Elektromagnet

Jednostavan elektromagnet. Lakom izolovana bakarna žica namotana oko gvozdenog jezgra.

Elektromagnet je magnet kod koga je potrebno napajanje električnom strujom da bi se održalo sopstveno magnetno polje. To 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. Za razliku od trajnoga magneta, elektromagnet je privremeni magnet jer prestankom toka struje nestaje i magnetsko polje.

Najjednostavniji je elektromagnet električna zavojnica kroz koju može teći električna struja. Što je u zavojnici više zavoja, to je jače magnetsko polje uz jednaku električnu struju, a ono se silno poveća ako se u unutrašnjost zavojnice umetne jezgra od željeza ili čelika velike permeabilnosti. Kao i trajni magnet, elektromagnet privlači željezne predmete koji se nalaze u njegovoj blizini, a jednako tako ima najmanje dva magnetska pola.

Najčešća primjena elektromagneta je u sklopnim aparatima, elektromagnetskim slušalicama i mikrofonima, mjernim električnim instrumentima i drugo. Vrlo je važna primjena elektromagneta za stvaranje jakih magnetskih polja potrebnih za elektromehaničku pretvorbu energije u električnim generatorima i električnim motorima. U takvim primjenama elektromagneti imaju više pari magnetskih polova, a mogu biti smješteni na statoru ili rotoru velikih električnih strojeva. Vrlo jaka magnetska polja, potrebna za rad s složenim instrumentima u laboratorijskim uvjetima (maseni spektrometar, akcelerator čestica i drugo), mogu se ostvariti samo primjenom snažnih elektromagneta.

Način rada

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 spoljnih 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 spoljno magnetsko polje.

Upotreba

Dizanje gvozdenog 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 gvožđa 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 gvožđe 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

Definicije

$A\,$	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

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

$\int \mathbf {J} \cdot d\mathbf {A} =\oint \mathbf {H} \cdot d\mathbf {l}$

Magnetsko polje stvoreno strujom

Magnetno polje (zeleno) tipičnog elektromagneta, sa jezgrom od gvožđa C koje formira zatvorene petlje sa dve vazdušne praznine G u sebi. Veći deo magnetnog polja B je koncentrisan u jezgru. Međutim, jedan deo linija polja B_L, koji se zove „curenje fluksa“, ne prati puno kolo jezgra i tako ne doprinosi sili koja deluje od elektromagnet. U prazninama G linije polja se šire izvan granica jezgra, B_F. To povećava „otpor“ magnetnog kola, smanjujući ukupan magnetni fluks u jezgra.

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 L_c a dužina L_g vazdušni raspor, Amperov zakon se svodi na:

$NI=H_{\mathrm {c} }L_{\mathrm {c} }+H_{\mathrm {g} }L_{\mathrm {g} }\,$

$NI=B\left({\frac {L_{\mathrm {c} }}{\mu }}+{\frac {L_{\mathrm {g} }}{\mu _{0}}}\right)\qquad \qquad \qquad \qquad (1)\,$

gdje $\mu =B/H\,$

$\mu _{0}=4\pi (10^{-7})\ \mathrm {N} \cdot \mathrm {A} ^{-2}$ je permeabilnost vazduha ili vakuuma.

Sila stvorena elektromagnetom

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

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

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.

Literatura

• Floyd, Thomas I. Hall (2002). Principles of Electric Circuits (7th izd.). Prentice. str. 387–930. ISBN 978-0-13-098576-7. 

Spoljašnje veze

Elektromagnet na Wikimedijinoj ostavi

• Elektromagneti i magneti
• Magnetsko polje i sile
• Osnovno o magnetizmu