Elektromagnes — definicja i zasada działania, budowa i zastosowania
Elektromagnes — definicja, zasada działania, budowa i zastosowania. Dowiedz się, jak działają, jak je zbudować, wzmocnić pole i gdzie stosuje się je w praktyce.
Elektromagnesy są magnesami tymczasowymi i sztucznymi. Są to magnesy, które są magnetyczne tylko wtedy, gdy istnieje cewka drutu z prądem elektrycznym przepływającym przez nią. Cewka drutu nazywana jest cewką elektromagnetyczną. Siła pola magnetycznego wytwarzanego przez taki układ jest proporcjonalna do prądu przepływającego w obwodzie oraz do liczby zwojów cewki. Energia elektryczna płynąca przewodem powoduje ruch ładunków — prąd, czyli przepływ elektronów. W praktyce elektromagnesy służą do przyciągania i oddziaływania z materiałami ferromagnetycznymi, np. kawałkami żelaza, niklu i kobaltu.
Zasada działania
Gdy przez zwoje cewki przepływa prąd, wokół przewodnika powstaje pole magnetyczne. Poley te sumują się wewnątrz cewki, a jeżeli wewnątrz zwojów umieścimy rdzeń z materiału ferromagnetycznego (np. miękkiego żelaza), to pole zostaje wzmocnione dzięki dużej względnej przenikalności magnetycznej rdzenia. W przybliżeniu natężenie pola w długiej cewce (solenoidzie) zależy od natężenia prądu I, liczby zwojów N i długości cewki L: B ≈ μ · (N/L) · I (gdzie μ to przenikalność magnetyczna medium).
Budowa
- Podstawowe elementy: izolowany przewód (zwykle miedziany), nawinięty w zwoje, oraz rdzeń ferromagnetyczny. Cewkę często nazywa się elektromagnetyczną.
- Rdzeń może być wykonany z miękkiego żelaza (łatwo magnesuje się i demagnesuje) lub z materiałów laminowanych/ferrytowych, aby ograniczyć prądy wirowe (eddy currents) i straty cieplne.
- Do pracy przy wyższych mocach stosuje się izolowane przewody, chłodzenie, uzwojenia wielowarstwowe oraz metody zapobiegające przegrzewaniu.
- Końcówki przewodu łączy się z źródłem zasilania (np. akumulatorem) — wystarczy podłączyć do + (dodatniej) i - (ujemnej) strony akumulatora, aby pojawiło się pole magnetyczne.
Wpływ materiałów
Różne stopy i materiały zachowują się inaczej: miękkie żelazo straci namagnesowanie niemal natychmiast po odłączeniu prądu, natomiast stal (twardsze stopy żelaza z węglem) może zachować część namagnesowania (remanencja) i potrzebuje czasu lub dodatkowego przeciwdziałania, aby się rozmagnesować. Dlatego do rdzeni elektromagnesów używa się materiałów o małej histerezie magnetycznej (miękkie żelazo, stopy specjalne, ferryt) i często wykonuje się rdzenie warstwowe (laminacje), aby zmniejszyć straty spowodowane prądami wirowymi.
Wzmocnienie elektromagnesu
- Zwiększenie liczby zwojów cewki — więcej zwojów oznacza silniejsze pole przy tym samym prądzie.
- Zwiększenie natężenia prądu — większy prąd daje silniejsze pole, ale powoduje też większe straty cieplne.
- Użycie odpowiedniego rdzenia — rdzeń z wysoką przenikalnością magnetyczną znacząco wzmacnia pole.
Zastosowania
Elektromagnesy mają bardzo szerokie zastosowanie w przemyśle i urządzeniach codziennego użytku. Przykłady:
- Urządzenia zabezpieczające i sygnalizacyjne: alarmy przeciwwłamaniowe, dzwonki, przekaźniki elektryczne (przekaźniki).
- Silniki i generatory: silniki elektryczne wykorzystują elektromagnesy do przekształcania energii elektrycznej w mechaniczną; odwrotna zasada (ruch magnesu/cewki) pozwala wytwarzać prąd elektryczny w generatorach.
- Holowniki i dźwigi magnetyczne w recyklingu i w portach — do podnoszenia ciężkich ładunków stalowych.
- Przemysłowy sprzęt precyzyjny: elektromagnetyczne hamulce, sprzęgła, zawory sterowane elektrycznie.
- Sprzęt audio i medyczny: głośniki (cewka poruszająca membranę), aparatura rezonansowa MRI wykorzystują silne pola magnetyczne (zwykle elektromagnesy lub elektromagnesy w połączeniu z magnesami nadprzewodzącymi).
- Urządzenia laboratoryjne i edukacyjne; systemy kolei magnetycznej (maglev) w koncepcjach przy wykorzystaniu elektromagnesów.
Elektromagnes jako generator
Elektromagnesy mogą też współpracować z ruchem względnym magnesu i cewki, aby wytworzyć energię elektryczną. Zjawisko to opisuje prawo Faradaya: przemieszczanie magnesu w pobliżu cewki zmienia strumień magnetyczny przez nią przepływający i indukuje siłę elektromotoryczną (napięcie), co powoduje powstanie prądu elektrycznego przy zamkniętym obwodzie.
Krótka historia
Jednym z pierwszych praktycznych konstruktorów elektromagnesu był brytyjski elektryk William Sturgeon, który w 1825 roku przedstawił elektromagnes składający się z nawoju drutu wokół rdzenia żelaznego. Jego wynalazek umożliwił rozwój silników elektrycznych i innych urządzeń wykorzystujących pola magnetyczne sterowane prądem.
Bezpieczeństwo i ograniczenia
- Silne pola magnetyczne mogą wpływać na urządzenia elektroniczne i magnetyczne nośniki danych oraz stanowić zagrożenie dla osób z rozrusznikami serca.
- Przy dużych prądach istnieje ryzyko przegrzania cewek — konieczne są odpowiednia izolacja i chłodzenie.
- Materiały rdzenia mogą się nasycać — powyżej pewnego natężenia prądu dalsze zwiększanie prądu nie daje proporcjonalnego wzrostu pola.
- W zastosowaniach zmiennoprądowych należy ograniczać prądy wirowe przez stosowanie rdzeni warstwowych lub ferrytów.
Jak zbudować prosty elektromagnes (uwaga: podstawy i bezpieczeństwo)
- Weź izolowany miedziany drut (emaliowany), nawiń wiele zwojów wokół miękkiego żelaznego pręta lub gwoździa.
- Usuń emalię z końcówek przewodu, by uzyskać dobry kontakt elektryczny.
- Podłącz końcówki do źródła zasilania (np. akumulatora) — jedna do +, druga do -. Krótsze eksperymenty są bezpieczniejsze; dłuższe mogą powodować nagrzewanie.
- Obserwuj działanie: elektromagnes powinien przyciągać drobne kawałki żelaza. Po odłączeniu zasilania pole znika (jeśli rdzeń jest z miękkiego żelaza).
- Zachowaj ostrożność: unikaj wysokich napięć/prądów, stosuj bezpieczne połączenia i zabezpieczenia przed zwarciem.
Elektromagnesy dzięki możliwości łatwego włączania i wyłączania pola magnetycznego są niezwykle użyteczne — w przeciwieństwie do magnesów stałych, które zawsze oddziałują na swoje otoczenie, elektromagnesy pozwalają na sterowanie polem za pomocą prądu. Dzięki temu znalazły zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu, elektronice i urządzeniach codziennego użytku.
Elektromagnes przyciąga spinacze do papieru po przyłożeniu prądu wytwarzającego pole magnetyczne, traci je po usunięciu prądu i pola magnetycznego.
Gdy prąd płynie przez przewód, wytwarza on pole magnetyczne wokół przewodu. Zazwyczaj pole to jest bardzo słabe, więc pojedynczy drut nie wytwarza pola magnetycznego wystarczająco silnego, aby odebrać metalowe przedmioty. Na tym rysunku "I" to prąd, "B" to pole magnetyczne.
Dlaczego elektromagnesy działają
Elektromagnesy działają ponieważ kiedy prąd elektryczny przepływa przez jakiś przewód, wytwarza on pole magnetyczne wokół tego przewodu. Kierunek pola magnetycznego można znaleźć za pomocą prawej reguły. To oznacza, że jeśli ktoś skieruje kciuk swojej prawej ręki w kierunku prądu, pole magnetyczne będzie obracało się wokół tego przewodnika w taki sam sposób w jaki jego palce owijają się wokół tego przewodnika.
Pole magnetyczne wytwarzane przez pojedynczy przewód nie jest zazwyczaj bardzo silne. Aby wykonać elektromagnes normalnie, drut ten owinięty jest w wiele pętli, aby pola każdego kawałka drutu zsumować w jedno silniejsze pole magnetyczne.
Pytania i odpowiedzi
P: Co to jest elektromagnes?
O: Elektromagnes to tymczasowy i sztuczny magnes, który jest magnetyczny tylko wtedy, gdy przepływa przez niego zwój drutu z prądem. Taki zwój drutu nazywa się solenoidem.
P: Jak zmienia się siła elektromagnesu?
O: Siła magnesu jest proporcjonalna do natężenia prądu płynącego w obwodzie, więc zwiększenie natężenia prądu powoduje wzmocnienie magnetyzmu.
P: Jakie cząstki są odpowiedzialne za powstawanie elektryczności?
O: Prąd elektryczny przepływający przez przewód składa się z ujemnie naładowanych cząstek zwanych elektronami.
P: Kto wynalazł elektromagnes?
O: Brytyjski elektryk William Sturgeon wynalazł elektromagnes w 1825 roku.
P: Co czyni elektromagnes użytecznym w porównaniu z magnesami stałymi?
O: Elektromagnes jest użyteczny, ponieważ można go łatwo włączyć i wyłączyć (za pomocą prądu elektrycznego), podczas gdy magnesu stałego nie można wyłączyć i będzie on nadal oddziaływał na swoje najbliższe otoczenie.
P: Jak zrobić elektromagnes?
O: Aby zrobić elektromagnes, wokół żelaznego pręta nawija się drut miedziany. Dwa końce drutu są podłączone do strony + (dodatniej) i - (ujemnej) baterii.
P: W jaki sposób różne stopy reagują inaczej pod wpływem pola elektromagnetycznego?
O: Żelazo bardzo szybko przestaje być elektromagnesem, ale stal potrzebuje czasu, aby się zużyć.
Przeszukaj encyklopedię