苦い電磁石

ビター電磁石またはビターソレノイドは、 1933年にアメリカの物理学者フランシス・ビターによって発明された電磁石の一種で、科学研究で非常に強い磁場を作り出すために使用されます。ビター電磁石は、2011年現在、最大45テスラの地球上で最強の連続人工磁場を実現するために使用されています。^{[2][アップデート]}

このデザインは1933年にアメリカの物理学者フランシス・ビターによって発明され、彼にちなんで命名されました。

ビター電磁石は、極めて強い磁場が必要な場合に使用されます。従来の電磁石に使用されている鉄心は飽和し、磁場は 2 テスラ程度に制限されます。超伝導 電磁石はより強い磁場を生成できますが、磁束クリープにより 10 ～ 20 テスラの磁場に制限されます。ただし、理論上の限界はこれより高くなります。より強い磁場には、ビター設計の抵抗ソレノイド電磁石が使用されます。この電磁石の欠点は、非常に高い駆動電流が必要で、大量の熱を発散することです。

ビター磁石は、ワイヤのコイルではなく、らせん状に積み重ねられた円形の導電性金属プレート（ビタープレートと呼ばれる）と絶縁スペーサーで構成されています。電流はプレートを通してらせん状の経路を流れます。積み重ねられたプレートの設計の目的は、プレート内の移動する電荷に作用する磁場によりローレンツ力によって生成される、磁場強度の2乗で増加する巨大な外向きの機械的圧力に耐えることです。さらに、プレートの穴を通して水が冷却剤として循環し、プレートを流れる大電流による抵抗加熱によってプレート内で発生する膨大な熱を運び去ります。熱放散も磁場強度の2乗で増加します。

1990年代半ば、タラハシーのフロリダ州立大学国立高磁場研究所（NHMFL）の研究者らがこの基本設計を改良し、フロリダ・ビターと呼ぶ設計を考案した。^{[3] [4] [5]}取り付け穴と冷却穴を長くすることで、システムで発生する応力が大幅に減少し、冷却効率が向上した。オリジナルのビタープレートでは応力が増加するとプレートがわずかに曲がり、小さな円形の冷却穴の位置がずれて冷却システムの効率が低下した。フロリダ・ビタープレートは応力が減少するためプレートの曲がりが少なくなり、ディスクが曲がっても細長い冷却穴は常に部分的に位置合わせされた状態になる。この新しい設計により効率が40%向上し、ビタープレートベースの抵抗磁石に選ばれる設計となった。

銅線とは異なり、電流を流すディスクの電流密度は、その断面積全体で均一ではなく、ディスクの内径とディスク内の任意の半径の比率の関数です。この関係は、半径が増加すると電流密度が減少することを意味します。そのため、電流の大部分はディスクの内半径の近くを流れます。大きなディスク (つまり、内半径と外半径の差が大きいディスク) では、ディスクの内側と外側の部分の電流密度の差が大きくなります。これにより効率が低下し、ディスクに沿って温度と応力の勾配がより大きくなるため、システムがさらに複雑になります。そのため、大きなディスクを持つ単一のコイルとは対照的に、一連の入れ子になったコイルの方が、広い合計領域にわたって電流をより均等に分散できるため、よく使用されます。

磁束密度を計算するときは、不均一な電流密度も考慮する必要があります。基本的な電流を流すワイヤ ループに対するアンペールの法則では、軸上の磁束はワイヤを流れる電流に比例し、ループの基本的な形状に関係しますが、ワイヤの断面の形状には関係しません。電流密度はワイヤの断面積全体で均一です。これはビター ディスクには当てはまりません。そのため、電流項は、ディスクの断面積と電流密度を表す項に置き換える必要があります。その結果、ビター ディスクの軸上の磁束密度の式ははるかに複雑になります。

差動磁束密度は、電流密度と差動面積に関係します。冷却穴と取り付け穴に関連するディスクの変動を補正するには、 スペース係数を導入する必要があります。

地球上で最も強い連続磁場はビター磁石によって生成されています。抵抗磁石のみで達成された最強の連続磁場は、2017年8月22日現在、フロリダ州タラハシーにある国立高磁場研究所のビター電磁石によって生成された41.5テスラです。 [ 6^{[アップデート]} ] [ ^{7 ]}

2014年3月31日現在、^{[アップデート]}常温磁石によって達成された最強の連続磁場は、オランダのナイメーヘンにあるラドバウド大学高磁場磁石研究所 のビッター電磁石によって生成された37.5 Tです。^[8]

最も強力な連続人工磁場である45 Tは、超伝導磁石 の中にビター磁石を備えたハイブリッド装置によって生成された。^[2]抵抗磁石は33.5 Tを生成し、超伝導コイルは残りの11.5 Tを生成する。前者の磁石は30 MWの電力を必要とし、後者は液体ヘリウムを使用して1.8 K（-456.43 °F）に保つ必要があり、冷却に6週間かかります。フル磁場で動作させるには1時間あたり1452ドルかかります。2019年には、別の部分超伝導電磁石が静DC磁場の世界記録である45.5 Tを達成しました。 ^[9]    

• 超伝導磁石

ウィキメディア・コモンズには、ビター電磁石に関連するメディアがあります。

• 国立高磁場研究所の磁石プロジェクトページはフロリダ州立大学のウェイバックマシンで2011-05-18にアーカイブされています
• ナイメーヘン高磁場磁石研究所の磁石 2019-02-14 にWayback Machineでアーカイブ
• 飛ぶことを学んだカエル アーカイブ 2013-08-27 at the Wayback Machineおよび高磁場磁石研究所のビターソレノイド内の水のボール アーカイブ 2013-01-12 at archive.today
• カエルの浮遊デモで使用されたビターソレノイドの図と説明 2018-04-23 にWayback Machineでアーカイブされました
• ビターマグネットデザイン: NHMFL ビターマグネットと Radbound University ビターソレノイド