Intensité de champ magnétique

La fabrication de champs magnétiques intenses (supérieurs à 1 T) nécessite l'emploi d'un électro-aimant constitué d'un bobinage de fil conducteur appelé solénoïde parcouru par un courant électrique.

Le dispositif de l'électro-aimant est sujet à deux limitations :

• l'effet Joule, qui tend à faire fondre les fils du bobinage lorsque l'énergie à dissiper sous forme de chaleur devient trop grande pour le matériau ;
• la « pression magnétique », action mécanique sur le bobinage résultante des forces de Lorentz sur les fils. Cette pression magnétique radiale est dirigée vers l'extérieur de la bobine et tend à faire éclater celle-ci.

• Pour contrer l'effet Joule, deux possibilités sont utilisées :
  • l'utilisation d'un matériau supraconducteur sous sa température critique. Cette possibilité est limitée, car il existe un champ magnétique critique au-dessus duquel la supraconductivité du matériau disparait.
  • le refroidissement liquide du bobinage pour évacuer l'excédent d'énergie Joule. Un débit typique de 300 litres d'eau par seconde permet d'atteindre une trentaine de teslas...

• Pour contrer la pression magnétique, il faut utiliser un conducteur plus solide que le cuivre et construire des renforts mécaniques extérieurs au bobinage.

Champs statiques
Source = électro-aimant de Faraday (1840)	${\displaystyle B\simeq 1\ \mathrm {T} }$
Source = électro-aimant de 50 tonnes installé au laboratoire Bellevue (début du XXe siècle), consommant une puissance de 100 kW	${\displaystyle B\simeq 7\ \mathrm {T} }$
Source = électro-aimant à bobinage supraconducteur (début du XXIe siècle)	${\displaystyle B\simeq 20\ \mathrm {T} }$
Source = électro-aimant à refroidissement liquide (début du XXIe siècle)	${\displaystyle B\simeq 33\ \mathrm {T} }$
Source = électro-aimant hybride (supraconducteur + refroidissement liquide - début du XXIe siècle) consommant une puissance de 20 MW	${\displaystyle B\simeq 45\ \mathrm {T} }$

Il n'est guère possible de faire mieux actuellement (le record obtenu en 2019 est de 45,5 T[3]). Pour aller plus haut, on utilise un courant transitoire, qui ne circule que pendant une brève durée, de façon à laisser le bobinage refroidir ensuite. On fabrique ainsi des champs dit pulsés.

Champs pulsés sans destruction de la source
Source = électro-aimant monolithique renforcé (début du XXIe siècle)	${\displaystyle B\simeq 60\ \mathrm {T} \ \mathrm {pendant} \ 100\ \mathrm {ms} }$
Source = bobines gigognes (22 juin 2011 - record du monde[4])	${\displaystyle B\simeq 91.4\ \mathrm {T} \ \mathrm {pendant} \ \mathrm {quelques} \ \mathrm {ms} }$
Champs pulsés avec destruction de la source
Source = bobine monospire (début du XXIe siècle)	${\displaystyle B\simeq 300\ \mathrm {T} }$
Source = générateur à compression de flux électromagnétique : striction axiale par forces électromagnétiques (début du XXIe siècle)	${\displaystyle B\simeq 600\ \mathrm {T} }$
Source = générateur magnéto-cumulatif : électro-aimant + confinement magnétique des lignes de champ par explosif (milieu du XXe siècle)	${\displaystyle B\simeq 2000\ \mathrm {T} }$