ELEKTROMAGNET: SAMMENSETNING, DELER, HVORDAN DET FUNGERER OG BRUKSOMRÅDER - FYSISK - 2026

En elektromagnet er en enhet som produserer magnetisme fra elektrisk strøm. Hvis den elektriske strømmen opphører, forsvinner også magnetfeltet. I 1820 ble det oppdaget at en elektrisk strøm produserer et magnetfelt i omgivelsene. Fire år senere ble den første elektromagneten oppfunnet og bygget.

Den første elektromagneten besto av en jern hestesko malt med isolerende lakk, og atten omdreininger av kobbertråd uten elektrisk isolasjon ble viklet over den.

Figur 1. Elektromagnet. Kilde: pixabay

Moderne elektromagneter kan ha forskjellige former avhengig av den endelige bruken som kommer til å bli gitt dem; og det er kabelen som er isolert med lakk og ikke jernkjernen. Den vanligste formen på jernkjernen er den sylindriske hvorpå den isolerte kobbertråden er viklet på.

Du kan lage en elektromagnet med bare viklingen som produserer et magnetfelt, men jernkjernen multipliserer intensiteten til feltet.

Når elektrisk strøm går gjennom viklingen av en elektromagnet, blir jernkjernen magnetisert. Det vil si at materialets iboende magnetiske momenter justeres og tilsettes, og intensiverer det totale magnetfeltet.

Magnetisme som sådan har vært kjent minst siden 600 f.Kr., da de greske Thales of Miletus snakket i detalj om magneten. Magnetitt, et jernmineral, produserer magnetisme naturlig og permanent.

Fordeler med elektromagneter

En utvilsom fordel med elektromagneter er at magnetfeltet kan etableres, økes, reduseres eller fjernes ved å kontrollere den elektriske strømmen. Når du lager permanente magneter, er elektromagneter nødvendig.

Hvorfor skjer dette nå? Svaret er at magnetisme er iboende for materie akkurat som for elektrisitet, men begge fenomener manifesterer seg bare under visse forhold.

Imidlertid kan det sies at kilden til magnetfeltet beveger elektriske ladninger eller elektrisk strøm. Innerstoff, på atom- og molekylnivå, produseres disse strømningene som produserer magnetiske felt i alle retninger som avbryter hverandre. Dette er grunnen til at materialer normalt ikke viser magnetisme.

Den beste måten å forklare det er å tenke på at små magneter (magnetiske øyeblikk) er plassert inne i saken som peker i alle retninger, slik at deres makroskopiske effekt avbrytes.

I ferromagnetiske materialer kan magnetiske momenter samkjøre og danne regioner som kalles magnetiske domener. Når et eksternt felt brukes, justeres disse domenene.

Når det eksterne feltet fjernes, går ikke disse domenene tilbake til sin opprinnelige tilfeldige posisjon, men forblir delvis på linje. På denne måten blir materialet magnetisert og danner en permanent magnet.

Sammensetning og deler av en elektromagnet

En elektromagnet består av:

- En vikling av kabel isolert med lakk.

- En jernkjerne (valgfritt).

- En nåværende kilde, som kan være direkte eller vekslende.

Figur 2. Deler av en elektromagnet. Kilde: self made.

Viklingen er lederen som strømmen som produserer magnetfeltet passerer gjennom og vikles i form av en fjær.

Ved svingete er svingene eller svingene vanligvis veldig nær hverandre. Derfor er det ekstremt viktig at ledningen som viklingen er laget med, har elektrisk isolasjon, noe som oppnås med en spesiell lakk. Hensikten med lakk er at selv når spolene er gruppert sammen og berører hverandre, forblir de elektrisk isolert og strømmen fortsetter sin spiralforløp.

Jo tykkere den svingete lederen, desto mer strøm tåler kabelen, men begrenser det totale antall svinger som kan vikles. Det er av denne grunn at mange elektromagnetspoler bruker en tynn ledning.

Det produserte magnetfeltet vil være proporsjonalt med strømmen som går gjennom den svingete lederen og også proporsjonal med tettheten av svinger. Dette betyr at jo flere svinger per lengde per enhet er plassert, jo større er intensiteten på feltet.

Jo strammere svingningene er, jo større er antallet som vil passe i en gitt lengde, og øke densiteten og dermed det resulterende feltet. Dette er en annen grunn til at elektromagneter bruker kabelisolert med lakk i stedet for plast eller annet materiale, noe som vil gi tykkelse.

Magnet

I en magnetisk eller sylindrisk elektromagnet som den som er vist på figur 2, vil intensiteten til magnetfeltet bli gitt ved følgende forhold:

B = μ⋅n⋅I

Hvor B er magnetfeltet (eller magnetisk induksjon), som i enheter av det internasjonale systemet måles i Tesla, er μ kjernenes magnetiske permeabilitet, n er tettheten av svinger eller antall svinger per meter og til slutt strømmen I som sirkulerer gjennom viklingen som måles i ampere (A).

Den magnetiske permeabiliteten til jernkjernen avhenger av legeringen og er vanligvis mellom 200 og 5000 ganger luftens permeabilitet. Det resulterende felt multipliseres med samme faktor med hensyn til elektromagneten uten en jernkjerne. Luftens permeabilitet er tilnærmet lik den for et vakuum, som er μ ₀ = 1,26 × ^10-6 T * m / A.

Hvordan virker det?

For å forstå bruken av en elektromagnet er det nødvendig å forstå magnetismenes fysikk.

La oss starte med en enkel rett ledning som fører strøm I, denne strømmen produserer et magnetfelt B rundt ledningen.

Figur 3. Magnetfelt produsert av en rett ledning. Kilde: Wikimedia Commons

Magnetfeltlinjene rundt den rette ledningen er konsentriske sirkler rundt ledningen. Feltlinjene samsvarer med høyre håndregel, det vil si at hvis tommelen til høyre peker i retning av strømmen, vil de fire andre fingrene på høyre hånd indikere sirkulasjonsretningen for magnetfeltlinjene.

Magnetfelt av en rett ledning

Magnetfeltet på grunn av en rett ledning i avstand r fra det er:

Anta at vi bøyer ledningen slik at den danner en sirkel eller sløyfe, så kommer magnetfeltlinjene på innsiden av den sammen og peker alle i samme retning, legger til og styrker. I den indre delen av løkken eller sirkelen er feltet mer intenst enn i den ytre delen, der feltlinjene skilles ut og svekkes.

Figur 4. Magnetfelt produsert av en ledning i en sirkel. Kilde: Wikimedia Commons

Magnetfeltet i midten av en løkke

Det resulterende magnetfeltet i midten av en radiussløyfe som bærer en strøm I er:

Effekten multipliseres hvis vi hver gang bøyer kabelen slik at den har to, tre, fire, … og mange svinger. Når vi vikler kabelen i form av en fjær med veldig tette spoler, er magnetfeltet inne i fjæren jevn og veldig intens, mens det på utsiden er praktisk talt null.

Anta at vi vikler kabelen i en spiral på 30 omdreininger i 1 cm lang og 1 cm i diameter. Dette gir en tetthet på svinger på 3000 omdreininger per meter.

Ideelt magnetisk magnetfelt

I en ideell magnet magnet er magnetfeltet inne i det gitt av:

Oppsummere beregningene våre for en kabel som har 1 ampere strøm og beregner magnetfeltet i mikroteslas, alltid 0,5 cm fra kabelen i forskjellige konfigurasjoner:

1. Rett kabel: 40 mikroteslas.
2. Kabel i en sirkel på 1 cm i diameter: 125 mikroteslas.
3. Spiral på 300 svinger i 1 cm: 3770 mikroteslas = 0,003770 Tesla.

Men hvis vi tilfører spiralen en jernkjerne med en relativ permittivitet på 100, multipliseres feltet 100 ganger, det vil si 0,37 Tesla.

Det er også mulig å beregne kraften som elektromagneten i magnetisk form utøver på et snitt av jernkjernen i tverrsnitt A:

Forutsatt at et magnetisk metningsfelt på 1,6 Tesla, vil kraften per kvadratmeter seksjon av jernkjerneområdet som utøves av elektromagneten være 10 ^ 6 Newton tilsvarer 10 ^ 5 kg kraft, det vil si 0,1 tonn pr. kvadratmeter tverrsnitt.

Dette betyr at en elektromagnet med et metningsfelt på 1,6 Tesla utøver en kraft på 10 kg på en jernkjerne med et tverrsnitt på 1 cm ² .

Elektromagnet applikasjoner

Elektromagneter er en del av mange dingser og enheter. For eksempel er de til stede inne:

- Elektriske motorer.

- Generatorer og dynamoer.

- Høyttalere.

- Elektromekaniske reléer eller brytere.

- Elektriske bjeller.

- Magnetventiler for strømningskontroll.

- Datamaskinens harddisker.

- Skrap metallkraner.

- Metallseparatorer fra byavfall.

- Elektriske bremser for tog og lastebiler.

- Bildemaskiner for kjernemagnetisk resonans.

Og mange flere enheter.

referanser

1. García, F. Magnetfelt. Gjenopprettet fra: www.sc.ehu.es
2. Tagueña, J. og Martina, E. Magnetism. Fra kompasset til spinnet. Gjenopprettet fra: Bibliotecadigital.ilce.edu.mx.
3. Sears, Zemansky. 2016. Universitetsfysikk med moderne fysikk. 14.. Utgave bind 2. 921-954.
4. Wikipedia. Elektromagnet. Gjenopprettet fra: wikipedia.com
5. Wikipedia. Elektromagnet. Gjenopprettet fra: wikipedia.com
6. Wikipedia. Magnetisering. Gjenopprettet fra: wikipedia.com