ЕЛЕКТРОМАГНІТ: СКЛАД, ЧАСТИНИ, СПОСІБ РОБОТИ ТА ЗАСТОСУВАННЯ - ФІЗИЧНІ - 2025

Електромагніт являє собою пристрій , який виробляє магнетизм від електричного струму. Якщо електричний струм припиняється, то магнітне поле також зникає. У 1820 р. Було виявлено, що електричний струм виробляє магнітне поле у ​​своєму оточенні. Через чотири роки був винайдений і побудований перший електромагніт.

Перший електромагніт складався із залізної підкови, пофарбованої ізолюючим лаком, і на неї намотували вісімнадцять витків мідного дроту без електроізоляції.

Малюнок 1. Електромагніт. Джерело: pixabay

Сучасні електромагніти можуть мати різну форму залежно від кінцевого використання, яке їм нададуть; і саме кабель утеплений лаком, а не залізним сердечником. Найпоширеніша форма залізного сердечника - циліндрична, на яку намотується ізольований мідний дріт.

Ви можете зробити електромагніт лише з обмоткою, що створює магнітне поле, але залізне ядро ​​примножує напруженість поля.

Коли електричний струм проходить через обмотку електромагніту, залізне ядро ​​стає намагніченим. Тобто внутрішні магнітні моменти матеріалу вирівнюються та додаються, посилюючи загальне магнітне поле.

Магнетизм як такий відомий принаймні з 600 р. До н.е., коли грецький Фалес Мілетський детально розповів про магніт. Магнетит, мінерал заліза, виробляє магнетизм природним шляхом і постійно.

Переваги електромагнітів

Безперечною перевагою електромагнітів є те, що магнітне поле можна встановлювати, збільшувати, зменшувати чи видаляти за допомогою керування електричним струмом. При виготовленні постійних магнітів необхідні електромагніти.

Тепер чому це відбувається? Відповідь полягає в тому, що магнетизм властивий матерії так само, як і до електрики, але обидва явища проявляються лише за певних умов.

Однак можна сказати, що джерелом магнітного поля є рухомі електричні заряди або електричний струм. Усередині речовини, на атомному та молекулярному рівні, виробляються ці струми, які виробляють магнітні поля у всіх напрямках, що скасовують один одного. Ось чому матеріали зазвичай не проявляють магнетизму.

Найкращий спосіб пояснити це - подумати, що дрібні магніти (магнітні моменти) розміщені всередині речовини, які вказують у всі сторони, тому їх макроскопічний ефект скасовується.

У феромагнітних матеріалах магнітні моменти можуть вирівнюватись і утворювати області, звані магнітними доменами. Якщо застосовується зовнішнє поле, ці домени вирівнюються.

При видаленні зовнішнього поля ці домени не повертаються у вихідне випадкове положення, а залишаються частково вирівняними. Таким чином матеріал намагнічується і утворює постійний магніт.

Склад і частини електромагніту

Електромагніт складається з:

- Обмотка кабелю, утепленого лаком.

- Залізна серцевина (на вибір).

- Джерело струму, яке може бути прямим або змінним.

Малюнок 2. Частини електромагніту. Джерело: саморобний.

Обмотка - це провідник, по якому проходить струм, який виробляє магнітне поле, і намотується у вигляді пружини.

При обмотці повороти або повороти зазвичай дуже близькі між собою. Ось чому вкрай важливо, щоб дріт, з яким робиться обмотка, мав електроізоляцію, що досягається спеціальним лаком. Мета лакування полягає в тому, що навіть коли витки групуються між собою і торкаються один одного, вони залишаються електрично ізольованими і струм продовжує свій спіральний хід.

Чим товщі провідник обмотки, тим більше струм витримає кабель, але обмежує загальну кількість витків, які можна намотати. Саме з цієї причини багато котушок електромагніту використовують тонкий провід.

Вироблене магнітне поле буде пропорційним струму, який проходить через провідник обмотки, а також пропорційному щільності витків. Це означає, що чим більше розміщених оборотів на одиницю довжини, тим більша напруженість поля.

Чим жорсткіші витки обмотки, тим більше число, яке поміститься в задану довжину, збільшуючи їх щільність і, отже, отримане поле. Це ще одна причина, чому електромагніти використовують кабель, утеплений лаком замість пластику чи іншого матеріалу, що додасть товщини.

Соленоїд

У соленоїдному або циліндричному електромагніті, такому, як показано на малюнку 2, напруженість магнітного поля буде задана таким співвідношенням:

B = μ⋅n⋅I

Де B - магнітне поле (або магнітна індукція), яке в одиницях міжнародної системи вимірюється в Теслі, μ - магнітна проникність ядра, n - щільність витків або кількість витків на метр і, нарешті, струм I яка циркулює по обмотці, яка вимірюється в амперах (А).

Магнітна проникність серцевинного заліза залежить від його сплаву і зазвичай становить від 200 до 5000 разів більшу проникність повітря. Отримане поле множиться на цей самий коефіцієнт по відношенню до електромагніту без залізного сердечника. Проникність повітря приблизно дорівнює вакууму, який становить μ ₀ = 1,26 × 10 ^-6 Т * м / А.

Як це працює?

Для розуміння роботи електромагніту необхідно зрозуміти фізику магнетизму.

Почнемо з простого прямого проводу, що проводить струм I, цей струм створює навколо проводу магнітне поле B.

Малюнок 3. Магнітне поле, вироблене прямим проводом. Джерело: Wikimedia Commons

Лінії магнітного поля навколо прямого дроту - це концентричні кола навколо свинцевого дроту. Лінії поля відповідають правильному правилу, тобто якщо великий палець правої руки вказує у напрямку струму, інші чотири пальці правої руки будуть вказувати напрямок циркуляції ліній магнітного поля.

Магнітне поле прямого проводу

Магнітне поле за рахунок прямого проводу на відстані r від нього становить:

Припустимо, що ми згинаємо кабель так, щоб він утворював коло або петлю, тоді лінії магнітного поля на внутрішній його частині збираються разом, вказуючи все в одному напрямку, додаючи і зміцнюючи. У внутрішній частині петлі або кола поле інтенсивніше, ніж у зовнішній частині, де лінії поля відокремлюються та слабшають.

Малюнок 4. Магнітне поле, вироблене дротом по колу. Джерело: Wikimedia Commons

Магнітне поле в центрі петлі

Отримане магнітне поле в центрі радіуса петлі a, що проводить струм I, становить:

Ефект множиться, якщо кожного разу згинати кабель так, щоб він мав два, три, чотири, … і багато витків. Коли ми намотуємо кабель у вигляді пружини з дуже близькими котушками, магнітне поле всередині пружини є рівномірним і дуже напруженим, тоді як на зовнішній стороні воно практично дорівнює нулю.

Припустимо, ми намотуємо кабель спіраллю в 30 витків довжиною 1 см і діаметром 1 см. Це дає щільність витків 3000 оборотів на метр.

Ідеальне соленоїдне магнітне поле

В ідеальному соленоїді магнітне поле всередині нього задається:

Підводячи підсумок, наші розрахунки для кабелю, що проводить струм 1 ампер і обчислює магнітне поле в мікротеслах, завжди на відстані 0,5 см від кабелю в різних конфігураціях:

1. Прямий кабель: 40 мікротес.
2. Кабель по колу діаметром 1 см: 125 мікротес.
3. Спіраль 300 витків у 1 см: 3770 мікротесл = 0,003770 Тесла.

Але якщо до спіралі додати залізне ядро ​​з відносною проникністю 100, то поле помножимо в 100 разів, тобто 0,37 Тесла.

Можна також обчислити силу, яку електромагніт в соленоїдній формі чинить на секцію залізного сердечника перерізу А:

Якщо припустити магнітне поле насичення 1,6 Тесла, сила на квадратний метр перерізу площі серцевини заліза, що діє на електромагніт, становитиме 10 ^ 6 ньютона, що еквівалентно силі 10 ^ 5 кілограмів, тобто 0,1 т на 1 квадратний метр перерізу.

Це означає, що електромагніт із полем насичення 1,6 Тесла справляє силу 10 кг на залізну серцевину з перетином 1 см ² .

Застосування електромагніту

Електромагніти є частиною багатьох гаджетів та пристроїв. Наприклад, вони присутні всередині:

- Електродвигуни.

- Генератори та динамо.

- Доповідачі.

- електромеханічні реле або вимикачі.

- Електричні дзвони.

- Соленоїдні клапани для контролю потоку.

- жорсткі диски комп'ютера.

- Крани для підйому металобрухту.

- Металеві сепаратори від міських відходів.

- Електричні гальма для поїздів і вантажних автомобілів.

- Машини ядерно-магнітного резонансу.

І багато інших пристроїв.

Список літератури

1. Гарсія, Ф. Магнітне поле. Відновлено з: www.sc.ehu.es
2. Tagueña, J. and Martina, E. Магнетизм. Від компаса до спина. Відновлено з: Bibliotecadigital.ilce.edu.mx.
3. Сірс, Земанський. 2016. Університетська фізика із сучасною фізикою. 14-а. Ред. Том 2. 921-954.
4. Вікіпедія. Електромагніт. Відновлено з: wikipedia.com
5. Вікіпедія. Електромагніт. Відновлено з: wikipedia.com
6. Вікіпедія. Намагнічування. Відновлено з: wikipedia.com