Un electroimán Bitter o solenoide Bitter es un tipo de electroimán inventado en 1933 por el físico estadounidense Francis Bitter y utilizado en investigaciones científicas para crear campos magnéticos extremadamente fuertes . Los electroimanes Bitter se han utilizado para lograr los campos magnéticos artificiales continuos más fuertes de la Tierra, hasta 45 teslas[actualizar] , a partir 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 cuando se requieren campos extremadamente fuertes. Los núcleos de hierro utilizados en los electroimanes convencionales se saturan y están limitados a campos de aproximadamente 2 teslas. Los electroimanes superconductores pueden producir campos magnéticos más fuertes, pero están limitados a campos de 10 a 20 teslas, debido al deslizamiento del flujo , aunque los límites teóricos son más altos. Para campos más fuertes se utilizan electroimanes solenoides resistivos del diseño Bitter. Su desventaja es que requieren corrientes de excitación muy altas y disipan grandes cantidades de calor.
Los imanes Bitter están construidos con placas metálicas conductoras circulares (conocidas como placas Bitter ) y espaciadores aislantes apilados en una configuración helicoidal , en lugar de bobinas de alambre. La corriente fluye en un camino helicoidal a través de las placas. El propósito del 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, que aumentan con el cuadrado de la intensidad del campo magnético. Además, el agua circula a través de los orificios en las placas como refrigerante , para eliminar el enorme calor creado en las placas debido al calentamiento resistivo 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, los 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 denominan Florida Bitter . [3] [4] [5] Al alargar los orificios de montaje y enfriamiento, se produce una caída sustancial de las tensiones desarrolladas en el sistema y una mejora en la eficiencia de enfriamiento. A medida que aumentaban las tensiones en las placas bitter originales, se flexionaban ligeramente, lo que hacía que los pequeños orificios de enfriamiento circulares se desalinearan, lo que reducía la eficacia del sistema de enfriamiento. Las placas Florida Bitter se flexionarán menos debido a las tensiones reducidas, y los orificios de enfriamiento 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 elegido para los imanes resistivos basados en placas Bitter.
A diferencia de un cable de cobre, la densidad de corriente de un disco que transporta corriente no es uniforme en toda su área de sección transversal, sino que es una función de la relación entre el diámetro interior del disco y un radio arbitrario dentro del disco. Las implicaciones de esta relación son que la densidad de corriente disminuye con un aumento del radio. Como tal, la mayor parte de la corriente fluye más cerca del radio interior del disco. Los discos grandes (es decir, discos con una gran diferencia entre su radio interior y exterior) tendrán una discrepancia mayor en la densidad de corriente entre las partes interior y exterior del disco. Esto reducirá la eficiencia y causará complicaciones adicionales en el sistema porque habrá un gradiente de temperatura y tensión más sustancial a lo largo del disco. Como tal, a menudo se utiliza una serie de bobinas anidadas, ya que distribuirá de manera más uniforme la corriente a través de un área combinada grande en lugar de una sola bobina con discos grandes.
La densidad de corriente no uniforme también debe tenerse en cuenta al calcular la densidad de flujo magnético. La Ley de Ampère para un bucle de cable portador de corriente básico indica que el flujo magnético sobre el eje es proporcional a la corriente que circula por el cable y está relacionado con la geometría básica del bucle, pero no con la geometría de la sección transversal del cable. La densidad de corriente es uniforme en toda la sección transversal de un cable. Este no es el caso de un disco Bitter. Por lo tanto, el término de corriente debe reemplazarse por términos que analicen el área de la sección transversal del disco y la densidad de corriente. Como resultado, la ecuación para la densidad de flujo magnético sobre el eje de un disco Bitter se vuelve mucho más compleja.
La densidad de flujo diferencial está relacionada con la densidad de corriente y el área diferencial. Se debe incluir la introducción de un factor de espacio para compensar las variaciones en el disco relacionadas con la refrigeración y los orificios de montaje.
Los campos magnéticos continuos más fuertes de la Tierra han sido producidos por imanes Bitter. El campo continuo más fuerte logrado únicamente con un imán resistivo es de 41,5 teslas a fecha de 22 de agosto de 2017 [actualizar], producido por un electroimán Bitter en el Laboratorio Nacional de Altos Campos Magnéticos en Tallahassee , Florida . [6] [7]
Al 31 de marzo de 2014, [actualizar]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 Radboud en Nijmegen , Países Bajos . [8]
El campo magnético continuo más fuerte creado por el hombre, 45 T, fue producido por un dispositivo híbrido, que consiste 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, el segundo debe mantenerse a 1,8 K (−456,43 °F) utilizando helio líquido, y tarda 6 semanas en enfriarse. Cuesta $1452 por hora funcionar a campo completo. En 2019, otro electroimán parcialmente superconductor logró el récord mundial de un campo magnético de CC estático: 45,5 T. [9]
