ES2304834A1 - Dispositivo generador de campos magneticos homogeneos. - Google Patents

Abstract

Está constituido a partir de dos agrupaciones de espiras (4, 4¿,..., 4n) distribuidas paralelamente sobre dos superficies troncocónicas (2-2¿) imaginarias, enfrentadas por su base menor, cuyos ejes de revolución son coincidentes, separadas una distancia (a) idéntica al radio de la base menor de dichas superficies, estando el ángulo formado entre la generatriz (6) de cualquiera de dichas superficies troncocónicas y el eje de revolución (3) de las mismas comprendido entre 63º y 64º. Por dichas espiras se hace circular una corriente que genera un campo magnético homogéneo en un entorno (P) situado en la zona media entre ambas superficies (2-2¿) sobre el eje de revolución (3), pudiéndose aumentar la magnitud de dicho campo aumentando el número de espiras dispuestas paralelamente a lo largo de la generatriz (6), sin que ello afecte a la homogeneidad del campo.

Description

Dispositivo generador de campos magnéticos homogéneos.

Objeto de la invención

La presente invención se refiere a un dispositivo generador de campos magnéticos homogéneos, cuyo fundamento es similar al conocido como bobinas o carretes de Helmholtz, los cuales se emplean para crear un campo magnético homogéneo en una determinada región del espacio.

El objeto de la invención es proporcionar un dispositivo que permita obtener un campo magnético de gran magnitud y homogeneidad en una determinada región del espacio, de la forma más sencilla posible y al menor coste económico.

Antecedentes de la invención

El dispositivo denominado bobinas o carrete de Helmholtz, es un sistema que tiene por objeto conseguir un campo magnético homogéneo en un entorno reducido del espacio.

Para ello, tal y como se puede observar en la figura 1, se sitúan dos espiras paralelamente haciendo coincidir sus ejes de revolución, a una distancia igual a su radio.

Se puede demostrar que, con tal geometría, el campo magnético en el punto medio de ambas espiras, situado sobre el citado eje de revolución, así como en un entorno reducido de éste en la dirección del eje común, es prácticamente uniforme.

Hasta el momento, este tipo de dispositivos han sido sistemáticamente empleados en numerosos laboratorios que se dedican al electromagnetismo, tanto formando parte en prácticas de carácter docente, como en investigación.

La disposición empleada no ha sufrido a penas cambios desde su invención en el siglo XIX.

En la actualidad la única variación introducida no se refiere a la física del sistema, sino a la forma de presentar el producto. En concreto, lo que se ofrece comercialmente es un dispositivo idéntico al descrito, pero presentado por triplicado, esto es, una disposición de tres bobinas de Helmholtz mutuamente perpendiculares, como situadas en las caras de un cubo hueco. Con esta idea se puede producir un campo magnético homogéneo en cualquier dirección del espacio, en un entorno del centro de simetría del citado cubo, haciendo pasar diferentes corrientes por cada una de las parejas de carretes (esto equivale a sumar tres campos mutuamente perpendiculares). La ventaja de este modelo se refiere a su versatilidad para realizar mediciones sobre una muestra en cualquier dirección, cosa no factible con una sola pareja solenoides, en donde sería necesario mover la muestra, o cambiar la orientación relativa de las bobinas respecto de la misma.

Una característica de los carretes de Helmholtz es que, para un diámetro concreto de las espiras, la magnitud del campo creado es función de la intensidad de corriente eléctrica que atraviesa las mismas, la cual, a su vez, está limitada físicamente por las características físicas y geométricas del conductor empleado. Ello se traduce, en la práctica, en que los campos magnéticos obtenidos sean relativamente pequeños.

Con el fin de aumentar el campo magnético producido, se suele realizar un arrollamiento de espiras apretadas sobre cada elemento en la dirección del eje de revolución del sistema, así como una serie de arrollamientos sobre cada una de las espiras anteriores (en dirección radial). De esta forma, si se utiliza un sistema de N espiras sobre cada una de las dos espiras iniciales se consigue aumentar la intensidad que circula por el sistema en esa misma magnitud, multiplicándose asimismo el campo magnético en el punto medio. No obstante, de esta manera, lo que realmente se tiene son dos bobinas estrechas, y no dos espiras, razón por la cual se denominan bobinas de Helmholtz.

El problema que surge de este tipo de disposición geométrica es que el campo obtenido no es perfectamente homogéneo, al contrario que cuando únicamente se utilizaban dos espiras, ya que al haber un arrollamiento de espesor y grosor arbitrarios se viola la condición de que cada espira esté a una distancia igual a su radio respecto de su homóloga en un plano paralelo, por lo que, cuanto mayor sea el número de éstas, más heterogéneo será el campo, en contra de lo que se desea.

De este modo, si se desea mantener cierta homogeneidad, no se pueden utilizar arrollamientos con un gran número de espiras, lo cual hace que el campo magnético creado en un entorno del citado punto medio del dispositivo, no sea notablemente mayor que en el caso de sólo dos espiras.

De todo ello se deduce, que la magnitud del campo y la homogeneidad del mismo a una distancia de la mitad del radio sobre el eje de revolución del sistema, son características dependientes entre sí, por lo que no podemos mejorar una sin empeorar la otra, limitando, de forma evidente, las posibilidades reales de las bobinas de Helmholtz clásicas.

Por último, en los carretes de Helmholtz, al realizar el arrollamiento, lo que se tiene en realidad no son dos bobinas formadas por N espiras independientes, sino un hilo conductor en forma de hélice para cada capa de espiras en cada solenoide, por lo que el campo magnético en el punto medio de su eje de revolución tendrá dos componentes: una en la dirección de dicho eje y otra, más pequeña, perpendicularmente a éste. Este hecho contribuye también a la pérdida de homogeneidad del campo.

Descripción de la invención

El dispositivo generador de campos magnéticos homogéneos que la invención propone resuelve de manera plenamente satisfactoria la problemática anteriormente expuesta, proporcionando un dispositivo capaz de generar campos magnéticos de gran magnitud perfectamente homogéneos en un entorno del espacio.

Para ello, y de manera más concreta, el dispositivo está constituido a partir de dos carretes o agrupaciones de espiras por las que se hace circular una corriente eléctrica, distribuidas en idéntico número y paralelamente sobre sendas superficies imaginarias, de geometría troncocónica, enfrentadas entre sí a través de su base menor y cuyo eje de revolución es coincidente.

Dichas superficies troncocónicas están separadas respecto de sus bases menores una distancia idéntica al radio de la espira situada sobre dicha base menor.

Para conseguir un campo perfectamente homogéneo en un entorno cercano a un punto situado sobre el eje de revolución de las citadas superficies, mas concretamente en la zona media situada entre ambas bases menores, se prevé que el ángulo formado entre la generatriz de dichas superficies troncocónicas y el eje de revolución se encuentre dentro de un intervalo entre 63º y 64º, siendo el ángulo óptimo estimado de 63,4º.

Esta disposición geométrica de las espiras sobre dicha superficie permite asegurar que cada espira se encuentre a una distancia idéntica a su radio respecto de una homóloga situada en un plano paralelo, cosa que no ocurría en los carretes tradicionales de Helmholtz, permitiendo generar un campo totalmente homogéneo en el entorno del citado punto.

Para ampliar la magnitud del campo magnético en dicho entorno únicamente es necesario aumentar el número de espiras dispuestas sobre ambas superficies, de manera que en todo momento se dispongan unas a continuación de las otras siguiendo la dirección de la generatriz, sin que éstas se amontonen unas sobre otras, al contrario que ocurría en los carretes tradicionales.

Aunque, el diámetro del hilo conductor no deberá ser mayor que un cierto valor, con el fin de no afectar a la homogeneidad del campo (como se verá seguidamente), la única limitación en cuanto a la magnitud de dicho campo magnético que se desee crear, estará determinada por la cota axial de las superficies troncocónicas que se vayan a emplear para realizar el arrollado de las espiras, por lo que dicho campo podrá ser notablemente mayor que los campos homogéneos producidos hasta el momento.

En relación al conductor que forma el arrollamiento, éste no puede ser de cualquier diámetro. En principio interesa uno de resistencia pequeña, ya que, para una fuente de alimentación dada (fuerza electromotriz E), la intensidad que circula por dicho arrollamiento será mayor, produciendo así un mayor campo magnético B. Esto, a priori, se consigue aumentando el diámetro del conductor; sin embargo, cuanto mayor sea el mismo, mayor será el radio medio de cada espira que forma la bobina, violándose así la condición de que cada una de dichas espiras se halla, de su homóloga, a una distancia igual a su radio, perdiéndose de esta forma la homogeneidad del campo en el punto objeto de estudio sobre el eje de revolución. El efecto de aumentar la sección del hilo conductor es, por lo tanto, equivalente a aumentar el número de espiras del arrollamiento en dirección radial, mencionado ya en la descripción de los carretes de Helmholtz tradicionales. Esto implica que debe haber un límite superior para el diámetro del conductor, de manera que se asegure la uniformidad del campo. En este sentido el nuevo sistema propuesto se construye a partir de la relación óptima entre intensidad máxima (diámetro máximo-resistencia mínima-) y homogeneidad del campo. Concretamente, el diámetro del conductor que forma el arrollamiento debe verificar la relación d < 0,08r, en donde d es el diámetro del hilo conductor y r es el radio menor de las superficies troncocónicas, respectivamente. De este modo, respetando esta desigualdad en la construcción de los carretes con la nueva disposición conoidal, se obtiene el mayor campo magnético posible para una fuente de fuerza electromotriz dada, sin destruir la uniformidad del campo.

En realidad las bobinas troncocónicas, como lo son los carretes de Helmholtz tradicionales, no están formados por un conjunto de N espiras independientes, sino por un arrollamiento en forma de hélice. Ello es un problema, ya que aparecen gradientes del campo magnético en el centro de simetría sobre el eje del sistema (y también fuera de él), contribuyendo también a la pérdida de uniformidad de dicho campo. El nuevo sistema consigue solventar este problema de una forma sencilla. Para ello se realiza el arrollamiento en forma de hélice en formando el mismo ángulo sobre el eje OZ, pero uno positivo y otro negativo, sobre cada una de las superficies troncocónicas, de modo que se compense la componente del campo perpendicular al eje de revolución del dispositivo, logrando, de este modo, una mayor homogeneidad del campo en la región del espacio deseada, que las bobinas de Helmholtz.

De acuerdo con otra de las características de la invención, el dispositivo incorpora un sistema de refrigeración convencional con el fin de mantener homogénea la temperatura de las espiras, y permitir así un mayor flujo de corriente eléctrica, y por lo tanto generar un campo magnético mayor.

Descripción de los dibujos

Para complementar la descripción que se está realizando y con objeto de ayudar a una mejor comprensión de las características del invento, de acuerdo con un ejemplo preferente de realización práctica del mismo, se acompaña como parte integrante de dicha descripción, un juego de dibujos en donde con carácter ilustrativo y no limitativo, se ha representado lo siguiente:

La figura 1.- Muestra una vista en perspectiva de un dispositivo generador de campos magnéticos homogéneos de Helmholtz tradicional.

La figura 2.- Muestra una vista en alzado lateral de un dispositivo generador de campos magnéticos homogéneos realizado de acuerdo con el objeto de la presente invención.

La figura 3.- Muestra una sección del dispositivo de la figura anterior a través de un plano que contenga a su eje imaginario de revolución, en la que se pueden observar los útiles que se utilizan para el montaje de las espiras.

Realización preferente de la invención

A la vista de las figuras reseñadas, y en especial de las figuras 2 y 3, puede observarse cómo el dispositivo generador de campos magnéticos homogéneos que la invención propone está constituido a partir de dos bobinas o carretes (1-1') distribuidos sobre dos superficies troncocónicas imaginarias (2-2') de escaso grosor, cuyo eje de revolución (3) es coincidente y cuyas bases menores están enfrentadas.

Dichos carretes (1-1') conforman una pluralidad de espiras (4, 4', ..., 4^{n}), dispuestas paralelamente, recubriendo cada una de las superficies citadas.

La distancia (a) entre las bases de las superficies troncocónicas (2-2') es idéntica al radio de las espiras (4) dispuestas sobre sendas bases menores de dichas superficies,

A efectos de fabricación, dichas superficies (2-2') se materializan en útiles de montaje que pueden incorporar una pequeña superficie (5) cilíndrica que emerge del extremo de cada base menor, para facilitar el arrollado de las espiras, todo ello tal y como se puede observar en la figura 3.

Asimismo, el ángulo formado entre la generatriz (6) de dichas superficies y su eje de revolución (3) debe estar comprendido en un intervalo de 63º y 64º como valores límite, siendo el ángulo óptimo estimado de 63,4º.

Por el conjunto de las espiras (4, 4', ..., 4^{n}), de ambos carretes (1-1') circula una corriente suministrada por un generador eléctrico, no representado en las figuras, que genera un campo magnético proporcional al número de espiras utilizado, y que en el entorno del punto (P), situado sobre el eje de revolución (3) a una distancia idéntica a la mitad del radio de las espiras (4) situada sobre el extremo de la superficies (2-2'), es totalmente homogéneo.

Este fenómeno es debido a la singular geometría del dispositivo, que como anteriormente se ha mencionado, permite que cada espira (4, 4', ..., 4^{n}) se encuentre a una distancia idéntica a su radio respecto de una homóloga situada en un plano paralelo correspondiente a la superficie troncocónica contraria.

El hilo conductor empleado para la construcción de las bobinas se elige cumpliendo la desigualdad d < 0,08r, siendo d es el diámetro del hilo conductor y r el radio menor de las superficies troncocónicas, respectivamente. De este modo, se minimiza la resistencia y se maximiza la intensidad (para una fuente externa de fuerza electromotriz \xi), haciendo que el campo producido sea el mayor posible para esta disposición geométrica, garantizando, además, la homogeneidad del mismo en la zona objeto de estudio.

El arrollamiento sobre cada superficie troncocónica se realiza en oposición, o sea de manera que el ángulo que forma el plano imaginario que contiene a cada espira de la hélice de una de las citadas superficies, forma un ángulo idéntico pero de signo contrario al de la otra, respecto del eje de revolución del sistema (eje OZ).

Por último, cabe destacar que el dispositivo incorpora un sistema de refrigeración convencional, no representado en las figuras, que permite disipar el calor generado por la corriente que atraviesan las espiras (4, 4', ..., 4^{n}), homogeneizando su temperatura y permitiendo una circulación mayor de corriente a través de las mismas, y por lo tanto generando un mayor campo magnético.

Claims (4)

1. Dispositivo generador de campos magnéticos homogéneos, del tipo de los que incorporan una pluralidad de espiras distribuidas paralelamente en dos agrupaciones con igual número de ellas, distanciadas una cierta magnitud respecto de su eje de revolución y por las que circula una corriente eléctrica a fin de crear un campo magnético homogéneo en un entorno situado en la zona media entre dichas agrupaciones, sobre su eje de revolución, caracterizado porque dichas espiras (4, 4', ..., 4^{n}) se disponen agrupadas paralelamente sobre dos superficies troncocónicas imaginarias (2-2') enfrentadas por su base menor y con sus ejes de revolución coincidentes, separadas una distancia (a) idéntica al radio de la espira (4) dispuesta sobre la base menor, estando el ángulo formado entre la generatriz (6) de cualquiera de dichas superficies troncocónicas (2-2') y el eje de revolución (3) de las mismas comprendido entre 63º y 64º

2. Dispositivo generador de campos magnéticos homogéneos, según reivindicación 1ª, caracterizado porque el citado ángulo formado entre la generatriz (6) y el eje de revolución (3) es de 63,4º.

3. Dispositivo generador de campos magnéticos homogéneos, según reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la sección del conductor empleado cumple una relación tal que el diámetro del hilo conductor es menor que 0.08 veces el radio menor de las superficies troncocónicas para conseguir el máximo campo magnético homogéneo en el entorno situado en la zona media entre las agrupaciones de espiras (4, 4', 4'', ..., 4^{n}).

4. Dispositivo generador de campos magnéticos homogéneos, según reivindicación 1ª, caracterizado porque el arrollamiento en cada una de las superficies troncocónicas se realiza en oposición de ángulo respecto del eje de revolución del sistema.