電磁石

電磁石

9V電池を使った自家製電磁石
タイプ	磁石
動作原理	エルステッドの法則
発明家	ウィリアム・スタージョン
発明年	1824年; 200年前 （1824）
電子シンボル

電磁石は、電流によって磁場が生成されるタイプの磁石です。電磁石は通常、コイル状に巻かれた電線で構成されています。電線を流れる電流によって磁場が生成され、コイル中央の穴に集中します。電流を止めると磁場は消えます。電線は、鉄などの強磁性体またはフェリ磁性体でできた磁心の周囲に巻かれることがよくあります。磁心は磁束を集中させ、より強力な磁石を作ります。

永久磁石に対する電磁石の主な利点は、巻線の電流量を制御することで磁場を素早く変更できることです。ただし、電力を必要としない永久磁石とは異なり、電磁石は磁場を維持するために継続的に電流を供給する必要があります。

電磁石は、モーター、発電機、電気機械式ソレノイド、リレー、スピーカー、ハードディスク、MRI装置、科学機器、磁気分離装置などの他の電気機器の部品として広く使用されています。電磁石は、鉄スクラップや鋼鉄などの重い鉄の物体を拾い上げて移動させるために産業界でも使用されています。^[2]

デンマークの科学者ハンス・クリスチャン・エルステッドは1820 年に電流が磁場を作り出すことを発見しました。同じ年にフランスの科学者アンドレ・マリー・アンペールは、電気を流したソレノイドに鉄を入れると鉄が磁化されることを示しました。

イギリスの科学者ウィリアム・スタージョンは1824年に電磁石を発明した。 ^{[3] [4]}彼の最初の電磁石は馬蹄形の鉄片で、裸の銅線を約18回巻いたものだった。（当時は絶縁電線は存在しなかった。）鉄は巻線から絶縁するためにワニスを塗られていた。コイルに電流を流すと鉄は磁化して他の鉄片を引き寄せ、電流を止めると磁化を失う。スタージョンは、重さがわずか7オンス（約200グラム）であるにもかかわらず、単一セル電源の電流を流すと9ポンド（約4キログラム）を持ち上げることができることを実証してその威力を証明した。しかし、スタージョンの磁石は弱かった。彼が使用した絶縁されていない電線はコアの周りに1層しか間隔をあけて巻けず、巻く回数が制限されたためである。

1830年以降、米国の科学者ジョセフ・ヘンリーは電磁石を体系的に改良し普及させた。^{[5] [6]}絹糸で絶縁された電線を使用し、シュヴァイガーが複数回巻いた電線を使って検流計を作った方法にヒントを得て、^[7]鉄心に複数層の電線を巻き付け、何千回も巻いた強力な磁石を作った。その中には2,063ポンド（936kg）を支えられるものもあった。電磁石の最初の主要な用途は電信測深機であった。

強磁性コアがどのように機能するかについての磁区理論は、1906年にフランスの物理学者ピエール＝エルネスト・ヴァイスによって初めて提唱され、強磁性の詳細な現代の量子力学理論は、1920年代にヴェルナー・ハイゼンベルク、レフ・ランダウ、フェリックス・ブロッホら によって解明されました。

可搬型電磁石は、単に物質を所定の位置に保持するために設計されたもので、例としてはリフティングマグネットがあります。牽引型電磁石は力を加えて何かを動かします。^[8]

電磁石は、次のような電気機器や電気機械機器で広く使用されています。

• モーターと発電機
• トランスフォーマー
• リレー
• 電気ベルとブザー
• スピーカーとヘッドフォン
• バルブなどのアクチュエータ
• 磁気記録およびデータ保存機器:テープレコーダー、VCR、ハードディスク
• MRI装置
• 質量分析計などの科学機器
• 粒子加速器
• 磁気ロック
• 磁気分離装置は、スクラップ内の鉄金属を他の材料から分離するなど、磁性材料と非磁性材料を分離するために使用されます。
• 産業用リフティングマグネット
• 磁気浮上、磁気浮上列車で使用される
• 調理、製造、温熱療法のための誘導加熱

一般的な牽引電磁石は、均一に巻かれたソレノイドとプランジャーです。ソレノイドはワイヤーのコイルで、プランジャーは軟鉄などの材料で作られています。ソレノイドに電流を流すと、プランジャーに力が加わり、プランジャーが動きます。プランジャーは、力が釣り合うと動きを止めます。たとえば、プランジャーがソレノイドの中心にあるとき、力は釣り合います。

最大の均一な引力は、プランジャーの一端がソレノイドの中央にあるときに発生します。力Fの近似値は^[8]です。

${\displaystyle F={\frac {CANI}{\ell }}}$

ここで、Cは比例定数、Aはプランジャーの断面積、Nはソレノイドの巻数、 Iはソレノイドワイヤを流れる電流、ℓ はソレノイドの長さです。細長いソレノイドで単位にインチ、ポンド力、アンペアを使用する場合、Cの値はおよそ 0.009 ～ 0.010 psi（プランジャー断面積 1 平方インチあたりの最大引張力ポンド）です。^[9]たとえば、12 インチ長のコイル（ℓ = 12 in）と 1 平方インチ断面積（A = 1 in ²）の長いプランジャー、11,200アンペアターン（NI = 11,200 Aturn）の最大引張力は 8.75 ポンド（C = 0.0094 psiに相当）でした。^[10]

最大吸引力は、ソレノイドに磁気ストッパーを挿入すると増大する。ストッパーは磁石となり、プランジャーを引き寄せる。プランジャーが遠い場合はソレノイドの吸引力にほとんど影響しないが、近い場合は吸引力が劇的に増大する。吸引力Pの近似値は^[11]である。

${\displaystyle P=ANI\left[{\frac {NI}{(\ell _{\mathrm {a} })^{2}(C_{1})^{2}}}+{\frac {C}{\ell }}\right]={\frac {AN^{2}I^{2}}{(\ell _{\mathrm {a} })^{2}(C_{1})^{2}}}+{\frac {CANI}{\ell }}}$

ここで、ℓ _{a は}ストップの端とプランジャーの端の間の距離です。細長いソレノイドのインチ、ポンド、アンペア単位の追加定数C ₁は約 2660 です。括弧内の 2 番目の項は、上記のストップレス ソレノイドと同じ力を表します。最初の項は、ストップとプランジャーの間の引力を表します。

基本設計にはいくつかの改良が加えられる。ストップとプランジャーの端は円錐形であることが多い。例えば、プランジャーは、ストップの対応する凹部に収まる尖った端を持つことがある。この形状により、分離の関数としてソレノイドの引力がより均一になる。別の改良は、ソレノイドの外側に磁気戻り経路を追加することである（「鉄被覆ソレノイド」）。^{[11] [12]}磁気戻り経路は、ストップと同様に、エアギャップが小さくなるまではほとんど影響を及ぼさない。

電線に電流が流れると、アンペールの法則により、電線の周囲に磁場が発生します (磁場のある電線の図を参照)。電磁石に磁場を集中させるには、電線をコイル状に巻き、多数の電線を並べて配置します。^[2]電線の巻き数すべての磁場がコイルの中心を通過し、そこに強い磁場が発生します。^{[2]直管 (}らせん)の形状を形成するコイルはソレノイドと呼ばれます。^{[1] [2]}

コイル状の電線を通る磁場の方向は、右手の法則の形で求めることができます。^{[13] [14]}右手の指をコイルの周りで電流（通常の電流、正電荷の流れ）の方向に曲げると、親指はコイル内の磁場の方向を指します。磁力線が出てくる磁石の側は、北極と定義されます。

以下の変数の定義については、記事の最後にあるボックスを参照してください。

鉄などの柔らかい強磁性（またはフェリ磁性）材料の「磁気コア」をコイルの内側に配置すると、はるかに強い磁場を発生させることができます。^{[1] [2] [15] [16]コアは、材料の}透磁率μが高いため、磁場をコイル単独の磁場の数千倍にまで増加させることができます。^{[1] [2]}すべての電磁石がコアを使用するわけではないため、これは強磁性コアまたは鉄心電磁石と呼ばれます。

これは、磁気コアの材質（多くの場合、鉄または鋼でできている）が、小さな磁石のように動作する磁区と呼ばれる小さな領域で構成されているためです（強磁性を参照）。電磁石の電流がオンになる前は、軟鉄コアの磁区はランダムな方向を向いているため、それらの小さな磁場は互いに打ち消し合い、鉄には大規模な磁場はありません。鉄に巻かれたワイヤに電流が流れると、その磁場が鉄を貫通し、磁区が回転して磁場と平行に整列するため、それらの小さな磁場がワイヤの磁場に追加され、磁石の周りの空間に広がる大きな磁場が作成されます。コアの効果は磁場を集中することであり、磁場は空気中を通過するときよりも 低い磁気抵抗でコアを通過します。

コイルに流れる電流が大きいほど、磁区が整列し、磁場が強くなります。最終的にすべての磁区が整列し、電流をさらに増加し​​ても磁場はわずかにしか増加しません。この現象は飽和と呼ばれます。超伝導電磁石や大電流電磁石などの非常に強力な電磁石ではコアを使用できないのはこのためです。

強磁性材料の主な非線形特性は、B磁場が特定の値で飽和することです。 ^[2]これは、ほとんどの高透磁率コア鋼の場合、約1.6〜2テスラ（T）です。 ^{[17] [18] [19]} B磁場はその値まで電流の増加とともに急速に増加しますが、その値を超えると磁場は横ばいになり、巻線にどれだけの電流が送られてもほぼ一定になります。^[2]鉄心電磁石から可能な磁場の最大強度は、約1.6〜2 Tに制限されています。^{[17] [19]}

コイルの電流がオフになると、コアとしてほぼ常に使用される磁性軟質材料では、ほとんどのドメインの整列が失われ、ランダムな状態に戻り、磁場が消えます。ただし、ドメインが磁化の方向を変えるのが困難なため、一部の整列は持続し、コアは弱い永久磁石として磁化されます。この現象はヒステリシスと呼ばれ、残った磁場は残留磁気と呼ばれます。コアの残留磁化は、消磁によって除去できます。モーターで使用されるような交流電磁石では、コアの磁化が常に反転し、残留磁気がモーターの損失に寄与します。

一般的な場合の電磁石の磁場はアンペールの法則によって与えられます。

${\displaystyle \int \mathbf {J} \cdot d\mathbf {A} =\oint \mathbf {H} \cdot d{\boldsymbol {\ell }}}$

これは、任意の閉ループの周りの磁界の積分は、ループを流れる電流の合計に等しいことを示しています。電流の各小セグメントによる磁界を与える別の式は、ビオ・サバールの法則です。 ${\displaystyle \mathbf {H} }$

ソレノイドの場合も同様に、コア材料のセクションにある導体に電磁石が及ぼす力は次のようになります。

力の方程式は磁場に蓄えられたエネルギーから導き出すことができます。エネルギーは力と距離の積です。項を並べ替えると上記の方程式が得られます。

上で述べた1.6 Tの磁場制限^{[17] [19]は、}鉄心電磁石が発揮できる 単位コア面積あたりの最大の力、つまり磁気圧力の制限を定めています。おおよそ次のようになります。

${\displaystyle {\frac {F}{A}}={\frac {(B_{\text{sat}})^{2}}{2\mu _{0}}}\approx 1000\ \mathrm {kPa} =10^{6}\mathrm {N/m^{2}} =145\ \mathrm {lbf/in^{2}} }$

コアの飽和限界はB _{sat です}^{。より直感的な単位では、1 T での磁気圧力は約 4 気圧、つまり kg/cm 2 で}あることを覚えておくと便利です。

コアの形状が与えられれば、与えられた力に必要なB磁場は（1）から計算できる。もしそれが1.6Tよりはるかに大きい場合は、より大きなコアを使用しなければならない。

しかし、強磁性材料によって及ぼされる磁場と力の計算は、一般に 2 つの理由から困難です。第 1 に、磁場の強さは、特にコアの外側や空隙内では、フリンジ磁場と漏れ磁束を考慮する必要があるなど、点ごとに複雑に変化するためです。第 2 に、磁場 B と力は、使用される特定のコア材料の B と H の非線形関係に応じて、電流の非線形関数であるためです。正確な計算には、有限要素法を使用して磁場のモデルを作成できるコンピュータ プログラムが使用されます。

モーター、発電機、変圧器、リフティングマグネット、スピーカーなど、電磁石の実際の用途の多くでは、鉄心はループまたは磁気回路の形をしており、いくつかの狭い空隙によって分断されている可能性があります。鉄は空気よりも磁場に対する「抵抗」（磁気抵抗）がはるかに少ないため、磁場の経路の大部分が鉄心内にある場合は、より強い磁場が得られます。 ^[2] 磁力線は閉じたループであるため、鉄心は通常ループの形で作られています。

磁場の大部分はコアループの輪郭内に閉じ込められるため、数学的解析を簡略化することができます。^[2]右の図を参照してください。このセクションで使用する多くの電磁石で満たされる一般的な単純化仮定は、磁場の強度Bが磁気回路の周囲（コアとエアギャップ内）では一定であり、外側ではゼロであるというものです。磁場の大部分はコア材料（C）に集中します。コア内では、磁場（B）はどの断面でもほぼ均一であるため、さらにコアの面積が全長にわたってほぼ一定であれば、コア内の磁場は一定になります。^[2]

これにより、コアセクション間に空隙 ( G ) が残ります (存在する場合)。ギャップでは、磁力線はコアによって制限されなくなります。そのため、磁力線はコアの輪郭を超えて「膨らみ」、その後、次のコア材料に入るために曲がって戻り、ギャップ内の磁場強度が低下します。^[2]膨らみ ( B _F ) はフリンジ磁場と呼ばれます。^[2]ただし、ギャップの長さがコアの断面寸法よりも小さい限り、ギャップ内の磁場はコア内とほぼ同じになります。

さらに、磁力線 ( B _L ) の一部は「近道」をとり、コア回路全体を通過しないため、磁石が及ぼす力には寄与しません。これには、巻線を囲むがコアに入らない磁力線も含まれます。これは漏れ磁束と呼ばれます。

このセクションの方程式は、以下の電磁石に対して有効です。

1. 磁気回路はコア材料の単一ループであり、いくつかの空隙によって分断されている可能性がある。
2. コアは全長にわたってほぼ同じ断面積を持ちます。
3. コア材料のセクション間の空隙は、コアの断面寸法に比べて大きくありません。
4. 漏れ磁束はごくわずかです。

電磁石によって生成される磁場はNとI の両方に比例するため、この積NIは起磁力と呼ばれます。単一の磁気回路を持つ電磁石の場合、アンペールの法則は次のようになります。^{[2] [20] [21]}

${\displaystyle NI=H_{\mathrm {core} }L_{\mathrm {core} }+H_{\mathrm {gap} }L_{\mathrm {gap} }}$

これは非線形方程式です。なぜなら、コアの透磁率μはBとともに変化するからです。正確な解を得るには、使用するB値におけるμの値をコア材料のヒステリシス曲線から取得する必要があります。^[2] Bが不明な場合は、数値法で方程式を解く必要があります。

ただし、起磁力が飽和を大きく上回り、コア材料が飽和状態にある場合、磁場はほぼ材料の飽和値B _satになり、 NIの変化によって大きく変化することはありません。閉磁気回路 (エアギャップなし) の場合、ほとんどのコア材料は磁束経路 1 メートルあたり約 800 アンペアターンの起磁力で飽和します。

ほとんどのコア材料では、。^[21]したがって、上記の式（2）では、第2項が支配的になります。したがって、エアギャップのある磁気回路では、Bはエアギャップの長さに大きく依存し、コア内の磁束経路の長さはあまり重要ではありません。エアギャップが1mmの場合、1Tの磁場を生成するには約796アンペアターンの起磁力が必要です。 ${\displaystyle \mu _{r}\approx 2000{\text{–}}6000\,}$

磁極間に架けられた鉄片を持ち上げる電磁石のような閉磁気回路（空隙なし）の場合、式（2）は次のようになる。

（１）に代入すると、力は次のようになる。

力を最大化するには、磁束経路Lが短く、断面積A が広いコアが望ましいことがわかります(これは、エアギャップのある磁石にも当てはまります)。これを実現するために、リフティングマグネット (上の写真を参照) やスピーカーなどのアプリケーションでは、平らな円筒形デザインがよく使用されます。巻線は、1 つの極を形成する短くて幅の広い円筒形のコアに巻き付けられ、巻線の外側を包む厚い金属ハウジングが磁気回路のもう一方の部分を形成し、磁場を前面に持ってきてもう一方の極を形成します。

上記の方法は、磁気回路を持つ電磁石に適用できますが、磁場経路の大部分がコアの外側にある場合には適用されません。回路以外の例としては、この記事の冒頭に示したようなまっすぐな円筒形のコアを持つ磁石があります。磁力線がコアから出てくる明確に定義された「極」を持つ 2 つの電磁石 (または永久磁石) 間の力にのみ焦点を当てた、磁荷モデルと呼ばれる特別な類推があります。このモデルでは、磁場は極の表面にある架空の「磁荷」によって生成されると想定しています。このモデルは、実際に存在する表面ではなく点状の極を想定しているため、磁石間の距離が直径よりもはるかに大きい場合にのみ適切な近似値が得られ、磁石間の力にのみ役立ちます。

電磁石の磁極強度は以下から調べることができます。 $${\displaystyle m={\frac {NIA}{L}}}$$

2 つの極間の力は次のようになります。 $${\displaystyle F={\frac {\mu _{0}m_{1}m_{2}}{4\pi r^{2}}}}$$

各電磁石には 2 つの極があるため、ある磁石が別の磁石から受ける力の合計は、その磁石の各極に作用する他の磁石の極の力の ベクトル合計に等しくなります。

電磁石には設計時に考慮しなければならない副作用がいくつかあります。これらの副作用は、通常、大型の電磁石ほど顕著になります。

定常状態におけるDC電磁石で消費される唯一の電力は、巻線の抵抗によるもので、熱として放散されます。一部の大型電磁石では、廃熱を逃がすために巻線に水冷システムが必要です。

磁場は積NIに比例するので、積が一定である限り、巻線Nの巻数と電流I は熱損失が最小になるように選択できます。電力消費P = I ² R は電流の二乗で増加しますが、巻線の数に対してはほぼ直線的にしか増加しないため、巻線で失われる電力は、I を減らして巻数N を比例して増やすか、より太いワイヤを使用して抵抗を減らすことで最小限に抑えることができます。たとえば、I を半分にしてN を2 倍にすると電力損失が半分になり、ワイヤの面積を 2 倍にしても同じです。いずれの場合も、ワイヤの量を増やすと抵抗損失が減ります。このため、電磁石の巻線は厚くなることがよくあります。

しかし、N の増加や抵抗の低減には、磁石のコアピース間のスペースを巻き線が占めるという限界があります。巻き線に使用できる領域が埋まってしまうと、巻き数を増やすにはワイヤの直径を小さくする必要があり、抵抗が高くなり、巻き数を増やす利点が打ち消されてしまいます。そのため、大きな磁石では、減らすことができない熱損失が最小限に抑えられます。これは磁束B 2^の2 乗で増加します。

電磁石は大きなインダクタンスを持ち、巻線を流れる電流の変化に抵抗します。巻線電流が突然変化すると、巻線全体に大きな電圧スパイクが発生します。これは、磁石を流れる電流が増加すると (たとえば、磁石をオンにすると)、回路からのエネルギーが磁場に蓄えられる必要があるためです。磁石をオフにすると、磁場のエネルギーが回路に戻ります。

通常のスイッチを使用して巻線電流を制御すると、スイッチの端子で火花が発生する可能性があります。磁石がオンになっているときは、限られた供給電圧によって磁石を流れる電流と磁場エネルギーがゆっくりと増加するため、火花は発生しませんが、スイッチがオフになると、磁場のエネルギーが突然回路に戻り、スイッチ接点に大きな電圧スパイクとアークが発生し、スイッチ接点が損傷する可能性があります。小型の電磁石では、接点間にコンデンサが使用されることがあります。これにより、電流が一時的に蓄えられ、アークが減少します。より一般的には、ダイオードが使用され、エネルギーが熱として消散するまで、電流が巻線を通って再循環する経路を提供することで、電圧スパイクを防止します。ダイオードは巻線に接続され、定常動作中に逆バイアスされて伝導しないように配置されます。供給電圧が除去されると、電圧スパイクによってダイオードが順方向にバイアスされ、無効電流が巻線、ダイオード、および巻線に戻ります。このように使用されるダイオードは、フリーホイール ダイオードまたはフライバック ダイオードと呼ばれます。

大型の電磁石は通常、マイクロプロセッサによって制御される可変電流電子電源によって電力が供給され、電流の変化をゆっくりと緩やかな傾斜で行うことによって電圧スパイクを防止します。大型の磁石に電力を供給または遮断するには、数分かかる場合があります。

強力な電磁石では、磁界が巻線の各ターンに力を及ぼします。これは、ワイヤ内の移動する電荷に作用するローレンツ力によるものです。ローレンツ力は、ワイヤの軸と磁界の両方に垂直です。これは、 磁力線間の圧力として視覚化でき、磁力線を押し広げます。これは、電磁石の巻線に 2 つの影響を及ぼします。 ${\displaystyle q\mathbf {v} \times \mathbf {B} }$

• コイルの軸内の磁力線は、巻線の各ターンに放射状の力を加え、巻線をあらゆる方向に外側に押し出す傾向があります。これにより、ワイヤに引張応力が発生します。
• コイルの各ターン間の漏れ磁力線は、隣接するターン間に引力を発揮し、それらを引き寄せる傾向があります。^{[引用が必要]}

ローレンツ力はB ²とともに増大します。大型の電磁石では、電源投入時および電源切断時の動きによって巻線に金属疲労が生じないように、巻線をしっかりと固定する必要があります。非常に高磁場の研究用磁石で使用されている以下のBitter設計では、巻線は半径方向の力に抵抗するために平らなディスクとして構築され、軸方向の力に抵抗するために軸方向に固定されています。

変圧器、インダクタ、AC モーター、発電機で使用される交流(AC) 電磁石では、磁場が常に変化しています。これにより、磁気コアでエネルギー損失が発生し、コア内で熱として放散されます。損失は、次の 2 つのプロセスによって発生します。

• 渦電流:ファラデーの電磁誘導の法則により、変化する磁場は近くの導体内に渦電流と呼ばれる循環電流を誘導します。これらの電流のエネルギーは導体の電気抵抗で熱として消散するため、エネルギー損失の原因となります。磁石の鉄心は導電性があり、磁場のほとんどがそこに集中するため、鉄心の渦電流が大きな問題となります。渦電流は、磁場に垂直な平面を流れる電流の閉ループです。消散するエネルギーは、ループに囲まれた面積に比例します。これを防ぐために、交流電磁石の鉄心は、磁場と平行に配向され、表面に絶縁コーティングが施された薄い鋼板または積層板のスタックで作られています。絶縁層は、渦電流が鋼板間を流れるのを防ぎます。残った渦電流は、各積層板の断面内を流れるため、損失が大幅に減少します。、非導体であるフェライトコアを使用することです
• ヒステリシス損失:コア材料の磁区の磁化方向がサイクルごとに反転すると材料の保磁力によりエネルギー損失が発生します。これらの損失はヒステリシスと呼ばれます。サイクルごとに失われるエネルギーは、 BHグラフのヒステリシス ループの面積に比例します。この損失を最小限に抑えるために、変圧器やその他の AC 電磁石で使用される磁気コアは、シリコン鋼やソフト フェライトなどの「柔らかい」低保磁力材料で作られています。交流電流のサイクルごとのエネルギー損失はこれらの各プロセスで一定であるため、電力損失は周波数とともに直線的に増加します。

1.6 T の強磁性限界よりも高い磁場が必要な場合、超伝導電磁石を使用することができる。これらは強磁性材料を使用する代わりに、液体ヘリウムで冷却された超伝導巻線を使用し、電気抵抗なしで電流を伝導する。これにより膨大な電流が流れ、強力な磁場が発生する。超伝導磁石は、巻線材料が超伝導でなくなる磁場の強さによって制限される。現在の設計は 10～20 T に制限されており、現在の (2017 年) 記録は 32 T である。^{[22] [23]}必要な冷却装置とクライオスタットにより、通常の電磁石よりもはるかに高価になります。ただし、高出力アプリケーションでは、起動後は巻線に電力が不要で、抵抗加熱によるエネルギー損失がないため、運用コストが低く抑えられます。これらは粒子加速器やMRI装置で使用されています。

鉄心電磁石と超伝導電磁石はどちらも、生成できる磁場に限界がある。そのため、最も強力な人工磁場は、1933年にフランシス・ビターが発明したビター電磁石と呼ばれる設計の空心非超伝導電磁石によって生成されてきた。^[24]ビター電磁石は、巻線の代わりに、導電性ディスクを積み重ねたソレノイドで構成されており、電流がディスクの中をらせん状に流れるように配置され、最大の磁場が生成されるように中央に穴が開いている。この設計は、B ²とともに増加する磁場の極端なローレンツ力に耐える機械的強度を備えている。ディスクには穴が開けられており、冷却水が通過して高電流による熱を運び去る。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ッター電磁石によって生成された41.5テスラです。[ 25 ] [ 26 ]^以前の記録は37.5テスラでした。^[27]総合的に最強の連続磁場である45テスラ^[24]は、超伝導磁石の中にビッター磁石を組み合わせたハイブリッド装置で2000年6月に達成されました。 ^[update]

電磁石の強度を制限する要因は、膨大な廃熱を放散できないことです。そのため、抵抗磁石に高電流の短いパルスを送ることで、最大100 Tのより強力な磁場^[23]が得られます。各パルスの後の非アクティブ期間により、パルス中に発生した熱を次のパルスの前に除去することができます。

最も強力な人工磁場^[28]は、爆発物を使用して電磁石内の磁場をパルス状に圧縮することによって生成されており、これらは爆発的に励起された磁束圧縮発生器と呼ばれています。爆縮により、磁場は数マイクロ秒間約 1000 T ^{[24]の値に圧縮されます。この方法は非常に破壊的に見えるかもしれませんが、}電荷成形により爆風を外側に向け直し、実験への損害を最小限に抑えます。これらの装置は破壊的パルス電磁石として知られています。^{[29]これらは}物理学や材料科学の研究で、高磁場における材料の特性を研究するために 使用されています。

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