- Elektromagnētu priekšrocības
- Elektromagnēta sastāvs un daļas
- Solenoīds
- Kā tas darbojas?
- Taisna stieples magnētiskais lauks
- Magnētiskais lauks cilpas centrā
- Ideāls magnētiskais lauks
- Elektromagnēta pielietojumi
- Atsauces
Elektromagnēts ir ierīce, kas ražo magnētismu no elektriskās strāvas. Ja elektriskā strāva tiek pārtraukta, pazūd arī magnētiskais lauks. 1820. gadā tika atklāts, ka elektriskā strāva savā vidē rada magnētisko lauku. Pēc četriem gadiem tika izgudrots un uzbūvēts pirmais elektromagnēts.
Pirmais elektromagnēts sastāvēja no dzelzs pakavas, kas nokrāsots ar izolācijas laku, un tam pāri tika ieausti astoņpadsmit vara stieples pagriezieni bez elektriskās izolācijas.
1. attēls. Elektromagnēts. Avots: pixabay
Mūsdienu elektromagnētiem var būt dažādas formas, atkarībā no to galīgā lietojuma; un tas ir kabelis, kas ir izolēts ar laku, nevis ar dzelzs serdi. Dzelzs serdes visizplatītākā forma ir cilindriska, uz kuras ir uztinta izolētā vara stieple.
Elektromagnētu var izgatavot tikai ar tinumu, kas rada magnētisko lauku, bet dzelzs kodols reizina lauka intensitāti.
Kad elektriskā strāva iet caur elektromagnēta tinumu, dzelzs serde kļūst magnetizēta. Tas ir, materiālam raksturīgie magnētiskie momenti izlīdzinās un pievienojas, pastiprinot kopējo magnētisko lauku.
Magnētisms kā tāds ir pazīstams vismaz kopš 600. gada pirms mūsu ēras, kad grieķu Tales Miletusā sīki runāja par magnētu. Magnēts, dzelzs minerāls, rada magnētismu dabiski un ilgstoši.
Elektromagnētu priekšrocības
Neapšaubāma elektromagnētu priekšrocība ir tā, ka magnētisko lauku var izveidot, palielināt, samazināt vai noņemt, kontrolējot elektrisko strāvu. Izgatavojot pastāvīgos magnētus, nepieciešami elektromagnēti.
Kāpēc tas notiek? Atbilde ir tāda, ka magnētisms ir būtisks matērijai tāpat kā elektrībai, bet abas parādības izpaužas tikai noteiktos apstākļos.
Tomēr var teikt, ka magnētiskā lauka avots ir kustīgi elektriskie lādiņi vai elektriskā strāva. Iekšpusē, atomā un molekulārā līmenī, rodas šīs strāvas, kas rada magnētiskos laukus visos virzienos, kas izslēdz viens otru. Tāpēc parasti materiāliem nav magnētisma.
Labākais veids, kā to izskaidrot, ir domāt, ka mazie magnēti (magnētiskie momenti) ir izvietoti matērijas iekšienē, kas norāda visus virzienus, tāpēc to makroskopiskais efekts tiek atcelts.
Feromagnētiskos materiālos magnētiskie momenti var izlīdzināt un veidot reģionus, kurus sauc par magnētiskajiem domēniem. Kad tiek piemērots ārējs lauks, šie domēni izlīdzinās.
Kad ārējais lauks tiek noņemts, šie domēni neatgriežas sākotnējā nejaušajā stāvoklī, bet paliek daļēji izlīdzināti. Tādā veidā materiāls kļūst magnetizēts un veido pastāvīgu magnētu.
Elektromagnēta sastāvs un daļas
Elektromagnētu veido:
- ar laku izolēta kabeļa spole.
- dzelzs serde (pēc izvēles).
- strāvas avots, kas var būt tiešs vai mainīgs.
2. attēls. Elektromagnēta daļas. Avots: pašu gatavots.
Tinums ir diriģents, caur kuru iet strāva, kas rada magnētisko lauku, un tas ir ievilkts atsperes formā.
Vijot, pagriezieni vai pagriezieni parasti ir ļoti tuvu viens otram. Tāpēc ir ārkārtīgi svarīgi, lai stieplei, ar kuru tiek izgatavots tinums, būtu elektriskā izolācija, kas tiek panākta ar īpašu laku. Lakošanas mērķis ir tāds, ka pat tad, kad pagriezieni ir sagrupēti kopā un pieskaras viens otram, tie paliek elektriski izolēti un strāva turpina spirāles gaitu.
Jo biezāks tinumu vadītājs, jo lielāku strāvu kabelis izturēs, taču tas ierobežo kopējo aptinumu skaitu. Tieši šī iemesla dēļ daudzi elektromagnēta spoles izmanto plānu vadu.
Izgatavotais magnētiskais lauks būs proporcionāls strāvai, kas iet caur tinumu vadītāju, un proporcionāls arī pagriezienu blīvumam. Tas nozīmē, ka jo vairāk pagriezienu tiek izdarīts garuma vienībā, jo lielāka ir lauka intensitāte.
Jo stingrāki ir tinumu pagriezieni, jo lielāks ir to skaits, kas ietilps noteiktā garumā, palielinot to blīvumu un līdz ar to arī iegūto lauku. Tas ir vēl viens iemesls, kāpēc elektromagnēti plastmasas vai cita materiāla vietā izmanto kabeli, kas izolēts ar laku, kas palielinātu biezumu.
Solenoīds
Solenoīdā vai cilindriskā elektromagnētā, kā parādīts 2. attēlā, magnētiskā lauka intensitāti piešķirs ar šādu attiecību:
B = μ⋅n⋅I
Kur B ir magnētiskais lauks (vai magnētiskā indukcija), kuru starptautiskās sistēmas vienībās mēra Teslā, μ ir serdes magnētiskā caurlaidība, n ir pagriezienu blīvums vai pagriezienu skaits uz metru un visbeidzot strāva I kas cirkulē caur tinumu, ko mēra ampēros (A).
Dzelzs serdes magnētiskā caurlaidība ir atkarīga no tā sakausējuma un parasti ir no 200 līdz 5000 reizes lielāka par gaisa caurlaidību. Iegūtais lauks tiek reizināts ar to pašu koeficientu attiecībā pret elektromagnētu bez dzelzs serdes. Gaisa caurlaidība ir aptuveni vienāda ar vakuuma caurlaidību, kas ir μ 0 = 1,26 × 10 -6 T * m / A.
Kā tas darbojas?
Lai saprastu elektromagnēta darbību, ir jāsaprot magnētisma fizika.
Sāksim ar vienkāršu taisnu vadu, kas ved strāvu I, šī strāva rada magnētisko lauku B ap vadu.
3. attēls. Magnētiskais lauks, ko rada taisna stieple. Avots: Wikimedia Commons
Magnētiskā lauka līnijas ap taisno vadu ir koncentriski apļi ap svina vadu. Lauka līnijas atbilst labās rokas noteikumam, tas ir, ja labās rokas īkšķis norāda strāvas virzienā, pārējie četri labās rokas pirksti norāda magnētiskā lauka līniju cirkulācijas virzienu.
Taisna stieples magnētiskais lauks
Magnētiskais lauks, ko rada taisna stieple attālumā r no tā, ir:
Pieņemsim, ka mēs saliekam kabeli tā, lai tas veidotu apli vai cilpu, tad magnētiskā lauka līnijas tā iekšpusē sanāk kopā, norādot visas vienā virzienā, pievienojot un nostiprinot. Cilpas vai apļa iekšējā daļā lauks ir intensīvāks nekā ārējā daļā, kur lauka līnijas atdalās un vājina.
4. attēls. Magnētiskais lauks, ko rada vads aplī. Avots: Wikimedia Commons
Magnētiskais lauks cilpas centrā
Iegūtais magnētiskais lauks rādiusa cilpas centrā, kas ved strāvu I, ir:
Efekts reizinās, ja katru reizi salieksim kabeli tā, lai tam būtu divi, trīs, četri, … un daudzi pagriezieni. Kad tinējam kabeli atsperes veidā ar ļoti tuvām spolēm, atsperes iekšējais magnētiskais lauks ir vienmērīgs un ļoti intensīvs, savukārt ārpusē tas praktiski ir nulle.
Pieņemsim, ka mēs vijīsim kabeli spirālē, kurā ir 30 pagriezieni 1 cm garumā un 1 cm diametrā. Tas dod pagriezienu blīvumu 3000 apgriezienu uz metru.
Ideāls magnētiskais lauks
Ideālā solenoīdā magnētisko lauku tā iekšienē piešķir:
Apkopojot, mūsu aprēķini kabelim, kas nes 1 strāvas ampēru, un magnētiskā lauka aprēķināšanai mikrotlasās, vienmēr 0,5 cm attālumā no kabeļa dažādās konfigurācijās:
- Taisns kabelis: 40 mikrotlasas.
- Kabelis 1 cm diametra aplī: 125 mikrotlas.
- 300 spirāles pagriezieni 1 cm: 3770 mikrotlasas = 0,003770 Tesla.
Bet, ja spirālei pievienojam dzelzs serdi ar relatīvo caurlaidību 100, tad lauks tiek reizināts 100 reizes, tas ir, 0,37 Tesla.
Ir arī iespējams aprēķināt spēku, ko elektromagnēts solenoīda formā iedarbojas uz A šķērsgriezuma dzelzs serdes daļu:
Pieņemot, ka piesātinājuma magnētiskais lauks ir 1,6 Tesla, elektromagnēta radītais spēks uz kvadrātmetru dzelzs serdes laukuma ir 10 ^ 6 ņūtoni, kas ekvivalents 10 ^ 5 kilograms spēka, tas ir, 0,1 tonnas uz vienu šķērsgriezuma kvadrātmetrs.
Tas nozīmē, ka elektromagnēts ar 1,6 Tesla piesātinājuma lauku pie dzelzs serdes ar 1 cm 2 šķērsgriezumu iedarbina 10 kg spēku .
Elektromagnēta pielietojumi
Elektromagnēti ir daļa no daudziem sīkrīkiem un ierīcēm. Piemēram, tie atrodas iekšpusē:
- Elektromotori.
- Ģeneratori un dinamika.
- Runātāji.
- Elektromehāniskie releji vai slēdži.
- Elektriski zvani.
- Solenoīda vārsti plūsmas kontrolei.
- Datoru cietie diski.
- Metāllūžņu celtņi.
- Metāla atdalītāji no sadzīves atkritumiem.
- vilcienu un kravas automašīnu elektriskās bremzes.
- kodolmagnētiskās rezonanses attēlveidošanas iekārtas.
Un vēl daudzas citas ierīces.
Atsauces
- Garsija, F. Magnētiskais lauks. Atgūts no: www.sc.ehu.es
- Tagueña, J. un Martina, E. Magnetism. Sākot no kompasa un beidzot ar griešanos. Atgūts no: Bibliotecadigital.ilce.edu.mx.
- Sīrs, Zemanskis. 2016. Universitātes fizika ar moderno fiziku. 14. Ed. 2. sējums. 921–954.
- Wikipedia. Elektromagnēts. Atgūts no: wikipedia.com
- Wikipedia. Elektromagnēts. Atgūts no: wikipedia.com
- Wikipedia. Magnetizācija. Atgūts no: wikipedia.com