В этом посте мы изучим некоторые методы и факты о том, как увеличить силу электромагнита.
Электромагниты; состоят из двух слов электро + магнит, что просто означает, что это временный магнит, который создает магнитное поле вокруг себя, когда текущий (движение электрических зарядов) проходит через него. Это устройство, состоящее из проводящей проволоки (обычно из меди), намотанной на какой-то магнитный материал, например, мягкое железо.
Как определить силу электромагнита
Как мы знаем, магнитное поле создается вокруг токоведущего проводника или проволоки. Чтобы определить направление магнитного поля, создаваемого проводником, удерживайте проводник в правой ладони так, чтобы ваш большой палец указывал в направлении тока, а скрученные пальцы показывали направление магнитного поля.
Мы можем увеличить напряженность магнитного поля, намотав проволоку в виде спирали на ферромагнитный материал. В отсутствие внешнего магнитного поля атомы железа ориентированы случайным образом, так что индивидуальное магнитное поле компенсируется. Под действием тока атомы вынуждены переориентироваться в определенном направлении, что создает сильное магнитное поле.
Компания напряженность магнитного поля электромагнита определяется выражением ,
B = kμ0 nI
Связь между k и μ определяется выражением
μ = k μ0
Здесь k — относительная магнитная проницаемость,
n — количество витков на единицу длины,
I — ток, текущий по нему,
μ0 проницаемость свободного пространства,
μ — проницаемость материала.
Относительная проницаемость
Магнитная проницаемость большинства материалов очень близка к магнитной проницаемости воздуха, в то время как магнитная проницаемость железа или ферромагнитных материалов очень высока. Термин, который сравнивает способность материала намагничиваться с магнитной проницаемостью воздуха, известен как относительная проницаемость. Если его значение больше единицы, это означает, что материал более магнитный, чем воздух.
Как увеличить силу электромагнита
Знаем ли мы, как сделать еще более сильный электромагнит?
Давайте посмотрим,
Напряженность магнитного поля электромагнита можно увеличить тремя способами;
- Увеличивая ток
- Увеличивая количество витков
- Использование магнитного материала в качестве сердечника
Увеличивая ток
Как только мы увеличиваем силу тока в электромагните, атомы начинают выстраиваться в одном направлении, создавая исчерпывающее магнитное поле. Чем больше атомов переориентируются в том же направлении; тем больше будет магнитное поле.
Наступает точка насыщения, когда все частицы полностью переориентируются в одном направлении, за пределами этой точки, независимо от того, насколько ток вы увеличите, это не будет усиливать магнитное поле дальше.
Увеличивая количество витков
Множество витков связано с отдельными магнитными полями, создаваемыми им. Каждый поворот действует как отдельный источник магнитного поля.
Как известно, сила магнитное поле, создаваемое проводом, уменьшается по мере удаления увеличивается от него. Чтобы получить сильное магнитное поле, количество витков должно быть больше, а обмотки должны располагаться вплотную друг к другу.
Использование магнитного материала в качестве сердечника
Медные провода наматываются на магнитный материал; почему не по дереву?
Предположим, мы используем дерево и наматываем на него медные провода. Мы видим, что магнитное поле не такое сильное, как раньше, когда мы использовали мягкий железный материал в качестве сердечника. Несмотря на те же размеры, что и железо, напряженность магнитного поля не такая.
В чем причина?
Физическая величина, магнитная проницаемость, которая является неотъемлемым свойством материала.. Он показывает, насколько материал притягивается магнитным полем. Грубо говоря, чем выше проводимость материала, тем выше его магнитная проницаемость.
Компания ферромагнитный материал пропускает магнитный поток через него, в то время как непроводящие материалы, такие как дерево, не пропускают его. Следовательно, когда мы используем сердечник из мягкого железа, он намагничивается, поскольку допускает магнитное поле, и становится временным магнитом, пока ток не пройдет через катушку.
Проблема 1
Электромагнит имеет сердечник из материала магнитной проницаемости 6.3 * 10.-3 H / м. Количество витков — 1000 на метр. Через соленоид протекает ток 2А. Найдите напряженность магнитного поля в сердечнике.
Решение:-
Дано,
μ = 6.3 * 10-3 Н / м
n = 1000 оборотов на метр
I = 2 А
B = kμ0nI
Как известно, μ = k μ0, Следовательно
В = 6.3 * 10-3* 1000 * 2
B = 12.6 Н / А м
Проблема 2
Электромагнит имеет сердечник с относительной магнитной проницаемостью 4000 и числом витков 500 на метр. Рассчитайте напряженность магнитного поля, когда через него протекает ток 10А.
Решение:-
Дано,
к = 4000
n = 500 витков на метр
I = 2 А
B =?
Как известно, напряженность магнитного поля определяется выражением
B = kμ0nI
В = 4000 * 4π * 10-7* 500 * 10
B = 251.2 Н / А
Часто задаваемые вопросы: FAQ
По какому принципу работает электромагнит?
Работает по принципу электромагнетизмs, который говорит нам, что замкнутое магнитное поле создается вокруг прямого провода, по которому проходит ток.
Какие преимущества у электромагнита?
Основное преимущество электромагнита:
мы можем изменить его полярность (северный или южный полюс), поменяв местами полюса батареи (меняя направление тока), в отличие от постоянных магнитов. Магнитное поле может быть увеличено или уменьшено по нашему усмотрению. Влияние магнитного поля можно устранить, остановив прохождение тока через катушку или отключив аккумулятор.
В чем недостатки использования электромагнита?
Главный недостаток электромагнита — он быстро нагревается. Это требует большего пространства, а магнитное поле непостоянно, так как это не постоянный магнит.
Влияет ли толщина проволоки на напряженность магнитного поля электромагнита?
Как мы знаем, сопротивление материала зависит от его размера.
R = ρL / A.
Где L — длина, A — площадь, а ρ — удельное сопротивление материала. Следовательно, чем толще провод, тем меньше сопротивление, что позволяет протекать через него большему току, что приводит к более сильному магнитному полю.
Каковы применения электромагнита?
Есть много применений электромагнита.
Как создается магнитное поле?
Магнитное поле создается 1) магнитом 2) катушкой с током 3) изменением электрического поля 4) движущимся зарядом.
Есть ли магнитное поле из-за теплового движения электронов?
Нет, потому что средняя скорость электронов из-за теплового движения равно нулю и, следовательно, магнитное поле равно нулю.
Магнит и магнитное поле
Магнит — это тело, которое образует вокруг себя магнитное поле.
Сила, созданная магнитом, будет действовать на определенные металлы: железо, никель и кобальт. Предметы из этих металлов притягиваются магнитом.
Существуют две области, где сила притяжения максимальна. Они называются полюсами. Если магнит подвесить на тонкой нитке, то он развернется определенным образом. Один конец всегда будет указывать на север, а второй — на юг. Поэтому один полюс называют северным, а другой — южным.
Можно наглядно рассмотреть действие магнитного поля, образованного вокруг магнита. Поместим магнит на поверхность, на которую предварительно насыпали металлические опилки. Под действием магнитного поля опилки расположатся в виде эллипсоподобных кривых. По виду этих кривых, можно представить, как располагаются в пространстве линии магнитного поля. Их направление принято обозначать с севера на юг.
Если мы возьмем два одинаковых магнита и попытаемся приблизить их полюсами, то выясним, что разные полюса притягиваются, а одинаковые — отталкиваются.
Наша Земля также имеет магнитное поле, называемое магнитным полем Земли. Стрелка северным концом всегда показывает на север. Следовательно, северный географический полюс Земли является южным магнитным полюсом, так как противоположные магнитные полюса притягиваются. Аналогично, южный географический полюс является северным магнитным полюсом.
Электромагнит
Стрелка компаса северным концом всегда показывает на север, так как притягивается южным магнитным полюсом Земли.
Если поместить компас под проволоку, которая натянута в направлении с севера на юг и по которой течет ток, то мы увидим, что магнитная стрелка отклонится. Это доказывает, что электрический ток создает вокруг себя магнитное поле.
Если расположить несколько компасов под проволокой, по которой течет электрический ток, то мы увидим, что все стрелки отклонятся на одинаковый угол. Это значит, что магнитное поле, создаваемое проволокой, одинаково на разных участках. Поэтому можно сделать вывод, что линии магнитного поля для каждого проводника имеют вид концентрических окружностей.
Направление линий магнитного поля можно определить с помощью правила правой руки. Для этого необходимо мысленно обхватить правой рукой проводник с электрическим током таким образом, чтобы вытянутый большой палец правой руки показывал направление электрического тока, тогда согнутые пальцы покажут направление линий магнитного поля.
Если мы скрутим металлическую проволоку в спираль и пустим по ней электрический ток, то магнитные поля каждого отдельного витка суммируются в общее поле спирали.
Действие магнитного поля спирали аналогично действию магнитного поля постоянного магнита. Этот принцип лег в основу создания электромагнита. У него, как и у постоянного магнита, есть южный и северный полюса. Северный полюс находится там, откуда выходят линии магнитного поля.
Сила постоянного магнита не изменяется с течением времени. У электромагнита это по-другому. Изменить силу электромагнита можно тремя способами.
Первый способ. Поместим внутрь спирали металлический сердечник. При этом действия магнитного поля сердечника и магнитного поля спирали суммируются.
Второй способ. Увеличим количество витков спирали. Чем больше витков у спирали, тем больше действие силы магнитного поля.
Третий способ. Увеличим силу электрического тока, который протекает в спирали. Магнитные поля отдельных витков возрастут, следовательно, суммарное магнитное поле спирали также усилится.
Громкоговоритель
В устройство громкоговорителя входит электромагнит и постоянный магнит. Электромагнит, который связан с мембраной громкоговорителя, надевается на жестко закрепленный постоянный магнит. При этом мембрана остается подвижной. Пропустим через электромагнит переменный электрический ток, вид которого зависит от звуковых колебаний. Так как изменяется электрический ток, то в электромагните изменяется действие магнитного поля.
Вследствие этого электромагнит будет притягиваться или отталкиваться от постоянного магнита с различной силой. Причем мембрана громкоговорителя будет совершать точно такие колебания, как и электромагнит. Таким образом, то, что было сказано в микрофон, мы услышим через громкоговоритель.
Звонок
Электрический дверной звонок можно отнести к разряду электрических реле. Причиной прерывающегося звукового сигнала являются периодические замыкания и размыкания электрической цепи.
При нажатии кнопки звонка электрическая цепь замыкается. Язычок звонка притягивается электромагнитом и ударяет в колокольчик. При этом язычок размыкает электрическую цепь. Ток перестает течь, электромагнит не действует и язычок возвращается в исходное положение. Электрическая цепь вновь замыкается, язычок снова притягивается электромагнитом и ударяет в колокольчик. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока мы нажимаем на кнопку звонка.
Электромотор
Установим свободно вращающуюся магнитную стрелку перед электромагнитом и раскрутим ее. Мы можем поддерживать это движение, если будем включать электромагнит в тот момент, когда магнитная стрелка поворачивается одним и тем же полюсом к электромагниту.
Силы притяжения электромагнита достаточно, чтобы вращательное движение стрелки не прекращалось.
Этот принцип заложен в основу электродвигателя. Только в нем вращается не магнитная стрелка, а электромагнит, называющийся якорем, в статично закрепленном подковообразном магните, который называется статором. Из-за повторяющихся замыканий и размыканий цепи, электромагнит, т.е. якорь, будет непрерывно вращаться.
Электрический ток попадает на якорь посредством двух контактов, представляющих собой два изолированных полукольца. Это приводит к тому, что электромагнит постоянно меняет полярность. При нахождении разнополярных полюсов один против другого, двигатель начинает замедлять вращение. Но в этот момент электромагнит меняет полярность, и теперь один против другого находятся одинаковые полюса. Они отталкиваются, и мотор продолжает вращение.
Генератор
Подключим к концам спирали вольтметр и начнем раскачивать перед ее витками постоянный магнит. При этом вольтметр покажет наличие напряжения. Из этого можно заключить, что на электропроводник влияет изменяющееся магнитное поле.
Из этого следует закон электроиндукции: на концах индукционной катушки будет существовать напряжение до тех пор, пока катушка находится в изменяющемся магнитном поле.
Чем больше витков у индукционной катушки, тем большее напряжение возникает на ее концах. Напряжение можно увеличить, усилив магнитное поле или заставив его быстрее меняться. Металлический сердечник, вставленный внутрь индукционной катушки, увеличивает индукционное напряжение, так как магнитное поле усиливается из-за намагничивания сердечника.
Генератор — это противоположность электромотора. Якорь, т.е. электромагнит, вращается в магнитном поле постоянного магнита. Из-за вращения якоря действующее на него магнитное поле постоянно меняется. Вследствие чего изменяется возникшее индукционное напряжение. Во время полного оборота якоря напряжение половину времени будет положительно и половину — отрицательно. Примером этого является ветряной генератор, который создает переменное напряжение.
Трансформатор
Согласно закону индукции напряжение возникает, если меняется магнитное поле в индукционной катушке. Но магнитное поле катушки будет меняться только в том случае, если в ней возникает переменное напряжение.
Магнитное поле меняется от нуля до конечной величины. Если подключить катушку к источнику напряжения, то возникшее вследствие этого переменное магнитное поле, создаст кратковременное индукционное напряжение, которое будет противодействовать основному напряжению. Чтобы наблюдать возникновение индукционного напряжения, необязательно использовать две катушки. Это можно сделать и с одной катушкой, но тогда такой процесс называется самоиндукцией. Напряжение в катушке достигает своего максимума через некоторое время, когда магнитное поле перестанет изменяться и станет постоянным.
Таким же образом меняется магнитное поле, если мы отключаем катушку от источника напряжения. В этом случае, тоже возникает явление самоиндукции, которое противодействует падающему напряжению. Поэтому напряжение падает до нуля не мгновенно, а с определенным запозданием.
Если мы постоянно подключаем и отключаем источник напряжения к катушке, то магнитное поле вокруг нее будет постоянно меняться. Одновременно возникает и переменное индукционное напряжение. Теперь вместо этого, подключим катушку к источнику переменного напряжения. Спустя некоторое время возникает переменное индукционное напряжение.
Подключим первую катушку к источнику переменного напряжения. Благодаря металлическому сердечнику возникшее переменное магнитное поле будет действовать и на вторую катушку. Это означает, что переменное напряжение можно передать из одной цепи электрического тока в другую, даже если эти цепи не будут связаны одна с другой.
Если мы возьмем две одинаковые по параметрам катушки, то во второй мы можем получить такое же напряжение, что действует на первую катушку. Это явление используется в трансформаторах. Только целью трансформатора является создать во второй катушке другое напряжение, отличное от первой. Для этого вторая катушка должна иметь большее или меньшее количество витков.
Если в первой катушке было 1000 витков, а во второй — 10, то напряжение во второй цепи будет составлять лишь сотую часть от напряжения в первой. Зато сила тока повышается практически в сто раз. Поэтому трансформаторы высокого напряжения необходимы для создания большой силы тока.
В инженерных
расчетах силу притяжения электромагнита
обычно рассчитывают по формуле Максвелла
где
—
магнитная индукция в рабочем зазоре;
—
эквивалентное сечение воздушного
зазора;
—
магнитная проницаемость воздуха.
Формулой можно
пользоваться, если индукция в воздушном
зазоре распределена равномерно. Иногда
бывает удобно находить силу тяги
электромагнита через магнитный поток
.
12.3 Электромагниты переменного тока. Короткозамкнутый виток
При синусоидальном
переменном токе поток изменяется
по закону
Сила притяжения
электромагнита в таком случае будет
равна
.
Обозначим
Тогда
,
т. е. сила притяжения
Р пульсирует по величине с двойной
частотой сети, не меняя при этом
своего знака (см. рисунок 12.1б)
Рисунок 12.1 – Кривые
изменения силы притяжения электромагнита
переменного тока без короткозамкнутого
витка
Сила притяжения
может быть представлена в виде двух
составляющих: постоянной во времени
и изменяющейся во
времени по закону косинуса переменной
Среднее за период
значение силы Р будет равно
.
Если отрывное
усилие электромагнита будет
(см. рисунок 12.1в), то дважды за период в
точке « А» якорь электромагнита начнет
отпадать, а в точке «Б» снова притягиваться,
т. е. будет вибрировать с двойной частотой.
Вибрация приводит к износу магнитной
системы и сопровождается гудением.
Для устранения
вибрации электромагниты переменного
тока снабжаются короткозамкнутыми
витками (см. рисунок 12.2) из проводниковых
материалов (медь, латунь), охватывающими
часть полюса электромагнита (порядка
70—80%).
Рисунок 12.2 – К
принципу работы короткозамкнутого
витка
Принцип работы
витка заключается в следующем.
Общий поток
электромагнита Ф разветвляется на
поток Ф1,
который проходит по неохваченной витком
части полюса, и на поток Ф2,
который проходит через часть,
охватываемую короткозамкнутым витком.
При этом в витке
индуцируется э. д. с. и возникает ток,
который создает магнитный поток
охватывающий короткозамкнутый виток
и, вместе с частью основного потока,
образующий поток Ф2
проходящий через часть полюса, охваченную
витком.
В результате
магнитный поток Ф2
будет сдвинут во времени по отношению
к потоку Ф1
на некоторый угол
.
Сила притяжения
электромагнита Р в этом случае будет
складываться из двух пульсирующих,
но сдвинутых по фазе сил Р1
и Р2
.
Каждая из сил Р1
и Р2
может быть представлена в виде двух
составляющих
и
,
а полная сила
.
Благодаря
сдвигу фаз результирующая сила Р
пульсирует много меньше, и минимальное
значение этой силы остается выше
отрывного усилия Ротр, чем и исключается
вибрация якоря.
12.4 Замедление и ускорение действия электромагнита
В ряде случаев на
практике необходимо замедлить или
ускорить действие электромагнита.
Замедление действия
электромагнита постоянного тока может
быть достигнуто (см. рисунок 12.3).
Рисунок 12.3 – Схемы
замедления срабатывания электромагнита:
а) увеличением
постоянной времени катушки;
б) включением
параллельно катушке емкости;
в) с помощью
короткозамкнутого витка, имеющего малое
электрическое сопротивление.
Короткозамкнутый
виток замедляет нарастание потока при
включении электромагнита.
При включении
емкости нарастание напряжения на
катушке происходит постепенно по
мере зарядки конденсатора.
Ускорение действия
электромагнита может быть достигнуто
за счет уменьшения постоянной времени.
В этом случае
наличие короткозамкнутого витка,
массивных частей магнитопровода,
металлических каркасов катушки и всяких
короткозамкнутых витков, образованных
из крепежных и прочих деталей, лежащих
на пути потока, является недопустимым,
так как они будут увеличивать время
действия электромагнита.
Шихтованный
магнитопровод также приводит к ускорению
действия электромагнита.
Еще большее
ускорение может быть получено при
включениии электромагнита по схеме,
представленной на рисунке 12.4
Рисунок 12.4 – Схемы
ускорения срабатывания электромагнита
постоянного тока