Ímãs supercondutores de resistência zero: Tecnologia de supercondutores
Um ímã supercondutor é um eletroímã que usa materiais supercondutores para atingir resistência zero em temperaturas extremamente baixas. Ele pode transportar densidades de corrente extremamente altas e gerar campos magnéticos fortes que excedem em muito os eletroímãs tradicionais.
Características dos ímãs supercondutores
Alta densidade de corrente e forte campo magnético: Os materiais supercondutores atingem resistência zero abaixo da temperatura crítica, podem transportar densidades de corrente extremamente altas, gerar campos magnéticos fortes e consumir quase nenhuma energia. Em comparação com a tecnologia tradicional de modelagem de material ferromagnético, os ímãs supercondutores podem produzir gradientes de campo magnético mais acentuados para atender aos requisitos de alta intensidade de campo.
1. Custo-benefício
Os ímãs supercondutores pequenos são superiores aos ímãs convencionais em termos de força de campo e estabilidade, além de serem mais baratos. Os grandes ímãs supercondutores tornam-se mais econômicos do que os eletroímãs convencionais que consomem muita energia, pois funcionam por mais tempo. No entanto, para aplicações abaixo de 1T e com requisitos de baixa estabilidade, as bobinas de cobre resfriadas a água ainda são mais econômicas.
2. Estabilidade de longo prazo
No modo de trabalho de longo prazo, a constante de tempo L/R do ímã supercondutor é extremamente longa, e o campo magnético pode permanecer altamente estável por dias ou até meses, o que é particularmente adequado para experimentos que exigem média de sinal de longo prazo.
3. Design compacto
A alta densidade de corrente torna os ímãs supercondutores pequenos, ocupando menos espaço no laboratório, e é adequada para ambientes com restrições de espaço.
Tecnologia de resfriamento
Os ímãs supercondutores precisam ser resfriados abaixo da temperatura crítica para manter o estado supercondutor. Há dois métodos comuns de resfriamento:
Tecnologia de resfriamento líquido
O hélio líquido é o principal refrigerante, e as bobinas supercondutoras são colocadas em um criostato para garantir que a temperatura esteja abaixo do ponto crítico. Para reduzir a evaporação do hélio líquido, o nitrogênio líquido é normalmente usado na camada externa do criostato para resfriamento auxiliar, o que reduz significativamente os custos operacionais.
Tecnologia de resfriamento mecânico
É usado um refrigerador Gifford-McMahon ou de tubo de pulso. O primeiro estágio (77K) fornece resfriamento auxiliar para o criostato, e o segundo estágio (4,2K, potência de resfriamento <2W) resfria diretamente as bobinas supercondutoras. Os refrigeradores de tubo de pulso usam processos acústicos, têm baixa vibração e longos intervalos de manutenção, e estão gradualmente se tornando comuns, especialmente adequados para sistemas supercondutores de longo prazo.
Materiais supercondutores e desempenho
O desempenho dos ímãs supercondutores é limitado pela temperatura crítica (Tc), pelo campo magnético crítico (Hc) e pela corrente crítica (Ic) do material. Os materiais comumente usados são:
Titânio nióbio (NbTi): temperatura crítica de 10K, suporta campo magnético de 9-10T a 4,2K e pode atingir 9,5-10T a 2K, adequado para área de campo baixo e requisitos de estabilidade de longo prazo de ressonância magnética nuclear.
Nióbio-estanho (Nb3Sn): temperatura crítica de 18K, suporta 23T a 2,2K (maior a 4,2K), adequado para área de campo alto.
Supercondutor de alta temperatura (HTS): suporta até 45T de campo magnético a 4,2K, adequado para inserções de campo magnético ultra-alto e condutores de corrente, reduzindo o vazamento de calor.
Avanço do ímã supercondutor: ímã totalmente supercondutor de 32T
Em 1819, Oersted descobriu que a corrente elétrica gera um campo magnético, estabelecendo a base para os eletroímãs. A descoberta da supercondutividade no século XX levou a um salto na força dos ímãs, com os ímãs supercondutores comerciais atingindo 23T, mais de 2.000 vezes mais fortes do que os ímãs comuns.
Em 2017, o Laboratório Nacional de Alto Campo Magnético da Flórida desenvolveu um ímã totalmente supercondutor de 32T, que foi colocado em uso em 2019. O ímã combina supercondutividade de baixa temperatura e supercondutividade de alta temperatura para aumentar significativamente a força do campo. Um campo magnético de 32T gera mais de 300 toneladas de estresse. A bobina é impregnada com resina epóxi e colocada em uma câmara de vácuo para melhorar a estrutura da força de Lorentz.
Aplicações de ímãs supercondutores
Ressonância magnética nuclear e espectroscopia: Os ímãs supercondutores de alto campo proporcionam alta resolução e estabilidade, impulsionando a pesquisa biomédica, química e física.
Oscilações quânticas e ciência dos materiais: revelando o comportamento quântico de metais complexos e sólidos moleculares.
Nanotecnologia: Os ímãs de 32T ajudam a manipular estruturas atômicas/moleculares na escala de 1-100 nm para otimizar a resistência do material, o desempenho catalítico e a condutividade.
Aceleradores de partículas: apoiam experimentos de física de alta energia.
Reatores de fusão: fornecem campos magnéticos fortes, controlam o plasma e promovem o desenvolvimento de energia limpa em projetos como o ITER.
Trilho maglev: Usado para a suspensão, orientação e propulsão do sistema maglev do Japão para obter um transporte eficiente.
Conclusão
Os ímãs supercondutores estão remodelando as fronteiras da ciência e da tecnologia com seu excelente desempenho e amplas perspectivas de aplicação. Com o avanço da ciência dos materiais e da tecnologia de engenharia, a próxima geração de ímãs supercondutores trará soluções mais eficientes e econômicas, injetando um novo ímpeto na exploração humana do desconhecido e resolvendo desafios globais.
Dedico-me a escrever artigos científicos populares sobre ímãs. Meus artigos se concentram principalmente em seus princípios, aplicações e anedotas do setor. Nosso objetivo é fornecer aos leitores informações valiosas, ajudando todos a entender melhor o encanto e a importância dos ímãs. Ao mesmo tempo, estamos ansiosos para ouvir suas opiniões sobre as necessidades relacionadas aos ímãs. Fique à vontade para nos seguir e interagir conosco enquanto exploramos juntos as infinitas possibilidades dos ímãs!
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