Elektromagnet

Izvor: Wikipedia
Jednostavan elektromagnet. Lakom izolovana bakarna žica namotana oko željeznog jezgra.

Elektromagnet je jednostavna naprava koja se sastoji od namotaja električki provodne žice oko feromagnetskog jezgra. Obično se koristi kao dio releja, solenoida, elektromotora i drugih naprava.

Način rada[uredi - уреди]

Magnetsko polje koje proizvodi zavojnica elektromagneta. Zakrivljene linije pokazuju silnice magnetskog polja. Tačke u krugovima označavaju smjer struje u žici prema posmatraču. Krstovi označavaju smjer struje u žici od posmatrača.

Kada se krajevi namotaja žice povežu sa izvorom struje, kao što je baterija, dolazi do toka struje kroz zavojnicu. Ovaj tok stvara magnetsko polje, i elektromagnet dobija sjeverni i južni magnetski pol. Silnice magnetskog polja uzrokuju orijentaciju magnetskih domena u jezgri u smjeru silnica. To se isto dešava sa obližnjim feromagnetskim objektima, i oni bivaju privučeni ka jezgri elektromagneta ako su u blizini.

Privlačno djelovanje dolazi otuda što stvoreno magnetsko polje stvara suprotnu orijentaciju magnetskih polova kod obližnjih objekata, i time se stvara privlačenje između magnetskih polova jezgre i vanjskih objekata.

Ako se u zavojnici elektromagneta promijeni smjer struje, promijeniće mjesta magnetski polovi elektromagneta. To će istovremeno dovesti do promjene orijentacije polova u obližnjim feromagnetskim objektima, pa će i dalje biti privlačeni jezgri elektromagneta. Međutim obični magnet sa stalnim polovima će sad biti odbijan, ako je ranije bio privlačen jezgri, jer njegovu orijentaciju polova ne može da promijeni vanjsko magnetsko polje.

Oblik[uredi - уреди]

Oblik elektromagneta ovisi o upotrebi, i može biti cilindričan, u obliku potkovice, i u drugim oblicima.

Upotreba[uredi - уреди]

Dizanje željeznog otpada pomoću elektromagneta.

Koriste se obično kao dijelovi kompleksnijih uređaja, kao što su relej, solenoid ili elektromotor. Međutim njihova upotreba je moguća i direktno, recimo za privlačenje željeza i čelika na otpadu prilikom transporta, ili za glave čitača i pisača kod uređaja sa magnetskom trakom ili diskovima.

U većini slučajeva se koristi svojstvo elektromagneta da privlači feromagnetske materijale, kao što su željezo i čelik, a zatim ta akcija vrši neku drugu. Na primjer kod releja kotva aktivira električne kontakte, kod nekih solenoida aktivni dio otvara ili zatvara ventil, a kod elektromotora se elektromagnet koristi kao pol statora koji privlači ili odbija rotor.

Dalja važna područja upotrebe, gdje se koristi magnetsko polje koje proizvode elektromagneti, su u čitačkim glavama kod kasetofona, magnetofona i čvrstih (hard) diskova.

Kod čvrstih diskova se pušta puls struje kroz mali elektromagnet glave za čitanje. Ovaj puls stvara magnetsko polje koje magnetizira malu tačku na disku. Puls struje jednog polariteta stvara tačku jedne orijentacije magnetskih domena (binarnu jedinicu). Puls struje drugog polariteta služi za zapis binarne nule.

Glava za čitanje je isto mali elektromagnet. Ovdje magnetizirane tačke snimljene na disku uzrokuju indukciju (stvaranje) napona na krajevima zavojnice elektromagneta. Polaritet stvorenog napona indicira binarnu jedinicu ili nulu.

Matematičko razmatranje[uredi - уреди]

Definicije[uredi - уреди]

A\, kvadratni metar površina presjeka jezgra
B\, Tesla Gustina magnetskog toka
F\, Njutn Sila stvorena magnetskim poljem
H\, Amper-metar Magnetna sila
I\, Amper Struja u namotaju
L\, Metar Ukupna dužina puta magnetskih silnica L_{\mathrm{c}}+L_{\mathrm{g}}\,
L_{\mathrm{c}}\, Metar Dužina puta magnetskih silnica u jezgri
L_{\mathrm{g}}\, Metar Dužina puta magnetskih silnica u vazdušnom rasporu
m_1, m_2\, Amper-metar Jačina polova elektromagneta
\mu\, Njutn po kvadratnom Amperu Permeabilnost jezgra
\mu_0\, Njutn po kvadratnom Amperu Permeabilnost vazduha ili vakuuma = 4π(10-7)
\mu_r\, - Relativna permeabilnost jezgra elektromagneta
N\, - Broj zavoja žice elektromagneta
r\, Metar Udaljenost između polova dva elektromagneta

Amperov zakon[uredi - уреди]

Jačina magnetskog polja elektromagneta je približno data sa jednačinom Amperovog zakona:

\int \mathbf{J}\cdot d\mathbf{A} = \oint \mathbf{H}\cdot d\mathbf{l}
Electromagnet with gap.svg

Magnetsko polje stvoreno strujom[uredi - уреди]

Magnetsko polje stvoreno elektromagnetom je proporcionalno broju zavoja žice i struji kroz namotaj. Zbog toga se ovaj produkt (-{NI}-) zove i magnetomotorna sila.

Za jednostavan elektromagnet sa jednim magnetskim kolom, u kojem je dužina magnetnog jezgra -{Lc}- a dužina -{Lg}- vazdušni raspor, Amperov zakon se svodi na:

NI = H_{\mathrm{c}} L_{\mathrm{c}} + H_{\mathrm{g}} L_{\mathrm{g}}\,
NI = B(\frac{L_{\mathrm{c}}}{\mu} + \frac{L_{\mathrm{g}}}{\mu_0})  \qquad \qquad \qquad \qquad (1)  \,
gdje \mu = B/H\,
\mu_0 = 4 \pi (10^{-7}) \ \mathrm{N} \cdot \mathrm{A}^{-2} je permeabilnost vazduha ili vakuuma.

Sila stvorena elektromagnetom[uredi - уреди]

Kada nema nikakvih gubitaka, sila koju elektromagnet stvara jest:

F = \frac{B^2 A}{2 \mu_0}   \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad (2)   \,

Zbog ograničenja najveće gustine magnetskog polja u realnim materijalima ovo svodi najveći praktični pritisak na:

\frac{F}{A} \approx 1000\ \mathrm{kPa}

Gustina magnetskog polja je ograničena na oko 1.6 T za praktične materijale. To dakle ograničava praktični pritisak. Sila se može dalje povećavati povećanjem površine poprečnog presjeka elektromagneta.

Zatvoreno magnetsko kolo[uredi - уреди]

Za zatvoreno magnetsko kolo bez vazdušnog raspora, vrijedi jednačina:

B = \frac{NI\mu}{L}  \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad (3)  \,

Odatle dobijamo da je privlačna sila:

F = \frac{\mu^2 N^2 I^2 A}{2\mu_0 L^2}  \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad (4)  \,

Pogodno je koristiti najkraći mogući put magnetskih silnica sa velikim poprečnim presjekom jezgra.

Sila između elektromagneta[uredi - уреди]

Jačina magnetskog pola se može pronaći iz:

m = \frac{NIA}{L}

A sila između dva pola jest:

F = \frac{\mu_0 m_1 m_2}{4\pi r^2}

Ovo je približna formula i ne vrijedi ako su magneti jako blizu.

Korištena literatura[uredi - уреди]

  • -{Principles of Electric Circuits, 7th edition, Thomas I. Floyd, Prentice Hall}-, ISBN 0-13-098576-7, strane 387 do 390.

Vanjske veze[uredi - уреди]