Електромагнет

Електромагнет – магнет кому му е потребно напојување со електрична струја за да го одржува сопственото магнетно поле. Тоа е едноставна направа која се состои од намотки од електрични спроводни жици околу феромагнетно јадро. Обично се користи како дел на релиња, соленоиди, електромотори и други уреди.

Едноставен електромагнет. Бакарна жица изолирана со лак намотана околу железно јадро.

Историја

Данскиот научник Ханс Ерстед во 1820 година открил дека електричната струја создава магнетно поле. Британскиот научник Вилијам Старџон го измислил електромагнетот во 1824 година.^[1][2] Неговиот прв електромагнет било парче железо во форма на потковица околу кое биле намотани околу 18 навивки од бакарна жица (во тоа време немало изолирани жици). Кога струја протекувала низ намотката, железото се магнетизирало и ги привлекувало другите парчиња железо. Кога струјата била прекинувана, тоа ја губело својата намагнетизираност. Старџон ја покажал неговата моќ прикажувајќи дека бил тежок само околу 200 грама, можел да подигне 4 килограми кога ќе се пуштела струја од само една батерија.

Во 1830 година, американскиот научник Џозеф Хенри систематски го подобрил и го популаризирал електромагнетот.^[3][4]

Користејќи жица изолирана со свилен конец, тој можел да намота повеќе слоја на жица на јадрото, создавајќи моќни магнети со илјадници навивки жица, па успеал со магнет да држи 936 кг. Првата голема употреба на магнети била во телеграфските зујалки.

Начин на работа

Магнетно поле кое го произведува намотката на електромагнетот. Закривените линии ги покажуваат силниците на магнетното поле. Точките во круговите ја означуваат насоката на струјата во жицата кон посматрачот. Крстовите ја означуваат насоката на струјата во жицата од посматрачот.

Кога краевите на жицата од намотката се поврзат со извор на струја, како што е батерија, доаѓа до проток на струја низ намотката. Овој проток прави магнетно поле и електромагнетот добива северен и јужен магнетен пол. Силниците на магнетното поле предизвикуваат насочување на магнетните домени во јадрото во насоката на силниците. Истото се случува и со блиските феромагнетни предмети и тие се привлекуваат кон јадрото на електромагнетот ако се во близина.

Привлечното делување е резултата на створеното магнетно поле твори спротивна насоченост на магнетните полови кај околните објекти, и со тоа твори привлекување меѓу магнетните полови на јадрото и надворешните објекти.

Ако во намотката на електромагнетот се промени насоката на струјата, ќе се променат местата на половите на електромагнетот. Тоа истовремено ќе доведе до промена на насоченоста на половите во блиските феромагнетни објекти, па и понатаму електромагнетот ќе ги привлекува. Меѓутоа обичен магнет со стални плови сега ќе биде одбиван, ако претходно бил привлекуван од јадрото, бидејќи насоченоста на неговите полови не може да го промени надворешно магнетно поле.

Облик

Магнетно поле на прав спроводник.

Магнетно поле на соленоид.

Обликот на електромагнетот зависи од употребата, може да биде цилиндричен, во облик на потковица и во други облици.

Употреба

Подигање на железен отпад со помош на електромагнет

Обично се користат како делови на покомплексни уреди како што се реле, соленоид или електромотор. Меѓутоа нивната употреба може да биде и директна, на пример за привлекување на железо и челик на отпад при транспорт, или за глави на читачи и пишувачи кај уредите со магнетна лента или диск.

Во поголемиот број случаи се користи својството на електромагнетот да привлекува феромагнетни материјали, како што се железо и челик, а потоа таа акција врши некоја друга. На пример, кај релето котвата ги активира електричните контакти, кај некои соленоиди активниот дел отвора или затвора вентил, а кај електромоторите електромагнетот се користи како пол на статорот кој го привлекува или одбива роторот.

Кај тврдите дискови се пушта импулс на струја низ мал електромагнет на главата за читање. Овој импулс твори магнетно поле кое магнетизира мала точка на дискот. Импулсот струја со еден поларитет прави точка со една насоченоста на магнетните домени (бинарна единица). Импулсот на струјата со друг поларитет служи како запис на бинарна нула. Главата за читање исто така е мал електромагнет. Тука, магнетизираните точки снимени на дискот предизвикуваат индукција (генерирање) напон на краевите на намотката на електромагнетот. Поларитетот на генерираниот напон индицира бинарна единица или нула.

Обично се користат како делови на покомплексни уреди како што се реле, соленоид или електромотор. Меѓутоа нивната употреба може да биде и директна, на пример за привлекување на железо и челик на отпад при транспорт^[5], или за глави на читачи и пишувачи кај уредите со магнетна лента или диск.

Во поголемиот број случаи се користи својството на електромагнетот да привлекува феромагнетни материјали, како што се железо и челик, а потоа таа акција врши некоја друга. На пример, кај релето котвата ги активира електричните контакти, кај некои соленоиди активниот дел отвора или затвора вентил, а кај електромоторите електромагнетот се користи како пол на статорот кој го привлекува или одбива роторот.

Кај тврдите дискови се пушта импулс на струја низ мал електромагнет на главата за читање. Овој импулс твори магнетно поле кое магнетизира мала точка на дискот. Импулсот струја со еден поларитет прави точка со една насоченоста на магнетните домени (бинарна единица). Импулсот на струјата со друг поларитет служи како запис на бинарна нула. Главата за читање исто така е мал електромагнет. Тука, магнетизираните точки снимени на дискот предизвикуваат индукција (генерирање) напон на краевите на намотката на електромагнетот. Поларитетот на генерираниот напон индицира бинарна единица или нула.

Математичко разгледување

Дефиниции

${\displaystyle A\,}$	квадратен метар	површина на пресекот на јадрото
${\displaystyle B\,}$	тесла	Густина на магнетниот флукс
${\displaystyle F\,}$	њутн	Сила од магнетното поле
${\displaystyle H\,}$	ампер-метар	Магнетна сила
${\displaystyle I\,}$	ампер	Струја во намотката
${\displaystyle L\,}$	метар	Вкупна должина на патото на магнетните силници ${\displaystyle L_{\mathrm {c} }+L_{\mathrm {g} }\,}$
${\displaystyle L_{\mathrm {c} }\,}$	метар	Должина на магнетните силиници во јадрото
${\displaystyle L_{\mathrm {g} }\,}$	метар	Должина на магнетните силници во воздужниот простор
${\displaystyle m_{1},m_{2}\,}$	ампер-метар	Јачина на половите на електромагнетот
${\displaystyle \mu \,}$	њутн по квадратен ампер	Пермеабилност на јадрото
${\displaystyle \mu _{0}\,}$	њутн по квадратен ампер	Пермеабилност на воздухот или вакуумот = 4π(10−7)
${\displaystyle \mu _{r}\,}$	-	Релативна пермеабилност на јадрото на електромагнетот
${\displaystyle N\,}$	-	Број на навивки на жица на електромагнетот
${\displaystyle r\,}$	метар	Оддалеченост меѓу половите на два електромагнета

Амперов закон

Јачината на магнетното поле на електромагнет приближно е дадена со равенката на Амперовиот закон:

${\displaystyle \int \mathbf {J} \cdot d\mathbf {A} =\oint \mathbf {H} \cdot d\mathbf {l} }$

Магнетно поле генерирано од струја

Магнетно поле (зелено) на типичен електромагнет, со јадро од железо C кое формира затворена јамка со две воздушни празнини G во себе. Поголемиот дел од магнетното поле В е концентриран во јадрото. Меѓутоа, еден дел од линиите на полето B_L, кое се нарекува „капење на флуксот“, не го следи полното коло на јадрото и така не придонесува која делува од електромагнетот. Во празнините G линиите на полето се шират вон границите на јадрото B_F. Тоа го зголемува „отпорот“ на магнетниот флукс, смалувајќи го вкупниот магнетен флукс во јадрото.

Магнетното поле створено со електромагнет е пропорционално на бројот на навивки на жица и струјата низ намотката. Заради тоа овој производ (NI) се нарекува и магнетомоторна сила..

За едноставен електромагнет со едно магнетно коло, во кое должината на магнетното јадро L_c, а L_gдолжината на воздушниот процеп, Амперовиот закон се сведува на:

${\displaystyle NI=H_{\mathrm {c} }L_{\mathrm {c} }+H_{\mathrm {g} }L_{\mathrm {g} }\,}$

${\displaystyle NI=B({\frac {L_{\mathrm {c} }}{\mu }}+{\frac {L_{\mathrm {g} }}{\mu _{0}}})\qquad \qquad \qquad \qquad (1)\,}$

гдје ${\displaystyle \mu =B/H\,}$

${\displaystyle \mu _{0}=4\pi (10^{-7})\ \mathrm {N} \cdot \mathrm {A} ^{-2}}$ е пермеабилност на воздухот или вакуумот.

Сила створена од електромагнет

Кога нема никакви губитоци, силата од електромагнетот е:

${\displaystyle F={\frac {B^{2}A}{2\mu _{0}}}\qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad (2)\,}$

Заради ограничување на најголемата густина на магнетното поле во реални материјали ова го сведува најголемиот практичен притисок на:

${\displaystyle {\frac {F}{A}}\approx 1000\ \mathrm {kPa} }$

Густината на магнетното поле е ограничена на околу 1,6Т за практичните материјали. Тоа значи го ограничува практичниот притисок. Силата понатаму може да се зголемува со зголемување на површината на попречниот пресек на електромагнетот.

Затворено магнетно коло

За затвореното магнетно коло без воздушен процеп важи равенката:

${\displaystyle B={\frac {NI\mu }{L}}\qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad (3)\,}$

Оттука добиваме дека привлечната сила е:

${\displaystyle F={\frac {\mu ^{2}N^{2}I^{2}A}{2\mu _{0}L^{2}}}\qquad \qquad \qquad \qquad \qquad (4)\,}$

Погодно е да се користи најкраткиот можен пат на магнетните силници со голем попречен пресек на јадрото.

Сила меѓу електромагнети

Јачината на магнетното поле може да се пронајде од:

${\displaystyle m={\frac {NIA}{L}}}$

А силата меѓу два пола е:

${\displaystyle F={\frac {\mu _{0}m_{1}m_{2}}{4\pi r^{2}}}}$

Ова е приближната формула и не вреди ако магнетите се близу.