SÄHKÖMAGNEETTI: KOOSTUMUS, OSAT, MITEN SE TOIMII JA SOVELLUKSET - FYYSINEN - 2026

Sähkömagneetti on laite, joka tuottaa magnetismi sähkövirran. Jos sähkövirta loppuu, myös magneettikenttä katoaa. Vuonna 1820 havaittiin, että sähkövirta tuottaa ympäristöönsä magneettikentän. Neljä vuotta myöhemmin keksittiin ja rakennettiin ensimmäinen sähkömagneetti.

Ensimmäinen sähkömagneetti koostui rautahevosen hevosenkengästä, joka oli maalattu eristävällä lakalla, ja sen päälle kiedottiin kahdeksantoista kierrosta kuparilankaa ilman sähköeristystä.

Kuva 1. Sähkömagneetti. Lähde: pixabay

Nykyaikaiset sähkömagneetit voivat olla erimuotoisia riippuen niille annettavasta loppukäytöstä; ja juuri kaapeli on eristetty lakalla eikä rautaydinnällä. Raudan ytimen yleisin muoto on lieriömäinen, johon eristetty kuparilanka on kelattu.

Voit tehdä sähkömagneetin vain käämityksellä, joka tuottaa magneettikentän, mutta rautaydin moninkertaistaa kentän voimakkuuden.

Kun sähkövirta kulkee sähkömagneetin käämin läpi, raudasydän magnetoituu. Toisin sanoen materiaalin luontaiset magneettiset momentit kohdistuvat ja lisäävät, tehostaen kokonaismagneettikenttää.

Magnetismi sellaisenaan on ollut tiedossa ainakin vuodesta 600 eKr., Jolloin Miletusin kreikkalainen Thales puhui yksityiskohtaisesti magneetista. Magnetiitti, rauta mineraali, tuottaa magneettisuutta luonnollisesti ja pysyvästi.

Sähkömagneettien edut

Sähkömagneettien kiistaton etu on, että magneettikenttä voidaan muodostaa, lisätä, vähentää tai poistaa säätämällä sähkövirtaa. Kestomagneetteja valmistettaessa sähkömagneetit ovat välttämättömiä.

Miksi näin tapahtuu? Vastaus on, että magneettisuus on olennaista aineelle samoin kuin sähkölle, mutta molemmat ilmiöt ilmenevät vain tietyissä olosuhteissa.

Voidaan kuitenkin sanoa, että magneettikentän lähde on liikkuva sähkövaraus tai sähkövirta. Aineen sisällä, atomi- ja molekyylitasolla, syntyy nämä virrat, jotka tuottavat magneettikenttiä kaikkiin suuntiin, jotka poistavat toisiaan. Siksi materiaalit eivät yleensä osoita magneettisuutta.

Paras tapa selittää se on ajatella, että pienet magneetit (magneettiset momentit) sijaitsevat aineen sisällä, joka osoittaa kaikkiin suuntiin, joten niiden makroskooppinen vaikutus poistuu.

Ferromagneettisissa materiaaleissa magneettiset momentit voivat kohdistaa ja muodostaa alueita, joita kutsutaan magneettisiksi domeeneiksi. Kun ulkoinen kenttä otetaan käyttöön, nämä verkkotunnukset kohdistuvat.

Kun ulkoinen kenttä poistetaan, nämä verkkotunnukset eivät palaa alkuperäiseen satunnaiseen sijaintiinsa, vaan pysyvät osittain. Tällä tavalla materiaalista magnetoituu ja muodostuu pysyvä magneetti.

Sähkömagneetin koostumus ja osat

Sähkömagneetti koostuu:

- Lakalla eristetyn kaapelin käämi.

- Rautaydin (valinnainen).

- Virtalähde, joka voi olla suora tai vuorotteleva.

Kuva 2. Sähkömagneetin osat. Lähde: itse tehty.

Käämi on johdin, jonka läpi magneettikentän tuottava virta kulkee ja kelataan jousen muodossa.

Käämityksessä käännökset tai käännökset ovat yleensä hyvin lähellä toisiaan. Siksi on erittäin tärkeää, että langalla, jolla käämitys tehdään, on sähköeristys, joka saadaan aikaan erityisellä lakalla. Lakkauksen tarkoituksena on, että jopa kun käännökset on ryhmitelty toisiinsa ja koskettavat toisiaan, ne pysyvät sähköisesti eristettynä ja virta jatkaa kierteensä.

Mitä paksumpi käämijohdin, sitä enemmän virtaa kaapeli kestää, mutta se rajoittaa käämitysten kokonaismäärää. Tästä syystä monet sähkömagneettikelat käyttävät ohutta lankaa.

Tuotettu magneettikenttä on verrannollinen käämiin johtimen läpi kulkevan virran kanssa ja myös verrannollinen kääntöjen tiheyteen. Tämä tarkoittaa, että mitä enemmän käännöksiä pituusyksikköä kohti on, sitä suurempi kentän intensiteetti on.

Mitä tiukempi käämityskierros on, sitä suurempi lukumäärä sopii määrättyyn pituuteen, mikä lisää niiden tiheyttä ja siten tuloksena olevaa kenttää. Tämä on toinen syy, miksi sähkömagneetit käyttävät lakalla eristettyä kaapelia muovin tai muun materiaalin sijasta, mikä lisäisi paksuutta.

solenoidi

Kuvassa 2 esitetyn kaltaisessa solenoidisessa tai sylinterimäisessä sähkömagneetissa magneettikentän intensiteetti saadaan seuraavasta suhteesta:

B = μ⋅n⋅I

Missä B on magneettikenttä (tai magneettinen induktio), joka kansainvälisen järjestelmän yksiköissä mitataan Teslassa, μ on ytimen magneettinen läpäisevyys, n on kierrosten tiheys tai kierrosten lukumäärä metriä kohti ja lopuksi virta I joka kiertää käämityksen läpi, joka on mitattu ampeereina (A).

Raudan ytimen magneettinen läpäisevyys riippuu sen seoksesta ja on yleensä välillä 200 - 5000 kertaa ilman läpäisevyys. Tuloksena oleva kenttä kerrotaan tällä samalla kertoimella suhteessa sähkömagneettiin, jossa ei ole rautaydintä. Ilman läpäisevyys on suunnilleen yhtä suuri kuin tyhjiön, joka on μ ₀ = 1,26 × 10 ^-6 T * m / A.

Kuinka se toimii?

Sähkömagneetin toiminnan ymmärtämiseksi on välttämätöntä ymmärtää magnetismin fysiikka.

Aloitetaan yksinkertaisella suoralla viiralla, jolla on virta I, tämä virta tuottaa magneettikentän B johdon ympärille.

Kuva 3. Suoran langan tuottama magneettikenttä. Lähde: Wikimedia Commons

Suoran johtimen ympärillä olevat magneettikenttäviivat ovat samankeskisiä ympyröitä johtimen ympärillä. Kenttäviivat noudattavat oikean käden sääntöä, ts. Jos oikean käden peukalo osoittaa virran suuntaan, oikean käden neljä muuta sormea ​​osoittavat magneettikenttäviivojen kiertosuunnan.

Suoran langan magneettikenttä

Etäisyyden r päässä suorasta johdosta johtuva magneettikenttä on:

Oletetaan, että taivutamme kaapelin siten, että se muodostaa ympyrän tai silmukan, niin sen sisäpuolella olevat magneettikenttäviivat kohtaavat kaikki osoittaen samaan suuntaan lisäämällä ja vahvistamalla. Silmukan tai ympyrän sisäosassa kenttä on voimakkaampi kuin ulommassa osassa, jossa kenttäviivat erottuvat ja heikentyvät.

Kuva 4. Magneettikenttä, jonka lanka tuottaa ympyrässä. Lähde: Wikimedia Commons

Magneettikenttä silmukan keskellä

Tuloksena oleva magneettikenttä virran I kantavan sädesilmukan keskellä on:

Vaikutus moninkertaistuu, jos joka kerta taivutamme kaapelia siten, että siinä on kaksi, kolme, neljä,… ja monta kierrosta. Kun kelaamme kaapelia jousen muodossa, jolla on hyvin läheiset kelat, jousen sisällä oleva magneettikenttä on tasainen ja erittäin voimakas, kun taas ulkopuolella se on käytännössä nolla.

Oletetaan, että kierrämme kaapelin spiraalissa, joka on 30 kierrosta 1 cm pitkä ja halkaisija 1 cm. Tämä antaa käännöstiheyden 3000 kierrosta metriä kohti.

Ihanteellinen magneettikenttä

Ihanteellisessa solenoidissa sen sisällä olevan magneettikentän antaa:

Yhteenvetona voidaan todeta, että laskelmamme kaapelille, joka kuljettaa 1 ampeerin virran ja laskee magneettikentän mikrotlasina, aina 0,5 cm: n päässä kaapelista eri kokoonpanoissa:

1. Suora kaapeli: 40 mikrotlasia.
2. Kaapeli halkaisijaltaan 1 cm: n ympyrässä: 125 mikrot.
3. Kierros 300 kierrosta 1 cm: ssä: 3770 mikrotlasia = 0,003770 Teslaa.

Mutta jos lisäämme spiraaliin rautasydämen, jonka suhteellinen passitiivisuus on 100, niin kenttä kerrotaan 100 kertaa, eli 0,37 Teslaa.

On myös mahdollista laskea voima, jonka solenoidimuodossa oleva sähkömagneetti kohdistaa poikkileikkauksen A rautasydämen osaan:

Jos oletetaan, että kyllästysmagneettikenttä on 1,6 Teslaa, sähkömagneetin kohdistama voima neliömetriä kohden rautaydinpinta-alaa on 10 ^ 6 Newtonia, mikä vastaa 10 ^ 5 kilogrammaa voimaa, joka on 0,1 tonnia per neliömetriä poikkileikkausta.

Tämä tarkoittaa, että sähkömagneetti, jossa saturaatio alalla 1,6 Tesla kohdistaa voiman 10 kg rautasydän, jossa on poikkileikkaus on 1 cm ².

Sähkömagneettiset sovellukset

Sähkömagneetit ovat osa monia laitteita ja laitteita. Esimerkiksi niitä on läsnä:

- Sähkömoottorit.

- Vaihteistot ja dynosmit.

- Kaiuttimet.

- Sähkömekaaniset releet tai kytkimet.

- Sähkökello.

- Solenoidiventtiilit virtauksen säätöön.

- Tietokoneiden kiintolevyt.

- Romumetallinosturit.

- Metalliserottimet yhdyskuntajätteistä.

- Junien ja kuorma-autojen sähköjarrut.

- Ydinmagneettiset resonanssikuvauskoneet.

Ja monia muita laitteita.

Viitteet

1. García, F. Magneettikenttä. Palautettu osoitteesta: www.sc.ehu.es
2. Tagueña, J. ja Martina, E. Magnetism. Kompassista spiniin. Palautettu: Bibliotecadigital.ilce.edu.mx.
3. Sears, Zemansky. 2016. Yliopistofysiikka modernin fysiikan kanssa. 14th. Toim. Volyymi 2. 921 - 954.
4. Wikipedia. Sähkömagneetti. Palautettu osoitteesta: wikipedia.com
5. Wikipedia. Sähkömagneetti. Palautettu osoitteesta: wikipedia.com
6. Wikipedia. Magnetoinnin. Palautettu osoitteesta: wikipedia.com