¿Cómo es posible que una cara de mi electroimán produzca un campo magnético más fuerte que la otra?

Foto de un electroimán con una flecha que muestra la ruta aproximada de las mediciones

Trabajo en un laboratorio de investigación experimental. Hice un electroimán haciendo que el taller de máquinas cortara un núcleo de toroide y enrollara a mano un cable a su alrededor. El objetivo es tener una región de campo magnético uniforme por encima del espacio para probar mis dispositivos. (Los cortes en la parte superior del imán permiten colocar un portamuestras encima). Las caras del imán en el corte son paralelas entre sí, al menos, a simple vista. Usé un Gaussímetro (425 Lakeshore) para medir la fuerza del campo magnético en función de la posición, ligeramente por encima del espacio, registrando la fuerza del campo en cada intervalo de 1 mm que va de un lado del espacio al otro.

EDITAR: Se agregó una flecha en la foto para indicar la ruta aproximada de donde tomé las medidas. Imagina que esto está ligeramente por encima de la brecha.

Este es el resultado que obtengo:

Parcela de campo vs posición

Como puede ver, hay una pendiente general, y la parte donde la intensidad del campo comienza a disminuir rápidamente a la derecha es de menor magnitud que a la izquierda. Necesito que el área en el medio sea uniforme, no inclinada.

¿Cuál es la explicación de por qué está pasando esto? Es un solo bloque del mismo material, por lo que esperaría que el material se magnetizara uniformemente en todas partes. Entonces, cada cara del electroimán debe tener la misma densidad de polos magnéticos y, por lo tanto, la intensidad del campo debe ser la misma en cada lado.

¿Es que el enrollamiento del cable es desigual en un lado en comparación con el otro? Esa es la única explicación que se me ocurre hasta ahora. ¿Quizás si la densidad de los devanados de alambre es mayor a la izquierda que a la derecha, la magnetización sería más fuerte a la izquierda?

¿Qué pasa si lo enrollo de tal manera que solo la mitad inferior del toroide tenga alambre alrededor? Eso probablemente reduciría la intensidad del campo, pero ¿haría que la magnetización en cada cara del corte fuera más igualitaria?

Tu gráfico no me sorprende. Hubiera esperado que la intensidad del campo magnético no fuera perfectamente constante entre las superficies de los polos en función de la altura y que hubiera una pequeña pendiente porque la geometría del imán no es simétrica en función de la altura alrededor de la mitad -punto de altura de los postes. Busque "bobina de Helmholtz" para obtener un mejor diseño de imán para la uniformidad del campo.
¿La brecha es realmente de 25 mm de ancho? ¿Y el eje horizontal de su gráfico corresponde a una posición horizontal en su foto? Si la falta de uniformidad del campo se debe a campos externos como lo sugieren @janlalinsky y SamuelWeir, girar el imán boca abajo o a 90 grados debería cambiar la distribución del campo medido.
Ok, para obtener información adicional (probablemente debería haberlo mencionado en mi OP), hice un electroimán anterior con exactamente el mismo diseño, pero tanto el núcleo como el espacio son más pequeños, y ese salió simétrico. O al menos mucho más cerca de la simetría perfecta que esto. También se probó exactamente en la misma configuración y ubicación, por lo que lo que quiero lograr es factible en principio. Quería hacer uno más grande con un espacio un poco más grande para tener un área de uniformidad un poco más grande. Un espacio más grande significa que el núcleo tiene que ser más grande para que las caras del corte tengan un área más grande.
@S.McGrew En realidad, se supone que la brecha es de 0,95 pulgadas de ancho. Así que es un poco más pequeño que 25 mm. No comencé a medir exactamente en el borde del espacio porque no importa, siempre y cuando capture suficientes puntos para mostrar dónde la uniformidad comienza a disminuir rápidamente. Sí, el eje horizontal en el gráfico corresponde a la posición horizontal (en mm) hacia la izquierda/derecha en la foto. Esa es una buena idea para probar si se debe a campos externos (no uniformes) o al imán: rotarlo y rehacer la prueba. Sin embargo, estoy bastante seguro de que es el imán.
Ah, y también, por supuesto, sé acerca de las bobinas Helmhotz. Hay ciertas razones por las que realmente no funciona aquí. El problema #1 es que es mucho más difícil producir un campo fuerte debido a la falta de un núcleo magnetizable.
Una sugerencia: es posible que pueda afinar la uniformidad del campo ajustando ligeramente el espaciado de las vueltas de la bobina en las últimas pulgadas o dos a cada lado del espacio.
@S.McGrew Sí, también pensé algo así. Lo intenté rápidamente antes de hacer esta publicación, pero los resultados fueron inconsistentes o simplemente no lo hice de manera lo suficientemente sistemática. Mi sospecha es que simplemente desenrollar algo en ambos lados debería ayudar. Pero si no es así, probaré esto también.

Respuestas (2)

¿Será que su enrollado no es 100% uniforme? ¿Más enrollamiento en el lado izquierdo del núcleo que en el lado derecho del núcleo puede hacer que el campo se sesgue?

Su medidor mide el campo total, que no es igual al campo de su electroimán, pero tiene contribuciones debido a los objetos cercanos y al campo magnético de la Tierra.

Además, la medición puede haber sido inexacta, el devanado no es exactamente simétrico, la permeabilidad del núcleo puede no ser exactamente la misma en todas partes.

Para obtener un campo uniforme, hay que tener en cuenta estas cosas. En la práctica, se utilizan varios pares de bobinas de Helmholtz para preparar un campo magnético de alta uniformidad; por ejemplo, al menos un par para crear el nivel deseado de intensidad de campo y otro para cancelar la polarización externa debida al campo terrestre.

" Para obtener un campo uniforme, uno tiene que tener en cuenta estas cosas ". Sí, el objetivo de mi pregunta es tener en cuenta todas las cosas que lo están desviando. Ahora mismo, el devanado es mi principal sospechoso. Soy escéptico de que la permeabilidad del núcleo sea tan desigual. La diferencia es cercana al 10%. El campo magnético de la Tierra debería ser constante en un espacio tan pequeño, por lo que solo sería una compensación. No debería resultar en una pendiente.
Si el núcleo es perfecto, entonces tiene razón, el campo de la Tierra no debería contribuir a la pendiente. Primero, me aseguraría de que esta pendiente esté realmente allí, trataría de medir el campo con varios métodos diferentes y usaría diferentes métodos de fijación para la sonda y sus cables. Puede ser solo una ligera asimetría en el sistema. Por ejemplo, en la foto, el toroide está cerca de cuerpos metálicos; intente quitarlos y vea si la pendiente cambia.
¿Cómo es posible que una cara de mi electroimán produzca un campo magnético más fuerte que la otra?
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