ЕЛЕКТРОМАГНЕТ: САСТАВ, ДЕЛОВИ, НАЧИН РАДА И ПРИМЕНЕ - ФИЗИЧКИ - 2025

Електромагнет је уређај који производи магнетизам од електричне струје. Ако електрична струја престане, магнетно поље такође нестаје. Године 1820. откривено је да електрична струја ствара магнетно поље у свом окружењу. Четири године касније изумљен је и изграђен први електромагнет.

Први електромагнет састојао се од гвоздене поткове обојене изолационим лаком, а на њу је намотано осамнаест окрета бакрене жице без електричне изолације.

Слика 1. Електромагнет. Извор: пикабаи

Савремени електромагнети могу имати различите облике, зависно од коначне употребе која ће им се дати; а то је кабл који је изолован лаком, а не гвожђено језгро. Најчешћи облик жељезне језгре је цилиндрична, на коју је намотана изолована бакарна жица.

Можете да направите електромагнет само намотајем који производи магнетно поље, али гвожђе језгра умножава интензитет поља.

Када електрична струја прође кроз намотавање електромагнета, гвожђе језгра постаје магнетизовано. Односно, унутрашњи магнетни моменти материјала се поравнавају и додају, појачавајући укупно магнетно поље.

Магнетизам као такав познат је бар од 600. године пре нове ере, када је грчки Талес из Милета детаљно говорио о магнету. Магнетит, минерал гвожђа, производи магнетизам природно и трајно.

Предности електромагнета

Несумњива предност електромагнета је у томе што се магнетно поље може успоставити, повећати, смањити или уклонити контролом електричне струје. Приликом израде трајних магнета неопходни су електромагнети.

Зашто се ово дешава? Одговор је да је магнетизам својствен материји једнако као и електричној енергији, али обе појаве се манифестују само под одређеним условима.

Међутим, може се рећи да је извор магнетног поља кретање електричних набоја или електричне струје. У унутрашњости материје, на атомском и молекуларном нивоу, стварају се ове струје које производе магнетна поља у свим смеровима који се отказују. Због тога материјали обично не показују магнетизам.

Најбољи начин да се објасни то је мисљење да су мали магнети (магнетни моменти) смештени унутар материје која се налази у свим правцима, па је њихов макроскопски ефекат отказан.

У феромагнетским материјалима магнетни моменти се могу поравнати и формирати области назване магнетне домене. Када се примењује спољно поље, ови се домени поравнавају.

Када се уклони спољно поље, ти се домени не враћају у првобитни случајни положај, већ остају делимично усклађени. На овај начин материјал постаје магнетизован и формира стални магнет.

Састав и делови електромагнета

Електромагнет се састоји од:

- Намотавање кабла изолованог лаком.

- Гвоздена језгра (опционо).

- Извор струје, који може бити директан или наизменични.

Слика 2. Делови електромагнета. Извор: селф маде.

Намотавање је проводник кроз који пролази струја која производи магнетно поље и намотана је у облику опруге.

Код навијања, завоји или завоји су обично врло близу. Због тога је изузетно важно да жица којом је направљено намотавање има електричну изолацију, што се постиже посебним лаком. Сврха лакирања је да чак и када се окрети групирају и додирују једни друге, они остају електрично изолирани и струја наставља свој спирални ток.

Што је дебљи проводник намотаја, то ће више струје издржати кабл, али ограничава укупан број окрета који се могу намотати. Због тога многи електромагнетски завојнице користе танку жицу.

Произведено магнетно поље биће сразмерно струји која пролази кроз проводник намотаја и пропорционално густоћи завоја. То значи да што је више окретаја по јединици дужине, већи је интензитет поља.

Што су чвршћи завоји намотаја, то је већи број који ће се уклопити у одређену дужину, повећавајући њихову густину и самим тим настало поље. То је још један разлог зашто електромагнети користе каблове изоловане лаком уместо пластике или другог материјала, који би додали дебљину.

Соленоид

У соленоидном или цилиндричном електромагнету попут оног приказаног на слици 2, интензитет магнетног поља биће дат следећим односом:

Б = μ⋅н⋅И

Где је Б магнетно поље (или магнетна индукција) које се у јединицама међународног система мери у Тесли, µ је магнетна пропустљивост језгре, н је густина обртаја или број обртаја по метру и на крају тренутни И која циркулише намотом који се мери у амперима (А).

Магнетна пропусност језгре гвожђа зависи од његове легуре и обично је између 200 и 5000 пута већа од пропустљивости ваздуха. Добијено поље се множи са истим фактором у односу на поље електромагнета без жељезног језгра. Пропусност ваздуха је приближно једнака вакууму, а то је µ ₀ = 1,26 × 10 ^-6 Т * м / А.

Како то функционише?

Да бисмо разумели рад електромагнета потребно је разумети физику магнетизма.

Кренимо од једноставне равне жице која носи струју И, ова струја производи магнетно поље Б око жице.

Слика 3. Магнетно поље произведено равно жицом. Извор: Викимедиа Цоммонс

Линије магнетног поља око праве жице су концентрични кругови око водеће жице. Линије поља су у складу са правилом десне руке, односно ако палац десне руке показује у правцу струје, остала четири прста десне руке указују на смер циркулације линија магнетног поља.

Магнетно поље равне жице

Магнетно поље услед равне жице на удаљености р од ње је:

Претпоставимо да савијамо кабл тако да формира круг или петљу, а затим се линије магнетног поља са његове унутрашње стране заједно спајају и упућују све у истом смеру, додајући и јачајући. У унутрашњем делу петље или круга поље је интензивније него у спољњем делу где се линије поља одвајају и слабе.

Слика 4. Магнетно поље произведено жицом у кругу. Извор: Викимедиа Цоммонс

Магнетно поље у средини петље

Настало магнетно поље у средишту радијуса петље која носи струју И је:

Ефекат се умножава ако сваки пут савијемо кабл тако да има два, три, четири, … и много окрета. Када кабл умотавамо у облику опруге са врло блиским завојницама, магнетно поље унутар опруге је једнолично и веома интензивно, док је са спољашње стране практично нула.

Претпоставимо да намотавамо кабл у спиралу од 30 окрета у дужини од 1 цм и пречника 1 цм. То даје густину обртаја од 3000 обртаја по метру.

Идеално магнетно поље магнетног поља

У идеалном соленоиду магнетно поље унутар њега даје:

Резимирајући, наша калкулација за кабл који носи 1 амперу струје и израчунава магнетно поље у микротеслама, увек удаљеном 0,5 цм од кабла у различитим конфигурацијама:

1. Равни кабл: 40 микротесла.
2. Кабл у кругу пречника 1 цм: 125 микротесла.
3. Спирала од 300 окрета у 1 цм: 3770 микротесла = 0.003770 Тесла.

Али ако у спиралу додамо жељезну језгру са релативном пропусношћу 100, тада се поље множи 100 пута, то је 0,37 Тесла.

Такође је могуће израчунати силу коју електромагнет у соленоидном облику делује на пресек гвожђаног језгра у пресеку А:

Под претпоставком да је магнетно поље засићења 1,6 Тесла, сила на квадратни метар одсека површине језгре гвожђа, коју врши електромагнет, биће 10 ^ 6 Невтона, што одговара сили 10 ^ 5 Килограма, то јест 0,1 тона по квадратни метар пресека.

То значи да електромагнет са пољем засићења од 1,6 Тесла врши силу од 10 кг на жељезну језгру са пресеком 1 цм ² .

Апликације за електромагнете

Електромагнети су део многих направа и уређаја. На пример, они су присутни унутар:

- Електрични мотори.

- Алтернатори и динамо.

- Звучници.

- Електромеханички релеји или прекидачи.

- Електрична звона.

- Соленоидни вентили за контролу протока.

- Чврсти дискови рачунара.

- дизалице за дизање метала.

- Метални сепаратори од градског отпада.

- Електричне кочнице за возове и камионе.

- Машине за нуклеарну магнетну резонанцу.

И много других уређаја.

Референце

1. Гарциа, Ф. Магнетно поље. Опоравак са: ввв.сц.еху.ес
2. Тагуена, Ј. и Мартина, Е. Магнетизам. Од компаса до спина. Опоравак од: Библиотецадигитал.илце.еду.мк.
3. Сеарс, Земански. 2016. Универзитетска физика са савременом физиком. 14тх. Ед. Том 2. 921-954.
4. Википедиа. Електромагнет. Опоравак од: википедиа.цом
5. Википедиа. Електромагнет. Опоравак од: википедиа.цом
6. Википедиа. Магнетизација. Опоравак од: википедиа.цом