyžaduje vždy určité kompromisy. V současné době se pro generaci silných polí používají: 1.Odporové stejnosměrné magnety, 2.Odporové magnety s pulzním polem, 3.Supravodivé stejnosměrné magnety, 4.Hybridní magnety (spojují některé vlastnosti odporových a supravodivých magnetů), 5.Destruktivní magnety Za posledních 100 let došlo k výraznému pokroku při dosahování Za posledních 100 let došlo k výraznému pokroku při dosahování vyšších parametrů magnetických polí. Pokrok však byl spíše spojitý, bez větších skoků. 4. Silná magnetická pole, jejich vytváření a využití

50 National High Magnetic Field Laboratory

51 Příklad: supravodivý magnet pro NMR (nuclear magnetic resonance) pracující s kmitočtem 930 MHz, jenž je instalovaný v Národním institutu pro materiálové vědy, Tsukuba, Japonsko, běžně pracuje s magnetickou indukcí 21.6 T a energie jeho magnetického pole je asi 33 MJ (při testech však už dosáhl i vyšších parametrů). Příklad: supravodivý magnet pro NMR (nuclear magnetic resonance) pracující s kmitočtem 930 MHz, jenž je instalovaný v Národním institutu pro materiálové vědy, Tsukuba, Japonsko, běžně pracuje s magnetickou indukcí 21.6 T a energie jeho magnetického pole je asi 33 MJ (při testech však už dosáhl i vyšších parametrů). Energie tohoto magnetu je pro představu stejná, jako kinetická energie asi 40-tunové lokomotivy řítící se rychlostí 150 km/hod. Přitom, pokud by například vinutí z nějakého důvodu ztratilo supravodivost, je nutno tuto energii bezpečným způsobem disipovat. Energie tohoto magnetu je pro představu stejná, jako kinetická energie asi 40-tunové lokomotivy řítící se rychlostí 150 km/hod. Přitom, pokud by například vinutí z nějakého důvodu ztratilo supravodivost, je nutno tuto energii bezpečným způsobem disipovat. Vysoká jsou mechanická namáhání válcových budicích cívek. Při indukci 6 T působí na vodiče cívky tlak 140 atm, při indukci 10 T je to asi 400 atm, což odpovídá mezi kluzu žíhané mědi při pokojové teplotě. Je tedy zřejmé, že jenom měď při indukci 21.6 T nelze použít. Vysoká jsou mechanická namáhání válcových budicích cívek. Při indukci 6 T působí na vodiče cívky tlak 140 atm, při indukci 10 T je to asi 400 atm, což odpovídá mezi kluzu žíhané mědi při pokojové teplotě. Je tedy zřejmé, že jenom měď při indukci 21.6 T nelze použít.

52 Vzhledem k tomu,že žádný z materiálů použitelný pro vinutí budicích cívek taková mechanická namáhání nevydrží, musí tyto cívky být vhodným způsobem vyztuženy (ale při použití takových materiálů, jejichž přítomnost neovlivní rozložení výsledného magnetického pole). Vzhledem k tomu, že žádný z materiálů použitelný pro vinutí budicích cívek taková mechanická namáhání nevydrží, musí tyto cívky být vhodným způsobem vyztuženy (ale při použití takových materiálů, jejichž přítomnost neovlivní rozložení výsledného magnetického pole). Rozměry cívky se tím zvětšují a průměrná hodnota proudové hustoty v ní klesá. A s klesající hodnotou střední proudové hustoty musí narůstat rozměry elektromagnetu, aby se udržela velikost pole. Tím se jeho konstrukce prodražuje. Rozměry cívky se tím zvětšují a průměrná hodnota proudové hustoty v ní klesá. A s klesající hodnotou střední proudové hustoty musí narůstat rozměry elektromagnetu, aby se udržela velikost pole. Tím se jeho konstrukce prodražuje. Energii magnetu lze redukovat tak, že při rostoucí magnetické indukci se zmenšuje jeho vzduchová mezera, zejména snížením poloměru jeho vrtání. Energii magnetu lze redukovat tak, že při rostoucí magnetické indukci se zmenšuje jeho vzduchová mezera, zejména snížením poloměru jeho vrtání. Co je ještě důležité sledovat u elektromagnetů vysokých parametrů: Co je ještě důležité sledovat u elektromagnetů vysokých parametrů: - různé spoje vodivých částí (přívodní vodiče + cívka), - ztráty a stabilita pole u supravodivých magnetů.

53

54

55 Indukce 45 Tesla Typhybrid Průměr pracovní komory 32 mm Dokončen prosinec 1999 Náklady 14.4 milionů USD Hmotnost kg Výška 6.7 metrů Pracovní teplota -271 ° C Spotřeba vody za minutu litrů Výkon 29.3 MW Hybridní magnet – supravodivá část 11.5 T, odporová část 33.5 T. Pracuje s l tekutého He a udržuje se ve studeném stavu i když nepracuje (jeho vychlazení z pokojové teploty trvá nejméně 6 týdnů). Voda se používá na chlazení odporového vinutí. Hodina provozu stojí USD. Hybridní magnet – supravodivá část 11.5 T, odporová část 33.5 T. Pracuje s l tekutého He a udržuje se ve studeném stavu i když nepracuje (jeho vychlazení z pokojové teploty trvá nejméně 6 týdnů). Voda se používá na chlazení odporového vinutí. Hodina provozu stojí USD.

56

57 Indukce21.1 Tesla TypSupravodivý Průměr komory105 mm DokončenČervenec 2004 Náklady16 milionů USD Hmotnost36,287 kg Výška4.7 metru Pracovní teplota ° C Délka supravodiče153 km Supravodivý magnet (s největším průměrem pracovní komory na světě). Je určen pro výzkum jaderné magnetické rezonance (zobrazování a spektroskopie). Jmenovitý proud 300 A. Malá spotřeba energie (zanedbatelné Jouleovy ztráty), velké množství chladicího média (v kryostatu je l He). Kmitočet rádiových vln je 900 MHz. Supravodivý magnet (s největším průměrem pracovní komory na světě). Je určen pro výzkum jaderné magnetické rezonance (zobrazování a spektroskopie). Jmenovitý proud 300 A. Malá spotřeba energie (zanedbatelné Jouleovy ztráty), velké množství chladicího média (v kryostatu je l He). Kmitočet rádiových vln je 900 MHz.

58 Magnet je sestaven z 10 supravodivých cívek navinutých koncentricky monolitickým vodičem (část Nb 3 Sn, část NbTi, vždy v pouzdře z Cu). Řada cívek je přepásána drátem z nerezavějící oceli, všechny jsou vyztuženy zvláštní pryskyřicí. Magnet je sestaven z 10 supravodivých cívek navinutých koncentricky monolitickým vodičem (část Nb 3 Sn, část NbTi, vždy v pouzdře z Cu). Řada cívek je přepásána drátem z nerezavějící oceli, všechny jsou vyztuženy zvláštní pryskyřicí.

59 Indukce35 Tesla Typodporový Průměr komory32 mm Dokončenprosinec 2005 Náklady0.5 milionu USD Hmotnost2,500 kg Výška1.52 metru Vody za minutu 139 l Dodávaný výkon19.6 MW Tento magnet není sestaven z cívek, ale z tzv. Bitterových desek, které mají daleko lepší mechanické vlastnosti. Tyto desky jsou vyrobeny z měděných slitin vysoké pevnosti. Uvnitř je pracovní komora, menší otvory pak umožňují cirkulaci chladicího média (vody) jež jimi pod tlakem protéká rychlostí asi 20 m/s. Magnet se využívá pro výzkum v oblasti fyziky kondenzovaných materiálů. Magnet se využívá pro výzkum v oblasti fyziky kondenzovaných materiálů.

60

61 Pulzní magnety Dělí se do dvou skupin: nedestruktivní a destruktivní Nedestruktivní pulzní magnety musí odolat extrémním mechanickým namáháním (o velikosti GPa), jež jsou větší, než snese většina známých kovů. Technologie těchto magnetů proto silně závisí na výzkumu a vývoji v oblasti nových materiálů. Důležité z hlediska flexibility je, aby byl vygenerovaný pulz magnetického pole přizpůsobený příslušnému experimentu. Nedestruktivní pulzní magnety musí odolat extrémním mechanickým namáháním (o velikosti GPa), jež jsou větší, než snese většina známých kovů. Technologie těchto magnetů proto silně závisí na výzkumu a vývoji v oblasti nových materiálů. Důležité z hlediska flexibility je, aby byl vygenerovaný pulz magnetického pole přizpůsobený příslušnému experimentu. Magnet s dlouhým pulzem (desetiny vteřiny) dosahující indukce 60 T. Energie se dodává z 1.4 GVA motorgenerátoru

62 Motorgenerátor 1.4 GVA

63 Typický tvar pulzu u 60 T pulzního nedestruktivního magnetu Napájení: - kapacitní baterie (rychlý kratší pulz na úrovni set ms), indukce pulz na úrovni set ms), indukce 50 – 70 T, 50 – 70 T, - střídavý zdroj (delší pulz na úrovni sekund), indukce 40 – 60 úrovni sekund), indukce 40 – 60 ms. ms. - kombinace těchto zdrojů ve vývoji, indukce až 100 T, 20 ms. vývoji, indukce až 100 T, 20 ms.

64 Destruktivní magnety – zde nezáleží na pevnosti použitých materiálů, magnet je během pulzu zničen (exploduje). Tento proces trvá několik mikrosekund. Nejvyšší magnetické indukce se dosáhne v případě, že dojde k jeho explozivnímu smrštění. Destruktivní magnety – zde nezáleží na pevnosti použitých materiálů, magnet je během pulzu zničen (exploduje). Tento proces trvá několik mikrosekund. Nejvyšší magnetické indukce se dosáhne v případě, že dojde k jeho explozivnímu smrštění. Příklady: Příklady: - Cívka o jednom závitu (buduje se na několika pracovištích), dosažitelná indukce 100 – 250 T, doba trvání pulsu 4 – 8  s. dosažitelná indukce 100 – 250 T, doba trvání pulsu 4 – 8  s. - Explozivní smrštění magnetického pole vybuzeného kondenzátorovou baterií – dosažitelná indukce 100 – 250 T, doba pulzu 5 – 10  s. baterií – dosažitelná indukce 100 – 250 T, doba pulzu 5 – 10  s. - Lineární implozivní systém (400 – 550 T, doba pulzu 4 – 8 ms).

65 Silná magnetická pole nacházejí využití Silná magnetická pole nacházejí využití - v urychlovačích částic používaných ve fyzice vysokých energií, - v oblasti jaderné magnetické rezonance (zkoumání struktury a složení neživých i živých struktur, vyšetřování spekter látek), neživých i živých struktur, vyšetřování spekter látek), - uchovávání elektrické energie v supravodivých cívkách, v zařízeních pro separaci magnetických částic (čištění kaolinu). - v zařízeních pro separaci magnetických částic (čištění kaolinu). Jaderná magnetická rezonance (NMR) je spektrální metoda využívající magnetických vlastností jader některých izotopů. V roce 1945 byly poprvé pozorovány signály jader vodíku, v padesátých letech se objevují první sériově vyráběné spektrometry. Měřena byla pouze jádra vodíku, ale získané informace se ukázaly být velmi cenné při určování struktury sloučenin, především organických. Jaderná magnetická rezonance (NMR) je spektrální metoda využívající magnetických vlastností jader některých izotopů. V roce 1945 byly poprvé pozorovány signály jader vodíku, v padesátých letech se objevují první sériově vyráběné spektrometry. Měřena byla pouze jádra vodíku, ale získané informace se ukázaly být velmi cenné při určování struktury sloučenin, především organických. Od té doby se NMR spektroskopie velmi rychle rozvíjela. Zavedení výkonných magnetů umožnilo zvyšování intenzity magnetického pole a tím i citlivosti a rozlišení metody. Metody umožňující snímání spekter nebo alespoň získávání určitých informací o jádrech atomů v malých prostorových oblastech uvnitř objektů daly vzniknout NMR zobrazování. Od té doby se NMR spektroskopie velmi rychle rozvíjela. Zavedení výkonných magnetů umožnilo zvyšování intenzity magnetického pole a tím i citlivosti a rozlišení metody. Metody umožňující snímání spekter nebo alespoň získávání určitých informací o jádrech atomů v malých prostorových oblastech uvnitř objektů daly vzniknout NMR zobrazování.

66 Magnetická rezonance využívá skutečnosti, že protony i neutrony mají určitý vlastní moment (spin) díky němuž získává celé atomové jádro magnetický moment. Pokud je takovéto rotující jádro umístěno v konstantním magnetickém poli B 0 dochází k tomu, že se natočí ve směru tohoto pole. K tomuto pohybu dojde při každé změně působícího magnetického pole, dokud se jádro v dané poloze neustálí. Pokud vnější pole přestane působit, vrací se jádro do své původní polohy. Pokud se přidá druhé kolmo působící (transverzální) pole B T začne jádro opět rotovat.Přiblížením cívky do blízkosti rotujícího magnetického momentu se v ní indukuje napětí, které je následně měřeno. Zjednodušeně je velikost naměřeného napětí závislá na poloze a typu tkáně. Pokud je takovéto rotující jádro umístěno v konstantním magnetickém poli B 0 dochází k tomu, že se natočí ve směru tohoto pole. K tomuto pohybu dojde při každé změně působícího magnetického pole, dokud se jádro v dané poloze neustálí. Pokud vnější pole přestane působit, vrací se jádro do své původní polohy. Pokud se přidá druhé kolmo působící (transverzální) pole B T začne jádro opět rotovat. Přiblížením cívky do blízkosti rotujícího magnetického momentu se v ní indukuje napětí, které je následně měřeno. Zjednodušeně je velikost naměřeného napětí závislá na poloze a typu tkáně. Na základě naměřeného indukovaného napětí a dalších parametrů je signál pomocí složitých procesů a algoritmů převeden na škálu šedé. Právě kvůli tomu, že výsledný signál závisí na mnoha parametrech, nedá se použít žádné stupnice, která by přesně určila jednotlivé tkáně, proto se k interpretaci obrazů používá spíše rozhraní, na kterých se mění intenzita signálu. Na základě naměřeného indukovaného napětí a dalších parametrů je signál pomocí složitých procesů a algoritmů převeden na škálu šedé. Právě kvůli tomu, že výsledný signál závisí na mnoha parametrech, nedá se použít žádné stupnice, která by přesně určila jednotlivé tkáně, proto se k interpretaci obrazů používá spíše rozhraní, na kterých se mění intenzita signálu.

67 Výhodou MRI vůči ostatním zobrazovacím metodám v diagnostické radiologii je větší přesnost při zobrazení většiny orgánů, jež je důsledkem rozdílné intenzity signálu u odlišných měkkých tkání. Navíc toto zobrazení probíhá bez možného škodlivého ionizujícího záření. Výhodou MRI vůči ostatním zobrazovacím metodám v diagnostické radiologii je větší přesnost při zobrazení většiny orgánů, jež je důsledkem rozdílné intenzity signálu u odlišných měkkých tkání. Navíc toto zobrazení probíhá bez možného škodlivého ionizujícího záření.

68 Urychlovače částic Jedná se o zařízení využívající silné elektrické či magnetické pole k urychlování elektricky nabitých částic. Používá se jich ke zkoumání jemné struktury hmoty, prostoru a času. Přitom je žádoucí, aby částice, které interagují, měly co nejvyšší energii (mnoho GeV). Jedná se o zařízení využívající silné elektrické či magnetické pole k urychlování elektricky nabitých částic. Používá se jich ke zkoumání jemné struktury hmoty, prostoru a času. Přitom je žádoucí, aby částice, které interagují, měly co nejvyšší energii (mnoho GeV). Urychlovače rozeznáváme Urychlovače rozeznáváme - lineární a - kruhové. Samotné urychlování se zajišťuje elektrickým polem, poloha částic v požadované dráze a směru polem magnetickým. Samotné urychlování se zajišťuje elektrickým polem, poloha částic v požadované dráze a směru polem magnetickým.

69 Část nového urychlovače ATLAS, CERN, Ženeva

70 Tunel je dlouhý asi 25 km Místnost s detektory

71 Děkuji Vám za pozornost


Stáhnout ppt "Silná magnetická pole, jejich vytváření a využití Ivo Doležel Elektrotechnická fakulta ČVUT, Praha Katedra elektroenergetiky."

Podobné prezentace


Reklamy Google