Generador de compressió de fluix bombejat explosivamente

Erro al crear miniatura:

Una vista en tall d'un generador de compressió de fluix. El tubo d'alumini es detona en l'extrem que s'estén més allà de l'hèliç d'aram de coure. En l'atre extrem, un transformador permet que el generador funcione de manera més eficient en la càrrega elèctrica

Un generador de compressió de fluix bombejat explosivamente (EPFCG per les sigles del seu nom en anglés, "Explosively Pumped Flux Compression Generator") és un dispositiu utilisat per a generar un pols electromagnètic d'alta potència comprimint un fluix magnètic per mig de l'us d'explosius.

Un EPFCG solament genera un pols, ya que el dispositiu es destruïx físicament durant el seu funcionament. Requerixen un pols de corrent elèctrica d'arrancada per a funcionar, generalment suministrat per un sistema de condensadores.

Els generadors de compressió de fluix bombejats explosivamente s'utilisen per a crear camps magnètics ultraaltos en l'investigació de física i ciència de materials i polsos extremadament intensos de corrent elèctrica per a aplicacions de potència pulsada. S'estan investigant com a fonts d'energia per a dispositius de guerra electrònica coneguts com a dispositius electromagnètics transitoris que generen un pols electromagnètic sense els costs, efectes secundaris o l'enorme alcanç d'un dispositiu d'atac de pols electromagnètic.

El primer treball en estos generadors va ser realisat pel centre Institut Panruso d'Investigació Científica de Física Experimental d'investigació nuclear en Sarov (Unió Soviètica) a principis de la década de 1950, seguit per Laboratori Nacional dels Àlbers en Estats Units.

Història

A principis de la década de 1950, la necessitat d'impulsos elèctrics molt curts i potents es va fer evident per als científics soviètics que investigaven el procés de fusió nuclear. El generador Marx, que almagasena energia en condensadores, era l'únic dispositiu capaç en eixe moment de produir polsos de tan alta potència. El cost prohibitivo dels condensadores necessaris per a obtindre la potència desijada va motivar la busca d'un dispositiu més econòmic. Els primers generadors magnetoexplosivos, que varen sorgir de les idees d'Andréi Sájarov, varen ser dissenyats per a complir esta funció.

Mecànica

Erro al crear miniatura:

Per a un camp magnètic d'intensitat constant de magnitut B que travessa una superfície S, el fluix Φ és igual a B multiplicat per S

Els generadors magnetoexplosivos utilisen una tècnica anomenada "compressió de fluix magnètic", que es descriu en detalle a continuació. La tècnica és possible quan les escales de temps en les que opera el dispositiu són lo suficientment breus com per a que la pèrdua de corrent resistiva siga insignificant i el fluix magnètic a través de qualsevol superfície rodejada per un conductor (aram de coure, per eixemple) permaneix constant, encara que el tamany i la forma de la superfície pot canviar.

Esta conservació del fluix es pot demostrar a partir de les equacions de Maxwell. L'explicació més intuïtiva d'esta conservació del fluix tancat es deriva de la llei de Lenz, que diu que qualsevol canvi en el fluix a través d'un circuit elèctric provocarà una corrent en el circuit que s'opondrà al canvi. Per esta raó, reduir l'àrea de la superfície tancada per un conductor de circuit tancat en un camp magnètic que ho travessa, lo que reduiria el fluix magnètic, dona com resultat l'inducció de corrent en el conductor elèctric, que tendix a mantindre el fluix tancat en el seu valor original. En els generadors magnetoexplosivos, la reducció de l'àrea es conseguix detonant explosius empaquetats al voltant d'un tubo o disc conductor, de modo que l'implosió resultant comprimix el tubo o disc. Ya que el fluix és igual a la magnitut del camp magnètic multiplicada per l'àrea de la superfície, a mida que l'àrea de la superfície es reduïx, l'intensitat del camp magnètic dins del conductor aumenta. El procés de compressió transforma parcialment l'energia química dels explosius en l'energia d'un intens camp magnètic rodejat per una corrent elèctrica correspondientemente gran.

L'objectiu del generador de fluix pot ser generar un impuls de camp magnètic extremadament fort o un impuls de corrent elèctrica extremadament forta. En l'últim cas el conductor tancat està conectat a un circuit extern. Esta tècnica s'ha utilisat per a crear els camps magnètics artificials més intensos de la Terra. De fet, es poden crear camps de fins a aproximadament 1000 tesles (aproximadament 1000 voltes la força d'un iman permanent de neodimi típic) durant uns pocs microsegons.

Descripció elemental de la compressió de fluix

Erro al crear miniatura:

Fig. 1: Llínees originals del camp magnètic

Un camp magnètic extern (llínees blaves) travessa un anell tancat fet d'un conductor perfecte (en resistència elèctrica zero). El fluix magnètic total

$\Phi$

a través de l'anell és igual al camp magnètic

$B$

multiplicat per l'àrea

$A$

de la superfície que comprén l'anell. Les nou llínees de camp representen el fluix magnètic que passa per l'anell.

Erro al crear miniatura:

Fig. 2: Configuració despuix de reduir el diàmetro de l'anell

Suponga's que l'anell es deforma, reduint l'àrea de la seua secció travessera. El fluix magnètic que passa per l'anell, representat per cinc llínees de camp, es reduïx en la mateixa proporció que l'àrea de l'anell. La variació del fluix magnètic induïx una corrent (fleches roges) en l'anell d'acort en la llei de Faraday, que a la seua volta crea un nou camp magnètic que rodeja el cable (fleches verdes) segons la llei de Ampère. El nou camp magnètic s'opon al camp exterior de l'anell, pero se sumixca al camp interior, de modo que es manté el fluix total en l'interior de l'anell: quatre llínees de camp verts sumades a les cinc llínees blaves donen les nou llínees de camp originals.

Erro al crear miniatura:

Fig. 3: Llínees de camp magnètic despuix de la compressió

En sumar el camp magnètic extern i el camp induït, es pot demostrar que el resultat net és que les llínees de camp magnètic que originalment passaven per l'anell permaneixen dins de l'orifici, per lo que el fluix es conserva i s'ha creat una corrent en l'anell conductor. Les llínees del camp magnètic estan "apretades" més juntes, per lo que l'intensitat (promig) del camp magnètic dins de l'anell aumenta en la relació entre l'àrea original i l'àrea final.