Magnetfelter – Niels Bohr Institutet - Københavns Universitet

24. juni 2008

Magnetfelter

Hej igen
Nu er der jo en del mennesker, som er bekymrede over konsekvensen af Large Hadron Colliders mulighed for at danne (mikroskopiske) sorte huller. Jeg er mere bekymret over (størrelsen på) de magnetfelter, som dannes, når LHC tages i brug til maj; under Aries del-eksperimentet vil der blive dannet magnetfelter på op til 8.5 Tesla, hvilket jo er ca. 170,000 x Jordens ca. 50 mikroTesla. 

Har man overvejet, hvad konsekvenserne kan blive, når Jordens magnetfelt rammes vinkelret af en så meget kraftigere elektromganetisk vortex? 

Hvad er risikoen for, at en så kraftig kunstigt frembragt magnetisk vortex skader Jordens magnetfelt permanent eller får Jordens magnetiske poler til at bytte plads?

Hvad er risikoen for, at den roterende ring af kraftige vibrationer fra LHC's magnetspoler, når de induceres på skift, danner stående bølger og interferens ned i magmaen med geologiske forskydninger til følge? 

Med venlig hilsen
B E

P.S. Tak for dit forrige svar, men det er ikke alt, som kun har to poler. Solen og elektrisk 0 (nul) har fire poler; Solen har 1 nordpol og 3 sydpoler, men elektrisk nul har en pluspol, en minuspol, en (magnetisk) nordpol, og en (magnetisk) sydpol.

På Niels Bohr Institutet har vi i mindst 20 år brugt felter i den størrelsesorden, og ofte felter op til 13,5 Tesla.

Felterne frembringes af superledende magneter, og har den angivne størrelse indeni magneten, som er formet som en spole. Alle magnetfelter har mindst 2 poler, man kan godt designe magneter med flere polsæt, men ikke med mindre end 2. Er der flere polsæt, skal der være samme antal "nordpoler" og "sydpoler".

Polerne kan godt være fordelt geometrisk, der løber feltlinjer ud og ind af polerne (feltlinjerne går imod en nordpol og væk fra en sydpol). Det der skal være ens, er det samlede antal feltlinjer, der går ind og ud. Udenfor løber feltet retur omkring magneten, som et meget lavere mere spredt felt, og det kræver måleudstyr for at måle felter, når man er 3 - 4 meter væk.

De superledende magneter på Cern giver næppe større virkning på omgivelserne. Der er i alle tilfælde regnet og gjort overvejelser om den type ting, før et sådant projekt startes. Grunden er, at det altså er meget lokale felter sammenlignet med jordens felter, de når slet ikke ind til de magnetiske dele af jordens indre. Når to magnetfelter mødes, sker der simpelthen det, at man skal lægge de to felter sammen inklusive retning (det der hedder vektoraddition), for at få det  felt der kommer det pågældende sted. Jordfeltet giver altså en ganske lille korrektion på felterne fra de superledende magneter. I LHC - en er felterne iøvrigt konstante, der er ikke tale om et varierende felt i den 27 km ring. Tidligere har tilsvarende lidt svagere felter være leveret af jernmagneter. Virkningen af jordfeltet  ytre sig som en kraft på de superledende magneter, så de skal spædes fast til at klare denne kraft. De varierende felter ligger i de meget mindre foracceleratorerne PS, SPS, LEIR og PSB, hvor protonerne (eller andet f.eks. bly) får den ønskede energi. Kraftige superledende magneter har lange tidskonstanter, når man ønsker at ændre feltet ofte nær halve timer.

De mest udstrakte felter vi nok har her i landet, er de "læge" superledende magneter, der bruges i magnetisk resonans skannere (MRI)  (på næsten alle større hospitaler i dag). Her er det omliggende felt ret udstrakt (måske 10 - 15 m) på grund af hullets og magnetens størrelse (felter omkring 1 - 1,5 T).

Pulsede felter op til 15 T blev fremstillet allerede først i 1900 tallet af den russiske fysiker Peter Kapitza (1894 - 1984) i Cambridge i England. De fremstilledes ved kortslutning af en dynamo med en 3 tons rotor. Denne sendte strømmen igennem en spole med få vindinger kølet med flydende nitrogen.  Han målte noget, der hedder Hall-effekt og magnetoresisstance på næsten alle kendte ledere med den opstilling. Under et besøg i Stalins USSR blev han nægtet udrejse igen, og englænderne sendte hans apparatur derover. Han blev senere formand for USSR videnskabsakademi og var en af de ret få personer, som sagde sin mening (om videnskab i USSR) til Stalin og levede og kunne fortælle om det bagefter.

Man kan lave felter der er endnu større, ca. 10 gange større. Det sker ved at have en kraftig kobberring inde i en solid  spole med en stor strøm, så der er et stort magnetfelt igennem kobberringen. Udenom kobberringen lægges en sprængladning. Når den tændes komprimeres feltet idet ringen mases, og når omkring 150 T. De stoffer man undersøger, spoler og måleelektronik mm. har ikke godt af sprængladningerne, så det er ret dyrt at måle på den måde (og det kræver plads).

Man laver ret store felter med konventionelle magneter, som man kalder Bitter magneter (Francis Bitter 1902 - 1967). Den består af en spole, men i stedet for vindinger er der tykke kobberplader (som en helix), som strømmen går igennem. De ligger så ovenpå hinanden, og igennem dem er boret en masse huller til kølevand. Der er isolation imellem, men begrænsningen består i at kraften imellem vindingerne bliver så stor, at kobberet deformeres (flyder). De laves også i kombination med superledende magneter (USA). Med sådanne magneter har man nået 60 T i 2006. Effekten der anvendes er omkring 50 MW og der kræves vist omkring 1 kubikmeter kølevand i sekundet igennem hullerne.

Jordens magnetfelt kommer, som du også skriver, fra magmaen inde i jorden. Polerne flytter sig noget og har især haft fart på de sidste år, ud over det er feltet blevet lidt svagere. Vi ved fra geologien, at der er sket polskift mange gange i jordens historie, vi nærmer os måske til et igen. Det har så ikke noget med Cern at gøre, men en eksisterende proces i jordens indre. Sker det, at polerne bliver svagere og flipper, vil der komme et forøget strålingsniveau fra rummet i den periode, idet van Allan bælterne udenom jorden jo består af de partikler, som vi beskydes med fra rummet, og som opfanges af jordens magnetflet. Da det er sket før overlever livet nok, men hvilke virkninger det kan have, er svært at vurdere, lufthavet stopper jo også en del stråling.

På Niels Bohr Institutet anvendes de superledende magneter bl.al ved forskning og undervisning i nanofysik ( kvanteeffekter, superledning mm.)

Med venlig hilsen
Malte Olsen