Bei den hohen Temperaturen auf der Sonne verschmelzen Wasserstoffkerne zu Helium (Kernfusion) und liefern dabei gewaltige Energien. Seit geraumer Zeit versuchen Wissenschaftler diesen Fusionsprozess auf der Erde nachzubilden. Dabei werden extrem heiße Gase (T ca. 106 K), die bei diesen Temperaturen schon ionisiert sind (man bezeichnet sie dann als Plasma) in Behältern eingeschlossen. Da sich das Plasma beim Kontakt mit der kalten Behälterwand abkühlen und verunreinigen würde, hält man es mit Hilfe von starken Magnetfeldern von der Behälterwand fern. Eines der größten Zentren für Plasmaphysik befindet sich in Garching bei München. Hier studiert man im sogenannten Hochfeldlabor den Umgang mit extrem starken Magnetfeldern bis zu 4 Tesla.
Hinweis:
Diese Felder sind etwa tausendmal so stark, wie die Magnetfelder, die wir in der Schule verwenden.
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Die eigentlichen Magnetspulen befinden sich in einem Vakuumbehälter, der die Kühlung unterstützt. Der Innenbereich ('Bohrung') mit dem homogenen Magnetfeld hat einen Durchmesser von 40 cm. Die gesamte Anordnung wiegt ca. 400kg. Um eine Feldstärke von 4 Tesla zu erreichen, ist ein Strom von 88A notwendig. Damit dieser ohne allzu große thermische Verluste fließen kann, bestehen die eigentliche Magnetspulen aus einer supraleitenden Metalllegierung. Diese leitet den elektrischen Strom ohne Verluste, muss dafür jedoch auf eine Temperatur von ca. 4 Kelvin (= -269oC!) gebracht werden. Die Kühlung geschieht mit Hilfe von flüssigem Helium. Nach ca. 6 Tagen Abkühlzeit wird die Betriebstemperatur von 3-4 Kelvin erreicht. |
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| Die Stärke des Magnetfeldes wird im nebenstehenden Bild augenfällig. Prof. Havnes zeigt, dass schon bei der Magnetfeldstärke von 1Tesla ein Schraubenschlüssel mit dem Mehrfachen seines Eigengewichts in den Magneten gezogen wird. Er richtet sich längs der Magnetfeldlinien aus, so dass es kaum möglich ist, ihn in eine andere Richtung zu drehen. |
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| Da Kupfer kein ferromagnetisches Material ist, wird es vom Magneten nicht angezogen. Stellt man den Kupferring mit seiner Fläche vertikal im Magneten auf, so kann es bis zu einer Minute dauern bis er umfällt. Sie werden dieses Phänomen verstehen können, wenn Sie das Gesetz von Lenz beim Kapitel "Induktion" erlernt haben. |
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Lässt man eine 5-Cent-Münze außerhalb des Magneten los, so wird diese in den Magneten hineingezogen. Durch ihr Trägheit schießt sie durch die Bohrung hindurch und kehrt auf der anderen Seite um. Bei 2 Tesla Feldstärke pendelt sie frei schwebend bis zu 10mal durch den Magneten hindurch, bis sie schließlich an die Innenwand stößt und dort haften bleibt.
Aufgabe:
- Erklären Sie die Anziehung des Schraubenschlüssels bzw. das Hin- und Herpendeln der Münze.
- Warum unterstützt der Vakuumbehälter den Kühlvorgang der Spulen?
Die Informationen zu dieser Seite stammen vom Max-Planck-Institut für extraterristrische Physik.