Γιατί οι μαγνήτες λειτουργούν καλύτερα όταν είναι κρύοι;

Η αύξηση της απόδοσης των μαγνητών, είτε πρόκειται για τεχνητές μαγνήτες είτε για κομμάτια σιδήρου, μπορεί να επιτευχθεί μεταβάλλοντας τη θερμοκρασία του υλικού ή της συσκευής. Η κατανόηση της μηχανικής της ροής ηλεκτρονίων και της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης επιτρέπει στους επιστήμονες και τους μηχανικούς να δημιουργήσουν αυτούς τους ισχυρούς μαγνήτες. Χωρίς τη δυνατότητα βελτίωσης των μαγνητικών πεδίων με τη μείωση της θερμοκρασίας, οι ευεργετικοί μαγνήτες υψηλής ισχύος, όπως αυτοί που χρησιμοποιούνται σε μηχανήματα μαγνητικής τομογραφίας, θα ήταν απρόσιτοι.

Η παράμετρος που περιγράφει μια κινούμενη φόρτιση ονομάζεται τρέχουσα. Ένα μαγνητικό πεδίο δημιουργείται όταν ένα ρεύμα κινείται μέσω ενός υλικού. Η αύξηση του ρεύματος δημιουργεί ένα πιο ισχυρό μαγνητικό πεδίο. Για την πλειονότητα των υλικών, το φορτισμένο σωματίδιο σε κίνηση είναι το ηλεκτρόνιο. Στην περίπτωση ορισμένων μαγνητών, όπως μόνιμοι μαγνήτες, αυτές οι κινήσεις είναι πολύ μικρές και συμβαίνουν εντός των ατόμων του υλικού. Στους ηλεκτρομαγνήτες, η κίνηση συμβαίνει όταν τα ηλεκτρόνια ταξιδεύουν μέσω ενός πηνίου καλωδίων.

Αυξάνοντας είτε το φορτίο του σωματιδίου είτε την ταχύτητα με την οποία κινείται αυξάνει το ρεύμα. Δεν μπορούν να γίνουν πολλά για αύξηση ή μείωση του φορτίου του ηλεκτρονίου - η τιμή του είναι σταθερή. Αυτό που μπορεί να γίνει, ωστόσο, είναι η αύξηση της ταχύτητας με την οποία ταξιδεύει το ηλεκτρόνιο και αυτό μπορεί να επιτευχθεί μειώνοντας την αντίσταση.

Η αντίσταση, όπως υπονοεί η λέξη, εμποδίζει τη ροή του ρεύματος. Κάθε υλικό έχει τη δική του τιμή αντίστασης. Για παράδειγμα, ο χαλκός χρησιμοποιείται για ηλεκτρικές καλωδιώσεις επειδή έχει πολύ χαμηλή αντίσταση, ενώ ένα τεμάχιο ξύλου έχει πολύ υψηλή αντίσταση και δημιουργεί έναν κακό αγωγό. Ο ευκολότερος τρόπος για να αλλάξετε την αντίσταση ενός υλικού είναι να αλλάξετε τη θερμοκρασία του.

Η αντίσταση εξαρτάται άμεσα από τη θερμοκρασία - όσο χαμηλότερη είναι η θερμοκρασία του υλικού, τόσο χαμηλότερη είναι η αντίσταση. Αυτό το αποτέλεσμα αυξάνει το ρεύμα και συνεπώς την ισχύ του μαγνητικού πεδίου. Η μείωση της θερμοκρασίας των αγώγιμων υλικών είναι ο ευκολότερος και πιο αποτελεσματικός τρόπος για να φτιάξετε τους ισχυρούς μαγνήτες που χρησιμοποιούνται σήμερα.

Ορισμένα υλικά έχουν θερμοκρασίες στις οποίες η αντίσταση μειώνεται σχεδόν στο μηδέν. Αυτό κάνει το ρεύμα σχεδόν ακριβώς ανάλογο με την τάση και δημιουργεί πολύ ισχυρά μαγνητικά πεδία. Αυτά τα υλικά είναι γνωστά ως υπεραγωγοί. Σύμφωνα με τη Φυσική για Επιστήμονες και Μηχανικούς, η γνωστή λίστα αυτών των υλικών αριθμεί χιλιάδες. Με βάση αυτήν την αρχή, το Εργαστήριο Υψηλού Μαγνητικού Πεδίου στο Πανεπιστήμιο Radboud στο Nijmegen, Κάτω Χώρες, λειτουργεί έναν μαγνήτη που είναι τόσο ισχυρός που συνήθως μη μαγνητικά αντικείμενα, όπως ένας βάτραχος, μπορούν να αιωρηθούν σε ένα μαγνητικό πεδίο.