ELEKTROMÁGNES: ÖSSZETÉTEL, ALKATRÉSZEK, MŰKÖDÉSE ÉS ALKALMAZÁSOK - FIZIKAI - 2026

Az elektromágnes egy olyan eszköz, amely az elektromos áram mágnesességét hozza létre. Ha az elektromos áram megszűnik, akkor a mágneses mező is eltűnik. 1820-ban felfedezték, hogy egy elektromos áram mágneses mezőt hoz létre a környezetében. Négy évvel később találták ki és építették fel az első elektromágnest.

Az első elektromágnes egy vas patkóból állt, szigetelő lakkkal festett, és tizennyolc fordulatot készített rézhuzalból, elektromos szigetelés nélkül.

1. ábra. Elektromágnes. Forrás: pixabay

A modern elektromágnesek különböző formájúak lehetnek, a végső felhasználástól függően; és a kábelt lakkkal szigetelt, nem pedig a vasmagot. A vasmag leggyakoribb alakja a hengeres, amelyre a szigetelt rézhuzal tekercselve van.

Készíthet elektromágnest csak a tekercseléssel, mágneses teret hozva létre, de a vasmag megsokszorozza a térerő intenzitását.

Amikor az elektromos áram áthalad az elektromágnes tekercsén, a vasmag mágneseződik. Vagyis az anyag belső mágneses momentumai igazodnak és összeadódnak, erősítve a teljes mágneses teret.

A mágnesesség mint ilyen legalább BC-től 600-tól ismert, amikor a miletusi görög Thales részletesen beszélt a mágnesről. A magnetit, egy vas ásvány, természetesen és tartósan előállítja a mágnesességet.

Az elektromágnesek előnyei

Az elektromágnesek kétségtelen előnye, hogy a mágneses mező az elektromos áram vezérlésével létrehozható, növelhető, csökkenthető vagy eltávolítható. Állandó mágnesek készítésekor elektromágnesekre van szükség.

Miért történik ez? A válasz az, hogy a mágnesesség lényeges az anyag számára, ugyanúgy, mint az elektromosság, ám mindkét jelenség csak bizonyos feltételek mellett nyilvánul meg.

Elmondható azonban, hogy a mágneses mező forrása mozgó elektromos töltések vagy elektromos áram. Az anyagon belül, atomi és molekuláris szinten, ezek az áramok jönnek létre, amelyek minden irányban mágneses tereket eredményeznek, amelyek kiiktatják egymást. Ez az oka annak, hogy az anyagok általában nem mutatnak mágnesességet.

A magyarázat legjobb módja az, ha azt gondolja, hogy a kis mágnesek (mágneses momentumok) az anyagban vannak elhelyezve, amelyek minden irányba mutatnak, tehát makroszkopikus hatásuk megszűnik.

A ferromágneses anyagokban a mágneses momentumok összehangolhatják és mágneses doméneknek nevezett területeket képezhetnek. Külső mező alkalmazásakor ezek a domének igazodnak.

A külső mező eltávolításakor ezek a domének nem térnek vissza az eredeti véletlenszerű helyzetükbe, hanem részben igazodnak. Ilyen módon az anyag mágnesesedik és állandó mágnest képez.

Elektromágnes összetétele és részei

Az elektromágnes az alábbiakból áll:

- Kábel tekercs lakkkal szigetelt.

- Vasmag (opcionális).

- Áramforrás, amely lehet közvetlen vagy váltakozó áramú.

2. ábra. Az elektromágnes alkatrészei. Forrás: saját készítésű.

A tekercselés az a vezető, amelyen keresztül áthalad a mágneses teret előállító áram, és rugó formájában tekercselhető.

Tekercselésnél a fordulók vagy fordulások általában nagyon közel vannak egymáshoz. Ezért rendkívül fontos, hogy a tekercselő huzal elektromos szigeteléssel rendelkezzen, amelyet egy speciális lakkkal lehet elérni. A lakkozás célja, hogy még akkor is, ha a kanyarok össze vannak csoportosítva és érintkeznek egymással, azok elektromosan elszigeteltek maradnak, és az áram folytatja spirális útját.

Minél vastagabb a tekercselővezető, annál nagyobb áramot fog ellenállni a kábel, de ez korlátozza a megtekeredhető fordulások számát. Ez az oka annak, hogy sok elektromágneses tekercs vékony huzalt használ.

A képződött mágneses tér arányos lesz az árammal, amely áthalad a tekercselővezetőn, és arányos a fordulatszám sűrűségével. Ez azt jelenti, hogy minél több egységenként fordul el, annál nagyobb a mező intenzitása.

Minél szorosabbak a tekercselési fordulók, annál nagyobb számú fog beleférni egy adott hosszúságba, növelve a sűrűségüket és ebből következően a mezőt. Ez egy másik oka annak, hogy az elektromágnesek műanyag vagy más anyag helyett lakkkal szigetelt kábelt használnak, ami növeli a vastagságot.

Szolenoid

A 2. ábrán bemutatotthoz hasonló szolenoid vagy hengeres elektromágnesben a mágneses mező intenzitását a következő kapcsolat adja meg:

B = μ⋅n⋅I

Ahol B a mágneses mező (vagy mágneses indukció), amelyet a nemzetközi rendszer egységeiben Tesla-ban mérnek, μ a mag mágneses permeabilitása, n a fordulás sűrűsége vagy a méterenkénti fordulatok száma és végül az I áram amely az Amp-ban mért tekercsen kering.

A vasmag mágneses permeabilitása az ötvözetétől függ, és általában a levegő áteresztőképességének 200 és 5000-szerese. A kapott mezőt megszorozzuk ugyanazzal a tényezővel, a vasmag nélküli elektromágnesééhez viszonyítva. A levegő permeabilitása megközelítőleg megegyezik a vákuuméval, ami μ ₀ = 1,26 × 10 ^-6 T * m / A.

Hogyan működik?

Az elektromágnes működésének megértéséhez meg kell érteni a mágnesesség fizikáját.

Kezdjük egy egyszerű egyenes huzallal, amely I áramot hordoz, ez az áram egy B mágneses teret hoz létre a huzal körül.

3. ábra: Egyenes huzal által létrehozott mágneses mező. Forrás: Wikimedia Commons

Az egyenes huzal körüli mágneses mező vonalai koncentrikus körökben vannak a vezető huzal körül. A terepi vonalak megfelelnek a jobb oldali szabálynak, azaz ha a jobb kéz hüvelykujja az áram irányába mutat, akkor a jobb kéz másik négy ujja jelzi a mágneses mező vonalainak mozgási irányát.

Egyenes huzal mágneses tere

Az egy r hu távolságától egyenes huzal miatti mágneses mező:

Tegyük fel, hogy úgy hajlítjuk meg a kábelt, hogy kör vagy hurok alakuljon ki, majd a belsejében levő mágneses mező vonalai azonos irányba mutatnak, összeadva és erősítve. A hurok vagy kör belső részében a mező intenzívebb, mint a külső részben, ahol a mezővonalak elválasztanak és gyengülnek.

4. ábra: Mágneses mező, amelyet egy huzal generál egy körben. Forrás: Wikimedia Commons

A mágneses mező egy hurok közepén

Az így kapott mágneses mező az I áramot hordozó sugárhurok közepén:

A hatás megsokszorozódik, ha minden alkalommal meghajlítjuk a kábelt úgy, hogy legyen két, három, négy,… és sok fordulása. Amikor a kábelt rugó formájában tekercseljük nagyon szoros tekercsekkel, a rugón belüli mágneses mező egyenletes és nagyon intenzív, míg kívülről gyakorlatilag nulla.

Tegyük fel, hogy a kábelt spirálisan tekercseljük, 30 fordulattal, 1 cm hosszú és 1 cm átmérővel. Ez 3000 fordulat / méter sűrűséget eredményez.

Ideális mágneses mező

Ideális mágnesszelep esetén a benne levő mágneses teret a következő adja:

Összegezve: az 1 amper áramot hordozó kábelre és a mágneses teret mikrotípusban kiszámítva, mindig 0,5 cm-re a kábeltől, különböző konfigurációkban:

1. Egyenes kábel: 40 mikrotól.
2. Kábel 1 cm átmérőjű körben: 125 mikrotűz.
3. 300 spirál 1 cm-ben fordul: 3770 mikrotlas = 0,003770 tesla.

De ha hozzáadunk egy spirálhoz egy vasmagot, amelynek relatív passitivitása 100, akkor a mezõ szorzata 100-szorosa, azaz 0,37 Tesla.

Az is kiszámítható, hogy az elektromágnes mágnesszelep alakjában milyen erőt gyakorol az A keresztmetszetű vasmag egy szakaszára:

Feltételezve, hogy a telítési mágneses mező 1,6 Tesla, a vasmagos terület négyzetméter szakaszára eső erő az elektromágnes által kifejtett erő 10 ^ 6 Newton, egyenértékű 10 ^ 5 kilogrammos erővel, azaz 0,1 tonna per négyzetméter keresztmetszet.

Ez azt jelenti, hogy egy elektromágnes egy telítési térerőssége 1,6 Tesla erőt fejt ki a 10 kg-os egy vasmag egy keresztmetszete 1 cm ².

Elektromágneses alkalmazások

Az elektromágnesek számos eszköz és eszköz részét képezik. Például a következőkben vannak jelen:

- Villamos motorok.

- Generátorok és dinamók.

- Hangszórók.

- Elektromechanikus relék vagy kapcsolók.

- Elektromos harangok.

- Mágnesszelepek az áramlás szabályozásához.

- Számítógép merevlemezei.

- Fémhulladék-emelő daruk.

- A települési hulladékok fémszeparátorai.

- Elektromos fékek vonatokhoz és teherautókhoz.

- Nukleáris mágneses rezonancia képalkotó gépek.

És még sok más eszköz.

Irodalom

1. García, F. Mágneses mező. Helyreállítva: www.sc.ehu.es
2. Tagueña, J. és Martina, E. Magnetism. Az iránytűtől a forgásig. Helyreállítva: Bibliotecadigital.ilce.edu.mx.
3. Sears, Zemansky. 2016. Egyetemi fizika a modern fizikával. 14-én. Ed. 2. kötet. 921-954.
4. Wikipedia. Az elektromágnes. Helyreállítva: wikipedia.com
5. Wikipedia. Az elektromágnes. Helyreállítva: wikipedia.com
6. Wikipedia. Mágnesezés. Helyreállítva: wikipedia.com