Elektromagnet: definicija, delovanje, sestava in uporabe
Elektromagneti so začasni in umetni magneti.To so magneti, ki so magnetni le, če je skozi njih speljana tuljava žice z elektriko. Žica se imenuje solenoid. Moč magneta je sorazmerna s tokom, ki teče v tokokrogu. Elektriko, ki teče po žici, imenujemo tok. Tok je tok elektronov, ki so negativno nabiti delci. Elektromagneti se uporabljajo za različne namene. V preprostem primeru lahko elektromagnet pobere kose železa, niklja in kobalta.
Elektromagneti so lahko močnejši, če bakreni žici dodamo več tuljav ali če skozi tuljave dodamo železno jedro (na primer žebelj). Za močnejši magnetizem lahko povečamo tudi tok. Britanski električar William Sturgeon je elektromagnet izumil leta 1825.
Elektromagnet je uporaben, ker ga je mogoče preprosto vklopiti in izklopiti (z električnim tokom), medtem ko trajnega magneta ni mogoče izklopiti in bo še naprej vplival na svoje neposredno okolje.
Različne zlitine delujejo različno. Železo zelo hitro preneha biti elektromagnet, jeklo pa potrebuje čas, da se obrabi. Elektromagnet naredimo tako, da bakreno žico ovijemo okoli železne palice. Konca žice sta priključena na + (pozitivno) in - (negativno) stran baterije.
Elektromagneti se uporabljajo v vsakdanjih predmetih, kot so protivlomni alarmi, električni releji in požarni zvonci. Elektromotorji so pravzaprav elektromagneti. Njihova sposobnost, da se iz nemagnetnega stanja spremenijo v magnetno samo s prehodom električnega toka skozi njih, omogoča uporabo v številnih različnih predmetih. Ta sposobnost se uporablja v relejih.
Elektromagneti se lahko uporabljajo tudi za pridobivanje električne energije. Z gibanjem magneta sem in tja pred elektromagnetom nastane električni tok.
Kaj je elektromagnet in kako deluje
Elektromagnet je naprava, ki z uporabo električnega toka ustvarja magnetno polje. Ko skozi navitje žice (solenoid) teče električni tok, okoli žice nastane magnetno polje. Če je v središču tuljave feromagnetno jedro (na primer mehko železo), se magnetno polje poveča, saj jedro usmeri in okrepi linije magnetnega polja. Moč in usmeritev magnetnega polja določata jakost toka in smer navitja (pravilo desne roke).
Sestava elektromagneta
- Solenoid: navitje žice (pogosto bakrene), ovito večkrat okoli osi.
- Jedro: običajno mehko železo ali posebne feromagnetne zlitine, ki imajo visoko permeabilnost in nizko zadrževanje magnetizacije.
- Napajalni vir: baterija ali drug vir enosmernega ali izmeničnega toka za ustvarjanje toka skozi tuljavo.
Faktorji, ki vplivajo na moč
Glavni dejavniki, ki določajo moč elektromagneta:
- Tok (I): moč magnetnega polja je sorazmerna s tokom skozi tuljavo.
- Število ovitkov (N): več ovitkov pomeni močnejše polje pri enakem toku.
- Material jedra (μr): jedro z višjo relativno permeabilnostjo (μr) bolj okrepi polje.
- Dolžina in oblika tuljave (L): pri enakomernem porazdeljenem tuljenju se magnetno polje v notranjosti približno ocenjuje z B ≈ μ0 * μr * N * I / L (kjer je μ0 magnetna konstanta, μr relativna permeabilnost jedra, N število zavojev, I tok, L dolžina tuljave).
Razlika med mehkim železom in jeklom
Različni materiali se obnašajo različno: mehko železo hitro izgubi magnetizacijo, ko tok preneha – zato je primerno kot jedro elektromagneta. Jeklo ima pogosto večjo zadržanost (retentivnost) in lahko ostane delno magnetizirano dlje časa; to zna biti nezaželeno, če želimo elektromagnet, ki se hitro izključi. Za jedra elektromagnetov se običajno uporabljajo mehke feromagnetne zlitine ali laminirana jedra, da zmanjšajo vrtinčne tokove (eddy currents).
Praktične uporabe
Elektromagneti imajo zelo širok nabor uporab:
- Industrijski dvigalki in magnetni krančki za premikanje kosovnega železa in odpadkov.
- Električni releji, kontaktorji in elektromagnetni ventili, ki preklapljajo tokokroge ali tekočine.
- Elektromotorji in generatorji: v motorjih elektromagneti ustvarjajo vrtilno silo, medtem ko v generatorjih gibanje magnetnega polja induktira električni tok.
- Zvoki in zvočniki, elektromagnetni zvočniki pomikajo membrano.
- Trdi diski in druge naprave za snemanje ter branje podatkov uporabljajo majhne elektromagnete oziroma magnetne glave.
- Medicinska in znanstvena oprema: nekatere naprave uporabljajo elektromagnete za natančno krmiljenje polj (opombe: velike MRI naprave pa običajno uporabljajo trajne ali superprevodnične magnete).
- Magnetni separaterji, elektronske ključavnice, zvonci in protivlomni sistemi.
Preprosta izdelava elektromagneta
Enostaven elektromagnet lahko naredite tako:
- Vzemi železno palico ali velik žebelj (jedro) in okoli nje enakomerno navij nekaj sto zavojev bakrene izolirane žice (solenoid).
- Odstrani izolacijo z koncev žice in ju poveži z virom enosmernega toka (baterija). Konca priključiš na + in - strani baterije.
- Ko kroži tok, palica postane magnetna in lahko dviguje drobne kovinske predmete.
Uporabljaj žico z ustrezno debelino in pazljivo spremljaj segrevanje; daljše delovanje pri velikem toku lahko žico in baterijo pregreje. Če želiš močnejši elektromagnet, povečaš število zavojev ali uporabiš močnejši vir toka, vendar upoštevaj omejitve varnosti in dissipacije toplote.
Osnovni pojmi in pravila
Za določitev smeri magnetnega polja glede na tok se uporablja pravilo desne roke: če zaviješ prste desne roke v smer toka po navitju, kaže iztegnjeni palec smer severnega pola elektromagneta. Polarizacijo lahko spremeniš z obratom smeri toka.
Za induciranje električnega toka v tuljavi velja Faradayevo zakon: sprememba magnetnega fluksa v tuljavi povzroči inducirano napetost. Zato se gibanju magneta pred tuljavo (ali gibanje tuljave pred magnetom) generira električni tok.
Varnost in omejitve
- Visoki tokovi in napetosti lahko povzročijo pregrevanje žice in požarno tveganje; vedno uporabljajte pravilno izolacijo in omejitve toka.
- Močna magnetna polja lahko motijo ali poškodujejo elektronske naprave, magnetne medije in medicinske pripomočke (npr. srčni spodbujevalniki).
- Izogibajte se hitrim spreminjanjem zelo močnih polj v prisotnosti prevodnih materialov, saj lahko inducirani vrtinčni tokovi povzročijo segrevanje in izgube; zato se v jedrih uporablja laminacije ali feromagnetne zlitine z nizkimi izgubami.
Zaključek
Elektromagneti so vsestranske naprave, katerih magnetno polje je odvisno od električnega toka, geometrije tuljave in lastnosti jedra. Zaradi možnosti vklopa in izklopa so ključni del številnih naprav — od preprostih zvoncev in relejev do kompleksnih motorjev in industrijskih dvigal. Pri zasnovi in uporabi je pomembno uravnotežiti moč, učinkovitost in varnost.
Elektromagnet privlači sponke, ko se uporabi tok in ustvari magnetno polje, in jih izgubi, ko se tok in magnetno polje odstranita.
Ko tok teče skozi žico, se okoli nje ustvari magnetno polje. Običajno je to polje zelo šibko, zato ena sama žica ne ustvarja dovolj močnega magnetnega polja, da bi lahko zajela kovinske predmete. Na tej sliki je "I" tok, "B" pa magnetno polje.
Zakaj delujejo elektromagneti
Elektromagneti delujejo, ker elektrika, ki teče skozi žico, ustvarja magnetno polje okoli žice. Smer magnetnega polja lahko določimo z uporabo pravila desne roke. To pomeni, da če oseba usmeri palec desne roke v smer toka, bo magnetno polje šlo okoli žice tako, kot bi se okoli žice ovili prsti.
Magnetno polje, ki ga ustvarja posamezna žica, običajno ni zelo močno. Za izdelavo elektromagneta je žica običajno ovita v številne zanke, da se polja vsakega kosa žice združijo v eno močnejše magnetno polje.
Vprašanja in odgovori
V: Kaj je elektromagnet?
O: Elektromagnet je začasni in umetni magnet, ki je magneten le, če je skozi njega speljana tuljava žice z elektriko. Žična tuljava se imenuje solenoid.
V: Kako se spreminja moč elektromagneta?
O: Moč magneta je sorazmerna s tokom, ki teče v tokokrogu, zato se s povečanjem toka magnetizem okrepi.
V: Kateri delci so odgovorni za nastanek elektrike?
O: Elektrika, ki teče po žici, je sestavljena iz negativno nabitih delcev, imenovanih elektroni.
V: Kdo je izumil elektromagnet?
O: Britanski električar William Sturgeon je leta 1825 izumil elektromagnet.
V: Zakaj je elektromagnet v primerjavi s trajnimi magneti uporaben?
O: Elektromagnet je uporaben, ker ga je mogoče preprosto vklopiti in izklopiti (z električnim tokom), medtem ko trajnega magneta ni mogoče izklopiti in bo še naprej vplival na svoje neposredno okolje.
V: Kako se naredi elektromagnet?
O: Elektromagnet naredimo tako, da bakreno žico ovijemo okoli železne palice. Konca žice sta priključena na + (pozitivno) in - (negativno) stran baterije.
V: Kako se različne zlitine različno odzivajo, ko so izpostavljene elektromagnetnim poljem?
O: Železo zelo hitro preneha biti elektromagnet, jeklo pa potrebuje čas, da se obrablja.
