k k lj Jaka magnetska polja
k k lj Jaka magnetska polja
k k lj Jaka magnetska polja
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
Zem<strong>lj</strong>a<br />
Štapni magnet<br />
Sunčeve pjege<br />
MRI<br />
½ G = 5 x10 -5 T<br />
100 G= 0.01 T<br />
1000 G=0.1 T<br />
2000 G=0.2 T<br />
<strong>Jaka</strong> <strong>magnetska</strong> po<strong>lj</strong>a<br />
Nove tehnologije u<br />
elektroenergetici<br />
2009<br />
“Hibridni magnet”<br />
(45 T)
Nikola Tesla<br />
Magnetska po<strong>lj</strong>a!<br />
Što je to magnetsko po<strong>lj</strong>e (simbol: B)<br />
• Magnetsko po<strong>lj</strong>e okružuje elekrične struje. Ono stvara silu<br />
koja djeluje na okolne pokretne čestice (elektrone, protone,<br />
itd.)<br />
• F=(naboj)*(brzina čestice)*(magnetsko po<strong>lj</strong>e)<br />
• Jedinica za magnetsko po<strong>lj</strong>e: 1 Tesla (T) = 1 N/(m/s*C)<br />
Elektron koji se kreće u magnetskom po<strong>lj</strong>u
Načini za opisivanje<br />
magnetskih po<strong>lj</strong>a<br />
• Mi obično govorimo o po<strong>lj</strong>ima<br />
koja imaju sjeverni i južni pol.<br />
• To je način da opišemo smjer<br />
po<strong>lj</strong>a ( ono izlazi iz sjevernog i<br />
ulazi u južni pol).<br />
• Že<strong>lj</strong>ezna pi<strong>lj</strong>otina teži postaviti<br />
se duž linija magnetskog po<strong>lj</strong>a.<br />
• Odakle magnetsko po<strong>lj</strong>e u<br />
jednom šipkastom magnetu
Odakle magnetsko po<strong>lj</strong>e<br />
N<br />
• Magnetska po<strong>lj</strong>a potjeću od pokretnih<br />
naboja!<br />
• Obični objekti kao što je že<strong>lj</strong>ezni oksid<br />
proizvodi svoja po<strong>lj</strong>e zbog elektrona<br />
koji se kreću oko atomskih jezgri.<br />
• Slaba <strong>magnetska</strong> po<strong>lj</strong>a nastala od tih<br />
atoma se zbrajaju tvoreći ukupno<br />
magnetsko po<strong>lj</strong>e.<br />
Zašto njih ne možemo koristiti za<br />
stvarane jakih magnetskih po<strong>lj</strong>a<br />
• Ukupno magnetsko po<strong>lj</strong>e je obično<br />
slabo.<br />
• Također, postoje drugi efekti koji<br />
reduciraju to po<strong>lj</strong>e, kao što je efekt<br />
formiranj domena.<br />
Orbitalni elektroni čine svaki atom sličnim magnetu.<br />
S<br />
Formiranje domena u stalnim magnetima
Elektrmagneti<br />
• Što mi uistinu želimo– <strong>magnetska</strong><br />
po<strong>lj</strong>a što ih možemo uk<strong>lj</strong>učiti i<br />
isk<strong>lj</strong>učiti.<br />
• Oersted je prvi pokazao kako<br />
električna struja može stvoriti<br />
<strong>magnetska</strong> po<strong>lj</strong>a jača od<br />
Zem<strong>lj</strong>inog magnetskog po<strong>lj</strong>a<br />
(može otkloniti kompas!)<br />
• Elektromagneti ti – koriste<br />
električna po<strong>lj</strong>a za stvaranje<br />
magnetskih po<strong>lj</strong>a!<br />
• Struja koja prolazi kroz vodič<br />
stvara svoje vlastito po<strong>lj</strong>e.<br />
• Pomoću električnih po<strong>lj</strong>a možemo<br />
stvoriti <strong>magnetska</strong> po<strong>lj</strong>a.<br />
Nema struje , nema mag. po<strong>lj</strong>a<br />
Ima struje, igla kompasa se otklanja<br />
– stvoreno je magnetsko po<strong>lj</strong>e!
Kako odrediti smjer po<strong>lj</strong>a<br />
• Magnetizam je komplicirana<br />
sila!<br />
• Da bi odredili smjer linija po<strong>lj</strong>a<br />
koristimo pravilo desne ruke.<br />
• Palac pokazuje smjer struje, I,<br />
a prsti se zakriv<strong>lj</strong>uju u smjeru<br />
po<strong>lj</strong>a B.<br />
• Kako možemo dobiti<br />
homogeno (uniformno)<br />
magnetsko po<strong>lj</strong>e
Solenoidi i magnetsko po<strong>lj</strong>e<br />
• Zamislimo da smo uzeli ove žice i načinili<br />
pet<strong>lj</strong>e.<br />
• Tako nastaje solenoid. Magnetsko po<strong>lj</strong>e<br />
ima isti smjer za sve pet<strong>lj</strong>e koje čine<br />
solenoid.<br />
• Magnetsko po<strong>lj</strong>e je također prilično<br />
homogeno (ima istu jakost u sredini<br />
solenoida čitavom njegovom du<strong>lj</strong>inom).<br />
L<br />
(n = broj pet<strong>lj</strong>i/L)
Primjena solenoida<br />
Pokretna že<strong>lj</strong>ezna<br />
jezgra<br />
• Starteri automobila: Nakon protoka<br />
struje stvoreno magnetsko po<strong>lj</strong>e<br />
uvlači že<strong>lj</strong>eznu jezgru što dovodi do<br />
pokretanja zamašnjaka.<br />
• Kućno zvono: Ponovno, nakon što<br />
protekne struja, od nje stvoreno<br />
magnetsko po<strong>lj</strong>e pomjera klip koji<br />
udara u zvonce.<br />
• MRI uređaji: Unutar tonusa se<br />
stvaraju jaka <strong>magnetska</strong> po<strong>lj</strong>a koja<br />
postav<strong>lj</strong>aju u red protone što se<br />
nalaze a u <strong>lj</strong>udskom tijelu (u vodi), što<br />
se izražava kao kontrast, ovisan o<br />
koncentraciji vode u danim<br />
organima.<br />
Zvonce
Dobivanje jakih po<strong>lj</strong>a ...<br />
• Ukupno po<strong>lj</strong>e je proporcionalno jačini struje što ga generira (B ~ I).<br />
• Prema tome, povećavanjem jakosti struje možemo dobiti po vo<strong>lj</strong>i<br />
jaka po<strong>lj</strong>a, je li tako<br />
• To nije baš tako!<br />
(Otporni solenoidi ne mogu, samo po sebi, stvoriti jaka <strong>magnetska</strong> po<strong>lj</strong>a)
Otporno zagrijavanje!<br />
• Razlog pa to nije baš tako je<br />
otporno zagrijavanje vod<strong>lj</strong>ivih<br />
žica.<br />
• Elektroni što se kreću unutar<br />
žica se sudaraju jedan s<br />
drugim ne krećući se, dakle,<br />
na idealan način. Njihovom se<br />
kretanju suprostav<strong>lj</strong>a otpor.<br />
• Energija se rasipa (gubi) kao<br />
toplina (otporno zagrijavanje).<br />
• Što je jače električno po<strong>lj</strong>e<br />
koje smo primjenili za<br />
stvaranje struje, više će biti<br />
izgub<strong>lj</strong>ene energije.<br />
• Na koncu, naše će sežice<br />
istopiti.<br />
(tanke žice unutar osigurača)<br />
Tako funkcionira osigurač – žice se tope čim<br />
se dosegne određena jakost truje
Otporni magneti<br />
• Otporni magneti predstav<strong>lj</strong>aju kružne snopove sastav<strong>lj</strong>enih vodiča, kako<br />
bi stvorili magnetsko po<strong>lj</strong>e, kao što to radi solenoid.<br />
• Otvori u vodičima su urađeni u svrhu hlađenja (vodom ili tečnim<br />
helijem na ~ 270 C!<br />
• Čak i s ovim hlađenjem možemo primijeniti struje što mogu dati po<strong>lj</strong>e<br />
jakosti do ~ 30 T (to je prilično impresivno!)<br />
Ove ploče, nakon što se sastave djeluju<br />
kao solenoidi.<br />
Otvori služe za hlađenje
Kako dobiti još jača po<strong>lj</strong>a<br />
• Supravod<strong>lj</strong>ivi magneti!<br />
• U supravodičima nema otpora!
Supravod<strong>lj</strong>ivi magneti!<br />
• Supravodiči vode električnu struju bez<br />
bilo kakvog gubitka energije na<br />
zagrijavanje.<br />
• Kroz supravod<strong>lj</strong>ive solenoide možemo<br />
pustiti struje velikog intenziteta i<br />
proizvesti jaka <strong>magnetska</strong> po<strong>lj</strong>a.<br />
• Oni se naširoko i posvuda koriste za<br />
proizvođenje jakih po<strong>lj</strong>a (naprimjer<br />
MRI). To je jeftiniji iji način od onog što<br />
ga nude otporni magneti.<br />
• Nužno je konstantno hladiti<br />
supravodiče – ne postoje supravodiči<br />
što rade na sobnoj temperaturi!<br />
• The “holy grails” današnje znanosti je<br />
pronaći supravodič koji radi na sobnoj<br />
temperaturi!<br />
Supravodič<br />
Magnet<br />
Taj visokotemperaturni<br />
supravodič je tu negdje!
Supravod<strong>lj</strong>ivost na visokim temperaturama<br />
• Najviša Tc je još uvijek<br />
daleko ispod sobne<br />
temperature ~ 298 K.<br />
• Mi ne znamo zašto su mnogi<br />
od ovih materijala<br />
supravod<strong>lj</strong>ivi, pa ih ne<br />
možemo dizajnirati tako da<br />
imaju že<strong>lj</strong>ena svojstva.<br />
• Nobelova nagrada očekuje<br />
osobu koja će otkriti<br />
supravodič što radi na<br />
sobnoj temperaturi.<br />
Najviše Tc – još su uvijek daleko<br />
Ispod sobne temperature ~ 298 K
Normalni<br />
metal<br />
Supravodič<br />
Uvijek postoji neka “kvaka”<br />
• Dakle, ako načinimo supravod<strong>lj</strong>ivi<br />
solenoid, trebali bi biti u stanju<br />
stvoriti toliko jako po<strong>lj</strong>e koliko nam<br />
je to potrebno, je li tako<br />
Magnet<br />
• Ima tu jedna “kvaka” – magnetsko<br />
po<strong>lj</strong>e razara supravod<strong>lj</strong>ivost!<br />
• U početku, supravodič potiskuje<br />
magnetsko po<strong>lj</strong>e iz svojeg<br />
volumena (Meissnerov efekt).<br />
Supravodič<br />
• Na koncu, magnetsko po<strong>lj</strong>e počinje<br />
prodirati u supravodič i razara<br />
njegovu supravod<strong>lj</strong>ivost.<br />
• Kad se to dogodi supravodič<br />
postaje “normalni” vodič (ima<br />
gubitke kao i normalni metal).<br />
vodič i razarati njegovu supravod<strong>lj</strong>ivost.<br />
Maissnerov efekt se sastoji u tome što su linije<br />
magnetskog po<strong>lj</strong>a odgurnute iz supravodiča.<br />
To se događa sve dok po<strong>lj</strong>e ne dostigne kritičnu<br />
vrijednost, nakon koje one počinju prodirati u<br />
vodič i razarati njegovu supravod<strong>lj</strong>ivost
Vrste supravodiča<br />
• Tip I: Magnetsko po<strong>lj</strong>e je potisnuto<br />
t<br />
dok se ne dostigne prag Bc1.<br />
Nakon dostizanja te vrijednosti,<br />
supravod<strong>lj</strong>ivost biva razorena.<br />
• Tip II: Magnetsko po<strong>lj</strong>e je<br />
potisnuto dok se ne dostigne prag<br />
B c1 . Nakon dostizanja te vrijednosti<br />
materijal je i da<strong>lj</strong>e supravod<strong>lj</strong>iv, ali<br />
neke od linija po<strong>lj</strong>a prodiru u<br />
supravodič. Ove se linije nazivaju<br />
vrtložne (vortex) linije.<br />
• Nakon što se dostigne drugi prag Us supravodičima pa odičimaTipaIIst struja jajošjoš uvijek<br />
B c2 materijal više nije supravod<strong>lj</strong>iv. teče oko vrtloga kroz koje magnetsko po<strong>lj</strong>e<br />
prodire kroz supravodič
Rezime<br />
□ (1) Otporni magneti – možemo ih koristiti sve<br />
dok se ne dostigne prag struje, nakon kojeg<br />
se oni tope.<br />
• Supravod<strong>lj</strong>ivi magneti – možemo ih koristiti<br />
sve dok se ne dostigne prag po<strong>lj</strong>a, tj. sve dok<br />
ne prestanu biti supravod<strong>lj</strong>ivi.<br />
• Kako uistinu možemo postići jaka po<strong>lj</strong>a<br />
• Kombiniranjem otpornih i supravod<strong>lj</strong>ivih<br />
magneta = hibridni id i magnet!
Hibridni magnet<br />
• Hibridni magnet u NHMFL – može<br />
postići 45 T.<br />
• On radi korištenjem unutarnjeg<br />
otpornog magneta i vanjskog<br />
supravod<strong>lj</strong>ivog magneta.<br />
• Supravod<strong>lj</strong>ivi magnet se hladi<br />
pomoću ć tečnog č helija.<br />
• Zašto se supravod<strong>lj</strong>ivi magnet<br />
nalazi na vanjskoj j strani Zbog<br />
činjenice da jaka <strong>magnetska</strong> po<strong>lj</strong>a<br />
razaraju supravod<strong>lj</strong>ivost!
Eksperimenti s impulsnim po<strong>lj</strong>ima<br />
• Što oje ustvari realno ou vezi s jakim po<strong>lj</strong>ima poj a( (tj. ><br />
45 T).<br />
• Možemo ih dostići, ali samo u kratkim periodima<br />
vremena.<br />
• To se postiže pomoću eksperimenata s<br />
“pulsirajućih” po<strong>lj</strong>a koji se provode na mjestima<br />
kao što je Los Alamos.<br />
• Ova po<strong>lj</strong>a mogu se postići razaranjem solenoidnog<br />
magneta pomoću enormnih strujnih impulsa.
Kako provesti ovaj eksperiment<br />
RLC krug<br />
• (1) Uskladištiti veliku količinu energije u kondenzatoru C<br />
• (2) Propustiti (zatvaranjem prekidača S) struju velikog intenziteta<br />
kroz solenoid.<br />
• (3) Obaviti potrebna mjerenja u vremenu kraćem od milisekunde.
Los Alamos<br />
• Pogledati video s eksperimentom na YBCO<br />
• Vrijednosti kritičnih po<strong>lj</strong>a u ovim materijalima su veoma<br />
visoke – za njihovo mjerenje potrebno je imati impulsna<br />
<strong>magnetska</strong> po<strong>lj</strong>a.<br />
Generator korišten za skladištenje<br />
energije za 60 T impulsna po<strong>lj</strong>a
Rezultati!<br />
Kritično po<strong>lj</strong>e YBa₂Cu₃O₇<br />
Za dobivanje ovih<br />
podataka bilo je nužno<br />
proizvesti eksploziju što je<br />
koštala $10,000!<br />
Kao što je bilo i za<br />
očekivati, za razaranje<br />
supravod<strong>lj</strong>ivosti YBCO<br />
potrebna su veoma jaka<br />
po<strong>lj</strong>a<br />
(T)<br />
Kritič čno po<strong>lj</strong>e<br />
Po<strong>lj</strong>e okomito na<br />
slojeve<br />
Po<strong>lj</strong>e paralelno<br />
slojevima<br />
Zašto ne možemo načiniti magnet od 120 T<br />
Temperatura (K)
Put k jačim po<strong>lj</strong>ima ...<br />
• Veoma je teško napraviti YBCO žicu<br />
koja može izdržati ova naprezanja.<br />
• Ut toku su istraživanja na planu<br />
otkrivanja takvih supravod<strong>lj</strong>ivih žica.<br />
• Vrijednosti na soboj temperaturi<br />
• Stabilni materijali što mogu izdržati sile<br />
kod ovih po<strong>lj</strong>a
Change language