ЕЛЕКТРОМАГНИТ: СЪСТАВ, ЧАСТИ, КАК РАБОТИ И ПРИЛОЖЕНИЯ - ФИЗИЧЕСКИ - 2025

Един електромагнит е устройство, което произвежда магнетизма от електрически ток. Ако електрическият ток спре, тогава магнитното поле също изчезва. През 1820 г. е открито, че електрически ток произвежда магнитно поле в своята среда. Четири години по-късно е изобретен и построен първият електромагнит.

Първият електромагнит се състоеше от желязна подкова, боядисана с изолационен лак, а върху нея бяха навити осемнадесет завъртания от медна тел без електрическа изолация.

Фигура 1. Електромагнит. Източник: pixabay

Съвременните електромагнити могат да имат различни форми в зависимост от крайната употреба, която ще им бъде дадена; и кабелът е изолиран с лак, а не от желязната сърцевина. Най-често срещаната форма на желязната сърцевина е цилиндричната, върху която е навита изолираната медна тел.

Можете да направите електромагнит само с намотката, произвеждаща магнитно поле, но желязната сърцевина умножава интензивността на полето.

Когато електрическият ток преминава през намотката на електромагнит, желязната сърцевина се намагнетизира. Тоест вътрешните магнитни моменти на материала се подравняват и добавят, засилвайки общото магнитно поле.

Магнетизмът като такъв е познат поне от 600 г. пр. Н. Е., Когато гръцкият Талес от Милет говори подробно за магнита. Магнетитът, железен минерал, произвежда магнетизъм естествено и постоянно.

Предимства на електромагнитите

Несъмнено предимство на електромагнитите е, че магнитното поле може да бъде установено, увеличено, намалено или отстранено чрез контрол на електрическия ток. Когато правите постоянни магнити, електромагнитите са необходими.

Сега защо се случва това? Отговорът е, че магнетизмът е присъщ на материята точно като електричеството, но и двете явления се проявяват само при определени условия.

Може обаче да се каже, че източникът на магнитното поле се движат електрически заряди или електрически ток. Вътре в материята, на атомно и молекулно ниво, тези токове се произвеждат, които произвеждат магнитни полета във всички посоки, които се отменят взаимно. Ето защо материалите обикновено не показват магнетизъм.

Най-добрият начин да се обясни е да се мисли, че малките магнити (магнитни моменти) са поместени вътре в материята, която сочи във всички посоки, така че техният макроскопски ефект се отменя.

В феромагнитните материали магнитните моменти могат да се подравняват и да образуват области, наречени магнитни домейни. Когато се приложи външно поле, тези домейни се подравняват.

Когато външното поле бъде премахнато, тези домейни не се връщат в първоначалното си случайно положение, а остават частично подравнени. По този начин материалът се намагнетизира и образува постоянен магнит.

Състав и части на електромагнит

Електромагнитът е съставен от:

- Намотка на кабел, изолиран с лак.

- Желязна сърцевина (по избор).

- Източник на ток, който може да бъде директен или променлив.

Фигура 2. Части от електромагнит. Източник: самостоятелно направен.

Намотката е проводникът, през който преминава токът, който произвежда магнитното поле и се навива под формата на пружина.

При навиване завоите или завоите обикновено са много близо един до друг. Ето защо е изключително важно проводникът, с който е направена намотката, да има електрическа изолация, което се постига със специален лак. Целта на лакирането е, че дори когато завоите са групирани и се допират един до друг, те остават електрически изолирани и токът продължава своя спирален ход.

Колкото по-дебел е проводникът на намотката, толкова по-ток ще издържи кабелът, но ограничава общия брой завои, които могат да бъдат навити. Именно поради тази причина много електромагнитни намотки използват тънка жица.

Произведеното магнитно поле ще бъде пропорционално на тока, който преминава през намотката на намотката, а също и пропорционално на плътността на завоите. Това означава, че колкото повече обороти на единица дължина са поставени, толкова по-голяма е интензивността на полето.

Колкото по-строги са завоите на намотката, толкова по-голям е броят, който ще се побере в дадена дължина, увеличавайки плътността им и следователно полученото поле. Това е друга причина, поради която електромагнитите използват кабел, изолиран с лак, вместо пластмаса или друг материал, което би добавило дебелина.

соленоид

В електромагнит на соленоид или цилиндрик като този, показан на фигура 2, интензитетът на магнитното поле ще бъде даден от следното отношение:

B = μ⋅n⋅I

Където B е магнитното поле (или магнитна индукция), което в единици от международната система се измерва в Tesla, µ е магнитната проницаемост на сърцевината, n е плътността на завоите или броя на завъртанията на метър и накрая текущата I която циркулира през намотката, която се измерва в ампери (А).

Магнитната пропускливост на желязната сърцевина зависи от нейната сплав и обикновено е между 200 и 5000 пъти по-голяма от пропускливостта на въздуха. Полученото поле се умножава по същия този коефициент по отношение на това на електромагнит без желязна сърцевина. Пропускливостта на въздуха е приблизително равна на тази на вакуум, който е μ ₀ = 1,26 × 10 ^-6 T * m / A.

Как работи?

За да се разбере работата на електромагнит е необходимо да се разбере физиката на магнетизма.

Нека започнем с обикновена права жица, носеща ток I, този ток произвежда магнитно поле B около жицата.

Фигура 3. Магнитно поле, произведено от права жица. Източник: Wikimedia Commons

Линиите на магнитното поле около правия проводник са концентрични кръгове около оловния проводник. Полевите линии съответстват на правилото за дясната ръка, тоест ако палецът на дясната ръка сочи по посока на тока, другите четири пръста на дясната ръка ще посочат посоката на движение на линиите на магнитното поле.

Магнитно поле на права жица

Магнитното поле, дължащо се на права жица на разстояние r от нея, е:

Да предположим, че огъваме кабела така, че той образува кръг или контур, след това линиите на магнитното поле от вътрешната страна на него се събират, сочещи всички в една и съща посока, добавяйки и укрепвайки. Във вътрешната част на цикъла или кръга полето е по-интензивно, отколкото във външната част, където линиите на полето се разделят и отслабват.

Фигура 4. Магнитно поле, произведено от жица в кръг. Източник: Wikimedia Commons

Магнитното поле в центъра на контура

Полученото магнитно поле в центъра на радиус на контур и носи ток I е:

Ефектът се умножава, ако всеки път огъваме кабела, така че да има два, три, четири,… и много завои. Когато навиваме кабела под формата на пружина с много близки намотки, магнитното поле вътре в пружината е равномерно и много интензивно, докато от външната страна е практически нула.

Да предположим, че навиваме кабела в спирала от 30 оборота с дължина 1 см и диаметър 1 см. Това дава плътност на завоите от 3000 оборота на метър.

Идеално соленоидно магнитно поле

В идеален соленоид магнитното поле вътре в него се дава от:

Обобщавайки, нашите изчисления за кабел, който пренася 1 ампер ток и изчислява магнитното поле в микростелази, винаги на 0,5 см от кабела в различни конфигурации:

1. Прав кабел: 40 микротесла.
2. Кабел в кръг с диаметър 1 см: 125 микротесла.
3. Спирала от 300 оборота в 1 см: 3770 микротесла = 0,003770 Тесла.

Но ако добавим към спиралата желязна сърцевина с относителна пропускливост 100, тогава полето се умножава 100 пъти, тоест 0,37 Тесла.

Възможно е също така да се изчисли силата, която електромагнитът в соленоидна форма упражнява върху сечение на желязната сърцевина от напречно сечение A:

Ако приемем, че магнитното поле за насищане е 1,6 Тесла, силата на квадратен метър сечение на желязната сърцевина, упражнена от електромагнита, ще бъде 10 ^ 6 Нютон, еквивалентна на 10 ^ 5 Килограма сила, което е 0,1 тона на квадратен метър на напречно сечение.

Това означава, че електромагнит с поле на насищане 1.6 Тесла упражнява сила от 10 кг върху желязна сърцевина с напречно сечение 1 см ².

Електромагнитни приложения

Електромагнитите са част от много джаджи и устройства. Например, те присъстват вътре:

- Електродвигатели.

- Алтернатори и динамо.

- Говорители.

- Електромеханични релета или превключватели.

- Електрически звънци.

- Соленоидни клапани за контрол на потока.

- Компютърни твърди дискове.

- Подемно-транспортни кранове за скрап.

- Метални сепаратори от градски отпадъци.

- Електрически спирачки за влакове и камиони.

- Машини за ядрено-магнитен резонанс.

И още много устройства.

Препратки

1. Гарсия, Ф. Магнитно поле. Възстановено от: www.sc.ehu.es
2. Tagueña, J. и Martina, E. Магнетизъм. От компаса до въртенето. Възстановено от: Bibliotecadigital.ilce.edu.mx.
3. Сиърс, Земански. 2016. Университетска физика със съвременна физика. 14-ти. Изд. Том 2. 921-954.
4. Wikipedia. Електромагнит. Възстановено от: wikipedia.com
5. Wikipedia. Електромагнит. Възстановено от: wikipedia.com
6. Wikipedia. Намагнитизирането. Възстановено от: wikipedia.com