Из чего состоит электромагнит. Что такое электромагнит? Их виды и назначение

Принцип работы электромагнита

Электромагнит

Магнитные поля катушки похожи с током и постоянного магнита. Катушку с током, которую используют в качестве магнита, назвали электромагнитом

Принцип работы электромагнита

Магнитное поле катушки с током и постоянного магнита

А для усиления магнитного поля в нее еще вставляют железный сердечник. Как это помогает усилить поле, мы выяснили в одном из ответвлений. Магнитное поле электромагнита и постоянного магнита имеет одну и ту же природу: в обоих случаях это такая же магнитная составляющая электромагнитного поля такого же по природе электрического заряда. Поэтому если спрятать постоянный магнит и катушку с током в коробку, то мы не отличим их магнитные поля друг от друга.

Но движение заряда в постоянном магните мы не можем изменять, его поэтому и назвали постоянным. А электрический ток в катушке мы можем включить, выключить, увеличить или уменьшить, что очень удобно в применении. Где в технике применяют электромагниты, вы можете узнать в ответвлении.

Электромагниты удобно применять везде, где нужна фиксация тел, состоящих из железа. Например, электромагнитом можно заменить крючки подъемного крана. Теперь, чтобы подобрать груз, достаточно включить электромагнит, а чтобы высвободить – отключить. Этот способ не работает для веществ, которые не взаимодействуют с магнитным полем, но их можно поместить в железные контейнеры и поднимать эти контейнеры.

Электромагниты используют в качестве замка двери в подъезде. Схема домофона включает ток через электромагнит, и при этом фиксируется железная дверь.

Бывает нужно не зафиксировать какой-то объект, а привести его в движение. Таких примеров в технике множество: электромагнит приводит в движение клеммы ключей в электрической цепи (такой управляемый ключ называется реле), электромагнит приводит в движение мембрану динамика для воспроизведения звука.

Многие слышали о большом адронном коллайдере. О нем можно рассказывать много интересного, но нас сейчас интересует вот что. Там в исследовательских целях разгоняют разные элементарные частицы и возникает необходимость ими управлять. А на движущуюся заряженную частицу можно воздействовать магнитным полем, мы это уже выяснили. Это поле также формируют с помощью электромагнитов.

История

сила электромагнита

Создателем электромагнита считается Уильям Стерджен. Именно он в 1825 году сделал первый подобный магнит. Конструктивно устройство представляло собой цилиндрический кусок железа, вокруг которого был намотан толстый заизолированный медный провод. В момент, когда по нему пускали электрический ток, стержень из металла приобретал свойства магнита. А когда течение тока прерывалось, весь магнетизм устройство сразу же теряло. Именно такое качество – включение и отключение при необходимости – и позволяет применять электромагниты в ряде технологических и промышленных сфер.

Мы рассмотрели вопрос о том, что такое электромагнит. Теперь же разберем основные его виды. Разделяются они в зависимости от способа создания магнитного поля. Но функция их остается одной и той же.

Общая характеристика

Электромагнит – это простая катушка провода, которая подключена к источнику, передающему постоянный ток.

Подключившись к источнику постоянного тока (а также напряжения), катушка и провод начинают получать энергетические ресурсы и создают магнитное поле, которое является подобным полю, что образуется в постоянных полосовых магнитах. Плотность, которой обладает магнитный поток, всегда является пропорциональной величине электрического тока, протекающего сквозь толщу катушки. Полярность электромагнита определяют по направлению тока. Механизм образования включает в себя (самый простой вариант) наматывание провода вокруг сердечника, выполненного из металла, через который потом пропускают электричество из определенного источника. Если внутренняя полость катушка заполнена воздухом, то ее называют соленоидом.

сила электромагнита

Электромагнит – это устройств, посредством которого можно создавать электромагнитное поле. Главной характеристикой является его способность контролировать силу данного поля, полярность и ее форму. При этом силу магнитного поля контролируют посредством величины использованного электрического тока, который протекает сквозь катушку. Полярность можно задавать, определив в каком направлении нужно двигать протекающий ток. Форма магнитного поля зависит от формы металлической сердцевины, служащей «стержнем» для обмотки проводом. Не забывайте, что полюса электромагнита определяются аналогично тому, как это делают в соленоидах, по физическому правилу правой руки. П.П.Р. также называют правилом буравчика, являющегося мнемоническим средством, посредством которого определяют направление векторных произведений и правого базиса.

Увеличивать силу электромагнита, а точнее его поля, можно при помощи:

  • применения сердечников из «мягкого» железа;
  • применения больших чисел витков;
  • применения электрического тока в больших размерах.

Определения и формулы

Соленоид представляет собой намотанную виток к витку катушку, длина которой значительно больше ее диаметра. Если через катушку соленоида протекает электрический ток, в ней образуется однородное магнитное поле. Соленоиды с ферромагнитными сердечниками часто используются в качестве исполнительных механизмов для преобразования электрической энергии в линейное перемещение сердечника. Самым привычным примером такого соленоида является реле стартера, которое выполняет две функции: подает напряжение на двигатель стартера и вводит шестерню двигателя стартера в зацепление с маховиком коленвала двигателя на время запуска.
Модуль магнитной индукции B

Будет интересно➡  Виды источников тока

длинного соленоида в воздухе без сердечника рассчитывается по формуле

где μ

₀=4π × 10⁻⁷ Гн/м — магнитная постоянная,
N
число витков катушки соленоида,
I
протекающий через катушку ток и
L
— длина соленоида.

Виды

Электромагниты бывают следующих видов:

  • Нейтральные постоянного тока. В таком устройстве магнитный поток создается посредством постоянного электрического тока, пропущенного через обмотку. А значит, сила притяжения такого электромагнита варьируется в зависимости только от величины тока, а не от его направления в обмотке.
  • Поляризованные постоянного тока. Действие электромагнита подобного рода основано на наличии двух независимых магнитных потоков. Если говорить о поляризующем, то его наличие создается обычно постоянными магнитами (в редких случаях – дополнительными электромагнитами), и нужен он для создания притягивающей силы при выключенной обмотке. А действие такого электромагнита зависит от величины и направления электрического тока, который движется в обмотке.
  • Переменного тока. В таких устройствах катушка электромагнита питается электричеством переменного тока. Соответственно, с определенной периодичностью магнитный поток меняет свое направление и величину. А сила притяжения варьируется лишь по величине, из-за чего она «пульсирует» от минимального до максимального значения с частотой, которая имеет двукратную величину по отношению к частоте питающего ее электрического тока.

Электромагниты в повседневной жизни

Электромагниты часто используются для хранения информации, так как многие материалы способны поглощать магнитное поле, которое может быть впоследствии считано для извлечения информации. Они находят применение практически в любом современном приборе.

Где применяют электромагниты? В быту они используются в ряде бытовых приборов. Одной из полезных характеристик электромагнита является возможность изменения магнитной силы, при изменении силы и направление тока, текущего через катушки или обмотки вокруг него. Колонки, громкоговорители и магнитофоны – это устройства, в которых реализуется этот эффект. Некоторые электромагниты могут быть очень сильными, причем их сила может регулироваться.

Где применяют электромагниты в жизни? Простейшими примерами служат дверные звонки и электромагнитные замки. Используется электромагнитная блокировка для двери, создавая сильное поле. Пока ток проходит через электромагнит, дверь остается закрытой. Телевизоры, компьютеры, автомобили, лифты и копировальные аппараты – вот где применяют электромагниты, и это далеко не полный список.

где применяют электромагниты в быту

Электромагнитные силы

Силу электромагнитного поля можно регулировать путем изменения электрического тока, проходящего через провода, обернутые вокруг магнита. Если изменить направление электрического тока, полярность магнитного поля также меняется на противоположную. Этот эффект используется для создания полей в магнитной ленте или жестком диске компьютера для хранения информации, а также в громкоговорителях акустических колонок в радио, телевизоре и стереосистемах.

применение электромагнитов

Классификация электромагнитов

Принято классифицировать электромагниты (ЭМ) по способу питания на электромагниты постоянного и переменного тока. ЭМ постоянного тока в свою очередь классифицируются на постоянного тока нейтральные и поляризованные. Также существуют ЭМ выпрямленного тока.

В нейтральных электромагнитах постоянного тока магнитный поток создается обмоткой постоянного тока. Величина магнитного потока зависит лишь от обмотки, не зависит от направления. Если величина тока равна нулю, то магнитный поток и сила притяжения также опускаются практически до величины нуля.

Поляризованные ЭМ постоянного тока характеризуются наличием двух независимых магнитных потоков – рабочего и поляризующего. Поляризующий поток создается постоянными магнитами или электромагнитами. Рабочий же поток создается под действием намагничивающей силы рабочей обмотки. При отсутствии тока на якорь магнита будет действовать сила притяжения от поляризующего потока. В отличие от нейтральных, в поляризованных электромагнитах их действие зависит не только от величины рабочего потока но и от его направления.

В электромагнитах переменного тока обмотка питается от источника переменного тока. Величина и направление магнитного потока изменяется во времени от нуля до максимума.

Далее другие возможные классификации

  • с последовательными (мало витков большого сечения) и параллельными (много витков малого сечения) обмотками
  • работающие в длительном, кратковременном или прерывистом режимах
  • быстродействующие, замедленно действующие и нормально действующие
  • с внешним притягивающим якорем, со втягивающимся якорем, с внешним поперечно движущимся якорем

Конструкция и составные части

Чем отличаются диэлектрические галоши от бот, где их применяют и как поверяют

Принцип работы электромагнита

Центральным рабочим элементом привода является блок соленоида, который образуется полой катушкой и магнитным сердечником. Коммуникационные электромагнитные связи данного компонента с другими деталями обеспечиваются малой внутренней арматурой с управляющими импульсными клапанами. В нормальном состоянии сердечник поддерживается пружиной со штоком, который опирается в седло.

Кроме того, типовое устройство электромагнитного привода предусматривает наличие так называемого ручного дублера рабочей части, который берет на себя функции механизма в моменты резких перепадов или полного отсутствия напряжения. Может предусматриваться и дополнительный функционал, обеспечиваемый средствами сигнализации, вспомогательными запирающими элементами и фиксаторами позиции сердечника. Но поскольку одним из преимуществ приводов такого типа является небольшой размер, то в целях оптимизации разработчики стараются исключать чрезмерное насыщение конструкции второстепенными устройствами.

Будет интересно➡  Что такое активная мощность?

Самый мощный электромагнит

На данный момент известно, что самый мощный электромагнит в мире удалось создать в Лос-Аламосе (США). Только представьте, сила этого магнита 100 Тл! Это больше силы магнитного поля Земли в два миллиона раз! Его масса составляет 8200 кг.

Формула расчета электромагнитной силы:

F = (n x i)2 x магнитная постоянна x S / (2 x lср2)

где,

  • F = Сила,
  • i = Ток,
  • lср = Длина зазора между соленоидом и куском металла,
  • S = Площадь сечения электромагнита
  • n = Количество витков,
  • Магнитная постоянная = 4 x PI x 10-7.

Как это работает?

Чтобы понять действие электромагнита, необходимо понять физику магнетизма.

Давайте начнем с простого прямого провода, по которому проходит ток I. Этот ток создает магнитное поле B вокруг провода.

Линии магнитного поля вокруг прямого провода представляют собой концентрические круги вокруг выводного провода. Силовые линии соответствуют правилу правой руки, то есть, если большой палец правой руки указывает в направлении тока, другие четыре пальца правой руки будут указывать направление движения силовых линий магнитного поля.

Способы эксплуатации

Наиболее широкой и важной областью применения электромагнитов является сфера конструирования и эксплуатации электрических машин и аппаратов, входящих в систему автоматики в промышленности. Другой важной областью является аппаратура регулировки и защиты электротехнических объектов/установок.

Также электромагниты применяются при изготовлении разнообразных механизмов, в роли привода по которому осуществляется необходимое поступательное перемещение (поворот) рабочего органа определенной машины или для создания удерживающих сил. Примером последних функций может служить электромагнит в составе грузоподъемного механизма/машины.

Существуют электромагниты муфт, необходимых для начала действия торможения или установления сцепления (в машинах), электромагниты, применяемых в пускателях, устройствах контактора и выключателя, а также их используют при создании электроизмерительных приборов и т. д.

поле электромагнита

Электромагниты – это устройства, которые являются перспективными при конструировании тяговых приводов в скоростных транспортных средствах, где с их помощью создают магнитную подушку. В настоящее время и медицина не обходится без использования электромагнитов. При проведении химических, биологических и физических экспериментов их нередко применяют.

Благодаря широте эксплуатации и конструктивном исполнении, а также масштабе и затратам энергии, электромагниты являются доступными как в быту, так и в любых других сферах деятельности человека. Вес электромагнитов может варьироваться от нескольких грамм до сотни тон, а потребляемое электричество расходуется – от доли Вт до многих десятков МВт.

Примеры использования ЭМ

В качестве примеров применения электромагнитов можно привести следующие приборы:

  • телевизоры;
  • трансформаторы;
  • пусковые устройства автомобилей.

Телевизоры

Современные жилища, как правило, заполнены различными электроприборами. Находясь вблизи телеприёмника, они могут воздействовать магнитной индукцией на экран телевизора (ТВ). В ТВ уже существует встроенная защита от намагничивания экрана. Если на поле дисплея появились разноцветные пятна, то надо выключить прибор на 10-20 минут. Встроенная защита уберёт намагниченность экрана.

В некоторых случаях этот способ не оказывает нужную помощь. Тогда применяют специальный электромагнит, который называют дросселем. Это своеобразная катушка индукции. Прибор подключают к розетке бытовой электросети и проводят им вдоль и поперёк экрана. В результате наведённые магнитные поля поглощаются дросселем.

Трансформаторы

Конструкция трансформаторов очень схожа со строением электромагнитов. И там, и там есть обмотки и сердечники. Отличие трансформатора от ЭМ состоит в том, что у первого магнитопровод имеет замкнутую форму. Поэтому суммированная магнитная сила обнуляется встречными магнитными потоками.

Пусковое устройство автомобиля

Стартер автомобиля работает как пусковое устройство двигателя. Он включается на время заводки мотора. Временная передача стартового усилия на коленвал двигателя обеспечивается втягивающим электромагнитом.

При повороте ключа в замке зажигания ЭМ втягивает шестерню в зубцы коленвала. Во время контакта электродвигатель стартера проворачивает мотор до возникновения цикла сгорания топлива в цилиндрах мотора. Затем тяговое реле отключает электромагнит, и шестерня стартера возвращается в исходное положение. После чего автомобиль может двигаться.

Принцип работы электромагнита
Стартер с тяговым реле

Электромагниты настолько плотно вошли в сферу деятельности человека, что существование без них немыслимо. Нехитрые устройства можно встретить повсеместно. Знание принципа их действия позволит домашнему мастеру справляться с мелким ремонтом бытовых электротехнических устройств.

Где можно применять электромагниты в медицине?

Магнитно-резонансные томографы (МРТ) также работают с помощью электромагнитов. Это специализированный медицинский метод для обследования внутренних органов человека, которые недоступны для непосредственного обследования. Наряду с основным используются дополнительные градиентные магниты.

электромагниты мрт

Где применяют электромагниты? Они присутствуют во всех видах электрических устройств, включая жесткие диски, колонки, двигатели, генераторы. Электромагниты используются повсеместно и, несмотря на свою незаметность, занимают важное место в жизни современного человека.

Преимущества использования электромагнитов

Главным преимуществом электрического магнита перед постоянным источником магнитного поля заключается в том, что он приводится в рабочее состояние под воздействием электрического тока. То есть, когда нужно оказать магнитное влияние на определённую часть пространства, ток включают. Это позволяет обеспечивать ритмичную работу ЭМ, что с успехом применяется в разных видах электро оборудования, приборов и устройств.

Будет интересно➡  Как правильно снимать показания счетчиков электроэнергии?

Электромагнит можно обнаружить в электрических счётчиках, сепараторных установках, трансформаторах, теле,- и аудиотехнике и других устройствах.

Мощные магниты установлены на мостовых кранах в цехах металлургических заводов и лебёдках предприятий по сбору металлолома.

Грузоподъёмные электромагниты

Одно из первых применений ЭМ – это динамики. Звуковое устройство в своей основе имеет электромагнит, который заставляет колебаться мембрану в звуковом диапазоне.

ЭМ используются в металлоискателях для обнаружения металлосодержащих предметов под землёй, в воде и различных массивах.

Сравнение ЭМ постоянного и переменного тока

При выборе между электромагнитами на постоянном или переменном токе следует учитывать следующие особенности:

  • Сила тяги. При одинаковом сечении полюсов средняя величина силы тяги в ЭМ на переменном токе (“ЭМ ~ тока”) будет вдвое меньше, чем в аналогичном на постоянном токе. То есть железо более эффективно используется в ЭМ на постоянном токе (“ЭМ = тока”)
  • Вес. Если же заданными константами являются сила тяги и ход якоря, то для получения электромагнита переменного тока потребуется вдвое больше железа и размеров, чем для ЭМ постоянного тока
  • Реактивная мощность. Если необходимо уменьшить потребляемую мощность “ЭМ = тока”, то достаточно увеличить его размеры. В случае же с “ЭМ ~ тока” потребляемая при пуске реактивная мощность не может быть уменьшена путем увеличения размеров ЭМ
  • Вихревые токи. В случае с “ЭМ ~ тока” магнитопроводы выполняют шихтованными и разрезными для уменьшения влияния вихревых токов. Само же наличие потерь на вихревые токи и перемагничивание вызывает увеличение потребления электроэнергии и лишний нагрев. В случае же с “ЭМ = тока” данный пункт отсутствует
  • Быстродействие. Если взять ЭМ постоянного и переменного тока, то вторые будут более быстродействующие. Однако для “ЭМ = тока” внедряют специальные меры, которые могут сделать их более быстродействующими. При этом “ЭМ = тока” будут потреблять меньше энергии

Однако, в промышленности, вышеописанные недостатки “ЭМ ~ тока” не вызывают особых препятствий на пути их использования.

Промышленность

Принцип работы электромагнита

Наверное, все хоть раз, но видели разновидности такого устройства, как электромагнит подъемный. Это толстый «блин» различного диаметра, который обладает огромной силой притяжения и используется для переноски груза, металлолома и вообще любого иного металла. Удобство его заключается в том, что достаточно отключить питание — и весь груз сразу же отцепляется, и наоборот. Это значительно упрощает процесс погрузки и разгрузки.

Сила электромагнита, кстати, рассчитывается по следующей формуле: F=40550∙B^2∙S. Рассмотрим ее более подробно. В данном случае F – это сила в килограммах (также может измеряться в ньютонах), B – значение индукции, а S – площадь рабочей поверхности устройства.

Как сделать электромагнит 12в

Самый просто способ, как сделать электромагнит, – это взять обычный гвоздь, провод и батарейку. По всей длине стержня наматывают изолированный провод. Концы проводника прижимают к полюсам батарейки. Для того чтобы заряд не расходовался зря, один конец провода припаивают к положительному контакту. Другое окончание нужно делать в виде подпружиненной дуги, которую прижимают к клемме батарейки со знаком минус. На нижнем фото видно, как можно сделать электромагнит в домашних условиях.

Отличие электромагнита постоянного тока от электромагнита переменного тока, назначение и принцип работы короткозамкнутого витка
Электромагнит своими руками

Обратите внимание! При изготовлении электромагнита с батарейкой можно использовать контактную колодку со старого устройства. Для отключения магнита будет достаточно вынуть батарейку из контактной коробки

Сверхпроводящий электромагнит

Отличие сверхпроводящего электромагнита от обычного в том, что в его обмотке, вместо обычно проводника, используется сверхпроводник. При этом его обмотка охлаждена с помощью жидкого гелия до очень низких температур. Его преимущество в том, что ток в нем достигает очень больших значений, благодаря тому, что у сверхпроводника, практически отсутствует сопротивление. Поэтому магнитное поле приобретает большую силу. Эксплуатация таких электромагнитов обходится дешевле, так как в них отсутствуют тепловые потери в обмотке. Сверхпроводящие магниты используются в аппаратах МРТ, ускорителях частиц и в другом научном оборудовании.

Дополнительные конструкции электромагнита

В большинстве конструкций совпадение якорей по осям обеспечивается с помощью центрирующего узла, представляющего собой вал из немагнитных материалов. Один конец данного вала жестко закрепляется в осевом отверстии первого якоря и имеет возможность перемещаться вдоль. Другой конец вала устанавливается в осевое отверстие второго якоря с применением подшипников скольжения.

Данная конструкция недостаточно надежна, поскольку существует возможность заклинивания свободного конца вала из-за попадания посторонних предметов. Эту проблему решают электромагниты постоянного тока, применяемые в центрирующем узле и обеспечивающие надежную работу вала при заклинивании одного из его концов.

Предыдущая
РазноеСумеречные выключатели
Следующая
РазноеЧто такое ограничитель перенапряжения и как он работает?
Ссылка на основную публикацию
Мы используем cookie-файлы для наилучшего представления нашего сайта. Продолжая использовать этот сайт, вы соглашаетесь с использованием cookie-файлов.
Принять