¿Cómo funcionan los imanes Bitter (en comparación con una bobina estándar)?

Question

¿Cómo puede un Imán amargo difiere en su construcción de un simple imán de bobina enrollada?

Un imán Bitter está formado por una pila de placas con agujeros en disposición helicoidal separados por aislantes. La idea es conseguir un flujo helicoidal de corriente tan similar al de una bobina.

Cada placa actúa aproximadamente como una sola vuelta que transporta una corriente masiva, pero el flujo de corriente es aparentemente no lineal. Así que esto debe dar lugar a algunos cambios en las ecuaciones simplificadas de los solenoides que se utilizan normalmente. ¿Cuáles son?

Los imanes superconductores no parecen basarse en el diseño de Bitter. ¿Por qué no? ¿No podrían las placas estar hechas de superconductores en lugar de conductores? ¿Hay algún requisito para que tengan cierta resistencia? O es simplemente que las placas son necesarias para mantener una corriente masiva en una resistencia y no en un superconductor, lo que parece la conclusión obvia.

Ver https://www.ru.nl/hfml/research/levitation/diamagnetic-levitation/bitter-solenoid/

También observo (un poco fuera de tema) que debido a que estos están hechos de placas en lugar de bobinas parecen mucho más fáciles de construir y maduros para la producción en masa sin embargo, lo contrario parece cierto https://www.youtube.com/watch?v=tBz6jVC-Gg4 Seguramente no faltará demanda, dadas las aplicaciones como las imágenes de RMN. ¿Qué me falta?

Aquí hubo una pregunta similar:

¿Cómo diseñar un electroimán Bitter?

Se cerró como si se tratara del diseño. Creo que esto fue un error, ya que es necesario entender los principios físicos involucrados para construir uno.

Answer 1

La respuesta corta es que los electroimanes están limitados en el campo total que pueden crear por sobrecalentamiento. El sobrecalentamiento se soluciona con la refrigeración. Se puede pasar agua por el exterior de las bobinas para enfriarlas, pero entonces se calientan en el centro y se funden. En el caso de los electroimanes tradicionales de hilo, se puede utilizar hilo hueco y hacer fluir agua fría a alta presión para enfriar los electroimanes. Esto tiene algunos problemas. 1) en el caso de los cables largos, el agua puede haberse calentado considerablemente cuando llega al final del electroimán, por lo que no se enfría con la misma eficacia. 2) se requiere una alta presión para que el agua fluya a gran velocidad para un enfriamiento eficiente. 3) Una obstrucción, probablemente en la tubería estrecha, bloquea todo el electroimán.

Las bobinas amargas evitan estos problemas. La idea con los serpentines amargos es tener una manera de hacer fluir el agua de tal manera que fluya a través de todo el volumen de los serpentines (para que no haya bolsas calientes), pero nunca tiene que fluir un camino muy largo antes de regresar (para no tener problemas de presión). Quieres que la corriente de agua de refrigeración sea masivamente paralela a través de las bobinas a pesar de que la corriente eléctrica sea en serie.

Imagen de https://arxiv.org/abs/1309.5330 . Vemos que el agua fluye en unos agujeros y en otros y la corriente fluye en espiral a lo largo de las láminas.

¿Por qué se diseñan y fabrican con estas láminas? Es la forma más fácil de conseguir el patrón adecuado de conductores y aislantes para que las corrientes eléctricas y de agua fluyan en los patrones correctos. Podría hacerse de forma equivalente con técnicas de fabricación aditiva como la impresión 3D y la sinterización, pero probablemente sería mucho más difícil.

Imanes superconductores: Francamente, sé muy poco sobre los imanes superconductores. Lo que sí sé es que los imanes superconductores son un poco diferentes porque, mientras los imanes estén lo suficientemente fríos como para ser superconductores, la corriente no genera realmente ningún calor porque la resistencia es nula. Creo que esto cambia las ventajas del diseño porque no hay que preocuparse de que aparezcan bolsas calientes dentro de la carne de los electroimanes que no se puedan enfriar. Y de hecho, es posible que no quieras renunciar a un volumen precioso para que fluya la corriente. Dicho esto, tal vez un diseño amargo haría más fácil alcanzar y mantener las temperaturas superconductoras en primer lugar. También podría haber un problema con la resistencia finita que se produce en la interfaz física entre dos piezas separadas de material superconductor que arruina el diseño, pero esto es 100% especulativo, no sé si tal efecto es real.