ELEKTROMAGNET: SESTAVA, DELI, KAKO DELUJE IN APLIKACIJE - FIZIČNO - 2026

Elektromagnet je naprava, ki proizvaja magnetizem od električnega toka. Če električni tok preneha, potem tudi magnetno polje izgine. Leta 1820 so ugotovili, da električni tok v svojem okolju proizvaja magnetno polje. Štiri leta kasneje je bil izumljen in zgrajen prvi elektromagnet.

Prvi elektromagnet je bil sestavljen iz železne podkve, pobarvane z izolacijskim lakom, na njej pa je bilo navitih osemnajst obratov bakrene žice brez električne izolacije.

Slika 1. Elektromagnet. Vir: pixabay

Sodobni elektromagneti imajo lahko različne oblike, odvisno od končne uporabe, ki jim bo namenjena; in kabel je izoliran z lakom in ne z železnim jedrom. Najpogostejša oblika železnega jedra je valjasta, na katero je navita izolirana bakrena žica.

Elektromagnet lahko naredite s samo navitjem, ki proizvaja magnetno polje, vendar železno jedro pomnoži intenzivnost polja.

Ko električni tok prehaja skozi navitje elektromagneta, železno jedro postane magnetizirano. To pomeni, da se intrinzični magnetni trenutki materiala poravnajo in dodajo, kar poveča skupno magnetno polje.

Magnetizem kot tak je znan vsaj od leta 600 pred našim štetjem, ko je grški Tales iz Mileta podrobno govoril o magnetu. Magnetit, mineral železa, proizvaja magnetizem naravno in trajno.

Prednosti elektromagnetov

Nedvomna prednost elektromagnetov je, da se magnetno polje lahko vzpostavi, poveča, zmanjša ali odstrani z nadzorom električnega toka. Pri izdelavi trajnih magnetov so potrebni elektromagneti.

Zdaj, zakaj se to dogaja? Odgovor je, da je magnetizem bistven za materijo, prav tako kot elektrika, vendar se oba pojava manifestirata le pod določenimi pogoji.

Lahko pa rečemo, da vir magnetnega polja premikajo električni naboji ali električni tok. Znotraj snovi, na atomski in molekularni ravni, nastajajo ti tokovi, ki proizvajajo magnetna polja v vseh smereh, ki se med seboj odpovedo. Zato materiali običajno ne kažejo magnetizma.

Najboljši način za razlago je, da pomislimo, da so znotraj snovi, ki kažejo v vse smeri, nameščeni majhni magneti (magnetni momenti), zato se njihov makroskopski učinek prekliče.

V feromagnetnih materialih se lahko magnetni trenutki poravnajo in tvorijo področja, ki jih imenujemo magnetne domene. Ko je uporabljeno zunanje polje, se te domene poravnajo.

Ko se zunanje polje odstrani, se te domene ne vrnejo v prvotni naključni položaj, ampak ostanejo delno poravnane. Na ta način se material magnetizira in tvori trajni magnet.

Sestava in deli elektromagneta

Elektromagnet je sestavljen iz:

- navijanje kabla, izoliranega z lakom.

- železno jedro (neobvezno).

- Trenutni vir, ki je lahko neposreden ali izmeničen.

Slika 2. Deli elektromagneta. Vir: self made.

Navitje je prevodnik, skozi katerega prehaja tok, ki proizvaja magnetno polje in je navit v obliki vzmeti.

Pri navijanju so zavoji ali zavoji običajno zelo blizu skupaj. Zato je izredno pomembno, da ima žica, s katero je navitje, električno izolacijo, kar dosežemo s posebnim lakom. Namen lakiranja je, da tudi ko so zavoji združeni in se med seboj dotikajo, ostanejo električno izolirani in tok nadaljuje svoj spiralni potek.

Čim debelejši je vodnik navitja, več toka bo vzdržal kabel, vendar omejuje skupno število zavojev, ki jih je mogoče naviti. Zaradi tega mnogi elektromagnetni tuljavi uporabljajo tanko žico.

Nastalo magnetno polje bo sorazmerno s tokom, ki poteka skozi vodnik navitja, in tudi sorazmerno z gostoto zavojev. To pomeni, da več ko je postavljenih zavojev na enoto dolžine, večja je intenzivnost polja.

Čim tesnejši so zavoji navitja, večje je število, ki se bo prilegalo dani dolžini, povečuje njihova gostota in s tem nastalo polje. To je še en razlog, zakaj elektromagneti uporabljajo kabel, izoliran z lakom, namesto iz plastike ali drugega materiala, ki bi dodal debelino.

Solenoidni

V solenoidnem ali cilindričnem elektromagnetu, kot je prikazan na sliki 2, se intenzivnost magnetnega polja poda z naslednjim razmerjem:

B = μ⋅n⋅I

Kjer je B magnetno polje (ali magnetna indukcija), ki se v enotah mednarodnega sistema meri v Tesli, je μ magnetna prepustnost jedra, n gostota zavojev ali število obratov na meter in končno trenutni I ki kroži skozi navitje, ki se meri v amperih (A).

Magnetna prepustnost železovega jedra je odvisna od njegove zlitine in je običajno med 200 in 5000-krat večja od prepustnosti zraka. Nastalo polje se pomnoži s tem istim faktorjem glede na polje z elektromagnetom brez železnega jedra. Prepustnost zraka je približno enaka vakuumu, ki je μ ₀ = 1,26 × 10 ^-6 T * m / A.

Kako deluje?

Za razumevanje delovanja elektromagneta je potrebno razumeti fiziko magnetizma.

Začnimo s preprosto ravno žico, ki nosi tok I, ta tok ustvari magnetno polje B okoli žice.

Slika 3. Magnetno polje, ki ga ustvarja ravna žica. Vir: Wikimedia Commons

Proge magnetnega polja okoli ravne žice so koncentrični krogi okoli svinčene žice. Poljske črte so v skladu s pravilom desne roke, torej če palec desne roke kaže v smeri toka, bodo ostali štirje prsti desne roke kazali smer kroženja linij magnetnega polja.

Magnetno polje ravne žice

Magnetno polje zaradi ravne žice na razdalji r od nje je:

Predpostavimo, da žico upognemo tako, da tvori krog ali zanko, nato se črte magnetnega polja na njeni notranji strani sestavijo in kažejo vse v isto smer, seštevajo in krepijo. V notranjem delu zanke ali kroga je polje bolj intenzivno kot v zunanjem delu, kjer se polja polja ločijo in oslabijo.

Slika 4. Magnetno polje, ki ga proizvaja žica v krogu. Vir: Wikimedia Commons

Magnetno polje v središču zanke

Nastalo magnetno polje na sredini polmera zanke, ki nosi tok I, je:

Učinek se pomnoži, če vsakič upognemo kabel tako, da ima dva, tri, štiri, … in številne zavoje. Ko kabel napeljemo v obliki vzmeti z zelo tesnimi tuljavami, je magnetno polje znotraj vzmeti enakomerno in zelo intenzivno, medtem ko je na zunanji strani praktično nič.

Recimo, da kabel navijamo v spirali 30 vrtljajev v dolžini 1 cm in premera 1 cm. Tako dobimo gostoto obratov 3000 vrtljajev na meter.

Idealno magnetno polje magnetnega polja

V idealnem solenoidu magnetno polje v njem poda:

Če povzamemo, naši izračuni za kabel, ki nosi 1 amper toka in izračuna magnetno polje v mikroteslah, vedno oddaljenem 0,5 cm od kabla v različnih konfiguracijah:

1. Ravni kabel: 40 mikrotesla.
2. Kabel v krogu premera 1 cm: 125 mikrotesla.
3. Spirala 300 zavojev v 1 cm: 3770 mikrotesla = 0,003770 Tesla.

Če pa v spiralo dodamo železno jedro z relativno dovoljeno 100, se polje pomnoži 100-krat, to je 0,37 Tesla.

Mogoče je izračunati tudi silo, ki jo ima elektromagnet v obliki magnetne oblike na odseku železnega jedra v preseku A:

Ob predpostavki, da je magnetno polje nasičenosti 1,6 Tesla sila na kvadratni meter odseka železovega jedra, ki ga izvaja elektromagnet, 10 ^ 6 Newtona, kar ustreza sili 10 ^ 5 Kilogramov, to je 0,1 tone na kvadratni meter preseka.

To pomeni, da elektromagnet s poljem nasičenosti 1,6 Tesla izvaja silo 10 kg na železno jedro s prečnim prerezom 1 cm ² .

Elektromagnetne aplikacije

Elektromagneti so del mnogih pripomočkov in naprav. Na primer, so znotraj:

- Elektromotorji.

- Alternatorji in dinamo.

- Govorniki.

- Elektromehanski releji ali stikala.

- Električni zvonovi.

- Solenoidni ventili za regulacijo pretoka.

- Računalniški trdi diski.

- Dvigala za odpadne kovine.

- Kovinski separatorji komunalnih odpadkov.

- Električne zavore za vlake in tovornjake.

- Stroji za jedrsko magnetno resonanco.

In še veliko drugih naprav.

Reference

1. García, F. Magnetno polje. Pridobljeno: www.sc.ehu.es
2. Tagueña, J. in Martina, E. Magnetizem. Od kompasa do spin. Pridobljeno iz: Bibliotecadigital.ilce.edu.mx.
3. Sears, Zemanski. 2016. Univerzitetna fizika s sodobno fiziko. 14. Ed. Zvezek 2. 921–954.
4. Wikipedija. Elektromagnet. Pridobljeno: wikipedia.com
5. Wikipedija. Elektromagnet. Pridobljeno: wikipedia.com
6. Wikipedija. Magnetizacija. Pridobljeno: wikipedia.com