ЭЛЕКТРОМАГНИТ: СОСТАВ, ДЕТАЛИ, ПРИНЦИП РАБОТЫ И ПРИМЕНЕНИЕ - ФИЗИЧЕСКИЙ - 2026

Электромагнит представляет собой устройство , которое производит магнетизм от электрического тока. Если электрический ток прекращается, магнитное поле также исчезает. В 1820 году было обнаружено, что электрический ток создает магнитное поле в окружающей среде. Четыре года спустя был изобретен и построен первый электромагнит.

Первый электромагнит представлял собой железную подкову, окрашенную изолирующим лаком, и на нее было намотано восемнадцать витков медного провода без электрической изоляции.

Рисунок 1. Электромагнит. Источник: pixabay

Современные электромагниты могут иметь различную форму в зависимости от конечного использования, которое им предстоит; и покрыт лаком именно кабель, а не железный сердечник. Наиболее распространенная форма железного сердечника - цилиндрическая, на которую наматывается изолированный медный провод.

Вы можете сделать электромагнит только с обмоткой, создающей магнитное поле, но железный сердечник умножает напряженность поля.

Когда электрический ток проходит через обмотку электромагнита, железный сердечник намагничивается. То есть собственные магнитные моменты материала выравниваются и складываются, усиливая общее магнитное поле.

Магнетизм как таковой известен по крайней мере с 600 г. до н.э., когда греческий Фалес Милетский подробно рассказал о магните. Магнетит, минерал железа, естественно и постоянно производит магнетизм.

Преимущества электромагнитов

Несомненным преимуществом электромагнитов является то, что магнитное поле можно создавать, увеличивать, уменьшать или снимать, управляя электрическим током. При изготовлении постоянных магнитов необходимы электромагниты.

Теперь почему это происходит? Ответ заключается в том, что магнетизм присущ материи так же, как и электричеству, но оба явления проявляются только при определенных условиях.

Однако можно сказать, что источником магнитного поля являются движущиеся электрические заряды или электрический ток. Внутри материи, на атомном и молекулярном уровне, возникают эти токи, которые создают магнитные поля во всех направлениях, которые нейтрализуют друг друга. Вот почему материалы обычно не проявляют магнетизма.

Лучший способ объяснить это - подумать, что маленькие магниты (магнитные моменты) размещены внутри материи, которые указывают во всех направлениях, поэтому их макроскопический эффект нейтрализуется.

В ферромагнитных материалах магнитные моменты могут выравниваться и образовывать области, называемые магнитными доменами. При приложении внешнего поля эти домены выравниваются.

Когда внешнее поле удаляется, эти домены не возвращаются в свое исходное случайное положение, а остаются частично выровненными. Таким образом, материал намагничивается и образует постоянный магнит.

Состав и детали электромагнита

Электромагнит состоит из:

- Обмотка кабеля покрыта лаком.

- Железный сердечник (по желанию).

- Источник тока, который может быть постоянным или переменным.

Рисунок 2. Детали электромагнита. Источник: самодельный.

Обмотка - это проводник, по которому проходит ток, создающий магнитное поле, и намотанный в виде пружины.

При намотке витки обычно очень близко друг к другу. Именно поэтому крайне важно, чтобы провод, которым сделана обмотка, имел электроизоляцию, которая достигается специальным лаком. Целью лакирования является то, что даже когда витки сгруппированы вместе и касаются друг друга, они остаются электрически изолированными, и ток продолжает свое спиралевидное движение.

Чем толще провод обмотки, тем больший ток выдерживает кабель, но ограничивает общее количество витков, которые можно намотать. По этой причине во многих катушках электромагнита используется тонкий провод.

Создаваемое магнитное поле будет пропорционально току, проходящему через проводник обмотки, а также плотности витков. Это означает, что чем больше витков на единицу длины размещено, тем больше напряженность поля.

Чем плотнее витки обмотки, тем большее их количество уместится на заданной длине, увеличивая их плотность и, следовательно, результирующее поле. Это еще одна причина, по которой в электромагнитах используется кабель, изолированный лаком, а не пластик или другой материал, который увеличивает толщину.

соленоид

В соленоиде или цилиндрическом электромагните, подобном показанному на рисунке 2, напряженность магнитного поля будет определяться следующим соотношением:

B = μ⋅n⋅I

Где B - магнитное поле (или магнитная индукция), которое в единицах международной системы измеряется в теслах, μ - магнитная проницаемость сердечника, n - плотность витков или количество витков на метр и, наконец, ток I. который циркулирует по обмотке, измеряется в амперах (A).

Магнитная проницаемость железного сердечника зависит от его сплава и обычно в 200-5000 раз превышает проницаемость воздуха. Результирующее поле умножается на тот же коэффициент по сравнению с полем электромагнита без железного сердечника. Проницаемость воздуха примерно равна проницаемости вакуума, которая составляет μ ₀ = 1,26 × 10 ^-6 Тл * м / А.

Как это работает?

Чтобы понять работу электромагнита, необходимо понять физику магнетизма.

Давайте начнем с простого прямого провода, по которому проходит ток I. Этот ток создает магнитное поле B вокруг провода.

Рис. 3. Магнитное поле, создаваемое прямым проводом. Источник: Wikimedia Commons

Линии магнитного поля вокруг прямого провода представляют собой концентрические круги вокруг выводного провода. Силовые линии соответствуют правилу правой руки, то есть, если большой палец правой руки указывает в направлении тока, четыре других пальца правой руки будут указывать направление движения силовых линий магнитного поля.

Магнитное поле прямого провода

Магнитное поле, создаваемое прямым проводом на расстоянии r от него, составляет:

Предположим, мы сгибаем кабель так, чтобы он образовывал круг или петлю, а затем силовые линии магнитного поля внутри него сходятся вместе, указывая в одном направлении, добавляя и усиливая. Во внутренней части петли или круга поле более интенсивное, чем во внешней части, где силовые линии разделяются и ослабевают.

Рис. 4. Магнитное поле, создаваемое проволокой в ​​окружности. Источник: Wikimedia Commons

Магнитное поле в центре петли

Результирующее магнитное поле в центре петли радиуса a, по которой проходит ток I, равно:

Эффект усиливается, если каждый раз сгибать кабель так, чтобы он имел два, три, четыре, … и много витков. Когда мы наматываем кабель в виде пружины с очень близкими витками, магнитное поле внутри пружины однородное и очень интенсивное, а снаружи оно практически равно нулю.

Допустим, мы наматываем кабель в спираль из 30 витков длиной 1 см и диаметром 1 см. Это дает плотность витков 3000 витков на метр.

Идеальное магнитное поле соленоида

В идеальном соленоиде магнитное поле внутри него определяется выражением:

Подводя итог, наши расчеты для кабеля с током 1 ампер и расчета магнитного поля в микротеслах, всегда на расстоянии 0,5 см от кабеля в различных конфигурациях:

1. Прямой кабель: 40 микротеслов.
2. Кабель в круге диаметром 1 см: 125 микротеслов.
3. Спираль из 300 витков в 1 см: 3770 микротесласа = 0,003770 тесла.

Но если мы добавим к спирали железный сердечник с относительной диэлектрической проницаемостью 100, то поле умножится в 100 раз, то есть 0,37 Тесла.

Также можно рассчитать силу, которую электромагнит в форме соленоида оказывает на участок железного сердечника поперечного сечения A:

Предполагая, что магнитное поле насыщения составляет 1,6 Тесла, сила на квадратный метр площади железного сердечника, прикладываемая электромагнитом, будет составлять 10 ^ 6 Ньютон, эквивалентных 10 ^ 5 Килограммам силы, то есть 0,1 тонны на квадратный метр поперечного сечения.

Это означает, что электромагнит с полем насыщения 1,6 Тесла действует с силой 10 кг на железный сердечник с поперечным сечением 1 см ² .

Применение электромагнита

Электромагниты являются частью многих устройств и устройств. Например, внутри они присутствуют:

- Электродвигатели.

- Генераторы и динамо-машины.

- Динамики.

- Электромеханические реле или переключатели.

- Электрические звонки.

- Электромагнитные клапаны для регулирования расхода.

- Компьютерные жесткие диски.

- Краны подъемные для металлолома.

- Металлические сепараторы от городских отходов.

- Электрические тормоза для поездов и грузовиков.

- Аппараты ядерной магнитно-резонансной томографии.

И многие другие устройства.

Ссылки

1. Гарсия, Ф. Магнитное поле. Получено с: www.sc.ehu.es
2. Тагенья, Дж. И Мартина, Э. Магнетизм. От компаса до вращения. Получено с: Bibliotecadigital.ilce.edu.mx.
3. Сирс, Земанский. 2016. Университетская физика с современной физикой. Четырнадцатое. Издание 2. Том 2. 921-954.
4. Wikipedia. Электромагнит. Получено с: wikipedia.com
5. Wikipedia. Электромагнит. Получено с: wikipedia.com
6. Wikipedia. Намагниченность. Получено с: wikipedia.com