Elektromagnetai – veikimo principas, panaudojimas ir istorija

Sužinokite apie elektromagnetų veikimo principą, panaudojimą ir istoriją — nuo Sturgeono išradimo iki pritaikymų elektromobiliuose, relėse, signalizacijoje ir pramonėje.

Elektromagnetai - tai laikini ir dirbtiniai magnetai. Tai magnetai, kurie yra magnetiniai tik tada, kai per juos teka elektros srovė. Vielos ritė vadinama solenoidu. Magneto stiprumas yra proporcingas grandine tekančiai srovei ir vijų skaičiui — didesnis srovės stipris arba daugiau vijų sukuria stipresnį magnetinį lauką. Elektros srovė – tai elektronų (elektronų, neigiamai įkrautų dalelių) srautas laidu. Paprastame pavyzdyje elektromagnetas gali paimti geležies, nikelio ir kobalto gabalėlius, nes šie metalai yra feromagnetikai.

Veikimo principas

Elektromagneto pagrindas – magnetinis laukas, sukuriamas elektros srovės, tekančios per vielos ritę. Pagal Ampėro dėsnį ir Biot–Savarto taisyklę srovė sukuria lauko linijas aplink laidą; ritė jas sutelkia ir sustiprina. Idealaus ilgo solenoido lauko išraiška: B ≈ μ0 μr (N·I)/L, kur B – magnetinis laukas, μ0 – vakuumo pralaidumas, μr – branduolio (medžiagos) reliatyvus pralaidumas, N – vijų skaičius, I – srovės stipris, L – solenoido ilgis. Lauko kryptį galima nustatyti naudodami dešinės rankos taisyklę: jei pirštai rodo srovės kryptį per vijų posūkį, nykštys rodo magnetinio lauko kryptį.

Jei ritės centre yra feromagnetinis branduolys (pvz., minkštasis geležinis strypas), medžiagos magnetinis laidumas (μr) stipriai padidina bendrą lauką. Tačiau feromagnetikai pasižymi histerezės reiškiniu ir ribiniu įmagnetinimu (saturacija): padidindami srovę virš tam tikros ribos, lauką toliau sustiprinti tampa sunkiau. Skirtingi lydiniai ir plienai turi skirtingą atmintį: gryno geležies branduolys greitai praranda likutinį magnetizmą, o plienas gali ilgiau išlaikyti likutinį magnetinį polinkį (remanenciją).

Kaip pagaminti elektromagnetą

• Imkite izoliuotą laidą (dažniausiai varinę).
• Apvyniokite laidą daugeliu vijų aplink feromagnetinį strypą (pvz., vinį) arba formuokite ritę be branduolio (oro ritė).
• Du vielos galai prijunkite prie maitinimo šaltinio – pvz., baterijos + (teigiamos) ir - (neigiamos) polių.
• Saugumas: naudokite tinkamą izoliaciją, neperkraukite šaltinio ir stebėkite kaitimą – ilgai veikiant srovė kaitina laidus (Joulio šiluma).

Kaip padidinti elektromagneto stiprumą

• Padidinti srovės stiprį (didesnė srovė → stipresnis laukas), bet reikia užtikrinti laidų ir šaltinio saugą.
• Padidinti vijų skaičių ritėje; daugiau vijų suteikia daugiau lauką generuojančių posūkių.
• Naudoti aukšto magnetinio pralaidumo branduolį (minkštasis geležis arba specialūs feromagnetiniai lydiniai), sumažinti oro tarpą branduolio grandinėje.
• Vartoti storesnį laidą mažesniam atsparumui, įmontuoti aušinimo sistemas arba naudoti impulsinį režimą didesnei jėgai trumpam laikui.

Panaudojimas

Elektromagnetai yra plačiai pritaikomi pramonėje, kasdieniniame gyvenime ir moksle dėl savo gebėjimo būti įjungtiems ir išjungtiems:

• Pramoniniai kranai ir magnetai metalo laužui keltuvoje;
• Relės ir jungikliai – elektromagnetas atveria arba uždaro kontaktus (relės); taip pat elektros varikliai iš esmės remiasi elektromagnetinėmis principu;
• Garsiakalbiai ir ausinės (elektromagnetas judina membraną); skambučiai ir elektriniai užraktai;
• Solenoidiniai vožtuvai ir aktoriukai automatikos sistemose;
• Generatoriai – judinant magnetą prieš ritę arba ritę prieš magnetą susidaro elektros srovė (Faradėjaus indukcija); taip gaminama elektra;
• Moksliniai įrenginiai: dalelių greitintuvai, magnetinės rezonanso tomografija (MRI) – čia dažnai naudojami superlaidūs elektromagnetai;
• Transportas: maglev traukos technologijos, elektromagnetiniai stabdžiai.

Istorija

Pagrindiniai atradimai, vedantys prie elektromagneto kūrimo, buvo: 1820 m. H. Ørsted atrado, kad elektros srovė veikia kompaso adatą (sukuria magnetinį lauką), A. Ampère vystė teorinį supratimą, o 1831 m. M. Faradėjus atrado elektromagnetinę indukciją (judantis magnetas indukuoja srovę ritėje). Pats elektromagnetas, panaudojant vielos ritę aplink feromagnetinį strypą ir naudojant bateriją, pritaikytas praktiniam naudojimui buvo išrastas 1825 m. britų elektriko Viljamo Sturgeono.

Saugumas ir techniniai apribojimai

• Temperatūra: ilgas arba stiprus srovės praleidimas sukelia reikšmingą kaitimą; reikalinga izoliacija ir kartais aušinimas.
• Core satūracija: feromagnetiniai branduoliai turi ribą, po kurios laukas neauga proporcingai srovei.
• Histerezė ir likutinis magnetizmas: kai kurioms medžiagoms išlieka magnetizmas ir po srovės nutraukimo; tam kartais pageidaujama (pvz., nuolatiniai magnetai), o kartais – nepageidaujama.
• Elektros sauga: būtina vengti trumpųjų jungimų, naudoti tinkamus saugiklius ir valdymo grandines.
• Superlaidūs elektromagnetai reikalauja sudėtingos technikos (kriogenikos), bet leidžia pasiekti labai stiprius magnetinius laukus be šilumos nuostolių dėl varžos.

Apibendrinant: elektromagnetai yra universalūs įrankiai, kurių privalumas – galimybė greitai įjungti ir išjungti magnetinį lauką bei reguliuoti jo stiprumą keičiant srovę arba geometriją. Dėl to jie plačiai naudojami nuo paprastų paprastų grandinių iki sudėtingiausių pramoninių ir medicininių įrenginių.

Klausimai ir atsakymai

K: Kas yra elektromagnetas?

K: Kaip kinta elektromagneto stiprumas?

K: Kokios dalelės sukuria elektros energiją?

K: Kas išrado elektromagnetą?

K: Kuo elektromagnetas yra naudingesnis už nuolatinius magnetus?

K: Kaip pagaminti elektromagnetą?

K: Kaip skirtingi lydiniai skirtingai reaguoja veikiami elektromagnetinių laukų?

Paieška pagal raidę