Electroimán

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Un electroimán es un tipo de imán en el que el campo magnético es producido por una corriente eléctrica. Los electroimanes generalmente consisten en alambre enrollado en una bobina. Una corriente a través del alambre crea un campo magnético que se concentra en el agujero, denotando el centro de la bobina. El campo magnético desaparece cuando se corta la corriente. Las vueltas de alambre a menudo se enrollan alrededor de un núcleo magnético hecho de un material ferromagnético o ferrimagnético como el hierro; el núcleo magnético concentra el flujo magnético y crea un imán más potente.

La principal ventaja de un electroimán sobre un imán permanente es que el campo magnético se puede cambiar rápidamente controlando la cantidad de corriente eléctrica en el devanado. Sin embargo, a diferencia de un imán permanente que no necesita energía, un electroimán requiere un suministro continuo de corriente para mantener el campo magnético.

Los electroimanes se utilizan ampliamente como componentes de otros dispositivos eléctricos, como motores, generadores, solenoides electromecánicos, relés, altavoces, discos duros, máquinas de resonancia magnética, instrumentos científicos y equipos de separación magnética. Los electroimanes también se emplean en la industria para recoger y mover objetos pesados de hierro, como chatarra de hierro y acero.

Historia

El científico danés Hans Christian Ørsted descubrió en 1820 que las corrientes eléctricas crean campos magnéticos. El científico británico William Sturgeon inventó el electroimán en 1824. Su primer electroimán fue una pieza de hierro en forma de herradura que estaba envuelta con unas 18 vueltas de alambre de cobre desnudo (entonces no existía el alambre aislado). El hierro se barnizó para aislarlo de los devanados. Cuando pasó una corriente a través de la bobina, el hierro se magnetizó y atrajo otras piezas de hierro; cuando se detuvo la corriente, perdió magnetización. Sturgeon mostró su poder al demostrar que, aunque solo pesaba siete onzas (aproximadamente 200 gramos), podía levantar nueve libras (aproximadamente 4 kilos) cuando se aplicaba la corriente de una fuente de alimentación de una sola celda. Sin embargo, los imanes de Sturgeon eran débiles porque el cable sin aislamiento que usaba solo podía envolverse en una sola capa espaciada alrededor del núcleo, lo que limitaba el número de vueltas.

A partir de 1830, el científico estadounidense Joseph Henry mejoró y popularizó sistemáticamente el electroimán. Mediante el uso de alambre aislado con hilo de seda, e inspirado por el uso de varias vueltas de alambre de Schweigger para hacer un galvanómetro, pudo enrollar varias capas de alambre en los núcleos, creando potentes imanes con miles de vueltas de alambre, incluido uno que podía soportar 2063 libras (936 kg). El primer uso importante de los electroimanes fue en las sondas telegráficas.

La teoría del dominio magnético de cómo funcionan los núcleos ferromagnéticos fue propuesta por primera vez en 1906 por el físico francés Pierre-Ernest Weiss, y Werner Heisenberg, Lev Landau, Felix Bloch y otros desarrollaron la teoría mecánica cuántica moderna detallada del ferromagnetismo en la década de 1920.

Aplicaciones de los electroimanes

Un electroimán portativo está diseñado para mantener el material en su lugar; un ejemplo es un imán de elevación. Un electroimán de tracción aplica una fuerza y mueve algo.

Los electroimanes son muy utilizados en dispositivos eléctricos y electromecánicos, entre ellos:

Motores y generadores
Transformadores
Relés
Timbres y zumbadores eléctricos
Altavoces y auriculares
Actuadores como válvulas
Equipos magnéticos de grabación y almacenamiento de datos: grabadoras, VCR, discos duros
máquinas de resonancia magnética
Equipos científicos como espectrómetros de masas
Aceleradores de partículas
Cerraduras magnéticas
Equipo de separación magnética, utilizado para separar material magnético de material no magnético, por ejemplo, para separar metal ferroso de otro material en chatarra.
Imanes de elevación industriales
levitación magnética, utilizada en un tren o trenes de levitación magnética
Calentamiento por inducción para cocinar, fabricar y terapia de hipertermia

Solenoide simple

Un electroimán de tracción común es un solenoide y un émbolo de bobinado uniforme. El solenoide es una bobina de alambre y el émbolo está hecho de un material como el hierro dulce. Aplicar una corriente al solenoide aplica una fuerza al émbolo y puede hacer que se mueva. El émbolo deja de moverse cuando las fuerzas sobre él están equilibradas. Por ejemplo, las fuerzas se equilibran cuando el émbolo está centrado en el solenoide.

El tirón uniforme máximo ocurre cuando un extremo del émbolo está en el medio del solenoide. Una aproximación para la fuerza F es ${ estilo de visualización F = CAnI / l}$

donde C es una constante de proporcionalidad, A es el área de la sección transversal del émbolo, n es el número de vueltas en el solenoide, I es la corriente a través del cable del solenoide y l es la longitud del solenoide. Para unidades que usan pulgadas, libras de fuerza y amperios con solenoides largos y delgados, el valor de C es de alrededor de 0,009 a 0,010 psi (libras de tracción máxima por pulgada cuadrada del área de la sección transversal del émbolo). Por ejemplo, una bobina de 12 pulgadas de largo (l = 12 pulgadas) con un émbolo largo de 1 pulgada cuadrada de sección transversal (A = 1 pulgada) y 11 200 amperios vueltas (n I = 11 200 vueltas) tenía una tracción máxima de 8,75 libras (correspondiente a C = 0,0094 psi).

El tirón máximo aumenta cuando se inserta un tope magnético en el solenoide. El tope se convierte en un imán que atraerá al émbolo; agrega poco al tirón del solenoide cuando el émbolo está lejos, pero aumenta dramáticamente el tirón cuando están cerca. Una aproximación para el tirón P es ${displaystyle P=AnI[(nI/l_{mathrm {a} }^{2}C_{1}^{2})+(C/l)]=(An^{2}I^{2} /l_{mathrm {a} }^{2}C_{1}^{2})+(CAnI/l)}$

Aquí l _a es la distancia entre el final del tope y el final del émbolo. La constante adicional C ₁ para unidades de pulgadas, libras y amperios con solenoides delgados es de aproximadamente 2660. El segundo término dentro del paréntesis representa la misma fuerza que el solenoide sin parada anterior; el primer término representa la atracción entre el tope y el émbolo.

Se pueden hacer algunas mejoras en el diseño básico. Los extremos del tope y el émbolo suelen ser cónicos. Por ejemplo, el émbolo puede tener un extremo puntiagudo que encaje en un rebaje correspondiente en el tope. La forma hace que el tirón del solenoide sea más uniforme en función de la separación. Otra mejora es agregar una ruta de retorno magnético alrededor del exterior del solenoide (un "solenoide revestido de hierro"). El camino de retorno magnético, al igual que el tope, tiene poco impacto hasta que el espacio de aire es pequeño.

Física

Una corriente eléctrica que fluye en un cable crea un campo magnético alrededor del cable, debido a la ley de Ampere (vea el dibujo a continuación). Para concentrar el campo magnético, en un electroimán, el alambre se enrolla en una bobina con muchas vueltas de alambre una al lado de la otra. El campo magnético de todas las vueltas de alambre pasa por el centro de la bobina, creando allí un fuerte campo magnético. Una bobina que tiene la forma de un tubo recto (una hélice) se llama solenoide.

La dirección del campo magnético a través de una bobina de alambre se puede encontrar a partir de una forma de la regla de la mano derecha. Si los dedos de la mano derecha están enrollados alrededor de la bobina en la dirección del flujo de corriente (corriente convencional, flujo de carga positiva) a través de los devanados, el pulgar apunta en la dirección del campo dentro de la bobina. El lado del imán del que emergen las líneas de campo se define como el polo norte.

Se pueden producir campos magnéticos mucho más fuertes si se coloca dentro de la bobina un "núcleo magnético" de un material ferromagnético (o ferrimagnético) blando, como el hierro. Un núcleo puede aumentar el campo magnético a miles de veces la fuerza del campo de la bobina sola, debido a la alta permeabilidad magnética μ del material. Esto se llama electroimán de núcleo ferromagnético o de núcleo de hierro. Sin embargo, no todos los electroimanes usan núcleos, y los electroimanes más fuertes, como los superconductores y los electroimanes de muy alta corriente, no pueden usarlos debido a la saturación.

Ley de amperio

Para las definiciones de las variables a continuación, consulte el cuadro al final del artículo.

El campo magnético de los electroimanes en el caso general viene dado por la Ley de Ampere: $int mathbf{J}cdot dmathbf{A} = oint mathbf{H}cdot dmathbf{l}$

lo que dice que la integral del campo magnetizante $mathbf{H}$ alrededor de cualquier lazo cerrado es igual a la suma de la corriente que fluye a través del lazo. Otra ecuación utilizada, que da el campo magnético debido a cada pequeño segmento de corriente, es la ley de Biot-Savart. Calcular el campo magnético y la fuerza ejercida por materiales ferromagnéticos es difícil por dos razones. Primero, porque la fuerza del campo varía de un punto a otro de una manera complicada, particularmente fuera del núcleo y en los espacios de aire, donde los campos marginales y el flujo de fugadebe ser considerado. En segundo lugar, porque el campo magnético B y la fuerza son funciones no lineales de la corriente, dependiendo de la relación no lineal entre B y H para el material del núcleo en particular utilizado. Para cálculos precisos, se emplean programas de computadora que pueden producir un modelo del campo magnético usando el método de elementos finitos.

Núcleo magnético

El material de un núcleo magnético (a menudo hecho de hierro o acero) está compuesto de pequeñas regiones llamadas dominios magnéticos que actúan como pequeños imanes (ver ferromagnetismo). Antes de que se encienda la corriente en el electroimán, los dominios en el núcleo de hierro apuntan en direcciones aleatorias, por lo que sus pequeños campos magnéticos se anulan entre sí y el hierro no tiene un campo magnético a gran escala. Cuando pasa una corriente a través del cable envuelto alrededor del hierro, su campo magnético penetra en el hierro y hace que los dominios giren, alineándose en paralelo al campo magnético, por lo que sus pequeños campos magnéticos se suman al campo del cable, creando un gran campo magnético. que se extiende en el espacio alrededor del imán. El efecto del núcleo es concentrar el campo, y el campo magnético pasa a través del núcleo más fácilmente de lo que pasaría a través del aire.

Cuanto mayor sea la corriente que pasa a través de la bobina de alambre, más se alinean los dominios y más fuerte es el campo magnético. Finalmente, todos los dominios están alineados y los aumentos adicionales en la corriente solo provocan ligeros aumentos en el campo magnético: este fenómeno se denomina saturación.

Cuando se apaga la corriente en la bobina, en los materiales magnéticamente blandos que casi siempre se usan como núcleos, la mayoría de los dominios pierden alineación y vuelven a un estado aleatorio y el campo desaparece. Sin embargo, parte de la alineación persiste, porque los dominios tienen dificultad para cambiar su dirección de magnetización, dejando al núcleo como un débil imán permanente. Este fenómeno se llama histéresis y el campo magnético remanente se llama magnetismo remanente. La magnetización residual del núcleo se puede eliminar mediante desmagnetización. En los electroimanes de corriente alterna, como los que se utilizan en los motores, la magnetización del núcleo se invierte constantemente y la remanencia contribuye a las pérdidas del motor.

Circuito magnético: la aproximación del campo B constante

En muchas aplicaciones prácticas de electroimanes, como motores, generadores, transformadores, imanes elevadores y altavoces, el núcleo de hierro tiene la forma de un bucle o circuito magnético, posiblemente roto por unos pocos espacios de aire estrechos. Esto se debe a que las líneas del campo magnético tienen forma de bucles cerrados. El hierro presenta mucha menos "resistencia" (renuencia) al campo magnético que el aire, por lo que se puede obtener un campo más fuerte si la mayor parte del camino del campo magnético está dentro del núcleo.

Dado que la mayor parte del campo magnético está confinado dentro de los contornos del bucle central, esto permite una simplificación del análisis matemático. Vea el dibujo a la derecha. Una suposición simplificadora común satisfecha por muchos electroimanes, que se usará en esta sección, es que la intensidad del campo magnético B es constante alrededor del circuito magnético (dentro del núcleo y los espacios de aire) y cero fuera de él. La mayor parte del campo magnético se concentrará en el material del núcleo (C). Dentro del núcleo, el campo magnético (B) será aproximadamente uniforme en cualquier sección transversal, por lo que si además el núcleo tiene un área aproximadamente constante en toda su longitud, el campo en el núcleo será constante. Esto solo deja los espacios de aire (G), en su caso, entre las secciones del núcleo. En los espacios, las líneas del campo magnético ya no están confinadas por el núcleo, por lo que "sobresalen" más allá de los contornos del núcleo antes de curvarse hacia atrás para ingresar a la siguiente pieza de material del núcleo, lo que reduce la intensidad del campo en el espacio. Las protuberancias (B _F) se denominan campos marginales. Sin embargo, siempre que la longitud del espacio sea menor que las dimensiones de la sección transversal del núcleo, el campo en el espacio será aproximadamente el mismo que en el núcleo. Además, algunas de las líneas de campo magnético (B _L)tomará 'atajos' y no pasará por todo el circuito central y, por lo tanto, no contribuirá a la fuerza ejercida por el imán. Esto también incluye líneas de campo que rodean los devanados de alambre pero que no ingresan al núcleo. Esto se llama flujo de fuga. Por lo tanto, las ecuaciones de esta sección son válidas para electroimanes para los cuales:

el circuito magnético es un bucle único de material del núcleo, posiblemente roto por unos pocos espacios de aire
el núcleo tiene aproximadamente la misma área de sección transversal en toda su longitud.
los espacios de aire entre las secciones del material del núcleo no son grandes en comparación con las dimensiones de la sección transversal del núcleo.
hay un flujo de fuga insignificante

La principal característica no lineal de los materiales ferromagnéticos es que el campo B se satura en un cierto valor, que es de alrededor de 1,6 a 2 teslas (T) para la mayoría de los aceros de núcleo de alta permeabilidad. El campo B aumenta rápidamente al aumentar la corriente hasta ese valor, pero por encima de ese valor el campo se estabiliza y se vuelve casi constante, independientemente de la cantidad de corriente que se envíe a través de los devanados. Por lo tanto, la fuerza máxima del campo magnético posible de un electroimán con núcleo de hierro se limita a alrededor de 1,6 a 2 T.

Campo magnético creado por una corriente.

El campo magnético creado por un electroimán es proporcional tanto al número de vueltas en el devanado, N, como a la corriente en el cable, I, por lo que este producto, NI, en amperios-vueltas, recibe el nombre de fuerza magnetomotriz. Para un electroimán con un solo circuito magnético, cuya longitud L del _núcleo de la trayectoria del campo magnético está en el material del núcleo y la longitud L del _espacio está en los espacios de aire, la Ley de Ampere se reduce a: $NI = H_{mathrm{núcleo}} L_{mathrm{núcleo}} + H_{mathrm{brecha}} L_{mathrm{brecha}},$ $NI = B left(frac{L_{mathrm{núcleo}}}{mu} + frac{L_{mathrm{brecha}}}{mu_0} right) qquad qquad qquad qquad (1) ,$ dónde $mu = B/H,$ es la permeabilidad magnética del material del núcleo en el campo B particular utilizado. $mu_0 = 4pi(10^{-7})\mathrm{N}cdotmathrm{A}^{-2}$ es la permeabilidad del espacio libre (o del aire); tenga en cuenta que $mathrm {A}$ en esta definición son amperios.

Esta es una ecuación no lineal, porque la permeabilidad del núcleo, μ, varía con el campo magnético B. Para una solución exacta, el valor de μ en el valor B utilizado debe obtenerse de la curva de histéresis del material del núcleo. Si B es desconocido, la ecuación debe resolverse por métodos numéricos. Sin embargo, si la fuerza magnetomotriz está muy por encima de la saturación, por lo que el material del núcleo está saturado, el campo magnético será aproximadamente el valor de saturación B _sat para el material y no variará mucho con los cambios en NI. Para un circuito magnético cerrado (sin espacio de aire), la mayoría de los materiales del núcleo se saturan con una fuerza magnetomotriz de aproximadamente 800 amperios-vuelta por metro de trayectoria de flujo.

Para la mayoría de los materiales del núcleo, $mu_r = mu / mu_0 aprox. 2000 - 6000,$ . Entonces, en la ecuación (1) anterior, domina el segundo término. Por lo tanto, en los circuitos magnéticos con un entrehierro, la fuerza del campo magnético B depende en gran medida de la longitud del entrehierro, y la longitud de la trayectoria del flujo en el núcleo no importa mucho. Dado un espacio de aire de 1 mm, se requiere una fuerza magnetomotriz de alrededor de 796 amperios-vuelta para producir un campo magnético de 1T.

Fuerza ejercida por el campo magnético

La fuerza ejercida por un electroimán sobre una sección del material del núcleo es: $F = frac{B^2 A}{2 mu_0} qquad qquad qquad qquad qquad qquad (2) ,$

donde $A$ es el área de la sección transversal del núcleo. La ecuación de fuerza se puede derivar de la energía almacenada en un campo magnético. La energía es fuerza por distancia. Reordenando los términos se obtiene la ecuación anterior.

El límite de 1,6 T en el campo mencionado anteriormente establece un límite en la fuerza máxima por unidad de área del núcleo, o presión magnética, que puede ejercer un electroimán con núcleo de hierro; apenas: $frac{F}{A} = frac{B_{sat}^2}{2mu_0}approx 1000\mathrm{kPa}=10^6 mathrm{N/m^2}=145\ matemáticas{lbf}cdotmathrm{in}^{-2},$

En unidades más intuitivas, es útil recordar que a 1 T la presión magnética es de aproximadamente 4 atmósferas o kg/cm.

Dada una geometría central, el campo B necesario para una fuerza dada se puede calcular a partir de (2); si sale mucho más de 1,6 T, hay que usar un núcleo más grande.

Circuito magnético cerrado

Para un circuito magnético cerrado (sin espacio de aire), como el que se encontraría en un electroimán que levanta una pieza de hierro con un puente entre sus polos, la ecuación (1) se convierte en: $B = frac{NImu}{L} qquad qquad qquad qquad qquad qquad (3) ,$

Sustituyendo en (2), la fuerza es: $F = frac{mu^2 N^2 I^2 A}{2mu_0 L^2} qquad qquad qquad qquad qquad (4) ,$

Se puede ver que para maximizar la fuerza, se prefiere un núcleo con una trayectoria de flujo L corta y un área de sección transversal A amplia (esto también se aplica a los imanes con un espacio de aire). Para lograr esto, en aplicaciones como imanes elevadores (ver foto arriba) y altavoces, a menudo se usa un diseño cilíndrico plano. El devanado está envuelto alrededor de un núcleo cilíndrico corto y ancho que forma un polo, y una carcasa de metal grueso que envuelve el exterior de los devanados forma la otra parte del circuito magnético, trayendo el campo magnético al frente para formar el otro polo.

Fuerza entre electroimanes

Los métodos anteriores son aplicables a electroimanes con un circuito magnético y no se aplican cuando una gran parte de la trayectoria del campo magnético se encuentra fuera del núcleo. Un ejemplo sería un imán con un núcleo cilíndrico recto como el que se muestra en la parte superior de este artículo. Para electroimanes (o imanes permanentes) con 'polos' bien definidos donde las líneas de campo emergen del núcleo, la fuerza entre dos electroimanes se puede encontrar usando un modelo de carga magnética que asume que el campo magnético es producido por 'cargas magnéticas' ficticias. en la superficie de los postes, con fuerza de poste m y unidades de Amperio-vuelta metro. La fuerza del polo magnético de los electroimanes se puede encontrar en:

La fuerza entre dos polos es:

Cada electroimán tiene dos polos, por lo que la fuerza total sobre un imán debido a otro imán es igual a la suma vectorial de las fuerzas de los polos del otro imán que actúan sobre cada polo del imán dado. Este modelo asume polos puntuales en lugar de superficies finitas y, por lo tanto, solo produce una buena aproximación cuando la distancia entre los imanes es mucho mayor que su diámetro.

Efectos secundarios

Hay varios efectos secundarios que se producen en los electroimanes que deben tenerse en cuenta en su diseño. Estos generalmente se vuelven más significativos en electroimanes más grandes.

Calentamiento óhmico

La única potencia consumida en un electroimán de CC en condiciones de estado estable se debe a la resistencia de los devanados y se disipa en forma de calor. Algunos electroimanes grandes requieren sistemas de refrigeración por agua en los devanados para eliminar el calor residual.

Dado que el campo magnético es proporcional al producto NI, el número de vueltas en los devanados N y la corriente I se pueden elegir para minimizar las pérdidas de calor, siempre que su producto sea constante. Dado que la disipación de potencia, P = I R, aumenta con el cuadrado de la corriente pero solo aumenta de forma aproximadamente lineal con el número de devanados, la potencia perdida en los devanados se puede minimizar reduciendo I y aumentando el número de vueltas N proporcionalmente, o usando alambre más grueso para reducir la resistencia. Por ejemplo, reducir a la mitad I y duplicar Nreduce a la mitad la pérdida de potencia, al igual que duplicar el área del cable. En cualquier caso, el aumento de la cantidad de cable reduce las pérdidas óhmicas. Por esta razón, los electroimanes suelen tener un grosor significativo de bobinados.

Sin embargo, el límite para aumentar N o reducir la resistencia es que los devanados ocupan más espacio entre las piezas centrales del imán. Si se llena el área disponible para los devanados, más vueltas requieren ir a un diámetro de alambre más pequeño, que tiene mayor resistencia, lo que cancela la ventaja de usar más vueltas. Entonces, en los imanes grandes, hay una cantidad mínima de pérdida de calor que no se puede reducir. Este aumenta con el cuadrado del flujo magnético B.

Picos de tensión inductivos

Un electroimán tiene una inductancia significativa y resiste los cambios en la corriente a través de sus devanados. Cualquier cambio repentino en la corriente de los devanados provoca grandes picos de tensión en los devanados. Esto se debe a que cuando aumenta la corriente a través del imán, como cuando se enciende, la energía del circuito debe almacenarse en el campo magnético. Cuando se apaga, la energía del campo se devuelve al circuito.

Si se usa un interruptor común para controlar la corriente del devanado, esto puede causar chispas en las terminales del interruptor. Esto no ocurre cuando se enciende el imán, porque la tensión de alimentación limitada hace que la corriente a través del imán y la energía del campo aumenten lentamente, pero cuando se apaga, la energía del campo magnético regresa repentinamente al circuito. causando un gran pico de voltaje y un arco a través de los contactos del interruptor, lo que puede dañarlos. Con electroimanes pequeños, a veces se usa un capacitor entre los contactos, lo que reduce la formación de arcos al almacenar temporalmente la corriente. Más a menudo, se usa un diodo para evitar picos de voltaje al proporcionar un camino para que la corriente recircule a través del devanado hasta que la energía se disipe en forma de calor. El diodo está conectado a través del devanado, orientado por lo que tiene polarización inversa durante la operación de estado estable y no conduce. Cuando se retira el voltaje de suministro, el pico de voltaje polariza directamente el diodo y la corriente reactiva continúa fluyendo a través del devanado, a través del diodo y de regreso al devanado. Un diodo utilizado de esta manera se denomina diodo de rueda libre o diodo de retorno.

Los electroimanes grandes generalmente son alimentados por fuentes de alimentación electrónicas de corriente variable, controladas por un microprocesador, que evitan los picos de voltaje al lograr cambios de corriente lentamente, en rampas suaves. Puede llevar varios minutos activar o desactivar un imán grande.

Fuerzas de Lorentz

En los electroimanes potentes, el campo magnético ejerce una fuerza en cada vuelta de los devanados, debido a la fuerza de Lorentz que $qmathbf{v}vecesmathbf{B},$ actúa sobre las cargas en movimiento dentro del cable. La fuerza de Lorentz es perpendicular tanto al eje del alambre como al campo magnético. Se puede visualizar como una presión entre las líneas del campo magnético, separándolas. Tiene dos efectos en los devanados de un electroimán:

Las líneas de campo dentro del eje de la bobina ejercen una fuerza radial en cada vuelta de los devanados, tendiendo a empujarlos hacia afuera en todas las direcciones. Esto provoca una tensión de tracción en el alambre.
Las líneas de campo de fuga entre cada espira de la bobina ejercen una fuerza de atracción entre espiras adyacentes, tendiendo a juntarlas.

Las fuerzas de Lorentz aumentan con B. En electroimanes grandes, los devanados deben sujetarse firmemente en su lugar, para evitar que el movimiento al encender y apagar provoque fatiga del metal en los devanados. En el diseño de Bitter, a continuación, utilizado en imanes de investigación de campo muy alto, los devanados se construyen como discos planos para resistir las fuerzas radiales y se sujetan en una dirección axial para resistir las fuerzas axiales.

Pérdidas de núcleo

En los electroimanes de corriente alterna (CA), utilizados en transformadores, inductores y motores y generadores de CA, el campo magnético cambia constantemente. Esto provoca pérdidas de energía en sus núcleos magnéticos que se disipan como calor en el núcleo. Las pérdidas provienen de dos procesos:

corrientes de Foucault: A partir de la ley de inducción de Faraday, el campo magnético cambiante induce corrientes eléctricas circulantes dentro de los conductores cercanos, llamadas corrientes de Foucault. La energía de estas corrientes se disipa en forma de calor en la resistencia eléctrica del conductor, por lo que son causa de pérdida de energía. Dado que el núcleo de hierro del imán es conductor y la mayor parte del campo magnético se concentra allí, las corrientes de Foucault en el núcleo son el principal problema. Las corrientes de Foucault son bucles cerrados de corriente que fluyen en planos perpendiculares al campo magnético. La energía disipada es proporcional al área encerrada por el bucle. Para evitarlos, los núcleos de los electroimanes de CA están hechos de pilas de láminas de acero delgadas, o láminas, orientadas paralelas al campo magnético, con una capa aislante en la superficie. Las capas de aislamiento evitan que la corriente de Foucault fluya entre las láminas. Cualquier corriente de Foucault restante debe fluir dentro de la sección transversal de cada lámina individual, lo que reduce las pérdidas en gran medida. Otra alternativa es utilizar un núcleo de ferrita, que no es conductor.
Pérdidas por histéresis: la inversión de la dirección de magnetización de los dominios magnéticos en el material del núcleo en cada ciclo provoca pérdidas de energía debido a la coercitividad del material. Estas pérdidas se denominan histéresis. La energía perdida por ciclo es proporcional al área del ciclo de histéresis en el gráfico BH. Para minimizar esta pérdida, los núcleos magnéticos utilizados en los transformadores y otros electroimanes de CA están hechos de materiales "blandos" de baja coercitividad, como acero al silicio o ferrita blanda. La pérdida de energía por ciclo de la corriente CA es constante para cada uno de estos procesos, por lo que la pérdida de energía aumenta linealmente con la frecuencia.

Electroimanes de alto campo

Electroimanes superconductores

Cuando se necesita un campo magnético superior al límite ferromagnético de 1,6 T, se pueden utilizar electroimanes superconductores. En lugar de utilizar materiales ferromagnéticos, estos utilizan devanados superconductores enfriados con helio líquido, que conducen la corriente sin resistencia eléctrica. Estos permiten que fluyan enormes corrientes, que generan intensos campos magnéticos. Los imanes superconductores están limitados por la intensidad del campo en el que el material del devanado deja de ser superconductor. Los diseños actuales están limitados a 10–20 T, con el récord actual (2017) de 32 T.El equipo de refrigeración y el criostato necesarios los hacen mucho más caros que los electroimanes ordinarios. Sin embargo, en aplicaciones de alta potencia esto puede compensarse con costos operativos más bajos, ya que después del arranque no se requiere energía para los devanados, ya que no se pierde energía por calentamiento óhmico. Se utilizan en aceleradores de partículas y máquinas de resonancia magnética.

Electroimanes amargos

Tanto los electroimanes con núcleo de hierro como los superconductores tienen límites en el campo que pueden producir. Por lo tanto, los campos magnéticos artificiales más poderosos han sido generados por electroimanes no superconductores con núcleo de aire de un diseño inventado por Francis Bitter en 1933, llamados electroimanes Bitter. En lugar de bobinados de alambre, un imán Bitter consiste en un solenoide hecho de una pila de discos conductores, dispuestos de manera que la corriente se mueva en un camino helicoidal a través de ellos, con un agujero en el centro donde se crea el campo máximo. Este diseño tiene la resistencia mecánica para soportar las fuerzas extremas de Lorentz del campo, que aumentan con B. Los discos están perforados con agujeros a través de los cuales pasa agua de refrigeración para llevarse el calor causado por la alta corriente. El campo continuo más fuerte logrado únicamente con un imán resistivo es de 37,5 T al 31 de marzo de 2014, producido por un electroimán Bitter en el Laboratorio de imanes de alto campo de la Universidad de Radboud en Nijmegen, Países Bajos. El récord anterior fue de 35 T. El campo magnético continuo más fuerte en general, 45 T, se logró en junio de 2000 con un dispositivo híbrido que consiste en un imán Bitter dentro de un imán superconductor.

El factor que limita la fuerza de los electroimanes es la incapacidad para disipar el enorme calor residual, por lo que se han obtenido campos más potentes, de hasta 100 T, a partir de imanes resistivos enviando breves pulsos de alta corriente a través de ellos; el período inactivo después de cada pulso permite eliminar el calor producido durante el pulso, antes del próximo pulso.

Compresión de flujo bombeado explosivamente

Los campos magnéticos artificiales más poderosos se han creado mediante el uso de explosivos para comprimir el campo magnético dentro de un electroimán a medida que se pulsa; estos se denominan generadores de compresión de flujo bombeados explosivamente. La implosión comprime el campo magnético a valores de alrededor de 1000 T durante unos microsegundos. Si bien este método puede parecer muy destructivo, es posible redirigir la mayor parte de la explosión radialmente hacia afuera para que ni el experimento ni la estructura magnética sufran daños. Estos dispositivos se conocen como electroimanes pulsados destructivos. Se utilizan en la investigación de la física y la ciencia de los materiales para estudiar las propiedades de los materiales en campos magnéticos elevados.

Definición de términos

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Término	Significado	Unidad
$A,$	área de la sección transversal del núcleo	metro cuadrado
$B,$	Campo magnético (densidad de flujo magnético)	tesla
$F,$	Fuerza ejercida por el campo magnético	newton
$H,$	campo magnetizante	amperio por metro
$YO,$	Corriente en el alambre de bobinado	amperio
$L,$	Longitud total de la trayectoria del campo magnético $L_{mathrm{núcleo}}+L_{mathrm{brecha}},$	metro
$L_{mathrm{núcleo}},$	Longitud de la trayectoria del campo magnético en el material del núcleo	metro
$L_{mathrm{brecha}},$	Longitud de la trayectoria del campo magnético en los espacios de aire	metro
$m_1, m_2,$	Fuerza de polo del electroimán	amperímetro
$u,$	Permeabilidad del material del núcleo del electroimán.	newton por amperio cuadrado
$mu_0,$	Permeabilidad del espacio libre (o aire) = 4π(10)	newton por amperio cuadrado
$mu_r,$	Permeabilidad relativa del material del núcleo del electroimán	-
$NORTE,$	Número de vueltas de alambre en el electroimán.	-
$r,$	Distancia entre los polos de dos electroimanes	metro