Elektromagnes - Electromagnet

Prosty elektromagnes składający się z cewki drutu owiniętego wokół żelaznego rdzenia. Rdzeń z materiału ferromagnetycznego, takiego jak żelazo, służy do zwiększenia wytworzonego pola magnetycznego. Siła generowanego pola magnetycznego jest proporcjonalna do natężenia prądu płynącego przez uzwojenie.

Pole magnetyczne wytwarzane przez solenoid (zwój drutu). Ten rysunek przedstawia przekrój przez środek cewki. Krzyżyki to druty, w których prąd płynie do strony; kropki to przewody, w których prąd wypływa poza stronę.

Elektromagnes jest rodzajem magnesu w którym pole magnetyczne jest wytwarzane przez prąd elektryczny . Elektromagnesy zwykle składają się z drutu nawiniętego na cewkę . Prąd płynący przez drut wytwarza pole magnetyczne, które koncentruje się w otworze, wyznaczając środek cewki. Pole magnetyczne znika po wyłączeniu prądu. Zwoje drutu są często nawijane wokół rdzenia magnetycznego wykonanego z materiału ferromagnetycznego lub ferrimagnetycznego , takiego jak żelazo ; rdzeń magnetyczny skupia strumień magnetyczny i tworzy silniejszy magnes.

Główną zaletą elektromagnesu nad magnesem trwałym jest to, że pole magnetyczne można szybko zmienić, kontrolując ilość prądu elektrycznego w uzwojeniu. Jednak w przeciwieństwie do magnesu trwałego, który nie wymaga zasilania, elektromagnes wymaga ciągłego zasilania prądem, aby utrzymać pole magnetyczne.

Elektromagnesy są szeroko stosowane jako elementy innych urządzeń elektrycznych, takich jak silniki , generatory , elektromechaniczne solenoidy , przekaźniki , głośniki , dyski twarde , urządzenia do rezonansu magnetycznego , instrumenty naukowe i sprzęt do separacji magnetycznej . Elektromagnesy są również wykorzystywane w przemyśle do podnoszenia i przenoszenia ciężkich przedmiotów żelaznych, takich jak złom żelazny i stal.

Historia

Elektromagnes Jesiotra, 1824

Jeden z elektromagnesów Henry'ego, który mógł podnieść setki funtów, lata 30. XIX wieku

Zbliżenie dużego elektromagnesu Henry

Duński naukowiec Hans Christian Ørsted odkrył w 1820 roku, że prądy elektryczne wytwarzają pola magnetyczne. Brytyjski naukowiec William Sturgeon wynalazł elektromagnes w 1824 roku. Jego pierwszym elektromagnesem był kawałek żelaza w kształcie podkowy, owinięty około 18 zwojami gołego drutu miedzianego ( izolowany drut jeszcze nie istniał). Żelazko zostało polakierowane, aby odizolować je od uzwojeń. Kiedy przez cewkę przepływał prąd, żelazo ulegało namagnesowaniu i przyciągało inne kawałki żelaza; kiedy prąd został zatrzymany, stracił magnetyzację. Sturgeon pokazał swoją moc, pokazując, że chociaż waży tylko siedem uncji (około 200 gramów), może unieść dziewięć funtów (około 4 kilogramy), gdy zostanie zastosowany prąd z jednoogniwowego zasilacza. Jednak magnesy Sturgeona były słabe, ponieważ nieizolowany drut, którego użył, mógł być owinięty tylko pojedynczą warstwą wokół rdzenia, ograniczając liczbę zwojów.

Począwszy od 1830 roku amerykański naukowiec Joseph Henry systematycznie ulepszał i spopularyzował elektromagnes. Używając drutu izolowanego jedwabną nicią i zainspirowanego wykorzystaniem przez Schweiggera wielu zwojów drutu do wykonania galwanometru , był w stanie nawinąć wiele warstw drutu na rdzenie, tworząc potężne magnesy z tysiącami zwojów drutu, w tym jeden, który może wytrzymać 2063 funtów (936 kg). Pierwszym poważnym zastosowaniem elektromagnesów były sondy telegraficzne .

Magnetyczne domeny teoria jak ferromagnetycznych rdzeni pracy została zaproponowana w 1906 roku przez francuskiego fizyka Pierre-Ernest Weiss , oraz szczegółowy nowoczesny kwantowa teoria ferromagnetyzmu mechaniczny został opracowany w 1920 roku przez Wernera Heisenberga , Lew Landau , Felix Bloch i inni.

Zastosowania elektromagnesów

Przemysłowy elektromagnes podnoszący złom żelazny, 1914

Portative elektromagnes jest przeznaczony tylko do utrzymywania materiału w miejscu; przykładem jest magnes do podnoszenia. Pociągowa elektromagnes przykłada siłę i porusza coś.

Elektromagnesy mają bardzo szerokie zastosowanie w urządzeniach elektrycznych i elektromechanicznych , m.in.:

• Silniki i generatory
• Transformatory
• Przekaźniki
• Elektryczne dzwonki i brzęczyki
• Głośniki i słuchawki
• Siłowniki, takie jak zawory
• Urządzenia do zapisu magnetycznego i przechowywania danych: magnetofony , magnetowidy , dyski twarde
• Maszyny do rezonansu magnetycznego
• Sprzęt naukowy, taki jak spektrometry masowe
• Akceleratory cząstek
• Zamki magnetyczne
• Przetworniki do instrumentów muzycznych
• Oddzielanie magnetyczne urządzenia używane do oddzielania magnetycznego z materiału niemagnetycznego, na przykład oddzielania metali nieżelaznych z innego materiału, na złom.
• Przemysłowe magnesy do podnoszenia
• lewitacja magnetyczna , używana w pociągu lub pociągach maglev
• Ogrzewanie indukcyjne do gotowania, produkcji i terapii hipertermicznej

Elektromagnes laboratoryjny. Wytwarza pole 2 T przy prądzie 20 A.

Magnes w spektrometrze mas

AC elektromagnesu na stojanie wystąpienia silnikiem elektrycznym

Magnesy w dzwonku elektrycznym

Magnes skupiający sekstupol w synchrotronie

Prosty solenoid

Powszechnym elektromagnesem trakcyjnym jest jednolicie nawinięty elektromagnes i nurnik. Solenoid to zwój drutu, a nurnik wykonany jest z materiału takiego jak miękkie żelazo. Doprowadzenie prądu do elektromagnesu wywiera siłę na tłok i może spowodować jego ruch. Tłok przestaje się poruszać, gdy siły działające na niego są zrównoważone. Na przykład siły są zrównoważone, gdy tłok jest wyśrodkowany w elektromagnesie.

Maksymalny równomierny ciąg ma miejsce, gdy jeden koniec tłoka znajduje się pośrodku elektrozaworu. Przybliżenie siły F to

${\ Displaystyle F = CANI/l}$

gdzie C jest stałą proporcjonalności, A jest polem przekroju nurnika, n jest liczbą zwojów elektrozaworu, I jest prądem przez przewód elektrozaworu, a l jest długością elektrozaworu. W przypadku jednostek wykorzystujących cale, funty i ampery z długimi, smukłymi solenoidami, wartość C wynosi około 0,009 do 0,010 psi (maksymalny nacisk w funtach na cal kwadratowy powierzchni przekroju tłoka). Na przykład, 12-cala długości cewki ( L = 12 W ) o długim tłok 1-cal kwadratowy przekrój poprzeczny ( = 1 do ² ) i 11.200 amperozwojów ( n I = 11200 Aturn ) miała maksymalną przyciąganie 8,75 funta (co odpowiada C =0,0094 psi ).

Maksymalny ciąg zwiększa się, gdy w elektromagnes jest włożony ogranicznik magnetyczny. Ogranicznik staje się magnesem, który przyciągnie tłok; dodaje niewiele do siły elektromagnesu, gdy tłok jest daleko, ale drastycznie zwiększa siłę, gdy są blisko. Przybliżenie dla przyciągania P to

${\ Displaystyle P = AnI [(nI / l_ {\ operatorname {a}} ^ {2} C_ {1} ^ {2}) + (C / l)] = ( ^ {2} I ^ {2} /l_{\mathrm {a} }^{2}C_{1}^{2})+(CAnI/l)}$

Tutaj l _a jest odległością między końcem ogranicznika a końcem tłoka. Dodatkową stałą C ₁ dla jednostek cali funtów i amperów z elektromagnesów smukłych wynosi 2660. Drugi człon w uchwycie reprezentuje tę samą moc co magnes stopu mniej powyżej; pierwszy termin reprezentuje przyciąganie między zatrzymaniem a tłokiem.

W podstawowym projekcie można wprowadzić pewne ulepszenia. Końce ogranicznika i tłoka są często stożkowe. Na przykład, nurnik może mieć szpiczasty koniec, który pasuje do pasującego wgłębienia w ograniczniku. Kształt sprawia, że ​​przyciąganie elektrozaworu jest bardziej równomierne w funkcji separacji. Innym ulepszeniem jest dodanie magnetycznej ścieżki powrotnej na zewnątrz elektromagnesu („elektromagnes żelazny”). Magnetyczna droga powrotna, podobnie jak ogranicznik, ma niewielki wpływ, dopóki szczelina powietrzna nie będzie mała.

Fizyka

Prąd (I) płynący przez drut wytwarza pole magnetyczne (B). Pole jest zorientowane zgodnie z regułą prawej ręki .

Linie pola magnetycznego pętli przewodzącej prąd przechodzą przez środek pętli, koncentrując tam pole

Pole magnetyczne generowane przez przepuszczenie prądu przez cewkę

Prąd elektryczny płynący w przewodzie wytwarza pole magnetyczne wokół przewodu, zgodnie z prawem Ampera (patrz rysunek poniżej). Aby skoncentrować pole magnetyczne, w elektromagnesie drut jest nawinięty w cewkę z wieloma zwojami drutu leżącymi obok siebie. Pole magnetyczne wszystkich zwojów drutu przechodzi przez środek cewki, wytwarzając tam silne pole magnetyczne. Cewka tworząca kształt prostej rurki ( helisy ) nazywana jest solenoidem .

Kierunek pola magnetycznego przechodzącego przez zwój drutu można znaleźć w postaci reguły prawej ręki . Jeśli palce prawej dłoni są zawinięte wokół cewki w kierunku przepływu prądu ( prąd umowny , przepływ ładunku dodatniego ) przez uzwojenia, kciuk wskazuje kierunek pola wewnątrz cewki. Strona magnesu, z której wychodzą linie pola, jest określana jako biegun północny .

Znacznie silniejsze pola magnetyczne można wytworzyć, jeśli wewnątrz cewki zostanie umieszczony „ rdzeń magnetyczny ” z miękkiego materiału ferromagnetycznego (lub ferrimagnetycznego ), takiego jak żelazo . Dzięki wysokiej przenikalności magnetycznej μ materiału rdzeń może zwiększyć pole magnetyczne do tysięcy razy silniejsze niż pole samej cewki . Nazywa się to elektromagnesem z rdzeniem ferromagnetycznym lub żelaznym. Jednak nie wszystkie elektromagnesy wykorzystują rdzenie, a najsilniejsze elektromagnesy, takie jak elektromagnesy nadprzewodnikowe i elektromagnesy o bardzo dużym natężeniu prądu, nie mogą ich używać ze względu na nasycenie.

Prawo Ampera

Definicje zmiennych poniżej znajdują się w ramce na końcu artykułu.

Pole magnetyczne elektromagnesów w ogólnym przypadku jest określone przez prawo Ampere'a :

${\ Displaystyle \ int \ mathbf {J} \ cdot d \ mathbf {A} = \ oint \ mathbf {H} \ cdot d \ mathbf {l}}$

co mówi, że całka pola magnesującego wokół dowolnej zamkniętej pętli jest równa sumie prądu przepływającego przez pętlę. Innym użytym równaniem, które daje pole magnetyczne spowodowane każdym małym segmentem prądu, jest prawo Biota-Savarta . Obliczenie pola magnetycznego i siły wywieranej przez materiały ferromagnetyczne jest trudne z dwóch powodów. Po pierwsze dlatego, że natężenie pola zmienia się z punktu do punktu w skomplikowany sposób, szczególnie poza rdzeniem iw szczelinach powietrznych, gdzie należy wziąć pod uwagę pola brzegowe i strumień wycieku . Po drugie, ponieważ pole magnetyczne B i siła są nieliniowymi funkcjami prądu, w zależności od nieliniowej relacji między B i H dla konkretnego użytego materiału rdzenia. Do precyzyjnych obliczeń wykorzystuje się programy komputerowe, które potrafią wytworzyć model pola magnetycznego metodą elementów skończonych . ${\ Displaystyle \ mathbf {H}}$

Rdzeń magnetyczny

Materiał rdzenia magnetycznego (często wykonanego z żelaza lub stali) składa się z małych obszarów zwanych domenami magnetycznymi, które działają jak maleńkie magnesy (patrz ferromagnetyzm ). Zanim prąd w elektromagnesie zostanie włączony, domeny w żelaznym rdzeniu kierują się w przypadkowych kierunkach, więc ich maleńkie pola magnetyczne znoszą się nawzajem, a żelazo nie ma pola magnetycznego o dużej skali. Kiedy prąd przepływa przez drut owinięty wokół żelaza, jego pole magnetyczne przenika przez żelazo i powoduje, że domeny obracają się równolegle do pola magnetycznego, dzięki czemu ich maleńkie pola magnetyczne dodają się do pola drutu, tworząc duże pole magnetyczne który rozciąga się na przestrzeń wokół magnesu. Skutkiem działania jądra jest koncentracja pola, a pole magnetyczne przechodzi przez rdzeń łatwiej niż przez powietrze.

Im większy prąd przepływa przez cewkę drutu, tym bardziej wyrównane są domeny i tym silniejsze jest pole magnetyczne. Ostatecznie wszystkie domeny są ustawione w jednej linii, a dalsze wzrosty prądu powodują jedynie niewielkie wzrosty pola magnetycznego: zjawisko to nazywamy nasyceniem .

Gdy prąd w cewce jest wyłączony, w magnetycznie miękkich materiałach, które są prawie zawsze używane jako rdzenie, większość domen traci wyrównanie i powraca do losowego stanu, a pole znika. Jednak niektóre z wyrównań utrzymują się, ponieważ domeny mają trudności z odwróceniem kierunku namagnesowania, pozostawiając rdzeń ze słabym magnesem trwałym. Zjawisko to nazywamy histerezą, a pozostałe pole magnetyczne nazywamy magnetyzmem szczątkowym . Resztkowe namagnesowanie rdzenia można usunąć przez rozmagnesowanie . W elektromagnesach prądu przemiennego, jakie stosuje się w silnikach, namagnesowanie rdzenia jest stale odwrócone, a remanencja przyczynia się do strat silnika.

Obwód magnetyczny – przybliżenie stałego pola B

Pole magnetyczne ( zielone ) typowego elektromagnesu, z żelaznym rdzeniem C tworzącym zamkniętą pętlę z dwiema szczelinami powietrznymi G w nim.
B – pole magnetyczne w rdzeniu
B _F – „pola brzegowe”. W szczelinach G linie pola magnetycznego „wybrzuszają się”, więc natężenie pola jest mniejsze niż w rdzeniu: B _F  <  B
B _L – strumień upływu ; linie pola magnetycznego, które nie podążają za pełnym obwodem magnetycznym
L – średnia długość obwodu magnetycznego użyta w równ. 1 poniżej. Jest to suma długości L _rdzenia w kawałkach rdzenia żelaznego i długości L _szczeliny w szczelinach powietrznych G .
Zarówno strumień upływu, jak i pola brzegowe zwiększają się wraz ze wzrostem szczelin, zmniejszając siłę wywieraną przez magnes.

W wielu praktycznych zastosowaniach elektromagnesów, takich jak silniki, generatory, transformatory, magnesy podnoszące i głośniki, żelazny rdzeń ma postać pętli lub obwodu magnetycznego , prawdopodobnie przerywanego kilkoma wąskimi szczelinami powietrznymi. Dzieje się tak, ponieważ linie pola magnetycznego mają postać zamkniętych pętli. Żelazo wykazuje znacznie mniejszy „odporność” ( niechęć ) na pole magnetyczne niż powietrze, więc silniejsze pole można uzyskać, jeśli większość toru pola magnetycznego znajduje się w rdzeniu.

Ponieważ większość pola magnetycznego jest zamknięta w obrysach pętli rdzenia, pozwala to na uproszczenie analizy matematycznej. Zobacz rysunek po prawej. Powszechnym założeniem upraszczającym spełnianym przez wiele elektromagnesów, które zostanie użyte w tej sekcji, jest to, że natężenie pola magnetycznego B jest stałe wokół obwodu magnetycznego (w rdzeniu i szczelinach powietrznych) i zero na zewnątrz. Większość pola magnetycznego będzie skoncentrowana w materiale rdzenia (C) . W rdzeniu pole magnetyczne (B) będzie w przybliżeniu jednorodne na każdym przekroju, więc jeśli dodatkowo rdzeń ma w przybliżeniu stałą powierzchnię na całej swojej długości, pole w rdzeniu będzie stałe. To po prostu pozostawia szczeliny powietrzne (G) , jeśli występują, pomiędzy sekcjami rdzenia. W szczelinach linie pola magnetycznego nie są już ograniczane przez rdzeń, więc „wybrzuszają się” poza obrys rdzenia, po czym zakrzywiają się z powrotem, aby wejść do następnego kawałka materiału rdzenia, zmniejszając siłę pola w szczelinie. Wybrzuszenia (B _F ) nazywane są polami brzegowymi . Jednak dopóki długość szczeliny jest mniejsza niż wymiary przekroju poprzecznego rdzenia, pole w szczelinie będzie w przybliżeniu takie samo jak w rdzeniu. Ponadto niektóre linie pola magnetycznego ( _BL ) będą „nacinać” i nie przechodzą przez cały obwód rdzenia, a zatem nie będą przyczyniać się do siły wywieranej przez magnes. Obejmuje to również linie pola, które otaczają uzwojenia drutu, ale nie wchodzą do rdzenia. Nazywa się to strumieniem wycieku . Dlatego równania w tej sekcji obowiązują dla elektromagnesów, dla których:

1. obwód magnetyczny to pojedyncza pętla materiału rdzenia, prawdopodobnie przerwana kilkoma szczelinami powietrznymi
2. rdzeń ma mniej więcej taką samą powierzchnię przekroju poprzecznego na całej swojej długości.
3. wszelkie szczeliny powietrzne pomiędzy sekcjami materiału rdzenia nie są duże w porównaniu z wymiarami przekroju poprzecznego rdzenia.
4. strumień wycieku jest znikomy

Główną nieliniową cechą materiałów ferromagnetycznych jest to, że pole B nasyca się przy określonej wartości, która wynosi około 1,6 do 2 tesli (T) dla większości stali rdzeniowych o wysokiej przepuszczalności. Pole B szybko rośnie wraz ze wzrostem prądu do tej wartości, ale powyżej tej wartości pole stabilizuje się i staje się prawie stałe, niezależnie od tego, ile prądu jest przesyłane przez uzwojenia. Tak więc maksymalna siła pola magnetycznego możliwa z elektromagnesu z żelaznym rdzeniem jest ograniczona do około 1,6 do 2 T.

Pole magnetyczne wytworzone przez prąd

Pola magnetycznego wytwarzanego przez elektromagnes jest proporcjonalna zarówno do liczby zwojów uzwojenia, N i prądu w drucie, I , a więc produktu, NI , w amperogodzinach -turns, otrzymuje nazwę siła magnetomotoryczna . Dla elektromagnesu z pojedynczym obwodem magnetycznym , którego długość L _rdzenia toru pola magnetycznego znajduje się w materiale rdzenia, a długość L _szczeliny w szczelinach powietrznych, prawo Ampere'a redukuje się do:

${\ Displaystyle NI = H_ {\ operatorname {rdzeń}} L_ {\ operatorname {rdzeń}} + H_ {\ operatorname {przerwa}} L_ {\ operatorname {przerwa}} \,}$

${\ Displaystyle NI = B \ lewo ({\ Frac {L_ {\ operator {rdzeń}}}} {\ mu}} + {\ Frac {L_ {\ operator {przerwa}}} {\ mu _ {0}}} \right)\qquad \qquad \qquad \qquad (1)\,}$

gdzie

${\ Displaystyle \ mu = B/H \,}$ jest przenikalnością magnetyczną materiału rdzenia w konkretnym używanym polu B.

${\ Displaystyle \ mu _ {0} = 4 \ pi (10 ^ {-7}) \ \ operatorname {N} \ cdot \ operatorname {A} ^ {-2}}$jest przepuszczalnością wolnej przestrzeni (lub powietrza); zauważ, że w tej definicji są ampery .${\ Displaystyle \ operatorname {A}}$

Jest to równanie nieliniowe , ponieważ przepuszczalność rdzenia μ zmienia się wraz z polem magnetycznym B . Aby uzyskać dokładne rozwiązanie, wartość μ przy zastosowanej wartości B należy uzyskać z krzywej histerezy materiału rdzenia . Jeśli B jest nieznane, równanie należy rozwiązać metodami numerycznymi . Jednakże, jeśli siła magnetomotoryczna jest znacznie powyżej nasycenia, a więc materiał rdzenia jest nasycony, pole magnetyczne będzie w przybliżeniu równe wartości nasycenia B _sat dla materiału i nie będzie się znacznie zmieniać wraz ze zmianami NI . W przypadku zamkniętego obwodu magnetycznego (bez szczeliny powietrznej) większość materiałów rdzenia nasyca się przy sile magnetomotorycznej około 800 amperoobrotów na metr ścieżki strumienia.

W przypadku większości materiałów rdzeniowych . Zatem w powyższym równaniu (1) dominuje drugi człon. Dlatego w obwodach magnetycznych ze szczeliną powietrzną siła pola magnetycznego B silnie zależy od długości szczeliny powietrznej, a długość drogi strumienia w rdzeniu nie ma większego znaczenia. Przy szczelinie powietrznej 1 mm do wytworzenia pola magnetycznego o natężeniu 1T wymagana jest siła magnetomotoryczna około 796 amperoobrotów. ${\ Displaystyle \ mu _ {r} = \ mu / \ mu _ {0} \ około 2000-6000 \,}$

Siła wywierana przez pole magnetyczne

Siła wywierana przez elektromagnes na odcinek materiału rdzenia wynosi:

${\ Displaystyle F = {\ Frac {B ^ {2} A} {2 \ mu _ {0}}} \ qquad \ qquad \ qquad \ qquad \ qquad \ qquad (2) \,}$

gdzie jest pole przekroju rdzenia. Równanie siły można wyprowadzić z energii zmagazynowanej w polu magnetycznym . Energia to siła razy odległość. Zmiana kolejności daje powyższe równanie. ${\ Displaystyle A}$

Limit 1,6 T w powyższym polu określa limit maksymalnej siły na jednostkę powierzchni rdzenia lub ciśnienia magnetycznego , jakie może wywierać elektromagnes z żelaznym rdzeniem; mniej więcej:

${\ Displaystyle {\ Frac {F} {A}} = {\ Frac {B_ {sat} ^ {2}} {2 \ mu _ {0}}} \ około 1000 \ \ operatorname {kPa} = 10 ^ { 6}\mathrm {N/m^{2}} =145\ \mathrm {lbf} \cdot \mathrm {in} ^{-2}\,}$

W bardziej intuicyjne jednostek jest, aby pamiętać, że na 1 tonę ciśnienie magnetycznego jest około 4 atmosfer lub kg / cm ² .

Biorąc pod uwagę geometrię rdzenia, pole B potrzebne dla danej siły można obliczyć z (2); jeśli wychodzi znacznie więcej niż 1,6 T, należy zastosować większy rdzeń.

Zamknięty obwód magnetyczny

Przekrój elektromagnesu nośnego taki jak na powyższym zdjęciu, pokazujący konstrukcję cylindryczną. Uzwojenia (C) to płaskie miedziane paski, które wytrzymują siłę pola magnetycznego Lorentza. Rdzeń jest utworzony przez grubą żelazną obudowę (D), która owija się wokół uzwojeń.

W przypadku zamkniętego obwodu magnetycznego (bez szczeliny powietrznej), jaki można znaleźć w elektromagnesie podnoszącym kawałek żelaza zmostkowany na biegunach, równanie (1) staje się:

${\ Displaystyle B = {\ Frac {NI \ mu} {L}} \ qquad \ qquad \ qquad \ qquad \ qquad \ qquad (3) \,}$

Zastępując w (2), siła wynosi:

${\ Displaystyle F = {\ Frac {\ mu ^ {2} N ^ {2} I ^ {2} A} {2 \ mu _ {0} L ^ {2}}} \ qquad \ qquad \ qquad \ qquad \qquad (4)\,}$

Można zauważyć, że aby zmaksymalizować siłę, preferowany jest rdzeń o krótkiej ścieżce strumienia L i szerokim polu przekroju poprzecznego A (dotyczy to również magnesów ze szczeliną powietrzną). Aby to osiągnąć, w zastosowaniach takich jak magnesy do podnoszenia (patrz zdjęcie powyżej) i głośniki często stosuje się płaską, cylindryczną konstrukcję. Uzwojenie jest owinięte wokół krótkiego, szerokiego cylindrycznego rdzenia, który tworzy jeden biegun, a gruba metalowa obudowa otaczająca zewnętrzną część uzwojeń tworzy drugą część obwodu magnetycznego, przenosząc pole magnetyczne do przodu, tworząc drugi biegun.

Siła między elektromagnesami

Powyższe metody mają zastosowanie do elektromagnesów z obwodem magnetycznym i nie mają zastosowania, gdy duża część ścieżki pola magnetycznego znajduje się poza rdzeniem. Przykładem może być magnes z prostym cylindrycznym rdzeniem, jak ten pokazany na górze tego artykułu. W przypadku elektromagnesów (lub magnesów trwałych) z dobrze zdefiniowanymi „biegunami”, w których linie pola wychodzą z rdzenia, siłę między dwoma elektromagnesami można znaleźć za pomocą modelu ładunku magnetycznego, który zakłada, że ​​pole magnetyczne jest wytwarzane przez fikcyjne „ładunki magnetyczne” na powierzchni biegunów, o sile bieguna m i jednostkach Amper -metr obrotowy. Siłę bieguna magnetycznego elektromagnesów można znaleźć z:

${\ Displaystyle m = {\ Frac {NIA} {L}}}$

Siła między dwoma biegunami to:

${\ Displaystyle F = {\ Frac {\ mu _ {0}m_ {1} m_ {2} {4 \ pi r ^ {2}}}}$

Każdy elektromagnes ma dwa bieguny, więc całkowita siła działająca na dany magnes z innego magnesu jest równa sumie wektorowej sił biegunów drugiego magnesu działających na każdy biegun danego magnesu. Model ten zakłada bieguny punktowe zamiast skończonych powierzchni, a zatem daje dobre przybliżenie tylko wtedy, gdy odległość między magnesami jest znacznie większa niż ich średnica.

Skutki uboczne

Istnieje kilka efektów ubocznych występujących w elektromagnesach, które należy uwzględnić w ich konstrukcji. Zwykle stają się one bardziej znaczące w większych elektromagnesach.

Ogrzewanie omowe

Duże aluminiowe szynoprzewody przenoszące prąd do elektromagnesów w laboratorium wysokiego pola LNCMI (Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses).

Jedyna moc pobierana przez elektromagnes prądu stałego w warunkach stanu ustalonego wynika z rezystancji uzwojeń i jest rozpraszana w postaci ciepła. Niektóre duże elektromagnesy wymagają systemów chłodzenia wodą w uzwojeniach do odprowadzania ciepła odpadowego .

Ponieważ pole magnetyczne jest proporcjonalne do iloczynu NI , liczbę zwojów uzwojeń N i prąd I można dobrać tak, aby zminimalizować straty ciepła, o ile ich iloczyn jest stały. Ponieważ rozpraszanie mocy P = I ² R , rośnie wraz z kwadratem prądu, ale rośnie tylko w przybliżeniu liniowo wraz z liczbą uzwojeń, moc traconą w uzwojeniach można zminimalizować zmniejszając I i zwiększając proporcjonalnie liczbę zwojów N , lub użycie grubszego drutu, aby zmniejszyć opór. Na przykład zmniejszenie o połowę I i podwojenie N zmniejsza o połowę straty mocy, podobnie jak podwojenie powierzchni przewodu. W obu przypadkach zwiększenie ilości drutu zmniejsza straty omowe. Z tego powodu elektromagnesy często mają znaczną grubość uzwojeń.

Jednak ograniczeniem zwiększania N lub obniżania rezystancji jest to, że uzwojenia zajmują więcej miejsca między elementami rdzenia magnesu. Jeśli obszar dostępny dla uzwojeń jest zapełniony, więcej zwojów wymaga przejścia na drut o mniejszej średnicy, który ma większą rezystancję, co niweluje zaletę używania większej liczby zwojów. Tak więc w przypadku dużych magnesów istnieje minimalna strata ciepła, której nie można zmniejszyć. To z kwadratu zwiększenie pola magnetycznego B ² .

Indukcyjne skoki napięcia

Elektromagnes ma znaczną indukcyjność i jest odporny na zmiany prądu płynącego przez jego uzwojenia. Wszelkie nagłe zmiany prądu uzwojenia powodują duże skoki napięcia na uzwojeniach. Dzieje się tak, ponieważ gdy prąd płynący przez magnes wzrasta, na przykład gdy jest on włączony, energia z obwodu musi być magazynowana w polu magnetycznym. Gdy jest wyłączony, energia w polu jest zwracana do obwodu.

Jeśli do sterowania prądem uzwojenia używany jest zwykły przełącznik , może to spowodować iskrzenie na zaciskach przełącznika. Nie dzieje się tak, gdy magnes jest włączony, ponieważ ograniczone napięcie zasilania powoduje powolny wzrost prądu płynącego przez magnes i energii pola, natomiast po wyłączeniu energia w polu magnetycznym nagle powraca do obwodu, powodując duży skok napięcia i łuk na stykach przełącznika, co może je uszkodzić. W przypadku małych elektromagnesów na stykach czasami stosuje się kondensator , który zmniejsza wyładowanie łukowe, tymczasowo magazynując prąd. Częściej stosuje się diodę, aby zapobiec skokom napięcia, zapewniając ścieżkę dla prądu do recyrkulacji przez uzwojenie, aż energia zostanie rozproszona w postaci ciepła. Dioda jest podłączona w poprzek uzwojenia, zorientowana tak, że jest spolaryzowana zaporowo podczas pracy w stanie ustalonym i nie przewodzi. Po usunięciu napięcia zasilającego skok napięcia powoduje polaryzację diody do przodu, a prąd bierny nadal przepływa przez uzwojenie, przez diodę iz powrotem do uzwojenia. Zastosowana w ten sposób dioda nazywana jest diodą gaszącą lub diodą flyback .

Duże elektromagnesy są zwykle zasilane przez elektroniczne zasilacze o zmiennym prądzie , sterowane przez mikroprocesor , które zapobiegają skokom napięcia poprzez powolne, łagodne zmiany prądu. Włączenie lub wyłączenie dużego magnesu może zająć kilka minut.

Siły Lorentza

W potężnych elektromagnesach pole magnetyczne wywiera siłę na każdy obrót uzwojeń, ze względu na siłę Lorentza działającą na poruszające się ładunki w przewodzie. Siła Lorentza jest prostopadła zarówno do osi drutu, jak i pola magnetycznego. Można to zobrazować jako ciśnienie między liniami pola magnetycznego , rozpychające je. Ma dwojaki wpływ na uzwojenia elektromagnesu: ${\ Displaystyle q \ mathbf {v} \ razy \ mathbf {B} \,}$

• Linie pola w osi cewki wywierają siłę promieniową na każdy zwój uzwojeń, wypychając je na zewnątrz we wszystkich kierunkach. Powoduje to naprężenie rozciągające w drucie.
• Linie pola upływu pomiędzy każdym zwojem cewki wywierają przyciągającą siłę pomiędzy sąsiednimi zwojami, dążąc do ich przyciągania.

Siły Lorentza rosną wraz z B ² . W dużych elektromagnesach uzwojenia muszą być mocno zaciśnięte w miejscu, aby zapobiec ruchowi przy włączaniu i wyłączaniu, powodującemu zmęczenie metalu w uzwojeniach. W poniższej konstrukcji Bitter , stosowanej w magnesach badawczych o bardzo silnym polu, uzwojenia są skonstruowane jako płaskie tarcze, aby wytrzymać siły promieniowe i zaciśnięte w kierunku osiowym, aby wytrzymać siły osiowe.

Straty podstawowe

W elektromagnesach prądu przemiennego (AC), stosowanych w transformatorach , cewkach indukcyjnych oraz silnikach i generatorach prądu przemiennego , pole magnetyczne stale się zmienia. Powoduje to straty energii w ich rdzeniach magnetycznych, która jest rozpraszana w postaci ciepła w rdzeniu. Straty wynikają z dwóch procesów:

• Prądy wirowe : Zgodnie z prawem indukcji Faradaya zmieniające się pole magnetyczne indukuje krążące prądy elektryczne w pobliskich przewodnikach, zwane prądami wirowymi . Energia w tych prądach jest rozpraszana jako ciepło w rezystancji elektrycznej przewodnika, więc są one przyczyną strat energii. Ponieważ żelazny rdzeń magnesu przewodzi, a większość pola magnetycznego jest tam skoncentrowana,głównym problemem są prądy wirowe w rdzeniu. Prądy wirowe to zamknięte pętle prądu płynące w płaszczyznach prostopadłych do pola magnetycznego. Rozproszona energia jest proporcjonalna do obszaru zamkniętego przez pętlę. Aby im zapobiec, rdzenie elektromagnesów prądu przemiennego wykonane są ze stosów cienkich blach stalowych lub laminatów , zorientowanych równolegle do pola magnetycznego, z powłoką izolacyjną na powierzchni. Warstwy izolacyjne zapobiegają przepływowi prądów wirowych między arkuszami. Wszelkie pozostałe prądy wirowe muszą płynąć w przekroju każdej pojedynczej warstwy, co znacznie zmniejsza straty. Inną alternatywą jest użycie rdzenia ferrytowego , który jest nieprzewodzący.
• Straty histerezy : Odwrócenie kierunku namagnesowania domen magnetycznych w materiale rdzenia w każdym cyklu powoduje utratę energii z powodu koercji materiału. Straty te nazywane są histerezą . Energia tracona na cykl jest proporcjonalna do obszaru pętli histerezy nawykresie BH . Aby zminimalizować tę stratę, rdzenie magnetyczne stosowane w transformatorach i innych elektromagnesach prądu przemiennego są wykonane z „miękkich” materiałów o niskiej koercji, takich jak stal krzemowa lub miękki ferryt . Strata energii na cykl prądu przemiennego jest stała dla każdego z tych procesów, więc strata mocy rośnie liniowo z częstotliwością .

Elektromagnesy wysokiego pola

Elektromagnesy nadprzewodzące

Najpotężniejszy elektromagnes na świecie, hybrydowy magnes nadprzewodzący Bitter 45 T w amerykańskim National High Magnetic Field Laboratory, Tallahassee, Floryda, USA

Gdy potrzebne jest pole magnetyczne wyższe niż granica ferromagnetyki 1,6 T, można zastosować elektromagnesy nadprzewodzące . Zamiast materiałów ferromagnetycznych stosuje się w nich uzwojenia nadprzewodnikowe chłodzone ciekłym helem , które przewodzą prąd bez oporu elektrycznego . Pozwalają one na przepływ ogromnych prądów, które generują silne pola magnetyczne. Magnesy nadprzewodzące są ograniczone przez natężenie pola, przy którym materiał uzwojenia przestaje być nadprzewodnikiem. Obecne konstrukcje są ograniczone do 10–20 T, przy obecnym (2017) rekordzie 32 T. Niezbędne urządzenia chłodnicze i kriostat sprawiają, że są one znacznie droższe niż zwykłe elektromagnesy. Jednak w zastosowaniach o dużej mocy można to zrekompensować niższymi kosztami operacyjnymi, ponieważ po uruchomieniu nie jest wymagane zasilanie uzwojeń, ponieważ nie jest tracona energia na ogrzewanie omowe. Stosowane są w akceleratorach cząstek i aparatach do rezonansu magnetycznego .

Gorzkie elektromagnesy

Zarówno elektromagnesy z rdzeniem żelaznym, jak i nadprzewodzące mają ograniczenia pola, które mogą wytwarzać. Dlatego najpotężniejsze pola magnetyczne wytworzone przez człowieka zostały wygenerowane przez nieprzewodzące elektromagnesy z rdzeniem powietrznym o konstrukcji wynalezionej przez Francisa Bittera w 1933 r., zwanej elektromagnesami Bitter . Zamiast uzwojeń drutowych, magnes Bitter składa się z solenoidu wykonanego ze stosu przewodzących dysków, ułożonych w taki sposób, że prąd przepływa przez nie po spiralnej ścieżce, z otworem w środku, w którym wytwarzane jest maksymalne pole. Ta konstrukcja ma wytrzymałość mechaniczną, aby wytrzymać ekstremalne siły pola Lorentza , które zwiększają się wraz z B ² . W dyskach znajdują się otwory, przez które przepływa woda chłodząca, aby odprowadzić ciepło spowodowane wysokim prądem. Najsilniejsze ciągłe pole osiągane wyłącznie za pomocą magnesu rezystancyjnego wynosi 37,5 T na dzień 31 marca 2014 r., wytwarzanego przez elektromagnes Bitter w Laboratorium Magnesów Dużego Pola Uniwersytetu Radboud w Nijmegen w Holandii . Poprzedni rekord wynosił 35 T. Najsilniejsze stałe pole magnetyczne, 45 T, osiągnięto w czerwcu 2000 r. za pomocą urządzenia hybrydowego składającego się z magnesu Bitter wewnątrz magnesu nadprzewodzącego.

Czynnikiem ograniczającym siłę elektromagnesów jest niezdolność do rozpraszania ogromnego ciepła odpadowego, dlatego silniejsze pola, do 100 T, uzyskano z magnesów rezystancyjnych, wysyłając przez nie krótkie impulsy o dużym natężeniu; okres nieaktywny po każdym impulsie umożliwia usunięcie ciepła wytworzonego podczas impulsu, przed następnym impulsem.

Wybuchowo pompowana kompresja strumienia

Wydrążona rura generatora sprężania strumieniowego pompowanego wybuchowo. Wydrążona miedziana rura działa jak jednozwojowe uzwojenie wtórne transformatora; gdy impuls prądu z kondensatora w uzwojeniach wytwarza impuls pola magnetycznego, wytwarza to silny prąd obwodowy w rurze, zatrzymując linie pola magnetycznego wewnątrz. Materiały wybuchowe następnie zapadają się w rurę, zmniejszając jej średnicę, a linie pola są spychane bliżej siebie, zwiększając pole.

Najpotężniejsze pola magnetyczne wytworzone przez człowieka zostały stworzone przez użycie materiałów wybuchowych do kompresji pola magnetycznego wewnątrz elektromagnesu, gdy jest ono pulsujące; są to tak zwane generatory sprężania strumienia pompowanego wybuchowo . Implozji ściska pola magnetycznego do wartości około 1000 ton na kilka mikrosekund. Chociaż ta metoda może wydawać się bardzo destrukcyjna, możliwe jest przekierowanie uderzenia wybuchu promieniowo na zewnątrz, tak aby ani eksperyment, ani struktura magnetyczna nie zostały uszkodzone. Urządzenia te znane są jako niszczące elektromagnesy impulsowe. Są wykorzystywane w badaniach fizyki i materiałoznawstwa do badania właściwości materiałów w silnych polach magnetycznych.

Określenie warunków

Semestr	Znaczenie	Jednostka
${\displaystyle A\,}$	pole przekroju poprzecznego rdzenia	metr kwadratowy
${\displaystyle B\,}$	Pole magnetyczne (gęstość strumienia magnetycznego)	tesla
${\displaystyle F\,}$	Siła wywierana przez pole magnetyczne	niuton
${\displaystyle H\,}$	Pole magnesujące	amper na metr
${\displaystyle I\,}$	Prąd w przewodzie nawojowym	amper
${\displaystyle L\,}$	Całkowita długość ścieżki pola magnetycznego ${\ Displaystyle L_ {\ operatorname {rdzeń}} + L_ {\ operatorname {przerwa}} \,}$	metr
${\displaystyle L_{\mathrm {rdzeń}}\,}$	Długość ścieżki pola magnetycznego w materiale rdzenia	metr
${\displaystyle L_{\mathrm {przerwa}}\,}$	Długość drogi pola magnetycznego w szczelinach powietrznych	metr
${\displaystyle m_{1},m_{2}\,}$	Siła bieguna elektromagnesu	amperomierz
${\ Displaystyle \ mu \,}$	Przepuszczalność materiału rdzenia elektromagnesu	niuton na amper kwadratowy
${\displaystyle \mu_{0}\,}$	Przepuszczalność wolnej przestrzeni (lub powietrza) = 4π( 10-7 )	niuton na amper kwadratowy
${\displaystyle \mu_{r}\,}$	Względna przepuszczalność materiału rdzenia elektromagnesu	-
${\displaystyle N\,}$	Liczba zwojów drutu na elektromagnesie	-
${\displaystyle r\,}$	Odległość między biegunami dwóch elektromagnesów	metr

Zobacz też

• Magnes dipolowy – najbardziej podstawowa forma magnesu
• Elektromagnetyzm
• Magnes elektropermanentny - magnetycznie twardy układ elektromagnesu
• Wybuchowo pompowany generator kompresji strumienia
• Cewka polowa
• Łożysko magnetyczne
• Impulsowy magnes pola
• Magnes kwadrupolowy – połączenie magnesów i elektromagnesów służące głównie do wpływania na ruch naładowanych cząstek

Bibliografia

Zewnętrzne linki

• Magnesy od Mini do Mighty: Podkład na elektromagnesy i inne magnesy Narodowe Laboratorium Wysokiego Pola Magnetycznego
• Pola i siły magnetyczne Cuyahoga Community College
• Fundamental Relationships School of Geology and Geophysics, University of Oklahoma