Для создания сверхмощных магнитных полей необходимы сверхнизкие температуры
Центр управления экспериментами с высоты птичьего полета
Центр управления экспериментами в лаборатории NHMFL
Пока открыто всего десять таких звезд. Сила поля у этой звезды составляет 100 млрд Тл (в международной системе единиц магнитное поле измеряется в теслах). Для сравнения — у Земли всего 0,00005 Тл. Вряд ли мы когда-нибудь создадим магнит сопоставимой с магнетаром мощности. Но это не значит, что мы не пытаемся. Причины, по которым ученые упорно пытаются построить все более и более мощные магниты, варьируются от «а что будет, если?..» до реальной необходимости улучшить медицинское проекционное оборудование.
Рекорд пока принадлежит специалистам из Национальной лаборатории высоких магнитных полей (NHMFL), расположенной в городе Таллахасси (Флорида). В декабре 1999 года они запустили гибридный магнит. Он весит 34 т, высота его — почти 7 м, и он может создать магнитное поле в 45 Тл, что примерно в миллион раз больше, чем у Земли. Этого уже достаточно, чтобы свойства обычных электронных и магнитных материалов сильно изменились.
Этот магнит, разработанный NHMFL, представляет собой очень важную веху в строительстве МКС, считает руководитель лаборатории Джек Кроу.
Это вам не подкова
Если вы представили себе гигантскую подкову, вас ждет разочарование. Флоридский магнит (см. фото сверху) фактически представляет собой два, работающие в системе. Внешний слой — это сверхохлажденный, сверхпроводящий магнит. Он самый большой из когда-либо созданных такого рода. Его все время охлаждают до температуры, близкой к абсолютному нулю. Используется для этого система со сверхтекучим гелием — единственная в США, специально созданная для охлаждения данного магнита. А в центре хитрой штуковины заключен массивный электромагнит, то есть очень большой резистивный магнит.
Несмотря на гигантские размеры системы, построенной в NHMFL, площадка для экспериментов чрезвычайно мала. Обычно эксперименты проводят над объектами размером не больше кончика карандаша. При этом образец заключают в бутылочку, вроде термоса, чтобы сохранить низкую температуру.
Когда материалы подвергаются воздействию сверхвысоких магнитных полей, с ними начинают твориться очень странные вещи. Например, электроны «танцуют» на своих орбитах. А когда напряженность магнитного поля превышает 35 Тл, свойства материалов становятся неопределенными. Например, полупроводники могут менять свойства туда-сюда: в один момент проводить ток, в другой — нет.
Кроу говорит, что мощность флоридского магнита в течение пяти лет будет постепенно увеличена до 47, затем 48 и в конечном счете до 50 Тл, а результаты исследований уже превзошли самые смелые его ожидания: «Мы получили все, на что надеялись, и гораздо больше. Наши коллеги теперь одолевают нас просьбами предоставить им возможность тоже экспериментировать».
Применение в медицине
В то время как NHMFL концентрирует свои усилия на «чистых» исследованиях, большая часть разработок в сфере мощных магнитов продиктована необходимостью развития медицинской техники. Институт мозга при Университете штата Флорида утверждает, что ему принадлежит самый большой магнит из всех используемых в томографии. Этот 24-тонный «бегемот» может обнаружить в мозгу и позвоночнике длинный список болезней и изъянов. Его мощность 11,7 Тл, что в 234 тысячи раз больше, чем у Земли.
Чем сильнее магнитное поле, тем точнее и детальнее результаты, которые можно получить при использовании технологий вроде ядерного магнитного резонанса (ЯМР). Один из текущих проектов призван показать влияние паралича и лекарств, применяемых для его излечения, на клетки мозга. Исследование функционального ЯМР (фЯМР) покажет, сколько лекарства в точности потребили какие клетки.
Технологии ЯМР и фЯМР работают так. Сначала при помощи мощного магнитного поля ядра клеток выстраиваются в ряд, как иглы компаса. Затем менее мощный магнит поворачивает ядра. При этом вырабатывается измеримый сигнал, который фиксируется и при помощи компьютеров преобразуется в трехмерное изображение. Чем мощнее магниты, тем больше ядер среагируют на сигнал. В отличие от рентгеновских лучей, которые показывают кости и твердые ткани, ЯМР концентрируется на тканях мягких.
Все расширяющееся использование магнитов в медицине вызывает естественный вопрос — а полезно ли это? В последние годы было много споров на тему влияния близлежащих линий электропередач на людей и животных. Но изза того, что сила магнитного поля падает очень быстро, человек, живущий в какихнибудь 15 м от линии электропередач, получает всего два миллигаусса (мГс). Последние исследования говорят в пользу версии, что это не оказывает никакого влияния на человека.
С другой стороны, не обнаружено и абсолютно никакого положительного влияния от «нательных» магнитов, которые часто продают как универсальное средство от всех болезней — в том числе, артрита. Но миллионы людей по всему земному шару это не останавливает.
в рубрикеМагнитная сила – это самое важное свойство магнита. Именно от этого показателя зависят его эксплуатационные качества и сфера применения. Силу магнитов измеряют в единицах тесла (Тл). То есть, чтобы узнать, какой магнит самый мощный, нужно провести сравнение различных материалов по этому показателю.
Самый мощный электромагнит
Ученые в разных странах стараются создать самый мощный магнит в мире и порой добиваются очень любопытных результатов. На сегодняшний день статус самого сильного электромагнита удерживает за собой установка в национальной лаборатории в Лос-Аламосе (США). Гигантское устройство из семи наборов катушек общей массой 8,2 тонны вырабатывает магнитное поле мощностью 100 Тл. Этот впечатляющий показатель в 2 миллиона раз превышает силу магнитного поля нашей планеты.
Стоит отметить, что соленоид магнита-рекордсмена произведен из российского нанокомпозита медь-ниобий. Этот материал разработан учеными Курчатовского института при содействии ВНИИ неорганических материалов им. А. А. Бочвара. Без этого сверхпрочного композита новый самый мощный магнит в мире не сумел бы превзойти рекорд предшественника, поскольку главная техническая сложность при работе установок такого уровня – сохранение целостности при воздействии сильнейших магнитных импульсов. Максимальная зафиксированная сила поля электромагнита, который был разрушен импульсами во время эксперимента, составила 730 Тл. В СССР ученые, используя магнит особой конструкции и взрывчатые вещества, сумели создать импульс в 2800 Тл.
медь-ниобий
Полученные в лабораториях магнитные импульсы в миллионы раз превосходят магнитное поле Земли. Но даже самый мощный магнит, который удалось построить на сегодняшний день, в миллионы раз слабее нейтронных звезд. Магнетар SGR 1806−20 обладает магнитным полем силой 100 миллиардов Тесла.
Самый сильный магнит для бытового использования
Конечно, магнитная сила звезд и эксперименты ученых – это интересно, но большинство пользователей хочет узнать, какой магнит самый мощный для решения конкретных прикладных задач. Для этого нужно провести сравнение силы магнитного поля различных видов магнитов:
1) Ферритовые магниты – 0,1..0,2 Тл.
2) Альнико и самариевые магниты – 0,4..0,5 Тл.
3) Неодимовые магниты – до 2 Тл (при сложении в структуру Хабальта).
Итак, самый мощный магнит – это редкоземельный супермагнит, маленький мощный магнитик , главными составляющими которого являются неодим, железо и бор. Сила его поля сопоставима с мощностью электромагнитов с ферритовым сердечником. Магнитный сплав на основе неодима может похвастаться непревзойденными показателями по таким важным параметрам:
1) Коэрцитивная сила.
Это свойство позволяет использовать материал в зоне действия внешних магнитных полей.
2) Усилие на отрыв.
Благодаря максимальной магнитной силе удается уменьшить размер изделий при сохранении высокой мощности сцепления.
3) Остаточная магнитной индукции.
Высокий показатель остаточной намагниченности обеспечивает очень важное свойство неодимового магнита – длительность сохранения магнитных качеств. По сути, теряя всего несколько процентов своей силы за столетие, магнитный сплав неодим-железо-бор является вечным магнитом.
Чтобы сохранить сильное магнитное поле редкоземельного супермагнита на основе неодима, следует помнить о его уязвимых местах. В частности, материал имеет порошковую структуру, поэтому сильные удары и падения могут привести к потере его свойств. Также сплав размагничиваются при нагреве до +70 ⁰ C (термостойкие версии сплавов выдерживают до +200 ⁰ C ). Просто учитывайте эти особенности и тогда изделия будут приносить вам пользу максимально долго.
В нашем мире существуют масса разных вещей, происхождение которых имеет вполне научное объяснение. Но несмотря на это, они все еще вызывают массу споров и колоссальный интерес у многих людей. Одним из таких наболевших вопросов считается использование самых мощных магнитов. В мире существует масса магнитов, каждый из которых по-своему уникален. Но какой из них самый мощный?
Необычная и мощная звезда-магнит
Магнитная нейтронная звезда, именуемая «Гамма-ретранслятор 1806-20», является самым мощным магнитным объектом во Вселенной. Она подавляет достаточную чтобы замедлить локомотив с расстояния в четверть миллиона миль (путь от Земли к Луне).
На данный момент обнаружено только десять таких необычных объектов. При магнитном поле в 100 млрд тесла звезда затмевает Землю. Магнитное поле Земли составляет 0,00005 тесла. Маловероятно, что какое-нибудь рукотворное устройство когда-нибудь приблизится к силе этого самого мощного магнита из космоса.
Мощнейший американский магнит
Самый мощный магнит, разработанный во Флориде, представляет собой технический рубеж по порядку строительства космической станции и является инженерным подвигом. Исследователи из штата Флорида (США), в настоящее время ведут запись с использованием гибридной магнитной системы, введенной в эксплуатацию в девяностых годах. Мощная магнитная система, массой в 35 тонн, имеет магнитное поле в миллион раз превышающее магнитное поле Земли.
Необычный магнит или гигантская подкова
Услышав такое название, сразу приходит на ум огромная подкова. Однако в данном случае все не совеем так. Речь идет об универсальной магнитной системе из Флориды. Она состоит из двух огромных магнитов изогнутой формы, работающих вместе. Наружный слой - это самый мощный магнит имеющий сверхохлаждение и сверхпроводимость. Ему нет равных среди подобных устройств когда-либо созданных человеком. Магнит постоянно охлаждают сверхтекучим гелием до температурных показателей близких к абсолютному нулю. В центре системы расположен огромный резистивный магнит.
Несколько интересных моментов из испытаний
Этот огромный резисторный магнит представляет собой устройство, расположенное в центре комплексного приспособления. Но, несмотря на его размеры, этот супермагнит редко используется. Все дело в том, что для его испытаний была выделена очень маленькая тестовая площадка. Из-за этого испытуемые объекты крохотные и не превышают размеров кончика обычного карандаша.
Более того, в процессе тестирования испытуемый образец необходимо охлаждать до определенной температуры. Для этого он опускается в специальный цилиндрический резервуар с охлаждающей жидкостью.
Применение магнита в медицине
Любой самый мощный магнит с легкостью найдет свое применение в медицине. Использование этих устройств позволяет решить проблему модернизации современного медицинского оборудования.
К примеру, во Флориде находится самый большой магнит, используемый для томографии. Этот 24-тонный гигант позволяет исследовать головной и спинной мозг, выявив не только различные заболевания, но и некогда полученные пациентом травмы. Чем выше магнитное поле, тем точнее результаты. В университете мозга считают, что использование сверхмощных магнитов поможет в исследованиях травм головного и спинного мозга.
В рамках одного из проектов планируется использовать функциональную визуализацию живых клеток при помощи мощного магнита. В ходе эксперимента ученые узнают, насколько повреждается мозговая ткань с течением времени и как лекарственные средства могут на это повлиять.
Технология МРТ, где также нашлось место магнитам, использует мощное магнитное поле для выравнивания клеточных ядер тела. При этом один магнит находится в неподвижном состоянии, а другой вращает ядра и генерирует сигнал. Его-то и считывают компьютеры. Затем они перерабатывают и преобразовывают полученный сигнал в трехмерный визуальный образ.
Влияют ли магниты на человека?
Расширяющееся медицинское использование магнитов вызывает очевидный вопрос: являются ли магнитные поля хорошими или плохими для человеческого тела? В последние годы было много дебатов по поводу последствий жизни вблизи высоковольтных линий электропередач.
Но так как сила магнитного поля падает довольно быстро, кто-то, живущий всего в 50 футах от линии электропередачи, вероятно, испытает не более двух миллигауссов. В последнем исследовании не было оснований полагать, что этот уровень воздействия может оказать пагубное воздействие на организм.
Неодимовые магниты: что и как
Эти магниты являются очень мощными. Они сильные и довольно безопасные, но тяжелые. Некоторые из них могут весить сотни килограммов. Это своеобразные куски из магнитного сплава, наделенного сверхмощной силой сцепления. Такие устройства могут быть облачены в дополнительный стальной корпус, что усилит их вес и сцепление. Также они могут быть лишены подобной дополнительной оболочки. Соответственно, будут обладать меньшим сцеплением и весом.
Благодаря мощи и силе подобных устройств появилась возможность поднимать вверх грузы с весом до 1000 кг.
Для чего нужны поисковые магниты?
Самые мощные поисковые магниты представляют собой небольшие по размеру устройства, используемые для поиска ценных металлических предметов и объектов. Такие находки всегда имеют историческое значение и важны для разного рода исследовательских компаний, археологических обществ и других любителей старинных вещей.
Как правило, они состоят из мощных неодимовых магнитов, резиновых и стальных корпусов, других компонентов. Размеры устройств довольно компактные, поэтому их можно носить в руках. Использовать их можно не только на поверхности, но и в колодцах, болотах, реках. Они могут быть двусторонними и односторонними, а также отличатся своим весом и мощностью.
Мощные и сильные неодимовые магниты
Есть постоянные магниты, которые могут иметь такую же привлекательную силу, как и самые мощные неодимовые магниты. Они называются магнитами AlNiCo. Создаются такие устройства обычно на базе алюминия, кобальта и никеля. При большего размера используется отливка и ее сложные формы.
По словам экспертов, данные виды магнитов обладают прекрасными термическими характеристиками. Благодаря этому они нашли свое применение в производстве тормозных автомобильных систем ABS, изделий с герконовыми переключателями (к примеру, датчиками топливной подачи) и гитарных звукоснимателей.
Как видите, магниты - это важная часть нашей жизни. Они используются в различных сферах нашей деятельности и с разными целями.
Национальная лаборатория высокого магнитного поля (National MagLab) в августе этого года вернула себе титул обладателя «самого сильного резистивного магнита в мире», создав Project 11, индукция которого составила 41,4 Тл. Теперь же они могут похвастаться и самым мощным сверхпроводящим магнитом на всей планете!
Самый мощный магнит
Новый сверхпроводящий магнит, созданный в установке MagLab Tallahassee, генерирует магнитное поле в 32 Тл (что почти на 33% больше, чем у предыдущей модели), за что и получил прозвище 32T. Для сравнения, этот магнит в 3000 раз мощнее, чем те, которыми мы часто украшаем холодильники. По данным MagLab , мировой рекорд, установленный на прошлой неделе, представляет собой одно из самых крупных достижений в сфере магнитных технологий за последние 40 лет.
Грег Бобингер, директор MagLab, в своем пресс-релизе подчеркнул, что 32T — это «настоящая революция в производственном процессе» и отметил, что подобная технология позволит не только проводить эксперименты в лабораторных условиях, но и значительно повысит мощность других научных устройств во всем мире — начиная от рентгеновских установок и заканчивая нейтронными излучателями.
Сверхпроводники играют большую роль в современной индустрии: они используются повсеместно, от сканеров МРТ до реакторов ядерного синтеза и коллайдеров. Поэтому исследователи ожидают, что уже в ближайшем будущем новый супермагнит позволит качественно продвинуться в изучении сразу нескольких областей науки — физики, химии, биологии и даже в изучении квантовой материи. Чтобы облегчить его использование, MagLab уже позволяет ученым со всего мира подавать заявку на возможность поработать с новинкой.
Будущее магнитных технологий
Разумеется, команда не собирается останавливаться на достигнутом. В один прекрасный день сверхпроводящий магнит может быть столь же мощным, как рекордный резистивный магнит лаборатории, хотя инженер MagLab Хуб Вайерс, который курировал конструкцию магнита, предвидит, что технологии пойдут еще дальше.
«Мы открыли огромную новую область для экспериментов», рассказывает Вейерс в пресс-релизе. «Я не знаю, каков ее предел, но он явно превышает 100 Тл. Необходимые материалы существуют. Между нами и мощностью в 100 Тл сейчас находятся лишь доллары и время на разработку необходимых технологий».
Самый мощный магнит на Земле был создан в Лосс-Аламосской национальной лаборатории, США. Он может генерировать магнитное поле в 100.75 Тл (Тесла), что в 2 миллиона раз мощнее магнитного поля Земли, которое составляет 0.00005 Тл. Но это значение — ничто по сравнению с могущественной силой природы, которая создала в глубинах космоса самый мощный магнит, когда-либо обнаруженный человеком.
Этот магнит — одна из разновидностей нейтронной звезды, которая называется магнетаром. Нейтронная звезда рождается, когда массивная звезда, накопив под конец своей жизни слои из различных химических элементов взрывается вспышкой сверхновой. Остающееся после взрыва ядро под действием сил гравитации сжимается настолько сильно, что электроны буквально «входят» в атомные ядра, превращая протоны в нейтроны. В результате, почти вся новородившаяся звезда состоит из нейтронного ядра, а сверху его окружает очень тонкая оболочка из электронов.
Диаметр нейтронной звезды составляет около 20 км — ничто по космическим масштабам. Сколлапсировавшая же звезда могла обладать радиусом несколько миллионов километров, поэтому получившееся в результате вещество обладает невообразимой плотностью — в миллионы раз плотнее воды: одна капля такого вещества весит десятки миллионов тонн. Столь резкий переход от большого размера к малому увеличивает частоту вращения нейтронной звезды и её магнитное поле до умопомрачительных значений.
Нейтронные звезды, обладающие особо сильным магнитным полем и называют магнетарами.
Это интересно: магнитное поле магнетаров настолько мощное, что способно вытянуть все железо из человеческой крови с расстояния в несколько тысяч километров.
Данный тип сколлапсировавших звезд был теоретически открытии в 1992 году, но доказать существование магнетаров на практике удалось лишь в 1998 году, когда один из магнетаров проявил себя мощной вспышкой рентгеновского излучения в созвездии Орла. С развитием техники удалось подтвердить существование в нашей галактике десятков магнетаров, но один из них — SGR 1806-20 – обладает необычайно мощным магнитным полем, составляющим 10 11 Тл (десять в одиннадцатой степени), что в квадриллионы раз сильнее магнитного поля Земли. Дополнительные изучения показали, что магнетар находится на удалении в 50 000 световых лет от Земли, его диаметр вряд ли превышает 20 км, один оборот вокруг своей оси он совершает за 7,5 секунд, а скорость его вращения составляет 30 000 км/ч!
28 декабря 2004 года SGR 1806-20 влияние двадцатикилометрового магнетара, удаленного 50 000 световых лет от Солнечной системы, сполна почувствовала наша Земля – её окрестностей достигло гамма-излучение от взрыва на поверхности магнетара. Подсчитано, что меньше чем за полсекунды SGR 1806-20 выделил количество энергии, эквивалентное количеству энергии, выделяемого Солнцем за 100 000 лет. Если бы человек мог видеть в гамма-диапазоне, то взрыв на поверхности SGR 1806-20 в ночном небе был бы ярче полной луны. Находись магнетар находился в пять раз ближе к Земле — наш озоновый слой был бы уничтожен. Но это не означает, что подобного не может произойти в любую секунду – ведь ближайший от Земли магнетар находится на расстоянии 13 000 световых лет.
