miniatura|Esquema de um ímã supercondutor de 20 teslas com abertura vertical|391x391px Um ímã supercondutor é um eletroímã feito de bobinas de fio supercondutor. Durante o funcionamento, os enrolamentos precisam ser resfriados a temperaturas criogênicas. No estado supercondutor, o fio não apresenta resistência elétrica e pode conduzir correntes elétricas muito maiores que um fio comum, produzindo campos magnéticos intensos. Ímãs supercondutores podem produzir campos magnéticos mais fortes que quase todos os eletroímãs não supercondutores, e grandes ímãs supercondutores podem ter custos de operação menores porque não há dissipação de energia na forma de calor nos enrolamentos. São usados em aparelhos de imagem por ressonância magnética em hospitais e em equipamentos científicos, como espectrômetros de ressonância magnética nuclear (RMN), espectrômetros de massa, reatores de fusão e aceleradores de partículas. Também são empregados na levitação, orientação e propulsão do sistema ferroviário de levitação magnética SCMaglev, usado no Chuō Shinkansen em construção no Japão.
Construção
Resfriamento Durante a operação, os enrolamentos do ímã precisam ser resfriados abaixo de sua temperatura crítica, na qual o material passa do estado resistivo normal para o estado supercondutor. Essa temperatura situa-se na faixa criogênica, muito abaixo da temperatura ambiente. Em geral, os enrolamentos são resfriados a temperaturas consideravelmente inferiores à sua temperatura crítica, pois temperaturas menores permitem que suportem correntes e campos magnéticos mais elevados sem retornar ao estado não supercondutor. Dois tipos de sistemas de resfriamento são usados com frequência para manter os enrolamentos em temperaturas adequadas à supercondutividade.
Resfriamento por líquido O hélio líquido é usado como refrigerante em muitos enrolamentos supercondutores. Seu ponto de ebulição é de 4,2 K, muito abaixo da temperatura crítica da maioria dos materiais empregados nos enrolamentos. O ímã e o refrigerante ficam em um recipiente termicamente isolado, geralmente do tipo Dewar, chamado criostato. Para reduzir a evaporação do hélio, o criostato pode ter uma camisa externa contendo nitrogênio líquido, muito mais barato, a 77 K.
Outra solução emprega um escudo térmico de material condutor mantido entre 40 e 60 K e resfriado por condução a partir da cabeça fria de um criorefrigerador. Esse escudo envolve o recipiente de hélio e reduz a entrada de calor. Uma das metas do desenvolvimento de supercondutores de alta temperatura é produzir ímãs que possam ser resfriados apenas com nitrogênio líquido. Sistemas operando em temperaturas da ordem de 20 K ou superiores também podem ser resfriados diretamente por criorefrigeradores, sem a evaporação contínua de líquidos criogênicos.
Resfriamento mecânico O custo elevado e a disponibilidade limitada de hélio líquido estimularam o uso de sistemas supercondutores resfriados por refrigeração mecânica de dois estágios. Em geral, empregam-se criorefrigeradores capazes de manter os ímãs abaixo de sua temperatura crítica.
O criorefrigerador Gifford-McMahon está disponível comercialmente desde a década de 1960 e passou a ter amplo uso.W. E. Gifford e R. C. Longsworth. "Pulse tube refrigeration". Trans. ASME, J. Eng. Ind., 63, 264, 1964.W. E. Gifford e R. C. Longsworth. "Surface heat pumping". Advances in Cryogenic Engineering, 11, 171, 1965.R. C. Longsworth. "An experimental investigation of pulse tube refrigeration heat pumping rate". Advances in Cryogenic Engineering, 12, 608, 1967. O ciclo regenerativo Gifford-McMahon usa um deslocador do tipo pistão e um trocador de calor. Em 1999 ocorreu a primeira aplicação comercial de um criorefrigerador de tubo de pulso. Esse projeto tornou-se mais comum por produzir pouca vibração e permitir intervalos longos entre manutenções, pois utiliza um processo acústico em vez do deslocamento mecânico.
Em um refrigerador típico de dois estágios, o primeiro estágio oferece maior capacidade de refrigeração a uma temperatura mais alta, por volta de 77 K, enquanto o segundo pode chegar a cerca de 4,2 K com menos de 2,0 W de capacidade de refrigeração. O primeiro estágio é usado principalmente para o resfriamento auxiliar do criostato e o segundo para o próprio ímã.
Materiais dos enrolamentos O campo magnético máximo que um ímã supercondutor consegue produzir é limitado pelo campo no qual o material do enrolamento deixa de ser supercondutor, chamado de "campo crítico", Hc. Para os supercondutores do tipo II, esse limite corresponde ao campo crítico superior. Outro fator limitante é a "corrente crítica", Ic, acima da qual o material também deixa de ser supercondutor. O desenvolvimento de ímãs supercondutores tem envolvido a criação de materiais de enrolamento com limites mais elevados.
As partes supercondutoras da maioria dos ímãs são feitas de nióbio-titânio. Esse material tem temperatura crítica próxima de 10 K e pode permanecer supercondutor em campos de até cerca de 15 T. Ímãs mais caros podem ser feitos de nióbio-estanho, Nb3Sn, cuja temperatura crítica é de 18 K. A 4,2 K, esse material suporta campos magnéticos na faixa de 25 a 30 T. A fabricação dos filamentos necessários, porém, é muito mais difícil. Por isso, alguns ímãs combinam Nb3Sn nas regiões de campo mais intenso e NbTi nas regiões de campo mais baixo. Vanádio-gálio é outro material empregado em insertos de campo elevado.
Supercondutores de alta temperatura, como BSCCO e YBCO, podem ser usados em insertos de campo elevado quando são necessários campos além da capacidade do Nb3Sn. BSCCO, YBCO e diboreto de magnésio também podem ser empregados em terminais de corrente, conduzindo correntes elevadas da temperatura ambiente até o ímã frio com menor entrada de calor que terminais resistivos convencionais.
Estrutura do condutor Os enrolamentos das bobinas de um ímã supercondutor são feitos de fios ou fitas de supercondutores do tipo II, como nióbio-titânio ou nióbio-estanho. O fio ou a fita pode conter pequenos filamentos supercondutores, com cerca de 20 μm de espessura, incorporados em uma matriz de cobre. O cobre acrescenta estabilidade mecânica e oferece um caminho de baixa resistência para as grandes correntes caso a temperatura ultrapasse Tc ou a corrente exceda Ic, fazendo o material perder a supercondutividade.
A divisão do supercondutor em filamentos finos reduz instabilidades magnéticas conhecidas como saltos de fluxo e diminui efeitos de magnetização. A matriz de cobre também ajuda a estabilizar o condutor e conduz temporariamente a corrente quando uma região deixa o estado supercondutor. A bobina deve ser projetada para suportar ou compensar a pressão magnética e as forças de Lorentz, que poderiam causar a ruptura do fio ou o esmagamento do isolamento entre espiras adjacentes.
Operação miniatura|Ímã supercondutor de abertura horizontal e campo de 7 T, parte de um espectrômetro de massa. O ímã propriamente dito fica dentro do criostato cilíndrico.
Fonte de alimentação A corrente dos enrolamentos da bobina é fornecida por uma fonte de alimentação de corrente contínua de alta corrente e tensão muito baixa, pois, em regime estacionário, a única queda de tensão no ímã resulta da resistência dos fios de alimentação. Qualquer alteração na corrente do ímã precisa ser feita lentamente. Ele funciona eletricamente como um grande indutor, e uma mudança abrupta de corrente produziria um grande pico de tensão nos enrolamentos. Alterações rápidas também podem causar correntes de Foucault e tensões mecânicas nos enrolamentos, capazes de desencadear um quench.
A fonte de alimentação costuma ser controlada por microprocessador e programada para alterar a corrente gradualmente, por meio de rampas suaves. Em um ímã de laboratório, a energização ou desenergização costuma levar vários minutos.
Modo persistente Um modo de operação usado por muitos ímãs supercondutores consiste em colocar os enrolamentos em curto-circuito por meio de um trecho de material supercondutor depois que o ímã é energizado. Os enrolamentos formam então um circuito supercondutor fechado, a fonte de alimentação pode ser desligada e correntes persistentes podem circular por meses, mantendo o campo magnético.
A vantagem desse "modo persistente" é que a estabilidade do campo magnético pode superar a obtida com as melhores fontes de alimentação, além de não ser necessária energia elétrica para alimentar os enrolamentos. O curto-circuito é feito por uma "chave persistente", formada por um trecho de supercondutor instalado dentro do ímã entre as extremidades do enrolamento e acoplado a um pequeno aquecedor.E. D. Adams e J. M. Goodkind. "Cryostat for Investigations to Temperatures below 0.02 K". Cryogenics, vol. 3, p. 83, 1963.
Quando o ímã é ligado, o fio da chave é aquecido acima de sua temperatura de transição, tornando-se resistivo. Como o próprio enrolamento não tem resistência, praticamente nenhuma corrente passa pelo fio da chave. Para entrar no modo persistente, ajusta-se a corrente da fonte até obter o campo magnético desejado e, em seguida, o aquecedor é desligado. A chave esfria até a temperatura supercondutora, fechando o circuito dos enrolamentos. A fonte de alimentação pode então ser desligada.
A corrente do enrolamento e o campo magnético não persistem literalmente para sempre. Eles decaem lentamente de acordo com uma constante de tempo indutiva normal, L/R:
em que é uma pequena resistência residual dos enrolamentos supercondutores, causada pelas junções ou por fenômenos de movimento de fluxo magnético. Quase todos os ímãs supercondutores comerciais destinados ao modo persistente têm uma chave desse tipo.
O aquecedor é um pequeno elemento resistivo que se aquece pelo efeito Joule. Na prática, ele é alimentado por uma fonte externa controlada por corrente, geralmente fornecendo algumas dezenas de miliampères a alguns volts, para elevar a chave supercondutora acima de sua temperatura de transição.
Quench do ímã Um quench é uma interrupção anormal do funcionamento do ímã causada pela passagem de uma parte da bobina supercondutora ao estado normal, ou resistivo. Isso pode ocorrer porque o campo no interior do ímã é intenso demais, porque a taxa de variação do campo é muito alta e produz correntes de Foucault e aquecimento na matriz de cobre, ou pela combinação desses fatores. Com menor frequência, um defeito no ímã também pode desencadear um quench.
Quando isso acontece, o ponto afetado sofre rápido aquecimento Joule devido à enorme corrente, elevando a temperatura das regiões vizinhas. Essas regiões também passam ao estado normal e produzem mais calor, em uma reação em cadeia. O ímã inteiro pode passar rapidamente ao estado normal, em um processo que leva alguns segundos, dependendo do tamanho da bobina.
O processo pode ser acompanhado por um forte ruído enquanto a energia armazenada no campo magnético é transformada em calor e o fluido criogênico entra rapidamente em ebulição. A queda abrupta da corrente pode produzir picos de tensão indutiva da ordem de quilovolts e arcos elétricos. Danos permanentes ao ímã são pouco frequentes, mas componentes podem ser danificados por aquecimento localizado, altas tensões ou grandes forças mecânicas. Na prática, os ímãs costumam ter dispositivos de segurança para interromper ou limitar a corrente assim que o início de um quench é detectado. Em um ímã grande, o vapor inerte produzido pela evaporação do fluido criogênico pode causar risco de asfixia ao deslocar o ar respirável.
Uma grande parte dos ímãs supercondutores do Grande Colisor de Hádrons (LHC), do CERN, sofreu um quench inesperado durante as operações iniciais em 2008, o que exigiu a substituição de diversos ímãs. Para reduzir os danos que um evento desse tipo pode causar, os ímãs supercondutores do LHC têm aquecedores de rápida atuação acionados pelo sistema de proteção assim que um quench é detectado.