Electroimán amargo

Un electroimán de Bitter o solenoide de Bitter es un tipo de electroimán inventado en 1933 por el físico estadounidense Francis Bitter, utilizado en la investigación científica para crear campos magnéticos extremadamente fuertes. Los electroimanes de Bitter se han utilizado para lograr los campos magnéticos artificiales continuos más fuertes de la Tierra, de hasta 45 teslas ( datos de 2011) .. ^{[ 2 ]}

El diseño fue inventado en 1933 por el físico estadounidense Francis Bitter y recibió su nombre en su honor.

Los electroimanes Bitter se utilizan donde se requieren campos extremadamente fuertes. Los núcleos de hierro empleados en los electroimanes convencionales se saturan y su campo magnético se limita a aproximadamente 2 teslas. Los electroimanes superconductores pueden producir campos magnéticos más fuertes, pero su campo magnético se limita a entre 10 y 20 teslas debido a la fluencia del flujo magnético , aunque los límites teóricos son mayores. Para campos más fuertes, se utilizan electroimanes solenoides resistivos del tipo Bitter. Su desventaja radica en que requieren corrientes de excitación muy elevadas y disipan grandes cantidades de calor.

Los imanes Bitter se construyen con placas metálicas conductoras circulares (conocidas como placas Bitter ) y espaciadores aislantes apilados en forma helicoidal , en lugar de bobinas de alambre. La corriente fluye en espiral a través de las placas. El propósito de este diseño de placas apiladas es soportar la enorme presión mecánica hacia afuera producida por las fuerzas de Lorentz debido al campo magnético que actúa sobre las cargas eléctricas en movimiento en la placa, las cuales aumentan con el cuadrado de la intensidad del campo magnético. Además, el agua circula a través de orificios en las placas como refrigerante , para disipar el enorme calor generado en ellas debido al calentamiento resistivo producido por las grandes corrientes que fluyen a través de ellas. La disipación de calor también aumenta con el cuadrado de la intensidad del campo magnético.

A mediados de la década de 1990, investigadores del Laboratorio Nacional de Altos Campos Magnéticos (NHMFL) de la Universidad Estatal de Florida en Tallahassee mejoraron este diseño básico y crearon lo que denominaron Florida Bitter . ^{[ 3 ] [ 4 ] [ 5 ]} Al alargar los orificios de montaje y refrigeración, se produce una reducción sustancial de las tensiones desarrolladas en el sistema y una mejora en la eficiencia de refrigeración. A medida que aumentaban las tensiones en las placas Bitter originales, estas se flexionaban ligeramente, lo que provocaba que los pequeños orificios circulares de refrigeración se desalinearan, reduciendo la eficacia del sistema de refrigeración. Las placas Florida Bitter se flexionan menos debido a la reducción de las tensiones, y los orificios de refrigeración alargados siempre estarán parcialmente alineados a pesar de cualquier flexión que experimenten los discos. Este nuevo diseño permitió un aumento del 40 % en la eficiencia y se ha convertido en el diseño preferido para imanes resistivos basados ​​en placas Bitter.

A diferencia de un cable de cobre, la densidad de corriente de un disco conductor no es uniforme en toda su sección transversal, sino que depende de la relación entre el diámetro interior del disco y un radio arbitrario dentro del mismo. Esto implica que la densidad de corriente disminuye al aumentar el radio. Por lo tanto, la mayor parte de la corriente fluye cerca del radio interior del disco. Los discos grandes (es decir, aquellos con una gran diferencia entre su radio interior y exterior) presentarán una mayor discrepancia en la densidad de corriente entre las partes interior y exterior. Esto reducirá la eficiencia y causará complicaciones adicionales en el sistema, ya que se generará un gradiente de temperatura y tensión más significativo a lo largo del disco. Por ello, se suele utilizar una serie de bobinas anidadas, ya que distribuyen la corriente de manera más uniforme en una superficie combinada mayor que una sola bobina con discos grandes.

Al calcular la densidad de flujo magnético, también debe considerarse la densidad de corriente no uniforme. La ley de Ampère para una espira de alambre conductora básica establece que el flujo magnético en el eje es proporcional a la corriente que circula por el alambre y está relacionado con la geometría básica de la espira, pero no con la geometría de la sección transversal del alambre. La densidad de corriente es uniforme en toda el área de la sección transversal del alambre. Esto no ocurre en un disco de Bitter. Por lo tanto, el término de corriente debe reemplazarse por términos que describan el área de la sección transversal del disco y la densidad de corriente. Como resultado, la ecuación para la densidad de flujo magnético en el eje de un disco de Bitter se vuelve mucho más compleja.

La densidad de flujo diferencial está relacionada con la densidad de corriente y el área diferencial. Es necesario incluir un factor espacial para compensar las variaciones en el disco debidas a la refrigeración y los orificios de montaje.

Los campos magnéticos continuos más intensos de la Tierra han sido producidos por imanes de Bitter. El campo continuo más intenso logrado únicamente con un imán resistivo es de 41,5 teslas a fecha de 22 de agosto de 2017.  , producido por un electroimán Bitter en el Laboratorio Nacional de Altos Campos Magnéticos en Tallahassee , Florida . ^{[ 6 ] [ 7 ]}

A fecha de 31 de marzo de 2014  El campo continuo más fuerte logrado por un imán a temperatura ambiente es de 37,5  T producido por un electroimán Bitter en el Laboratorio de Imanes de Alto Campo de la Universidad de Radboud en Nijmegen , Países Bajos . ^{[ 8 ]}

El campo magnético artificial continuo más potente, de 45  T, fue producido por un dispositivo híbrido, que consistía en un imán Bitter dentro de un imán superconductor . ^{[ 2 ]} El imán resistivo produce 33,5  T y la bobina superconductora produce los 11,5  T restantes. El primer imán requiere 30  MW de potencia, mientras que el segundo debe mantenerse a 1,8 K (−456,43 °F) utilizando helio líquido, tardando 6 semanas en enfriarse. Su funcionamiento a campo máximo cuesta 1452 dólares por hora. En 2019, otro electroimán parcialmente superconductor alcanzó el récord mundial de campo magnético estático de CC: 45,5 T. ^{[ 9 ]}   

• Imán superconductor

• Página de proyectos de imanes del Laboratorio Nacional de Altos Campos Magnéticos (archivada el 18 de mayo de 2011) en la Wayback Machine de la Universidad Estatal de Florida.
• Imanes en el Laboratorio de Magnetismo de Alto Campo de Nijmegen. Archivado el 14 de febrero de 2019 en Wayback Machine.
• La rana que aprendió a volar (archivado el 27/08/2013 en Wayback Machine) y una bola de agua dentro de un solenoide Bitter en el Laboratorio de Magnetismo de Alto Campo ( enlace obsoleto archivado el 12/01/2013 en archive.today) .
• Diagramas y descripción (Archivado el 23/04/2018 en Wayback Machine) del solenoide Bitter utilizado en la demostración de levitación de ranas.
• Diseños de imanes amargos: Imán amargo de NHMFL y solenoide amargo de la Universidad Radbound.