Door Ted Rush – Bijgewerkt op 24 maart 2022

Het verbeteren van de prestaties van een magneet – of het nu een op maat gemaakte supergeleidende spoel is of een conventioneel stuk ijzer – komt vaak neer op één enkele variabele:de temperatuur. Door het materiaal af te koelen kunnen wetenschappers de elektrische weerstand verlagen, de elektronenstroom vergroten en een sterker magnetisch veld genereren. Dit principe ligt ten grondslag aan alles, van hoogwaardige onderzoekslaboratoria tot de MRI-scanners die patiënten over de hele wereld diagnosticeren.

Huidig

De grootheid die een bewegende lading regelt, wordt elektrische stroom genoemd. Wanneer elektronen door een geleider stromen, creëren ze een magnetisch veld. De sterkte van dat veld schaalt met de grootte van de stroom. Bij permanente magneten blijft de elektronenbeweging beperkt tot de atomen zelf, terwijl bij elektromagneten de elektronen de draadwikkelingen passeren.

Stroom verhogen

De stroom kan worden verhoogd door het aantal ladingsdragers te vergroten of te versnellen. De elementaire lading van een elektron is onveranderlijk, dus de praktische route is het verminderen van de weerstand die zijn beweging belemmert. Een lagere weerstand betekent dat elektronen gemakkelijker kunnen accelereren bij een bepaalde spanning, waardoor de stroom en daarmee het magnetische veld toeneemt.

Weerstand

Elektrische weerstand meet hoe sterk een materiaal de stroom van elektronen tegenwerkt. Koper wordt gewaardeerd om zijn lage weerstand, terwijl hout een slechte geleider is omdat de weerstand hoog is. De meest eenvoudige manier om de weerstand van een materiaal te veranderen is door de temperatuur aan te passen.

Temperatuur

De weerstand varieert voorspelbaar met de temperatuur:koelere temperaturen produceren een lagere weerstand. Door geleidende componenten te koelen kunnen ingenieurs de stroom verhogen zonder extra vermogen toe te voegen, waardoor het magnetische veld wordt versterkt. Deze temperatuurafhankelijkheid is een hoeksteen van de moderne magneettechnologie.

Supergeleiders

Sommige materialen vertonen een dramatische daling van de weerstand wanneer ze een kritische temperatuur bereiken – zo dramatisch dat de weerstand nul nadert. Deze supergeleiders laten stroom stromen met een verwaarloosbaar energieverlies, waardoor uitzonderlijk sterke magnetische velden ontstaan. Volgens het leerboek Natuurkunde voor wetenschappers en ingenieurs zijn er duizenden bekende supergeleidende verbindingen. Het High Magnetic Field Laboratory van de Radboud Universiteit in Nijmegen maakt gebruik van dit effect om een magneet zo intens aan te drijven dat zelfs een kikker, die normaal gesproken niet-magnetisch is, boven zijn spoelen kan zweven.