ELEKTROMAGNET: ZLOŽENIE, ČASTI, AKO TO FUNGUJE A APLIKÁCIE - FYZICKÝ - 2025

Elektromagnet je zariadenie, ktoré produkuje magnetizmus elektrickým prúdom. Ak elektrický prúd prestane, magnetické pole zmizne. V roku 1820 sa zistilo, že elektrický prúd vytvára vo svojom prostredí magnetické pole. O štyri roky neskôr bol vynájdený a postavený prvý elektromagnet.

Prvý elektromagnet pozostával zo železnej podkovy natretej izolačným lakom a bolo naň navinutých osemnásť závitov medeného drôtu bez elektrickej izolácie.

Obrázok 1. Elektromagnet. Zdroj: pixabay

Moderné elektromagnety môžu mať rôzne tvary v závislosti od konečného použitia, ktoré im bude určené; a to je kábel, ktorý je izolovaný lakom, a nie železné jadro. Najbežnejším tvarom železného jadra je valec, na ktorý sa navíja izolovaný medený drôt.

Elektromagnet môžete vytvoriť iba pomocou vinutia, ktoré vytvára magnetické pole, ale železné jadro znásobuje intenzitu poľa.

Keď elektrický prúd prechádza vinutím elektromagnetu, železné jadro sa zmagnetizuje. To znamená, že vnútorné magnetické momenty materiálu sa zarovnávajú a sčítavajú, čím sa zosilňuje celkové magnetické pole.

Magnetizmus ako taký je známy najmenej od roku 600 pred Kristom, keď grécke Thaly milétu hovorili podrobne o magnetu. Magnetit, minerál železa, vytvára magnetizmus prirodzene a trvalo.

Výhody elektromagnetov

Nepochybnou výhodou elektromagnetov je to, že magnetické pole môže byť stanovené, zväčšené, zmenšené alebo odstránené reguláciou elektrického prúdu. Pri výrobe permanentných magnetov sú potrebné elektromagnety.

Prečo sa to deje? Odpoveď je, že magnetizmus je podstatný rovnako ako elektrina, ale oba javy sa prejavujú iba za určitých podmienok.

Dá sa však povedať, že zdrojom magnetického poľa sú elektrické náboje alebo elektrický prúd. Vo vnútri hmoty sa na atómovej a molekulárnej úrovni vytvárajú tieto prúdy, ktoré vytvárajú magnetické pole vo všetkých smeroch, ktoré sa navzájom rušia. To je dôvod, prečo materiály normálne nevykazujú magnetizmus.

Najlepší spôsob, ako to vysvetliť, je myslieť si, že malé magnety (magnetické momenty) sú umiestnené vo vnútri hmoty, ktorá smeruje do všetkých smerov, takže ich makroskopický efekt je zrušený.

Vo feromagnetických materiáloch môžu magnetické momenty zarovnávať a tvoriť oblasti nazývané magnetické domény. Keď sa použije externé pole, tieto domény sa zarovnajú.

Po odstránení externého poľa sa tieto domény nevracajú do pôvodnej náhodnej polohy, ale zostávajú čiastočne zarovnané. Týmto spôsobom sa materiál zmagnetizuje a vytvorí permanentný magnet.

Zloženie a časti elektromagnetu

Elektromagnet sa skladá z:

- vinutie kábla izolované lakom.

- Železné jadro (voliteľné).

- Prúdový zdroj, ktorý môže byť priamy alebo striedavý.

Obrázok 2. Časti elektromagnetu. Zdroj: vlastný.

Vinutie je vodič, ktorým prúdi prúd vytvárajúci magnetické pole a je navinutý vo forme pružiny.

Pri vinutí sú zákruty alebo zákruty obvykle veľmi blízko seba. Preto je mimoriadne dôležité, aby drôt, s ktorým je vinutie vyrobené, mal elektrickú izoláciu, čo sa dosiahne špeciálnym lakom. Účelom lakovania je to, že aj keď sú zákruty zoskupené a vzájomne sa dotýkajú, zostávajú elektricky izolované a prúd pokračuje v špirálovom priebehu.

Čím je vodič vinutia hrubší, tým viac prúdu kábel vydrží, ale obmedzuje celkový počet závitov, ktoré môžu byť navinuté. Z tohto dôvodu veľa elektromagnetických cievok používa tenký drôt.

Vytvorené magnetické pole bude úmerné prúdu, ktorý prechádza vodičom vinutia a tiež úmerné hustote zákrutov. To znamená, že čím viac sú umiestnené zákruty na jednotku dĺžky, tým väčšia je intenzita poľa.

Čím sú zákruty vinutia čím väčšie, tým väčšie číslo sa zmestí do danej dĺžky, čím sa zvýši ich hustota a tým aj výsledné pole. To je ďalší dôvod, prečo elektromagnety používajú kábel izolovaný lakom namiesto plastu alebo iného materiálu, čo by zväčšilo jeho hrúbku.

elektromagnetický

V solenoidovom alebo valcovitom elektromagnete, ako je elektromagnet znázornený na obrázku 2, bude intenzita magnetického poľa daná nasledujúcim vzťahom:

B = μ⋅n⋅I

Ak B je magnetické pole (alebo magnetická indukcia), ktoré sa v jednotkách medzinárodného systému meria v Tesle, μ je magnetická permeabilita jadra, n je hustota závitov alebo počet závitov na meter a nakoniec prúd I ktorý cirkuluje vinutím meraným v ampéroch (A).

Magnetická priepustnosť železného jadra závisí od jeho zliatiny a je zvyčajne medzi 200 a 5 000-násobkom priepustnosti vzduchu. Výsledné pole sa vynásobí rovnakým faktorom vzhľadom na elektromagnetické pole bez železného jadra. Priepustnosť vzduchu je približne rovnaká ako vákua, ktorá je μ ₀ = 1,26 x 10 ^-6 T * m / A.

Ako to funguje?

Aby sme pochopili fungovanie elektromagnetu, musíme pochopiť fyziku magnetizmu.

Začnime jednoduchým priamym vodičom, ktorý vedie prúd I, tento prúd vytvára okolo vodiča magnetické pole B.

Obrázok 3. Magnetické pole vytvárané priamym drôtom. Zdroj: Wikimedia Commons

Čiary magnetického poľa okolo priameho drôtu sú sústredné kruhy okolo zvodového drôtu. Čiary poľa sú v súlade s pravidlom na pravej strane, to znamená, že ak palec pravej ruky ukazuje v smere prúdu, ďalšie štyri prsty pravej ruky označujú smer pohybu magnetických siločiar.

Magnetické pole priameho drôtu

Magnetické pole v dôsledku priameho drôtu vo vzdialenosti r od neho je:

Predpokladajme, že ohýbame drôt tak, aby tvoril kruh alebo slučku, potom sa čiary magnetického poľa na jeho vnútornej strane spoja tak, aby smerovali všetko v rovnakom smere, pričom sa sčítajú a posilňujú. Vo vnútornej časti slučky alebo kruhu je pole intenzívnejšie ako vo vonkajšej časti, kde sa poľné línie oddeľujú a oslabujú.

Obrázok 4. Magnetické pole vytvárané drôtom v kruhu. Zdroj: Wikimedia Commons

Magnetické pole v strede slučky

Výsledné magnetické pole v strede slučky s polomerom a prúdom I je:

Účinok sa znásobí, keď zakaždým ohneme kábel tak, aby mal dva, tri, štyri, … a veľa zákrut. Keď navíjame kábel vo forme pružiny s veľmi blízkymi cievkami, magnetické pole vo vnútri pružiny je rovnomerné a veľmi intenzívne, zatiaľ čo na vonkajšej strane je prakticky nulová.

Predpokladajme, že sme kábel navinuli v špirále 30 zákrut v dĺžke 1 cm a priemere 1 cm. Toto dáva hustotu zákrutov 3000 otáčok na meter.

Ideálne magnetické pole solenoidu

V ideálnom solenoide je magnetické pole vo vnútri dané:

Zhrnutie, naše výpočty pre kábel, ktorý prenáša 1 ampér prúdu a vypočítavajú magnetické pole v mikrotelasoch, vždy 0,5 cm od kábla v rôznych konfiguráciách:

1. Rovný kábel: 40 mikrotelas.
2. Kábel v priemere 1 cm v priemere: 125 mikrotes.
3. Špirála s 300 zákrutami v 1 cm: 3770 mikrototesov = 0,003770 Tesla.

Ak však do špirály pridáme železné jadro s relatívnou permitivitou 100, potom sa pole vynásobí 100-krát, to je 0,37 Tesla.

Je tiež možné vypočítať silu, ktorú elektromagnet pôsobí vo forme solenoidu na časť železného jadra prierezu A:

Za predpokladu saturačného magnetického poľa 1,6 Tesla bude sila na štvorcový meter plochy železného jadra, ktorú pôsobí elektromagnet, predstavovať 10 ^ 6 Newton, čo zodpovedá 10 ^ 5 kilogramom, čo je 0,1 t na štvorcový meter prierezu.

To znamená, že elektromagnet s saturačnej poľa 1,6 Tesla pôsobí silou 10 kg na železné jadro s prierezom 1 cm ² .

Elektromagnetické aplikácie

Elektromagnety sú súčasťou mnohých prístrojov a zariadení. Napríklad sú prítomné vo vnútri:

- Elektrické motory.

- alternátory a dynamá.

- Reproduktory.

- Elektromechanické relé alebo spínače.

- Elektrické zvončeky.

- Solenoidové ventily na reguláciu prietoku.

- Počítačové pevné disky.

- Kovové zdvíhacie žeriavy.

- Separátory kovov z komunálneho odpadu.

- Elektrické brzdy pre vlaky a nákladné vozidlá.

- Zobrazovacie stroje s nukleárnou magnetickou rezonanciou.

A mnoho ďalších zariadení.

Referencie

1. García, F. Magnetic Field. Obnovené z: www.sc.ehu.es
2. Tagueña, J. a Martina, E. Magnetism. Z kompasu na rotáciu. Získané z: Bibliotecadigital.ilce.edu.mx.
3. Sears, Zemansky. 2016. Univerzitná fyzika s modernou fyzikou. 14 .. Vyd. Zväzok 2. 921-954.
4. Wikipedia. Elektromagnet. Obnovené z: wikipedia.com
5. Wikipedia. Elektromagnet. Obnovené z: wikipedia.com
6. Wikipedia. Magnetizácie. Obnovené z: wikipedia.com