ELEKTROMAGNET: SASTAV, DIJELOVI, NAČIN RADA I PRIMJENE - FIZIČKA - 2024

Elektromagnet je uređaj koji stvara magnetizam od električne struje. Ako prestane električna struja, tada nestaje i magnetsko polje. Godine 1820. otkriveno je da električna struja stvara magnetsko polje u svojoj okolini. Četiri godine kasnije izumljen je i izgrađen prvi elektromagnet.

Prvi elektromagnet sastojao se od željezne potkove obojene izolacijskim lakom, a na nju je namotano osamnaest okreta bakrene žice bez električne izolacije.

Slika 1. Elektromagnet. Izvor: pixabay

Suvremeni elektromagneti mogu imati različite oblike, ovisno o konačnoj uporabi koja će im se dati; a to je kabel koji je izoliran lakom, a ne željezna jezgra. Najčešći oblik željezne jezgre je cilindrična, na koju je namotana izolirana bakrena žica.

Možete napraviti elektromagnet samo pomoću namotaja koji proizvodi magnetsko polje, ali željezna jezgra umnožava intenzitet polja.

Kad električna struja prođe kroz namota elektromagneta, željezna jezgra se magnetizira. Odnosno, svojstveni magnetski trenuci materijala poravnavaju se i dodaju, pojačavajući ukupno magnetsko polje.

Magnetizam kao takav poznat je barem od 600. godine prije Krista, kada je grčki Tales iz Mileta detaljno govorio o magnetu. Magnetit, mineral željeza, stvara magnetizam prirodno i trajno.

Prednosti elektromagneta

Nesumnjiva prednost elektromagneta je u tome što se magnetsko polje može uspostaviti, povećati, smanjiti ili ukloniti upravljanjem električnom strujom. Prilikom izrade trajnih magneta potrebni su elektromagneti.

Zašto se to sada događa? Odgovor je da je magnetizam svojstven materiji jednako kao i električnoj energiji, ali obje se pojave manifestiraju samo pod određenim uvjetima.

Međutim, može se reći da je izvor magnetskog polja kretanje električnih naboja ili električne struje. Unutar materije, na atomskoj i molekularnoj razini, stvaraju se ove struje koje proizvode magnetska polja u svim smjerovima i otkažu jedna drugu. Zbog toga materijali obično ne pokazuju magnetizam.

Najbolji način da se objasni to je mišljenje da su mali magneti (magnetski momenti) smješteni unutar materije koja usmjerava u svim smjerovima, pa se njihov makroskopski učinak otkazuje.

U feromagnetskim materijalima magnetski momenti mogu se poravnati i oblikovati regije nazvane magnetske domene. Kada se primijeni vanjsko polje, ove se domene poravnavaju.

Kada se ukloni vanjsko polje, ove se domene ne vraćaju u izvorni slučajni položaj, već ostaju djelomično poravnate. Na taj se način materijal magnetizira i stvara stalni magnet.

Sastav i dijelovi elektromagneta

Elektromagnet se sastoji od:

- Namotavanje kabela izoliranog lakom.

- Željezna jezgra (neobavezno).

- Izvor struje, koji može biti izravni ili izmjenični.

Slika 2. Dijelovi elektromagneta. Izvor: self made.

Namota je provodnik kroz koji prolazi struja koja proizvodi magnetsko polje i namata se u obliku opruge.

Kod navijanja, zavoji ili zavoji su obično vrlo blizu. Zato je izuzetno važno da žica kojom je napravljeno navijanje ima električnu izolaciju, što se postiže posebnim lakom. Svrha lakiranja je da čak i kada se zavoji grupiraju i dodiruju jedni druge, oni ostaju električno izolirani i struja nastavlja svoj spiralni tok.

Što je deblji vodič za namatanje, to će više struje izdržati kabel, ali ograničava ukupni broj okreta koji se mogu namotati. Upravo iz tog razloga mnogi elektromagnetski svici koriste tanku žicu.

Proizvedeno magnetsko polje bit će proporcionalno struji koja prolazi kroz provodnik namota, a također proporcionalno gustoći zavoja. To znači da što je više okretaja po jedinici duljine, to je veći intenzitet polja.

Što su čvršći zavoji namotaja, to je veći broj koji će se uklopiti u datu duljinu, povećavajući njihovu gustoću, a time i rezultirajuće polje. To je još jedan razlog zašto elektromagneti koriste kabel izoliran lakom umjesto plastike ili drugog materijala, koji bi dodao debljinu.

Solenoid

U solenoidnom ili cilindričnom elektromagnetu poput onoga prikazanog na slici 2, intenzitet magnetskog polja dat će se sljedećim odnosom:

B = μ⋅n⋅I

Gdje je B magnetsko polje (ili magnetska indukcija) koje se u jedinicama međunarodnog sustava mjeri u Tesli, μ je magnetska propusnost jezgre, n je gustoća zavoja ili broj okretaja u metru i napokon trenutna I koja cirkulira namotom koji se mjeri u amperima (A).

Magnetska propusnost željezne jezgre ovisi o njezinoj leguri i obično je između 200 i 5000 puta veća od propusnosti zraka. Rezultirajuće polje množi se s istim tim faktorom u odnosu na elektromagnet bez željezne jezgre. Propusnost zraka približno je jednaka vakuumu, a to je μ ₀ = 1,26 × 10 ^-6 T * m / A.

Kako radi?

Za razumijevanje rada elektromagneta potrebno je razumjeti fiziku magnetizma.

Krenimo od jednostavne ravne žice koja nosi struju I, ova struja proizvodi magnetsko polje B oko žice.

Slika 3. Magnetsko polje proizvedeno ravno žicom. Izvor: Wikimedia Commons

Linije magnetskog polja oko ravne žice koncentrični su krugovi oko vodeće žice. Linije polja u skladu su s pravilom desne ruke, odnosno ako palac desne ruke pokazuje u smjeru struje, ostala četiri prsta desne ruke pokazat će smjer cirkulacije linija magnetskog polja.

Magnetsko polje ravne žice

Magnetsko polje zbog ravne žice na udaljenosti r od nje je:

Pretpostavimo da savijamo kabel tako da on formira krug ili petlju, a zatim se magnetske polja na njegovoj unutrašnjosti spajaju usmjeravajući sve u istom smjeru dodajući i jačajući. U unutarnjem dijelu petlje ili kruga polje je intenzivnije nego u vanjskom dijelu gdje se linije polja odvajaju i slabe.

Slika 4. Magnetsko polje proizvedeno žicom u krugu. Izvor: Wikimedia Commons

Magnetsko polje u sredini petlje

Magnetsko polje koje je rezultiralo u sredini radijusa, a nosi struju I, je:

Učinak se umnožava ako svaki put savijemo kabel tako da ima dva, tri, četiri,… i mnogo okreta. Kad kabel namotamo u obliku opruge s vrlo tijesnim zavojnicama, magnetsko polje unutar opruge je jednoliko i vrlo intenzivno, dok je na vanjskoj strani praktično nula.

Pretpostavimo da kabel namatamo u spiralu od 30 okreta u duljini 1 cm i promjera 1 cm. To daje gustoću okretaja od 3000 okreta po metru.

Idealno magnetsko polje magnetskog polja

U idealnom solenoidu magnetsko polje unutar njega daje:

Rezimirajući, naši proračuni za kabel koji nosi 1 amperu struje i izračunava magnetsko polje u mikroteslima, uvijek udaljenom 0,5 cm od kabela u različitim konfiguracijama:

1. Ravni kabel: 40 mikrotesla.
2. Kabel u krugu promjera 1 cm: 125 mikrotesla.
3. Spirala od 300 okreta u 1 cm: 3770 mikrotesla = 0,003770 Tesla.

Ali ako u spiralu dodamo željeznu jezgru relativne propusnosti 100, tada se polje množi 100 puta, to je 0,37 Tesla.

Također je moguće izračunati silu koju elektromagnet u elektromagnetskom obliku djeluje na dio željezne jezgre presjeka A:

Pod pretpostavkom da se magnetsko polje zasićenja iznosi 1,6 Tesla, sila na kvadratni metar presjeka jezgre željezne jezgre koju vrši elektromagnet bit će 10 ^ 6 Newtona, što odgovara sili 10 ^ 5 Kilograma, to jest 0,1 tona po kvadratni metar presjeka.

To znači da elektromagnet s poljem zasićenja 1,6 Tesla djeluje na silu od 10 kg na željeznoj jezgri s presjekom od 1 cm ².

Primjene elektromagneta

Elektromagneti su dio mnogih naprava i uređaja. Na primjer, oni su prisutni unutar:

- Električni motori.

- Alternatori i dinamovi.

- Govornici.

- Elektromehanički releji ili sklopke.

- Električna zvona.

- Solenoidni ventili za regulaciju protoka.

- Tvrdi diskovi računala.

- dizalice za dizanje metala.

- Metalni separatori gradskog otpada.

- Električne kočnice za vlakove i kamione.

- Strojevi za nuklearnu magnetsku rezonancu.

I još mnogo uređaja.

Reference

1. García, F. Magnetsko polje. Oporavilo sa: www.sc.ehu.es
2. Tagueña, J. i Martina, E. Magnetizam. Od kompasa do vrtnje. Ostvareno od: Bibliotecadigital.ilce.edu.mx.
3. Sears, Zemanski. 2016. Sveučilišna fizika s modernom fizikom. 14.. Ed. Svezak 2. 921-954.
4. Wikipedia. Elektromagnet. Oporavilo sa: wikipedia.com
5. Wikipedia. Elektromagnet. Oporavilo sa: wikipedia.com
6. Wikipedia. Magnetizacije. Oporavilo sa: wikipedia.com