ELECTROMAGNET: COMPOZIȚIE, PĂRȚI, MODUL DE FUNCȚIONARE ȘI APLICAȚII - FIZIC - 2025

Un electromagnet este un dispozitiv care produce magnetism din curentul electric. Dacă curentul electric încetează, atunci câmpul magnetic dispare și el. În 1820 s-a descoperit că un curent electric produce un câmp magnetic în mediul său. Patru ani mai târziu, primul electromagnet a fost inventat și construit.

Primul electromagnet a fost format dintr-o potcoavă de fier vopsită cu lac izolant și pe el au fost înfășurate optsprezece rânduri de sârmă de cupru fără izolație electrică.

Figura 1. Electromagnet. Sursa: pixabay

Electromagnetii moderni pot avea diverse forme în funcție de utilizarea finală care le va fi dată; și cablul este izolat cu lac și nu miezul de fier. Cea mai obișnuită formă a miezului de fier este cea cilindrică, pe care este înfășurat firul de cupru izolat.

Puteți face un electromagnet doar cu înfășurarea care produce un câmp magnetic, dar miezul de fier înmulțește intensitatea câmpului.

Când curentul electric trece prin înfășurarea unui electromagnet, miezul de fier devine magnetizat. Adică momentele magnetice intrinseci ale materialului se aliniază și adaugă, intensificând câmpul magnetic total.

Magnetismul ca atare a fost cunoscut cel puțin din 600 î.Hr., când grecul Thales din Miletus a vorbit în detaliu despre magnet. Magnetita, un mineral de fier, produce magnetism în mod natural și permanent.

Avantajele electromagnetilor

Un avantaj indubitabil al electromagnetilor este că câmpul magnetic poate fi stabilit, mărit, micșorat sau eliminat prin controlul curentului electric. La realizarea magneților permanenți, electromagnetii sunt necesari.

Acum de ce se întâmplă asta? Răspunsul este că magnetismul este intrinsec în materie la fel ca în electricitate, dar ambele fenomene se manifestă doar în anumite condiții.

Cu toate acestea, se poate spune că sursa câmpului magnetic este mișcarea sarcinilor electrice sau a curentului electric. În interiorul materiei, la nivel atomic și molecular, sunt produși acești curenți care produc câmpuri magnetice în toate direcțiile care se anulează reciproc. Acesta este motivul pentru care materialele nu prezintă în mod normal magnetism.

Cel mai bun mod de a-l explica este să crezi că magneții mici (momentele magnetice) sunt adăpostiți în interiorul materiei care se îndreaptă în toate direcțiile, astfel încât efectul lor macroscopic este anulat.

În materialele ferromagnetice, momentele magnetice pot alinia și forma regiuni numite domenii magnetice. Când se aplică un câmp extern, aceste domenii se aliniază.

Când câmpul extern este eliminat, aceste domenii nu revin la poziția lor originală aleatorie, ci rămân parțial aliniate. În acest fel, materialul devine magnetizat și formează un magnet permanent.

Compoziția și părțile unui electromagnet

Un electromagnet este format din:

- O înfășurare a cablului izolată cu lac.

- Un miez de fier (opțional).

- O sursă de curent, care poate fi directă sau alternativă.

Figura 2. Piese ale unui electromagnet. Sursa: creată de sine.

Înfășurarea este conductorul prin care trece curentul care produce câmpul magnetic și este înfășurat sub formă de arc.

La înfășurare, virajele sau virajele sunt de obicei foarte strânse între ele. De aceea, este extrem de important ca sârma cu care este realizată înfășurarea să aibă izolație electrică, ceea ce se realizează cu un lac special. Scopul lăcuirii este acela că, chiar și atunci când bobinele sunt grupate și se ating între ele, rămân izolate electric și curentul își continuă cursul în spirală.

Cu cât conductorul de înfășurare este mai gros, cu atât cablul va rezista mai mult, dar limitează numărul total de rotații care pot fi înfășurate. Din acest motiv multe bobine electromagnetice folosesc un fir subțire.

Câmpul magnetic produs va fi proporțional cu curentul care trece prin conductorul de înfășurare și, de asemenea, proporțional cu densitatea de viraje. Aceasta înseamnă că cu cât sunt mai multe viraje pe unitatea de lungime, cu atât intensitatea câmpului este mai mare.

Cu cât sunt mai strânse virajele înfășurării, cu atât este mai mare numărul care se va potrivi într-o lungime dată, crescând densitatea acestora și, prin urmare, câmpul rezultat. Acesta este un alt motiv pentru care electromagnetii folosesc cabluri izolate cu lac în loc de plastic sau alt material, ceea ce ar adăuga grosime.

solenoid

Într-un solenoid sau electromagnet cilindric precum cel arătat în figura 2, intensitatea câmpului magnetic va fi dată de următoarea relație:

B = μ⋅n⋅I

Unde B este câmpul magnetic (sau inducția magnetică), care în unitățile sistemului internațional este măsurat în Tesla, μ este permeabilitatea magnetică a miezului, n este densitatea de viraje sau numărul de rotații pe metru și în final curentul I care circulă prin înfășurarea care este măsurată în amperi (A).

Permeabilitatea magnetică a miezului de fier depinde de aliajul său și este de obicei între 200 și 5000 de ori mai mare decât permeabilitatea aerului. Câmpul rezultat este înmulțit cu același factor față de cel al unui electromagnet fără miez de fier. Permeabilitatea aerului este aproximativ egală cu cea a unui vid, care este μ ₀ = 1,26 × 10 ^-6 T * m / A.

Cum functioneazã?

Pentru a înțelege funcționarea unui electromagnet este necesar să înțelegem fizica magnetismului.

Să începem cu un simplu cablu drept care transportă un curent I, acest curent produce un câmp magnetic B în jurul cablului.

Figura 3. Câmpul magnetic produs de un fir drept. Sursa: Wikimedia Commons

Liniile câmpului magnetic din jurul firului drept sunt cercuri concentrice în jurul sârmei de plumb. Liniile de câmp respectă regula mâinii drepte, adică dacă degetul mare al mâinii drepte îndreaptă în direcția curentului, celelalte patru degete ale mâinii drepte vor indica direcția de mișcare a liniilor câmpului magnetic.

Câmpul magnetic al unui fir drept

Câmpul magnetic datorită unui fir drept la o distanță r față de acesta este:

Să presupunem că îndoim cablul astfel încât să formeze un cerc sau o buclă, apoi liniile de câmp magnetic din interiorul său se reunesc, indicând toate în aceeași direcție, adăugând și întărind. În partea interioară a buclei sau a cercului câmpul este mai intens decât în ​​partea exterioară, unde liniile de câmp se separă și slăbesc.

Figura 4. Câmpul magnetic produs de un fir într-un cerc. Sursa: Wikimedia Commons

Câmpul magnetic din centrul unei bucle

Câmpul magnetic rezultat în centrul unei bucle de rază a care poartă un curent I este:

Efectul se înmulțește dacă de fiecare dată îndoim cablul astfel încât acesta să aibă două, trei, patru, … și multe rotiri. Când bobinăm cablul sub formă de arc cu viraje foarte apropiate, câmpul magnetic din interiorul arcului este uniform și foarte intens, în timp ce afară este practic zero.

Să presupunem că înfășurăm cablul într-o spirală de 30 de rotații cu 1 cm lungime și 1 cm în diametru. Aceasta oferă o densitate de viraj de 3000 de rotații pe metru.

Câmp magnetic ideal cu solenoide

Într-un solenoid ideal câmpul magnetic din interior este dat de:

Rezumând, calculele noastre pentru un cablu care poartă 1 amper de curent și calculează câmpul magnetic în microteslas, aflat mereu la 0,5 cm de cablu în diferite configurații:

1. Cablu drept: 40 microteslas.
2. Cablu într-un cerc cu diametrul de 1 cm: 125 microtasle.
3. Spirală de 300 de rotații în 1 cm: 3770 microteslas = 0,003770 Tesla.

Dar dacă adăugăm la spirală un miez de fier cu o permitivitate relativă de 100, atunci câmpul se înmulțește de 100 de ori, adică 0,37 Tesla.

De asemenea, este posibil să se calculeze forța pe care o exercită electromagnetul sub formă de solenoid pe o secțiune a miezului de fier al secțiunii A:

Presupunând un câmp magnetic de saturație de 1,6 Tesla, forța pe secțiune de metru pătrat a zonei miezului de fier exercitat de electromagnet va fi de 10 ^ 6 Newton echivalent cu 10 ^ 5 Kilograme kilograme, adică 0,1 tone pe metru pătrat de secțiune transversală.

Aceasta înseamnă că un electromagnet cu un câmp de saturație de 1,6 Tesla exercită o forță de 10 kg pe un miez de fier , cu o secțiune transversală de 1 cm ² .

Aplicații electromagnet

Electromagnetii fac parte din multe dispozitive și dispozitive. De exemplu, sunt prezente în interior:

- Motoare electrice.

- Alternatoare și dinamuri.

- Difuzoare.

- Relee sau întrerupătoare electromecanice.

- Clopotele electrice.

- Electrovalve pentru controlul debitului.

- Hard disk-uri computerizate.

- Macarale de ridicare de fier vechi.

- Separatoare de metale de deșeurile urbane.

- frâne electrice pentru trenuri și camioane.

- Mașini de imagistică cu rezonanță magnetică nucleară.

Și multe alte dispozitive.

Referințe

1. García, F. Câmpul magnetic. Recuperat de la: www.sc.ehu.es
2. Tagueña, J. și Martina, E. Magnetism. De la busolă la rotire. Recuperat din: Bibliotecadigital.ilce.edu.mx.
3. Sears, Zemansky. 2016. Universitatea de fizică cu fizică modernă. 14. Ed. Volumul 2. 921-954.
4. Wikipedia. Electromagnet. Recuperat de la: wikipedia.com
5. Wikipedia. Electromagnet. Recuperat de la: wikipedia.com
6. Wikipedia. Magnetizare. Recuperat de la: wikipedia.com