ELEKTROMAGNETAS: SUDĖTIS, DALYS, JO VEIKIMAS IR TAIKYMAS - FIZINIS - 2025

Elektromagnetas yra įrenginys, kuris gamina magnetizmo nuo elektros srovės. Nutraukus elektros srovę, dingsta ir magnetinis laukas. 1820 m. Buvo nustatyta, kad elektros srovė sukuria magnetinį lauką savo aplinkoje. Po ketverių metų buvo išrastas ir pastatytas pirmasis elektromagnetas.

Pirmąjį elektromagnetą sudarė geležinis pasagas, dažytas izoliaciniu laku, ant jo buvo suvyniota aštuoniolika varinės vielos posūkių be elektros izoliacijos.

1 pav. Elektromagnetas. Šaltinis: pixabay

Šiuolaikiniai elektromagnetai gali būti įvairių formų, atsižvelgiant į galutinį jų paskirtį; būtent laidas yra izoliuotas laidu, o ne geležine šerdimi. Dažniausia geležies šerdies forma yra cilindro formos, ant kurios yra apvyniota izoliuota varinė viela.

Elektromagnetą galite padaryti tik su apvija, sukuriančia magnetinį lauką, tačiau geležies šerdis padaugina lauko intensyvumą.

Kai elektros srovė praeina pro elektromagneto apviją, geležies šerdis įmagnetėja. Tai yra, vidiniai medžiagos magnetiniai momentai sulygina ir prideda, sustiprindami bendrą magnetinį lauką.

Magnetizmas buvo žinomas bent jau nuo 600 m. Pr. Kr., Kai Mileto graikų Tailas išsamiai papasakojo apie magnetą. Magnetas, geležies mineralas, gamina magnetizmą natūraliai ir visam laikui.

Elektromagnetų pranašumai

Neabejotinas elektromagnetų pranašumas yra tas, kad magnetinį lauką galima nustatyti, padidinti, sumažinti ar pašalinti kontroliuojant elektros srovę. Gaminant nuolatinius magnetus, būtini elektromagnetai.

Kodėl tai vyksta? Atsakymas yra tas, kad magnetizmas yra būdingas materijai, kaip ir elektrai, tačiau abu reiškiniai pasireiškia tik tam tikromis sąlygomis.

Tačiau galima sakyti, kad magnetinio lauko šaltinis yra judantys elektros krūviai arba elektros srovė. Medžiagos viduje, atominiame ir molekuliniame lygmenyje, susidaro tokios srovės, kurios sukuria magnetinius laukus visomis kryptimis, kurios viena kitą panaikina. Štai kodėl medžiagos paprastai nepasižymi magnetizmu.

Geriausias būdas tai paaiškinti yra manyti, kad maži magnetai (magnetiniai momentai) yra įrengti materijos viduje, nukreipiančioje į visas puses, todėl jų makroskopinis poveikis panaikinamas.

Feromagnetinėse medžiagose magnetiniai momentai gali sulyginti ir sudaryti sritis, vadinamas magnetinėmis sritimis. Kai taikomas išorinis laukas, šie domenai sulygiuojasi.

Pašalinus išorinį lauką, šie domenai negrįžta į pradinę atsitiktinę padėtį, bet iš dalies sulygiuojami. Tokiu būdu medžiaga įmagnetėja ir sudaro nuolatinį magnetą.

Elektromagneto sudėtis ir dalys

Elektromagnetas yra sudarytas iš:

- Kabelio apvija, izoliuota laku.

- geležies šerdis (pasirinktinai).

- srovės šaltinis, kuris gali būti tiesioginis arba kintamasis.

2 paveikslas. Elektromagneto dalys. Šaltinis: pačių sukurtas.

Apvija yra laidininkas, per kurį praeina srovė, sukurianti magnetinį lauką, ir yra suvyniota spyruoklės pavidalu.

Apvijose posūkiai ar posūkiai paprastai yra labai arti vienas kito. Štai kodėl labai svarbu, kad viela, su kuria pagaminta apvija, turėtų elektrinę izoliaciją, kuri pasiekiama specialiu laku. Lakavimo tikslas yra tas, kad net tada, kai posūkiai yra sugrupuoti ir liečiami vienas su kitu, jie lieka elektriškai izoliuoti, o srovė tęsia savo spiralę.

Kuo storesnis apvijos laidininkas, tuo didesnę srovę kabelis atlaikys, tačiau tai riboja bendrą apsisukimų skaičių, kurį galima suvynioti. Būtent dėl ​​šios priežasties daugelis elektromagnetinių ritinių naudoja ploną vielą.

Sukurtas magnetinis laukas bus proporcingas srovei, praeinančiai per apvijos laidininką, taip pat proporcingas posūkių tankiui. Tai reiškia, kad kuo daugiau posūkių per ilgio vienetą, tuo didesnis lauko intensyvumas.

Kuo griežtesni yra apvijos posūkiai, tuo daugiau jų tilps tam tikrame ilgyje, padidės jų tankis ir dėl to atsiras laukas. Tai dar viena priežastis, dėl kurios elektromagnetai naudoja laką, o ne plastiką ar kitą medžiagą, o tai padidintų storį.

Solenoidas

Solenoidiniame arba cilindriniame elektromagnete, kaip parodyta 2 paveiksle, magnetinio lauko stipris bus apskaičiuojamas pagal šį santykį:

B = μ⋅n⋅I

Kur B yra magnetinis laukas (arba magnetinė indukcija), kuris tarptautinės sistemos vienetais matuojamas Tesla, μ yra šerdies magnetinis pralaidumas, n yra posūkių tankis arba apsisukimų skaičius metrui ir galiausiai srovė I kuris cirkuliuoja per apviją, išmatuotą amperuose (A).

Geležies šerdies magnetinis pralaidumas priklauso nuo jos lydinio ir paprastai yra nuo 200 iki 5000 kartų didesnis už oro pralaidumą. Gautas laukas padauginamas iš to paties koeficiento, palyginti su elektromagnetu be geležies šerdies. Oro pralaidumas yra maždaug lygus vakuumui, kuris yra μ ₀ = 1,26 × 10 ^-6 T * m / A.

Kaip tai veikia?

Norint suprasti elektromagneto veikimą, būtina suprasti magnetizmo fiziką.

Pradėkime nuo paprasto tiesiojo laido, nešančio srovę I, ši srovė sukuria magnetinį lauką B aplink laidą.

3 paveikslas. Magnetinis laukas, kurį sukuria tiesi viela. Šaltinis: „Wikimedia Commons“

Magnetinio lauko linijos aplink tiesią vielą yra koncentriniai apskritimai aplink švino laidą. Lauko linijos atitinka dešinės rankos taisyklę, tai yra, jei dešinės rankos nykštis nukreiptas srovės kryptimi, kiti keturi dešinės rankos pirštai nurodys magnetinio lauko linijų cirkuliacijos kryptį.

Tiesios vielos magnetinis laukas

Magnetinis laukas, kurį sukuria tiesi viela per atstumą nuo jos, yra:

Tarkime, kad mes sulenkiame laidą taip, kad jis sudarytų apskritimą ar kilpą, tada jo vidinės pusės esančios magnetinio lauko linijos susirenka nurodant visas ta pačia kryptimi, pridedant ir sustiprinant. Vidinėje kilpos ar apskritimo dalyje laukas yra intensyvesnis nei išorinėje dalyje, kur lauko linijos atsiskiria ir susilpnėja.

4 paveikslas. Magnetinis laukas, kurį sukuria viela apskritime. Šaltinis: „Wikimedia Commons“

Magnetinis laukas kilpos centre

Gautas magnetinis laukas spindulio kilpos, perduodančios srovę I, centre:

Efektas padaugėja, jei kaskart sulenkiame laidą taip, kad jis būtų dviejų, trijų, keturių, … ir daugybės posūkių. Kai apvijosime kabelį spyruoklės pavidalu su labai artimais ritiniais, spyruoklės viduje esantis magnetinis laukas yra vienodas ir labai intensyvus, o išorėje jis praktiškai lygus nuliui.

Tarkime, kad laidą apvijosime spirale, kurios 30 sūkių bus 1 cm ilgio ir 1 cm skersmens. Tai suteikia apsisukimų tankį 3000 apsisukimų per metrą.

Idealus magnetinio lauko solenoidas

Idealiame solenoide magnetinį lauką jo viduje lemia:

Apibendrinant, mūsų skaičiavimai kabeliui, tekančiam 1 amperą srovės, ir apskaičiuojant magnetinį lauką mikrotelasais, visada 0,5 cm atstumu nuo laido, skirtingose ​​konfigūracijose:

1. Tiesus kabelis: 40 mikrotestų.
2. Kabelis 1 cm skersmens apskritime: 125 mikrotailai.
3. 300 spiralių, esančių 1 posūkyje: 3770 mikrotestų = 0,003770 Tesla.

Bet jei prie spiralės pridėtume geležinę šerdį, kurios santykinis laidumas yra 100, tada laukas padauginamas 100 kartų, tai yra 0,37 Tesla.

Taip pat galima apskaičiuoti jėgą, kurią elektromagnetas, veikiantis solenoidą, veikia A skerspjūvio geležies šerdies dalį:

Darant prielaidą, kad magnetinio lauko sodrumas yra 1,6 Tesla, elektromagnetų veikiama geležies šerdies ploto kvadratinio metro jėga bus 10 ^ 6 niutų, lygi 10 ^ 5 kilograms jėgos, tai yra 0,1 tonos vienam kvadratinis metras skerspjūvio.

Tai reiškia, kad elektromagnetas, kurio prisotinimo laukas yra 1,6 „Tesla“, į geležies šerdį, kurios skerspjūvis yra 1 cm ^2, sukuria 10 kg jėgą .

Elektromagnetinės programos

Elektromagnetai yra daugelio įtaisų ir prietaisų dalis. Pavyzdžiui, jų yra viduje:

- Elektriniai varikliai.

- Generatoriai ir dinamos.

- Kalbininkai.

- Elektromechaninės relės ar jungikliai.

- Elektriniai varpai.

- Solenoidiniai vožtuvai srautui valdyti.

- Kompiuterių standieji diskai.

- metalo laužo kėlimo kranai.

- Metalo separatoriai nuo komunalinių atliekų.

- elektriniai traukinių ir sunkvežimių stabdžiai.

- Branduolinio magnetinio rezonanso tomografijos aparatai.

Ir dar daug kitų prietaisų.

Nuorodos

1. García, F. Magnetinis laukas. Atkurta iš: www.sc.ehu.es
2. Tagueña, J. ir Martina, E. Magnetism. Nuo kompaso iki nugaros. Atkurta iš: Bibliotecadigital.ilce.edu.mx.
3. Searsas, Zemansky. 2016. Universiteto fizika su šiuolaikine fizika. 14-oji. Ed. 2 tomas. 921–954.
4. Vikipedija. Elektromagnetas. Atkurta iš: wikipedia.com
5. Vikipedija. Elektromagnetas. Atkurta iš: wikipedia.com
6. Vikipedija. Įmagnetinimas. Atkurta iš: wikipedia.com