１テスラの電磁石の作り方

　１テスラの電磁石を作成してほしい、との問い合わせがあり、当方、小型のソレノイドのコイル部分を製作しておるのですが、図面をいただいてのことで、恥ずかしながら設計などしたこともなく、ネットでいろいろ調べてみたのですが、よくわかりませんでした。　もしもどなたか、計算方法など、教えていただけましたら、幸いです。
　よろしくお願いいたします。

No.6 ベストアンサー 回答者： imoriimori 回答日時： 2006/07/01 12:24

＃４です。

「２個の電磁石を使うとすれば、0.5Tずつで、パイプのあたりは1Tになりますか？」
それぞれの電磁石がパイプの場所で0.5Tを作るなら、そしてパイプの位置で磁束の向きがきれいに揃ってるなら、1Tになります。

なお、ソレノイドということだったのですが、ソレノイドというのはボビン（巻枠）の径に比べてボビンの長さが十分長いコイルを言います。先に示したのはその中の磁場です。図のような配置だとソレノイド内の磁場とはだいぶ違ってきます。ボビンの短い電磁石の直近にパイプがあればもっと磁場は強いでしょう。ちゃんとした計算はビオサバールの法則とかを調べてください。
あと、パイプは向かい合った電磁石の間を通るようですが、中央で1Tでも巻き線近傍ではずっと強い磁場になります。それが嫌なら電磁石の間の空間は広く採らねばなりません。そうすると磁場は弱くなります。均一性はどのくらいいるんだ、というのも大事な仕様です。強力で均一でと言われたら、程度問題ですが専門家の仕事になります。

鉄心の使用は有効ですが、１Ｔで「磁気飽和」しないようなものを使わないといけません。そのへんに転がっている鉄ではどうかちょっと疑問です。専門業者にお尋ねください。

No.7 回答者： foobar 回答日時： 2006/07/01 19:07

パイプに１Tを加えたいなら、

Ｃ型の鉄心を用意して、Ｃの隙間のところにパイプを通すような電磁石が有利かと思います。（二つのコイルを鉄心で繋いだような形状）

鉄心の材料としては、直流の電磁石でよければ、「電気（軟）鉄」と呼ばれる材料が適しているように思います。（飽和磁束密度で2Ｔ弱くらいあったような）

Ｃ形状の鉄心を使うとして、どれくらいのコイル巻数、電流が必要になるかは、配管の外径で大体計算できます。

若干留意するのは
中を通るパイプは非磁性体にするほうが良いかと。磁性体のパイプだと、パイプ自体に磁束が集中して、管内に入る磁束が減るので。

No.5 回答者： foobar 回答日時： 2006/06/30 09:02

#2です。

若干コメントおよび補足

電磁石(コイル)製作の難易度
コイル製作の難易度は(超小型のコイルや、超精密な磁場発生のコイルを除けば)
概ね、コイルの持っている磁気エネルギー(磁束密度の二乗*磁場空間の体積、に比例)の大小に関連しています。(磁気エネルギーは 磁束密度*磁界の強さ*体積(積分)、で評価すべきですが、簡略的には前記の評価でも良いかと。)
#1さん紹介ページのコイル(高エネルギー物理学での粒子検出器用のコイル)は磁場空間がかなり大きい(2.2mφ*1.5m位)+磁束密度が結構高い(3Tですので、同体積の1Tのコイルと比べるとエネルギーが9倍になります)ために、かなり大がかりな(設計、製作の難易度も大きい)ものになっているかと。
発生する磁場空間の大きさが小さければ、磁気エネルギーも小さくなって、コイルの難易度は下がります。


超伝導コイルの安全性
超伝導コイルの超伝導が破れてクエンチを起こしても、爆発に繋がることはまず無いです。(コイルの冷却方式によるところもありますが。)
コイルの蓄積磁気エネルギーが全て熱になって、コイル全体を温めた場合、コイルの温度が150K程度上昇する(-270度から-120度になる)程度で済むようです。(前出の高エネルギー分野の超伝導コイルだと、異常が起きたときには、積極的にコイル全体を温めて、エネルギーをコイル自体の熱容量で吸収する構造にすることが多いのだとか。)
液体ヘリウムどぶ漬けのコイルだと、液体ヘリウムに熱が入って、ヘリウムの蒸発が起きますが、安全弁などで大気放出して過剰な圧力上昇を防いでますし。(どちらかというと、安全弁が開いて、圧力を逃した後始末のほうが面倒なのだとか)

No.4 回答者： imoriimori 回答日時： 2006/06/29 14:20

＃１様はＭＲＩ用の超電導磁石を想定してらっしゃいます。

広い空間にきわめて均一な磁場を作るので簡単には作れない。ソレノイドみたいな単純な巻き方では済まず設計は難しいし。そういうのは専門企業の専門技術者に行く話なので、質問者様のケースはそんな難しい磁場ではないですよね。＃２様に私も一票。

コイル諸元が与えられていて何アンペアの電流を流せばよいのかを知りたいのでしょうか？それともコイルを何ターン巻けばいいかを知りたいとか？
いずれにせよ、鉄心が使えるのか、 空芯でなくてはいけないのかで大きな分かれ道。

１Teslaとはソレノイドコイルの中？なら容易な計算式は電磁気学の教科書にたいてい出ている式として、
B[Tesla]=μ0×I×N/L
Iは電流[A]、Lはソレノイドの長さ[m]、Nは総巻数、μ0は真空の透磁率（鉄心を使わない、 空芯として）。空芯ではないなら、μ0のかわりに磁性体の透磁率。
短いソレノイドだと、この式から外れます。ソレノイドの外でもこの式から外れます。素人で正確な計算はできません。

そういう質問じゃない、という気もしますが、質問のご主旨をもっと明快にされればもっと適切な回答が他のかたから寄せられると思います。

この回答への補足

詳細が少し判明しました。　パイプの中を通る液体に1Tの磁力をあてたいとのことです。
イメージ的には
　■（電磁石）
　○（パイプ）
　■（電磁石）
です。
例えば、２個の電磁石を使うとすれば、0.5Tずつで、パイプのあたりは1Tになりますか？
また、真空の透磁率　4π×10-7　という値を見つけました。　すると、1Tにするには、かなり大きなものになってしまうような・・・あっ、鉄心を使えばいいのですね。　すると小型化できるということですな！
ちょっと分かってきました。
ありがとうございます。

補足日時：2006/07/01 06:27

No.3 回答者： leo-ultra 回答日時： 2006/06/29 13:08

＃１さんと＃２さんが対立してますが、条件にもよりますが、＃２さんに１票。

この回答へのお礼

多数決！
ありがとうございました。

お礼日時：2006/07/01 06:27

No.2 回答者： foobar 回答日時： 2006/06/29 11:47

1Tの電磁石といっても、

・どれくらいの空間に1Tを発生させるのか
・どんな空間に磁場を生成するのか(ソレノイド内部?ソレノイド端部?)
・磁場の均一性はどれくらい必要か
・鉄心を使うか否か(1.5T位までなら鉄心を使えます)
といった条件で、千差万別になります。


(1Tというのは、大体、汎用モータ内部の磁束密度や希土類磁石の表面の磁束密度くらいの大きさです。
磁場空間の大きさにもよりますが、小さい空間で鉄心を使って良いなら割と用意に作れます。)

この回答へのお礼

ありがとうございました。

お礼日時：2006/07/01 06:26

No.1 回答者： omi3 回答日時： 2006/06/29 10:52

1テスラは、

ソレノイドとか、アンペアターンとか、発熱とか、
スイッチング電源とか、卓上で実験とか

そんなレベルではなく、

超伝導がきれたら爆発するとか、時計やクレジットカードが破壊されるとか、数億円の開発費とか、

そんな世界なんですけど。

参考URL：http://www.kek.jp/hyouka/TRISTANreport/3_5_2.html

この回答へのお礼

すごい磁力なんですね。
ありがとうございました。

お礼日時：2006/07/01 06:25