ELEKTROMAGNET: SAMMENSÆTNING, DELE, HVORDAN DET FUNGERER OG APPLIKATIONER - FYSISK - 2025

En elektromagnet er en enhed, der producerer magnetisme fra elektrisk strøm. Hvis den elektriske strøm ophører, forsvinder magnetfeltet også. I 1820 blev det opdaget, at en elektrisk strøm producerer et magnetfelt i sit miljø. Fire år senere blev den første elektromagnet opfundet og bygget.

Den første elektromagnet bestod af en jern hestesko malet med isolerende lak, og atten omdrejninger af kobbertråd uden elektrisk isolering blev viklet over den.

Figur 1. Elektromagnet. Kilde: pixabay

Moderne elektromagneter kan have forskellige former afhængigt af den endelige anvendelse, der vil blive givet dem; og det er kablet, der er isoleret med lak og ikke jernkernen. Den mest almindelige form på jernkernen er den cylindriske, hvorpå den isolerede kobbertråd er viklet.

Du kan oprette en elektromagnet med bare viklingen, der producerer et magnetfelt, men jernkernen multiplicerer feltets intensitet.

Når elektrisk strøm passerer gennem viklingen af ​​en elektromagnet, magnetiseres jernkernen. Det vil sige, at materialets indre magnetiske øjeblikke justeres og tilføjes, hvilket intensiverer det totale magnetfelt.

Magnetisme som sådan har været kendt i det mindste siden 600 f.Kr., da de græske Thales of Miletus talte detaljeret om magneten. Magnetit, et jernmineral, producerer magnetisme naturligt og permanent.

Fordele ved elektromagneter

En utvivlsom fordel ved elektromagneter er, at magnetfeltet kan etableres, øges, formindskes eller fjernes ved at styre den elektriske strøm. Ved fremstilling af permanente magneter er elektromagneter nødvendige.

Hvorfor sker dette nu? Svaret er, at magnetisme er iboende for materie, ligesom det er for elektricitet, men begge fænomener manifesterer sig kun under visse betingelser.

Det kan dog siges, at kilden til magnetfeltet bevæger elektriske ladninger eller elektrisk strøm. Inde i stoffet, på det atomære og molekylære niveau, produceres disse strømme, der producerer magnetiske felter i alle retninger, der annullerer hinanden. Derfor viser materialer normalt ikke magnetisme.

Den bedste måde at forklare det på er at tænke, at små magneter (magnetiske øjeblikke) er indeholdt i sagen, der peger i alle retninger, så deres makroskopiske virkning annulleres.

I ferromagnetiske materialer kan magnetiske øjeblikke justere og danne områder kaldet magnetiske domæner. Når et eksternt felt anvendes, justeres disse domæner.

Når det eksterne felt fjernes, vender disse domæner ikke tilbage til deres oprindelige tilfældige position, men forbliver delvist på linje. På denne måde magnetiseres materialet og danner en permanent magnet.

Sammensætning og dele af en elektromagnet

En elektromagnet består af:

- En vikling af kabel isoleret med lak.

- En jernkerne (valgfri).

- En nuværende kilde, der kan være direkte eller skiftevis.

Figur 2. Dele af en elektromagnet. Kilde: self made.

Opviklingen er den leder, gennem hvilken strømmen, der producerer magnetfeltet, passerer og vikles i form af en fjeder.

Ved svingning er svingene eller svingene normalt meget tæt på hinanden. Derfor er det ekstremt vigtigt, at tråden, som viklingen er fremstillet med, har elektrisk isolering, hvilket opnås med en speciel lak. Formålet med lakering er, at selv når svingene er samlet og berører hinanden, forbliver de elektrisk isoleret, og strømmen fortsætter sin spiralforløb.

Jo tykkere den viklede leder, jo mere strøm vil kablet kunne modstå, men begrænser det samlede antal omdrejninger, der kan vikles. Det er af denne grund, at mange elektromagnetspiraler bruger en tynd tråd.

Det producerede magnetfelt vil være proportionalt med den strøm, der passerer gennem den viklede leder og også proportional med densiteten af ​​svingene. Dette betyder, at jo flere omdrejninger der er placeret pr. Enhed, jo større er feltets intensitet.

Jo strammere svingningerne er, jo større er antallet, der passer i en given længde, hvilket øger deres tæthed og dermed det resulterende felt. Dette er en anden grund til, at elektromagneter bruger kabel isoleret med lak i stedet for plast eller andet materiale, hvilket vil tilføje tykkelse.

Solenoid

I en magnet- eller cylindrisk elektromagnet som den, der er vist i figur 2, vil intensiteten af ​​magnetfeltet blive givet ved følgende forhold:

B = μ⋅n⋅I

Hvor B er magnetfeltet (eller magnetisk induktion), som i enheder af det internationale system måles i Tesla, er μ den magnetiske permeabilitet for kernen, n er densiteten af ​​drejninger eller antal omdrejninger pr. Meter og til sidst strømmen I der cirkulerer gennem viklingen, der måles i ampere (A).

Jernkernens magnetiske permeabilitet afhænger af dens legering og er normalt mellem 200 og 5000 gange luftens permeabilitet. Det resulterende felt ganges med denne samme faktor med hensyn til den for en elektromagnet uden en jernkerne. Luftens permeabilitet er omtrent lig med et vakuum, som er μ ₀ = 1,26 × ^10-6 T * m / A.

Hvordan virker det?

For at forstå driften af ​​en elektromagnet er det nødvendigt at forstå magnetismens fysik.

Lad os starte med en simpel lige ledning, der bærer en strøm I, denne strøm producerer et magnetfelt B omkring ledningen.

Figur 3. Magnetfelt produceret af en lige tråd. Kilde: Wikimedia Commons

Magnetfeltlinierne omkring den lige tråd er koncentriske cirkler omkring ledningen. Feltlinjerne er i overensstemmelse med den højre håndregel, det vil sige, hvis den højre hånds tommelfinger peger i strømretningen, vil de fire andre fingre på højre hånd indikere magnetfeltlinjernes cirkulationsretning.

Magnetfelt af en lige tråd

Magnetfeltet på grund af en lige ledning i en afstand r fra det er:

Antag, at vi bøjer ledningen, så den danner en cirkel eller en løkke, så magnetfeltlinierne på indersiden af ​​den samles og peger alle i samme retning, tilføjer og styrker. I den inderste del af løkken eller cirklen er feltet mere intens end i den ydre del, hvor feltlinjerne adskilles og svækkes.

Figur 4. Magnetfelt produceret af en ledning i en cirkel. Kilde: Wikimedia Commons

Magnetfeltet i midten af ​​en løkke

Det resulterende magnetfelt i midten af ​​en radiussløjfe, der bærer en strøm I, er:

Effekten multipliceres, hvis vi hver gang bøjer kablet, så det har to, tre, fire,… og mange omdrejninger. Når vi vikler kablet i form af en fjeder med meget tætte spoler, er magnetfeltet inde i fjederen ensartet og meget intens, mens det udvendigt er praktisk talt nul.

Antag, at vi snor kablet i en spiral på 30 omdrejninger i 1 cm lang og 1 cm i diameter. Dette giver en densitet på sving på 3000 omdrejninger pr. Meter.

Ideelt magnetisk magnetfelt

I en ideel magnetventil er magnetfeltet inde i det givet af:

Sammenfatter vores beregninger for et kabel, der bærer 1 ampere strøm og beregner magnetfeltet i mikroteslas, altid 0,5 cm væk fra kablet i forskellige konfigurationer:

1. Lige kabel: 40 mikroteslas.
2. Kabel i en cirkel på 1 cm i diameter: 125 mikroteslas.
3. Spiral på 300 vendinger i 1 cm: 3770 mikroteslas = 0,003770 Tesla.

Men hvis vi tilføjer spiralen en jernkerne med en relativ permittivitet på 100, multipliceres feltet 100 gange, det vil sige 0,37 Tesla.

Det er også muligt at beregne kraften, som elektromagneten i magnetform udøver på et afsnit af jernkernen i tværsnit A:

Forudsat at et mætningsmagnetisk felt på 1,6 Tesla er kraften pr. Kvadratmeter af det jernkerneareal, der udøves af elektromagneten, er 10 ^ 6 Newton svarende til 10 ^ 5 kg kraft, det vil sige 0,1 ton pr. kvadratmeter tværsnit.

Det betyder, at en elektromagnet med en mætning på 1,6 Tesla udøver en kraft på 10 kg på en jernkerne med et tværsnit på 1 cm ².

Elektromagnet applikationer

Elektromagneter er en del af mange gadgets og enheder. For eksempel er de til stede inde:

- Elektriske motorer.

- Generatorer og dynamoer.

- Højttalere.

- Elektromekaniske relæer eller afbrydere.

- Elektriske klokker.

- Magnetventiler til flowregulering.

- Computer harddiske.

- Løftekraner med metalskrot.

- Metaludskillere fra byaffald.

- Elektriske bremser til tog og lastbiler.

- Afbildningsmaskiner til nuklear magnetisk resonans.

Og mange flere enheder.

Referencer

1. García, F. Magnetfelt. Gendannes fra: www.sc.ehu.es
2. Tagueña, J. og Martina, E. Magnetism. Fra kompasset til spin. Gendannes fra: Bibliotecadigital.ilce.edu.mx.
3. Sears, Zemansky. 2016. Universitetsfysik med moderne fysik. 14th. Udgave bind 2. 921-954.
4. Wikipedia. Elektromagnet. Gendannet fra: wikipedia.com
5. Wikipedia. Elektromagnet. Gendannet fra: wikipedia.com
6. Wikipedia. Magnetisering. Gendannet fra: wikipedia.com