ELEKTROMAGNES: SKŁAD, CZĘŚCI, SPOSÓB DZIAŁANIA I ZASTOSOWANIA - FIZYCZNY - 2025

Elektromagnes jest urządzeniem, które wytwarza pole magnetyczne od prądu elektrycznego. Jeśli prąd elektryczny ustanie, znika również pole magnetyczne. W 1820 roku odkryto, że prąd elektryczny wytwarza w swoim otoczeniu pole magnetyczne. Cztery lata później wynaleziono i zbudowano pierwszy elektromagnes.

Pierwszy elektromagnes składał się z żelaznej podkowy pomalowanej lakierem izolacyjnym, na którym nawinięto osiemnaście zwojów drutu miedzianego bez izolacji elektrycznej.

Rysunek 1. Elektromagnes. Źródło: pixabay

Współczesne elektromagnesy mogą mieć różne kształty w zależności od końcowego zastosowania, jakie zostanie im nadane; i to kabel jest izolowany lakierem, a nie żelazny rdzeń. Najpopularniejszym kształtem żelaznego rdzenia jest walcowaty, na który nawinięty jest izolowany drut miedziany.

Możesz zrobić elektromagnes z samym uzwojeniem wytwarzającym pole magnetyczne, ale żelazny rdzeń zwielokrotnia intensywność tego pola.

Kiedy prąd elektryczny przepływa przez uzwojenie elektromagnesu, żelazny rdzeń zostaje namagnesowany. Oznacza to, że wewnętrzne momenty magnetyczne materiału wyrównują się i sumują, intensyfikując całkowite pole magnetyczne.

Magnetyzm jako taki był znany co najmniej od 600 roku pne, kiedy grecki Tales z Miletu szczegółowo mówił o magnesie. Magnetyt, minerał żelaza, wytwarza magnetyzm w sposób naturalny i trwały.

Zalety elektromagnesów

Niewątpliwą zaletą elektromagnesów jest to, że pole magnetyczne można ustalić, zwiększyć, zmniejszyć lub usunąć poprzez sterowanie prądem elektrycznym. Przy wytwarzaniu magnesów trwałych konieczne są elektromagnesy.

Dlaczego tak się dzieje? Odpowiedź brzmi, że magnetyzm jest nieodłącznym elementem materii, podobnie jak elektryczności, ale oba zjawiska przejawiają się tylko w określonych warunkach.

Można jednak powiedzieć, że źródłem pola magnetycznego są przemieszczające się ładunki elektryczne lub prąd elektryczny. Wewnątrz materii, na poziomie atomowym i molekularnym, wytwarzane są te prądy, które wytwarzają pola magnetyczne we wszystkich kierunkach, które wzajemnie się znoszą. Dlatego materiały zwykle nie wykazują magnetyzmu.

Najlepszym sposobem na wyjaśnienie tego jest myślenie, że małe magnesy (momenty magnetyczne) są umieszczone w materii, która jest skierowana we wszystkich kierunkach, więc ich makroskopowy efekt jest anulowany.

W materiałach ferromagnetycznych momenty magnetyczne mogą ustawiać się w linii i tworzyć regiony zwane domenami magnetycznymi. Po zastosowaniu pola zewnętrznego te domeny są wyrównane.

Po usunięciu pola zewnętrznego te domeny nie wracają do swojej pierwotnej losowej pozycji, ale pozostają częściowo wyrównane. W ten sposób materiał zostaje namagnesowany i tworzy magnes trwały.

Skład i części elektromagnesu

Elektromagnes składa się z:

- Uzwojenie kabla izolowane lakierem.

- Żelazny rdzeń (opcjonalnie).

- Źródło prądu, które może być stałe lub przemienne.

Rysunek 2. Części elektromagnesu. Źródło: wykonane samodzielnie.

Uzwojenie jest przewodnikiem, przez który przepływa prąd wytwarzający pole magnetyczne i jest nawijany w postaci sprężyny.

W uzwojeniu zwoje lub zwoje są zwykle bardzo blisko siebie. Dlatego niezwykle ważne jest, aby drut, z którego wykonane jest uzwojenie, posiadał izolację elektryczną, którą uzyskuje się specjalnym lakierem. Celem lakierowania jest to, że nawet gdy cewki są zgrupowane i stykają się ze sobą, pozostają izolowane elektrycznie, a prąd kontynuuje spiralny przebieg.

Im grubszy przewód uzwojenia, tym większy prąd wytrzyma kabel, ale ogranicza całkowitą liczbę zwojów, które można nawinąć. Z tego powodu wiele cewek elektromagnesów używa cienkiego drutu.

Wytworzone pole magnetyczne będzie proporcjonalne do prądu przepływającego przez przewód uzwojenia, a także proporcjonalne do gęstości zwojów. Oznacza to, że im więcej zwojów na jednostkę długości jest umieszczonych, tym większe jest natężenie pola.

Im ciaśniejsze są zwoje uzwojenia, tym większa liczba, która zmieści się na danej długości, zwiększając ich gęstość, a tym samym wynikowe pole. Jest to kolejny powód, dla którego elektromagnesy używają kabla izolowanego lakierem zamiast tworzywa sztucznego lub innego materiału, co zwiększyłoby grubość.

Elektrozawór

W elektromagnesie lub elektromagnesie cylindrycznym, takim jak ten pokazany na rysunku 2, natężenie pola magnetycznego będzie określone następującą zależnością:

B = μ⋅n⋅I

Gdzie B to pole magnetyczne (lub indukcja magnetyczna), które w jednostkach układu międzynarodowego jest mierzone w Tesli, μ to przenikalność magnetyczna rdzenia, n to gęstość zwojów lub liczba zwojów na metr i wreszcie prąd I który krąży w uzwojeniu mierzonym w amperach (A).

Przenikalność magnetyczna rdzenia żelaznego zależy od jego stopu i jest zwykle od 200 do 5000 razy większa niż przepuszczalność powietrza. Wynikowe pole jest mnożone przez ten sam współczynnik w stosunku do pola elektromagnesu bez żelaznego rdzenia. Przepuszczalność powietrza jest w przybliżeniu równa próżni, która wynosi μ ₀ = 1,26 × ^10-6 T * m / A.

Jak to działa?

Aby zrozumieć działanie elektromagnesu, konieczne jest zrozumienie fizyki magnetyzmu.

Zacznijmy od prostego przewodu przewodzącego prąd I, ten prąd wytwarza wokół niego pole magnetyczne B.

Rysunek 3. Pole magnetyczne wytwarzane przez prosty przewód. Źródło: Wikimedia Commons

Linie pola magnetycznego wokół prostego drutu są koncentrycznymi okręgami wokół przewodu doprowadzającego. Linie pola są zgodne z regułą prawej ręki, to znaczy, jeśli kciuk prawej ręki wskazuje kierunek prądu, pozostałe cztery palce prawej ręki wskażą kierunek ruchu linii pola magnetycznego.

Pole magnetyczne prostego drutu

Pole magnetyczne wywołane prostym przewodem w odległości r od niego wynosi:

Załóżmy, że zginamy drut tak, że tworzy okrąg lub pętlę, a następnie linie pola magnetycznego wewnątrz niego zbiegają się, wskazując wszystkie w tym samym kierunku, dodając i wzmacniając. W wewnętrznej części pętli lub koła pole jest bardziej intensywne niż w części zewnętrznej, gdzie linie pola rozdzielają się i osłabiają.

Rysunek 4. Pole magnetyczne wytwarzane przez drut w kole. Źródło: Wikimedia Commons

Pole magnetyczne w środku pętli

Wynikowe pole magnetyczne w środku pętli o promieniu a przenoszącej prąd I wynosi:

Efekt mnoży się, jeśli za każdym razem zginamy kabel tak, aby miał dwa, trzy, cztery, … i wiele zwojów. Kiedy nawijamy kabel w formie sprężyny o bardzo zwartych zwojach, pole magnetyczne wewnątrz sprężyny jest jednolite i bardzo intensywne, podczas gdy na zewnątrz jest praktycznie zerowe.

Załóżmy, że zwijamy kabel w spiralę o 30 zwojach na 1 cm długości i 1 cm średnicy. Daje to gęstość zwojów 3000 zwojów na metr.

Idealne pole magnetyczne solenoidu

W idealnym solenoidzie pole magnetyczne w jego wnętrzu jest określone przez:

Podsumowując, nasze obliczenia dla kabla przenoszącego 1 amper prądu i obliczające pole magnetyczne w mikrotesli, zawsze 0,5 cm od kabla w różnych konfiguracjach:

1. Kabel prosty: 40 mikrotesli.
2. Kabel w kole o średnicy 1 cm: 125 mikrotesli.
3. Spirala 300 zwojów na 1 cm: 3770 mikrotesli = 0,003770 Tesli.

Ale jeśli dodamy do spirali żelazny rdzeń o względnej przenikalności równej 100, to pole zostanie pomnożone 100 razy, czyli 0,37 Tesli.

Można również obliczyć siłę, jaką elektromagnes w postaci solenoidu wywiera na odcinek rdzenia żelaznego o przekroju A:

Zakładając nasycenie pola magnetycznego 1,6 Tesli, siła na metr kwadratowy powierzchni rdzenia żelaznego wywierana przez elektromagnes będzie równa 10 ^ 6 Newtonów, co odpowiada 10 ^ 5 kilogramom siły, czyli 0,1 tony na metr kwadratowy przekroju.

Oznacza to, że elektromagnes o polu nasycenia 1,6 Tesli wywiera siłę 10 kg na żelazny rdzeń o przekroju 1 cm ² .

Zastosowania elektromagnesu

Elektromagnesy są częścią wielu gadżetów i urządzeń. Na przykład są obecne w środku:

- Silniki elektryczne.

- Alternatory i dynama.

- Głośniki.

- Przekaźniki lub przełączniki elektromechaniczne.

- Dzwonki elektryczne.

- Zawory elektromagnetyczne do kontroli przepływu.

- Dyski twarde komputera.

- Dźwigi do podnoszenia złomu.

- Separatory metali z odpadów komunalnych.

- Hamulce elektryczne do pociągów i ciężarówek.

- Maszyny do obrazowania metodą magnetycznego rezonansu jądrowego.

I wiele innych urządzeń.

Bibliografia

1. García, F. Pole magnetyczne. Źródło: www.sc.ehu.es
2. Tagueña, J. i Martina, E. Magnetism. Od kompasu do obrotu. Odzyskane z: Bibliotecadigital.ilce.edu.mx.
3. Sears, Zemansky. 2016. Fizyka uniwersytecka z fizyką współczesną. 14. Wydanie, tom 2, 921-954.
4. Wikipedia. Elektromagnes. Odzyskane z: wikipedia.com
5. Wikipedia. Elektromagnes. Odzyskane z: wikipedia.com
6. Wikipedia. Namagnesowanie. Odzyskane z: wikipedia.com