מדוע מגנטים עובדים טוב יותר כשהם קרים?

ניתן להשיג את הגדלת היעילות של מגנטים, בין אם הם מגנטים מוליכים על ידי אדם או חתיכות ברזל, על ידי שינוי טמפרטורת החומר או המכשיר. הבנת המכניקה של זרימת אלקטרונים ואינטראקציה אלקטרומגנטית מאפשרת למדענים ומהנדסים ליצור מגנטים חזקים אלה. ללא יכולת לשפר שדות מגנטיים על ידי הורדת טמפרטורה, מגנטים מועילים בעוצמה גבוהה, כמו אלה המשמשים במכונות MRI, יהיו מחוץ להישג ידם.

הפרמטר המתאר מטען נע נקרא זרם. שדה מגנטי נוצר כאשר זרם נע דרך חומר. הגדלת הזרם מייצרת שדה מגנטי חזק יותר. עבור רוב החומרים, החלקיק הטעון בתנועה הוא האלקטרון. במקרה של מגנטים מסוימים, כגון מגנטים קבועים, תנועות אלה קטנות מאוד ומתרחשות בתוך אטומי החומר. באלקטרומגנטים התנועה מתרחשת כאשר אלקטרונים עוברים דרך סליל חוט.

הגדלת המטען של החלקיק או המהירות בה הוא נע מגדילה את הזרם. לא ניתן לעשות הרבה כדי להגדיל או להקטין את מטען האלקטרון - ערכו קבוע. מה שניתן לעשות, לעומת זאת, הוא הגדלת המהירות בה נע האלקטרון, וניתן להשיג זאת באמצעות הורדת ההתנגדות.

התנגדות, בדיוק כמו שמשמעות המילה, מונעת את זרימת הזרם. לכל חומר ערך התנגדות משלו. לדוגמא, נחושת משמשת לחיווט חשמלי מכיוון שיש לו עמידות נמוכה מאוד, ואילו לגוש עץ יש עמידות גבוהה מאוד והופך מוליך גרוע. הדרך הקלה ביותר לשנות את התנגדות החומר היא לשנות את הטמפרטורה שלו.

ההתנגדות תלויה ישירות בטמפרטורה - ככל שטמפרטורת החומר נמוכה יותר, ההתנגדות נמוכה יותר. השפעה זו מגדילה את הזרם ולכן את חוזק השדה המגנטי. הורדת טמפרטורה של חומרים מוליכים היא הדרך הקלה והיעילה ביותר לייצר מגנטים חזקים המשמשים כיום.

לחומרים מסוימים יש טמפרטורות בהן ההתנגדות צונחת כמעט לאפס. זה הופך את הזרם לדיוק יחסית למתח ויוצר שדות מגנטיים חזקים מאוד. חומרים אלה ידועים כמוליכים-על. על פי פיסיקה למדען ומהנדסים, הרשימה הידועה של חומרים אלה מונה אלפים. בהתבסס על עיקרון זה, המעבדה לשדה מגנטי גבוה באוניברסיטת רדבו בניגמן, הולנד, מפעיל מגנט חזק כל כך עד שבדרך כלל ניתן לרחף עצמים שאינם מגנטיים, כגון צפרדע, במגנט שדה.