Eletroímã amargo - Bitter electromagnet

Forças diamagnéticas agindo sobre a água dentro de seu corpo levitando um sapo vivo dentro do orifício vertical de 3,2 cm de um solenóide Bitter no Laboratório Nijmegen High Field Magnet, Nijmegen, Holanda. O campo magnético era de cerca de 16 teslas . O vídeo está disponível. [1]

Um eletroímã Bitter ou solenóide Bitter é um tipo de eletroímã inventado em 1933 pelo físico americano Francis Bitter, usado em pesquisas científicas para criar campos magnéticos extremamente fortes . Eletroímãs amargos têm sido usados ​​para atingir os mais fortes campos magnéticos contínuos feitos pelo homem na Terra - até 45 teslas , em 2011.

Vantagens

Eletroímãs amargos são usados ​​onde campos extremamente fortes são necessários. Os núcleos de ferro usados ​​em eletroímãs convencionais saturam e são limitados a campos de cerca de 2 teslas. Supercondutores eletroímãs pode produzir campos magnéticos fortes, mas estão limitados a áreas de 10 a 20 tesla, devido à fluência do fluxo , embora limites teóricos são mais elevados. Para campos mais fortes, eletroímãs de solenóide resistivo do design Bitter são usados. Sua desvantagem é que eles requerem correntes de acionamento muito altas e dissipam grandes quantidades de calor.

Construção

Placa de um  ímã amargo 16 T, 40  cm de diâmetro, feito de cobre. Em operação, ele carrega uma corrente de 20 quiloamperes

Os ímãs amargos são construídos com placas de metal condutoras circulares e espaçadores isolantes empilhados em uma configuração helicoidal , em vez de bobinas de fio. A corrente flui em um caminho helicoidal através das placas. Este projeto foi inventado em 1933 pelo físico americano Francis Bitter . Em sua homenagem, as placas são conhecidas como placas amargas . O objetivo do projeto da placa empilhada é suportar a enorme pressão mecânica externa produzida pelas forças de Lorentz devido ao campo magnético que atua nas cargas elétricas em movimento na placa, que aumentam com o quadrado da força do campo magnético. Além disso, a água circula por orifícios nas placas como refrigerante , para transportar o enorme calor gerado nas placas devido ao aquecimento resistivo pelas grandes correntes que fluem através delas. A dissipação de calor também aumenta com o quadrado da força do campo magnético.

Em meados da década de 1990, pesquisadores do National High Magnetic Field Laboratory (NHMFL) da Florida State University em Tallahassee aprimoraram esse projeto básico e criaram o que chamam de Florida Bitter . Ao alongar os orifícios de montagem e resfriamento, há uma queda substancial nas tensões desenvolvidas no sistema e uma melhoria na eficiência de resfriamento. Conforme as tensões aumentavam nas placas amargas originais, elas se flexionavam levemente, fazendo com que os pequenos orifícios circulares de resfriamento se movessem para fora do alinhamento, reduzindo a eficácia do sistema de resfriamento. As placas Florida Bitter flexionarão menos devido às tensões reduzidas e os orifícios de resfriamento alongados estarão sempre em alinhamento parcial, apesar de qualquer flexão que os discos apresentarem. Este novo design permitiu um aumento de 40% na eficiência e se tornou o design preferido para ímãs resistivos baseados em placa amarga.

Densidade de corrente e densidade de fluxo magnético

Ao contrário de um fio de cobre, a densidade de corrente de um disco portador de corrente não é uniforme em sua área de seção transversal, mas é uma função da razão entre o diâmetro interno do disco e um raio arbitrário dentro do disco. As implicações dessa relação são que a densidade da corrente diminui com o aumento do raio. Como tal, a maior parte da corrente está fluindo mais perto do raio interno do disco. Discos grandes (ou seja, disco com uma grande diferença entre seus raios interno e externo) terão uma discrepância maior na densidade de corrente entre as porções interna e externa do disco. Isso reduzirá a eficiência e causará complicações adicionais no sistema porque haverá uma temperatura mais substancial e gradiente de tensão ao longo do disco. Como tal, uma série de bobinas aninhadas é freqüentemente usada, pois distribuirá mais uniformemente a corrente em uma grande área combinada, em oposição a uma única bobina com discos grandes.

A densidade de corrente não uniforme também deve ser considerada no cálculo da densidade de fluxo magnético. A Lei de Ampère para uma alça de transporte de corrente básica do fio dá que o fluxo magnético no eixo é proporcional à corrente que atravessa o fio e está relacionado à geometria básica da alça, mas não está preocupado com a geometria da seção transversal o fio. A densidade de corrente é uniforme em toda a área da seção transversal de um fio. Este não é o caso de um disco Bitter. Como tal, o termo atual deve ser substituído por termos que discutem a área da seção transversal do disco e a densidade da corrente. A equação para a densidade de fluxo magnético no eixo de um disco Bitter torna-se muito mais complexa como resultado.

A densidade de fluxo diferencial está relacionada à densidade de corrente e à área diferencial. A introdução de um fator de espaço deve ser incluída para compensar as variações no disco relacionadas ao resfriamento e orifícios de montagem.

Grave ímãs amargos

O eletroímã mais poderoso do mundo, o  ímã supercondutor amargo híbrido 45 T do Laboratório Nacional de Alto Campo Magnético dos EUA, Tallahassee, Flórida, EUA

Os campos magnéticos contínuos mais fortes da Terra foram produzidos por ímãs Bitter. Em 31 de março de 2014, o campo contínuo mais forte alcançado por um ímã à temperatura ambiente é 37,5  T produzido por um eletroímã Bitter no Laboratório de High Field Magnet da Radboud University em Nijmegen , Holanda .

O campo magnético sintético contínuo mais forte, 45  T, foi produzido por um dispositivo híbrido, consistindo de um ímã Bitter dentro de um ímã supercondutor . O ímã resistivo produz 33,5  T e a bobina supercondutora produz os 11,5  T. O primeiro ímã requer 30  MW de potência, o último deve ser mantido a 1,8 K (-456,43 ° F) usando hélio líquido, levando 6 semanas para esfriar. Custa $ 1452 por hora para funcionar em campo completo. Em 2019, outro eletroímã parcialmente supercondutor atingiu o recorde mundial para um campo magnético DC estático: 45,5  T.

Veja também

Referências

links externos