ELEKTROMAGNET: SAMMANSÄTTNING, DELAR, HUR DET FUNGERAR OCH APPLIKATIONER - FYSISK - 2025

En elektromagnet är en enhet som producerar magnetism från elektrisk ström. Om den elektriska strömmen upphör försvinner magnetfältet också. År 1820 upptäcktes att en elektrisk ström producerar ett magnetfält i sin omgivning. Fyra år senare uppfanns och byggdes den första elektromagneten.

Den första elektromagneten bestod av en järnhästsko målad med isolerande ferniss, och arton varv koppartråd utan elektrisk isolering lindades på den.

Bild 1. Elektromagnet. Källa: pixabay

Moderna elektromagneter kan ha olika former beroende på den slutliga användningen som kommer att ges till dem; och det är kabeln som är isolerad med lack och inte järnkärnan. Den vanligaste formen på järnkärnan är den cylindriska, på vilken den isolerade koppartråden lindas.

Du kan skapa en elektromagnet med bara lindningen som producerar ett magnetfält, men järnkärnan multiplicerar fältets intensitet.

När elektrisk ström passerar genom lindningen av en elektromagnet magnetiseras järnkärnan. Det vill säga materialets inneboende magnetiska moment stämmer in och läggs till, vilket förstärker det totala magnetfältet.

Magnetism som sådan har varit känt åtminstone sedan 600 f.Kr., när de grekiska Thales of Miletus talade i detalj om magneten. Magnetit, ett järnmineral, producerar magnetism naturligt och permanent.

Fördelar med elektromagneter

En tveklöst fördel med elektromagneter är att magnetfältet kan etableras, ökas, minskas eller tas bort genom att styra den elektriska strömmen. Vid tillverkning av permanentmagneter är elektromagneter nödvändiga.

Varför händer det här? Svaret är att magnetism är inneboende för materia precis som för elektricitet, men båda fenomenen manifesteras endast under vissa förhållanden.

Man kan emellertid säga att källan till magnetfältet rör sig om elektriska laddningar eller elektrisk ström. Insidan, på atom- och molekylnivå, produceras dessa strömmar som producerar magnetfält i alla riktningar som avbryter varandra. Det är därför material normalt inte visar magnetism.

Det bästa sättet att förklara det är att tro att små magneter (magnetiska ögonblick) är inrymda i ämnet som pekar i alla riktningar, så att deras makroskopiska effekt avbryts.

I ferromagnetiska material kan magnetiska moment stämma in och bilda områden som kallas magnetiska domäner. När ett externt fält tillämpas anpassas dessa domäner.

När det externa fältet tas bort återgår dessa domäner inte till sin ursprungliga slumpmässiga position, utan förblir delvis inriktade. På detta sätt magnetiseras materialet och bildar en permanent magnet.

Sammansättning och delar av en elektromagnet

En elektromagnet består av:

- En lindning av kabelisolerad med lack.

- En järnkärna (valfritt).

- En aktuell källa, som kan vara direkt eller omväxlande.

Bild 2. Delar av en elektromagnet. Källa: självgjord.

Lindningen är den ledare genom vilken strömmen som producerar magnetfältet passerar och lindas i form av en fjäder.

Vid lindning är svängarna oftast mycket nära varandra. Det är därför det är oerhört viktigt att den tråd som lindningen görs med elektrisk isolering, vilket uppnås med en speciell lack. Syftet med fernissning är att även när svängarna är grupperade och berör varandra, förblir de elektriskt isolerade och strömmen fortsätter sin spiralkurs.

Ju tjockare den lindande ledaren, desto mer ström tål kabeln men begränsar det totala antalet varv som kan lindas. Det är av denna anledning som många elektromagnetspolar använder en tunn tråd.

Det producerade magnetfältet kommer att vara proportionellt mot strömmen som passerar genom den lindande ledaren och också proportionell mot densiteten för varv. Detta betyder att ju fler varv per enhetslängd är placerad, desto större är fältets intensitet.

Ju hårdare lindningen är, desto större blir antalet som passar i en viss längd, vilket ökar deras täthet och därmed det resulterande fältet. Detta är ett annat skäl till att elektromagneter använder kabelisolerad med lack istället för plast eller annat material, vilket skulle ge tjocklek.

Magnet

I en magnetventil eller cylindrisk elektromagnet som den som visas i figur 2 kommer magnetfältets intensitet att ges av följande förhållande:

B = μ⋅n⋅I

Där B är magnetfältet (eller magnetisk induktion), som i enheter i det internationella systemet mäts i Tesla, är μ den magnetiska permeabiliteten för kärnan, n är densiteten för varv eller antal varv per meter och slutligen strömmen I som cirkulerar genom lindningen som mäts i ampere (A).

Järnkärnans magnetiska permeabilitet beror på legeringen och är vanligtvis mellan 200 och 5000 gånger luftens permeabilitet. Det resulterande fältet multipliceras med samma faktor med avseende på den för en elektromagnet utan en järnkärna. Luftens permeabilitet är ungefär lika med ett vakuum, vilket är μ ₀ = 1,26 × ^10-6 T * m / A.

Hur fungerar det?

För att förstå en elektromagnet är det nödvändigt att förstå magnetismens fysik.

Låt oss börja med en enkel rak tråd som bär en ström I, denna ström producerar ett magnetfält B runt tråden.

Bild 3. Magnetfält producerat av en rak tråd. Källa: Wikimedia Commons

Magnetfältlinjerna runt rak tråd är koncentriska cirklar runt ledningsledningen. Fältlinjerna överensstämmer med högerhandregeln, det vill säga om högerhandens tumme pekar i strömriktningen kommer de andra fyra fingrarna på högerhand att indikera magnetfältlinjernas cirkulationsriktning.

Magnetfält av en rak tråd

Magnetfältet på grund av en rak tråd på ett avstånd r från det är:

Anta att vi böjer kabeln så att den bildar en cirkel eller slinga, sedan kommer magnetfältlinjerna på insidan samman och pekar alla i samma riktning, lägger till och förstärker. I den inre delen av slingan eller cirkeln är fältet mer intensivt än i den yttre delen, där fältlinjerna separeras och försvagas.

Bild 4. Magnetfält producerat av en tråd i en cirkel. Källa: Wikimedia Commons

Magnetfältet i mitten av en slinga

Det resulterande magnetfältet i mitten av en radie loop och som bär en ström I är:

Effekten multiplicerar om vi böjer kabeln varje gång så att den har två, tre, fyra, … och många varv. När vi lindrar kabeln i form av en fjäder med mycket nära spolar är magnetfältet inuti fjädern enhetligt och mycket intensivt, medan det på utsidan är praktiskt taget noll.

Anta att vi lindar kabeln i en spiral på 30 varv i 1 cm lång och 1 cm i diameter. Detta ger en densitet på varv på 3000 varv per meter.

Idealt magnet magnetfält

I en ideal magnetventil ges magnetfältet inuti det av:

Sammanfattande, våra beräkningar för en kabel som bär en ampere ström och beräknar magnetfältet i mikroteslas, alltid 0,5 cm från kabeln i olika konfigurationer:

1. Rak kabel: 40 mikroteslas.
2. Kabel i en cirkel på 1 cm i diameter: 125 mikroteslas.
3. Spiral på 300 varv i 1 cm: 3770 mikroteslas = 0,003770 Tesla.

Men om vi lägger till en spiral en järnkärna med en relativ permittivitet på 100 multipliceras fältet 100 gånger, det vill säga 0,37 Tesla.

Det är också möjligt att beräkna kraften som elektromagneten i magnetventil utövar på en sektion av järnkärnan i tvärsnitt A:

Om man antar ett mättnadsmagnetiskt fält på 1,6 Tesla, kommer kraften per kvadratmeterdel av järnkärnområdet som utövas av elektromagneten vara 10 ^ 6 Newton motsvarande 10 ^ 5 kg kraft, det vill säga 0,1 ton per kvadratmeter tvärsnitt.

Det innebär att en elektromagnet med en mättningsfält av 1,6 Tesla utövar en kraft av 10 kg på en järnkärna med en tvärsektion på 1 cm ² .

Elektromagnetapplikationer

Elektromagneter är en del av många prylar och enheter. Till exempel finns de inuti:

- Elektriska motorer.

- Generatorer och dynamos.

- Högtalare.

- Elektromekaniska reläer eller omkopplare.

- Elektriska klockor.

- Magnetventiler för flödeskontroll.

- Datorhårddiskar.

- Lyftkranar för metallskrot.

- Metallseparatorer från stadsavfall.

- Elektriska bromsar för tåg och lastbilar.

- Bildmaskiner för kärnmagnetisk resonans.

Och många fler enheter.

referenser

1. García, F. Magnetfält. Återställd från: www.sc.ehu.es
2. Tagueña, J. och Martina, E. Magnetism. Från kompassen till snurret. Återställd från: Bibliotecadigital.ilce.edu.mx.
3. Sears, Zemansky. 2016. Universitetsfysik med modern fysik. 14:e. Utg. Volym 2. 921-954.
4. Wikipedia. Elektromagnet. Återställd från: wikipedia.com
5. Wikipedia. Elektromagnet. Återställd från: wikipedia.com
6. Wikipedia. Magnetisering. Återställd från: wikipedia.com