ELEKTROMAGNET: SLOŽENÍ, ČÁSTI, JAK TO FUNGUJE A APLIKACE - FYZICKÝ - 2025

Elektromagnet je zařízení, které produkuje magnetismus elektrickým proudem. Pokud elektrický proud přestane, magnetické pole také zmizí. V 1820 to bylo objevil, že elektrický proud produkuje magnetické pole v jeho prostředí. O čtyři roky později byl vynalezen a postaven první elektromagnet.

První elektromagnet se skládal ze železné podkovy malované izolačním lakem a bylo na něj navinuto osmnáct závitů měděného drátu bez elektrické izolace.

Obrázek 1. Elektromagnet. Zdroj: pixabay

Moderní elektromagnety mohou mít různé tvary v závislosti na konečném použití, které jim bude dáno; a to je kabel, který je izolován lakem a ne železným jádrem. Nejběžnějším tvarem železného jádra je válcový, na který je navinut izolovaný měděný drát.

Můžete vytvořit elektromagnet s pouhým vinutím vytvářejícím magnetické pole, ale železné jádro znásobuje intenzitu pole.

Když elektrický proud prochází vinutím elektromagnetu, železné jádro se zmagnetizuje. To znamená, že vnitřní magnetické momenty materiálu se zarovnávají a přidávají, čímž se zesiluje celkové magnetické pole.

Magnetismus jako takový je znám alespoň od roku 600 př.nl, kdy řecké Thales of Miletus podrobně hovořili o magnetu. Magnetit, železný minerál, vytváří magnetismus přirozeně a trvale.

Výhody elektromagnetů

Nepochybnou výhodou elektromagnetů je to, že magnetické pole může být vytvořeno, zvýšeno, sníženo nebo odstraněno řízením elektrického proudu. Při výrobě permanentních magnetů jsou nutné elektromagnety.

Proč se to děje? Odpověď zní, že magnetismus je podstatný stejně jako elektřina, ale oba jevy se projevují pouze za určitých podmínek.

Lze však říci, že zdrojem magnetického pole jsou elektrické náboje nebo elektrický proud. Uvnitř hmoty, na atomové a molekulární úrovni, jsou vytvářeny tyto proudy, které vytvářejí magnetická pole ve všech směrech, které se navzájem ruší. Proto materiály obvykle nevykazují magnetismus.

Nejlepší způsob, jak to vysvětlit, je myslet si, že malé magnety (magnetické momenty) jsou umístěny uvnitř hmoty směřující do všech směrů, takže jejich makroskopický efekt je zrušen.

Ve feromagnetických materiálech mohou magnetické momenty zarovnat a vytvořit oblasti zvané magnetické domény. Při použití externího pole se tyto domény zarovná.

Když je externí pole odstraněno, tyto domény se nevrátí do své původní náhodné polohy, ale zůstanou částečně zarovnány. Tímto způsobem se materiál zmagnetizuje a vytvoří permanentní magnet.

Složení a části elektromagnetu

Elektromagnet se skládá z:

- Vinutí kabelu izolovaného lakem.

- Železné jádro (volitelné).

- Proudový zdroj, který může být přímý nebo střídavý.

Obrázek 2. Části elektromagnetu. Zdroj: vlastní výroba.

Vinutí je vodič, kterým prochází proud vytvářející magnetické pole a je navíjen ve formě pružiny.

Při vinutí jsou zatáčky nebo zatáčky obvykle velmi blízko sebe. Proto je nesmírně důležité, aby drát, kterým je vinutí vyrobeno, měl elektrickou izolaci, čehož je dosaženo speciálním lakem. Účelem lakování je to, že i když jsou zatáčky seskupeny a vzájemně se dotýkají, zůstávají elektricky izolovány a proud pokračuje ve svém spirálovém průběhu.

Čím silnější je vodič vinutí, tím více proudu kabel vydrží, ale omezuje celkový počet závitů, které lze navinout. Z tohoto důvodu mnoho elektromagnetických cívek používá tenký drát.

Vytvořené magnetické pole bude úměrné proudu, který prochází navíjecím vodičem a také úměrné hustotě závitů. To znamená, že čím více je umístěno na jednotku délky, tím větší je intenzita pole.

Čím jsou zatáčky vinutí, tím větší je počet, který se vejde do dané délky, čímž se zvyšuje jejich hustota a tím i výsledné pole. To je další důvod, proč elektromagnety používají kabel izolovaný lakem místo plastu nebo jiného materiálu, což by zvýšilo tloušťku.

Solenoid

V elektromagnetu nebo válcovém elektromagnetu, jako je elektromagnet znázorněný na obrázku 2, bude intenzita magnetického pole dána následujícím vztahem:

B = μ⋅n⋅I

Kde B je magnetické pole (nebo magnetická indukce), které je v jednotkách mezinárodního systému měřeno v Tesle, μ je magnetická propustnost jádra, n je hustota závitů nebo počet závitů na metr a nakonec proud I který cirkuluje vinutím měřeným v ampérech (A).

Magnetická propustnost železného jádra závisí na jeho slitině a je obvykle mezi 200 a 5 000 násobkem propustnosti vzduchu. Výsledné pole se násobí stejným faktorem vzhledem k elektromagnetickému pole bez železného jádra. Propustnost vzduchu je přibližně stejná jako propustnost vakua, což je μ ₀ = 1,26 × ^10-6 T * m / A.

Jak to funguje?

Abychom pochopili fungování elektromagnetu, musíme pochopit fyziku magnetismu.

Začněme jednoduchým rovným drátem nesoucím proud I, tento proud vytváří magnetické pole B kolem drátu.

Obrázek 3. Magnetické pole vytvořené přímým drátem. Zdroj: Wikimedia Commons

Čáry magnetického pole kolem přímého drátu jsou soustředné kruhy kolem přívodního drátu. Čárové pole odpovídá pravidlu pravé ruky, to znamená, že pokud palec pravé ruky ukazuje ve směru proudu, ostatní čtyři prsty pravé ruky označí směr oběhu magnetických siločar.

Magnetické pole přímého drátu

Magnetické pole v důsledku přímého drátu ve vzdálenosti r od něj je:

Předpokládejme, že ohýbáme kabel tak, aby tvořil kruh nebo smyčku, pak se linie magnetického pole na jeho vnitřku spojí a směřují všechny ve stejném směru, přidávají a posilují. Ve vnitřní části smyčky nebo kruhu je pole intenzivnější než ve vnější části, kde se linie pole oddělují a oslabují.

Obrázek 4. Magnetické pole vytvořené drátem v kruhu. Zdroj: Wikimedia Commons

Magnetické pole ve středu smyčky

Výsledné magnetické pole ve středu smyčky o poloměru a proud I je:

Účinek se znásobí, pokud pokaždé ohneme kabel tak, aby měl dvě, tři, čtyři,… a mnoho zatáček. Když navíjíme kabel ve formě pružiny s velmi blízkými cívkami, magnetické pole uvnitř pružiny je jednotné a velmi intenzivní, zatímco na vnější straně je prakticky nulové.

Předpokládejme, že jsme navíjeli kabel ve spirále 30 závitů v délce 1 cm a průměru 1 cm. To dává hustotu zatáček 3000 otáček na metr.

Ideální magnetické pole solenoidu

V ideálním solenoidu je magnetické pole uvnitř dáno:

Souhrnně, naše výpočty pro kabel, který nese 1 ampér proudu a výpočet magnetického pole v mikroteslech, vždy 0,5 cm od kabelu v různých konfiguracích:

1. Rovný kabel: 40 mikrotesek.
2. Kabel v kruhu o průměru 1 cm: 125 mikrotes.
3. Spirála 300 zatáček v 1 cm: 3770 mikroteslas = 0,003770 Tesla.

Pokud ale ke spirále přidáme železné jádro s relativní permitivitou 100, pole se násobí 100krát, to je 0,37 Tesla.

Je také možné vypočítat sílu, kterou elektromagnet působí v solenoidové formě na část železného jádra průřezu A:

Předpokládáme-li saturační magnetické pole 1,6 Tesla, bude síla na čtvereční metr plochy železného jádra působeného elektromagnetem činit 10 ^ 6 Newtonů, což odpovídá síle 10 ^ 5 kilogramů, což je 0,1 tuny na čtvereční metr průřezu.

To znamená, že elektromagnet s saturační pole 1,6 Tesla působí silou 10 kg na železné jádro s průřezem 1 cm ².

Elektromagnetické aplikace

Elektromagnety jsou součástí mnoha přístrojů a zařízení. Jsou například uvnitř:

- Elektrické motory.

- alternátory a dynama.

- Řečníci.

- Elektromechanická relé nebo spínače.

- Elektrické zvonky.

- Elektromagnetické ventily pro regulaci průtoku.

- Počítačové pevné disky.

- Zvedací jeřáby na kovový šrot.

- Odlučovače kovů od městského odpadu.

- Elektrické brzdy pro vlaky a nákladní vozidla.

- Zobrazovací stroje pro jadernou magnetickou rezonanci.

A mnoho dalších zařízení.

Reference

1. García, F. Magnetic Field. Obnoveno z: www.sc.ehu.es
2. Tagueña, J. a Martina, E. Magnetism. Od kompasu k rotaci. Obnoveno z: Bibliotecadigital.ilce.edu.mx.
3. Sears, Zemansky. 2016. Univerzitní fyzika s moderní fyzikou. 14. Ed. Svazek 2. 921-954.
4. Wikipedia. Elektromagnet. Obnoveno z: wikipedia.com
5. Wikipedia. Elektromagnet. Obnoveno z: wikipedia.com
6. Wikipedia. Magnetizace. Obnoveno z: wikipedia.com