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Cómo crear grandes campos magnéticos

Generar campos permanentes y muy intensos no resulta fácil. Los récords actuales no superan los 50 teslas. ¿Cómo se alcanzan esos valores?

NeuroSpin, un centro de investigación en neuroimagen por resonancia magnética situado al sur de París, posee un electroimán superconductor capaz de alcanzar 11,7 teslas, uno de los más potentes para este tipo de aplicaciones. [Wikimedia Commons/MeunierAurelia/CC BY SA 4.0]

La producción de campos magnéticos muy intensos supone todo un reto, tanto en investigación básica, para explorar las propiedades de la materia, como en medicina, para aumentar la resolución de las imágenes por resonancia magnética. Y es que el campo en la superficie de los mejores imanes permanentes llega solo a unos cuantos teslas (unas 30.000 veces el campo magnético terrestre), un valor modesto y, además, limitado a volúmenes pequeños.

Para obtener campos más intensos y extensos, podemos recurrir a los electroimanes presentes en numerosas aplicaciones de la vida cotidiana, como los motores eléctricos o las cerraduras de algunas puertas. Pero si buscamos campos de varias decenas de teslas, comienzan a surgir los obstáculos. ¿Cuáles son y cómo podemos superarlos?

Corrientes y campos

Veamos primero cómo funciona un electroimán. Toda corriente eléctrica crea un campo magnético en sus proximidades, pero este es muy débil aun en el caso de corrientes intensas: para alcanzar una milésima de tesla, hay que situarse a 2 centímetros de un conductor por donde circulen 100 amperios.

A fin de conseguir campos más grandes, se arrolla el hilo conductor sobre un cilindro para formar un solenoide. El campo magnético resultante no solo es mayor que el de un conductor recto, sino que también es casi uniforme en el interior de la bobina. El campo central es proporcional a la corriente y al número de espiras por unidad de longitud del solenoide. Con 10 amperios y 20.000 vueltas de hilo por metro ya se alcanzan 0,25 teslas. Así pues, ¿basta con aumentar la intensidad de la corriente y la densidad de espiras (es decir, con construir bobinas enormes) para obtener campos tan grandes como queramos?

Enseguida nos topamos con dos problemas. El primero es el efecto Joule, es decir, la disipación de calor causada por la resistencia eléctrica del conductor. Supongamos que la bobina del párrafo anterior mide 10 centímetros de largo y de diámetro, y está formada por un hilo de cobre de 1 milímetro cuadrado de sección. Con una corriente de 40 amperios generaríamos un campo de 1 tesla, pero la potencia disipada sería de unos 16 kilovatios y el dispositivo no tardaría en fundirse. Y es inútil tratar de reducir ese valor aumentando el diámetro del hilo, como se hace en los alargadores de los electrodomésticos: para preservar el volumen del solenoide habría que reducir el número de espiras; eso obligaría a aumentar la corriente y, al final, la potencia disipada sería similar.

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