Электромагнит и постоянный магнит

Электромагнит и постоянный магнит

Постоянные электромагниты принцип работы

Электромагнит, это простая электротехническая конструкция состоящая из обмотки и сердечник. Из курса электротехники известно, что в случае прохождения электрического тока через обмотку вокруг нее возникают электромагнитные поля.

То есть, в то время, когда электрических заряд движется он генерирует вокруг себя магнитные поля. Когда же он не перемещается, у него имеется только электрическое поле. Но, электроны и ионы никогда не будут находится в состоянии полного покоя. Всегда присутствует внутреннее движении, поэтому электрическое и магнитное поле присутствуют одномоментно, только в случае относительного покое в большей степени заметны электрические поля, а при увеличении движения элементарных частиц начинает преобладать магнитное поле.

Таким образом для возникновения магнитного поля требуется всего лишь пропустить ток по проводнику, а для повышения уровня интенсивность этого поля, требуется увеличить силу тока или длину электрического проводника. Но существует еще один фактор, влияющий на силу магнитного поля.

В электромагнитах, кроме выше сказанного имеется сердечник из магнитного материала. В таком магнитном материале осуществляется свое собственное внутреннее движения заряженных элементарных частиц. Но они располагаются в хаотичном порядке, из-за чего осуществляется взаимное гашение магнитных сил.

При воздействии внешним электромагнитным полем на такой материал возникает следующий эффект, а именно все внутренние магнитные поля этого материала поворачиваются в одном направлении, что ведёт к резкому росту магнитных свойств. Следовательно, для изготовления хорошего магнита требуется на магнитный сердечник намотать большое количество витков из медной проволоки, после чего пропустить через них ток.

Но помните, что при отключении напряжения у электромагнита исчезают все его свойства. Потому, что все заряженные частицы перестают двигаться в проводнике, а упорядоченные магнитные поля внутри магнитного сердечника возвращаются в исходное хаотичное состояние. Для изготовления постоянного магнита без электропитания, требуется, что бы внутренние магнитные поля оставались в однонаправленном состоянии. Этого можно добиться применяя специальные магнитные материалы, которые можно намагничивать или размагничивать.

В первоначальный момент это вещество не обладает такими сильными магнитными свойствами. Для намагничивания его, необходимо разместить в сильном постоянном магнитном поле. Через определенный промежуток времени и интенсивность воздействия данный материал становится постоянным магнитом. Для размагничивания постоянного магнита, го нужно подвергнуть высокой температуре, сильным ударам или воздействовать сильным переменным магнитным полем.

Действие магнитного поля

Думаю каждый встречал обычные постоянные магнитики. А знаете ли вы, что является истинной причиной их специфического действия? Думаю, совсем не многие об этом знают. Предлагая ознакомится с простой теоретической лекцией об устройстве постоянного магнита и магнитном поле

В принципе их расчет это достаточно сложный процесс, но для радиолюбителей, он существенно упращен. Магнитная цепь описывается величиной магнитной индукции — В, на которую влияет напряженность поля и магнитная проницаемость вещества.Поэтому сердечники электромагнитов изготавливают из специаального сплава железа, обладающего высокой величиной магнитной проницаемости. От магнитной индукции зависит силовой поток, Ф.

Где, S площадь поперечного сечения магнитопровода. На силовой поток оказывает влияние и магнитодвижущая сила м), которая вычисляется по формуле:

Где , где N — число витков катушки, а I — сила текущего по катушке тока в амперах.

Магнитное сопротивление определяется по формуле:

где L — средняя длина пути силовых магнитных линий, М — магнитная проницаемость, a S — поперечное сечение магнитопровода.

При изготовление самодельных электромагнитов стараются получить максимальный силовой поток. Добиваются этого уменьшением магнитного сопротивления. Для чего выбирают магнитопровод с минимальной длиной пути силовых линий и с максимально возможным поперечным сечением, а в качестве материала стальной сплав с отличной магнитной проницаемостью. Другой метод увеличения силового потока это увеличения количества ампервитков не очень целесообразен, т.к в целях экономии проволоки и напряжения питания следует стремиться к снижению числа ампервитков. Предположим, нам необходимо определить ампервитки и силовой поток замкнутого стального магнитопровода, изображенного на рисунке а ниже, и сделанного из стали плохого качества.

Для намотки катушек с минимальным числом витков для упрощенных расчетов примим величину магнитной индукции в 10 000 силовых линий на 1 см 2 при двух ампервитках на один сантиметр длины. В этом радиолюбительском примере расчет может быть осуществлен следующим образом. Так, при длине магнитопровода L =L1+L2 равной 20 см + 10 см = 30 см, потребуется 2×30=60 ампервитков.

Читайте также:  Стильные шкафы купе 2018

Если диаметр сердечника D(Рисунок ,в) равен2 см, то его площадь: S = 3,14xD2/4 = 3,14 см 2 , отсюда

Можно приближенно определить и подъемную силу электромагнита P:

Для двухполюсного магнита полученный результат необходимо удвоить. При расчете подъемной силы магнита следует помнить, что она зависит не только от длины магнитопровода, но и от площади контакта якоря и сердечника. Поэтому якорь должен хорошо прилегать к полюсным наконечникам ЭМ, иначе случится резкое уменьшение подъемной силы. Далее можно сделать расчет катушки электромагнита. В случае двухполюсного магнита подъемная сила в 25 кг задается 60 ампервитками, т.е N×J = 60 ампервитков.

Конечно, можно задать и другое соотношение, например 2 А и 30 витков, либо увеличив число витков катушки 0,25 А и 240 витков. Однако изменение номинала тока в большом диапазоне не всегда можно осуществить на практике, т.к может потребываться уж очень большой диаметра применяемой проволоки. В нашем примере медная проволока должна быть следующего сечения: для тока в 2А — 0,4 мм2, а для тока в 0,25А — 0,05 мм2, диаметр проволоки будет 0,7 мм и 0,2 мм соответственно. Каким же из этих проводов случше осуществить обмотку? Зная диаметр проволоки и ее длину, можно легко найти сопротивление. Длина проволоки L вычисляется как, произведению общего числа витков на длину одного из них (среднюю): L = N × L1 где L1 — длина одного витка, равная 3,14 × D. В нашем примере D = = 6,3 см. Поэтому, для первой катушки длина медной проволки будет 190 см, а сопротивление обмотки постоянному току около 0,1 Ом, а для второй 512 см, с сопротивлением в 8,7 Ом. Зная закон Ома, легко найти нужное напряжение. Так, для создания в обмотках тока номиналом в 2А потребуется напряжение 0,2В, а для тока в 0,25А — 2,2В.

Поднесём магнит к железному ключу. «Невидимая рука» магнита — магнитное поле — притянет ключ.


Рис, 19. Заводской электромагнит.

С помощью магнита можно поднимать железные предметы, переносить их с одного места на другое.

Естественные магниты могут поднять только лёгкие предметы. Магнитное поле их невелико. Значительно сильнее искусственные электромагниты. Так, заводские электромагниты поднимают многотонные железные детали.

Электромагнит состоит из катушки, в которую вставлен железный стержень (сердечник). Ток, проходящий по катушке, создаёт магнитное поле. Это поле ориентирует атомы железного сердечника. Он становится магнитом.

Таким образом, на окружающие железные предметы действует не только магнитное поле тока, но и магнитное поле, создаваемое сердечником. Сердечник увеличивает силу электромагнита в тысячи раз.

Электромагниты широко применяются в технике в самых разнообразных целях. На рисунке 19 показан мощный электромагнит. На рисунке 20 вы видите маленький

Рис. 20. Так устроен электрический звонок.

электромагнит, спрятанный в электрическом звонке у вас дома. Нажимая кнопку у двери, вы замыкаете цепь. Через обмотку электромагнита идёт ток. Сердечник намагничивается и притягивает к себе молоточек. Но как только молоточек отходит от острия, цепь разрывается и ток прекращается. Электромагнит более не действует, упругая ножка молоточка выпрямляется, и молоточек возвращается в прежнее положение. Однако при этом он снова касается острия, замыкает цепь, и всё повторяется сначала. Молоточек колеблется между магнитом и остриём и ударяет по звонку. Звонок звонит.

Любой электромагнит — и тот, который поднимает тяжести, и тот, который заставляет звонить электрический звонок, — должен не только ухватить, притянуть железную деталь, но и отпустить её. Поэтому сердечник надо делать не из стали, а из мягкого железа. И вот почему. Железо намагничено, пока идёт ток в катушке, пока есть внешнее магнитное поле. Прекратился ток, нет внешнего поля, атомы железа дезориентируются, и железо размагничивается. Не то в стали. Однажды намагнитившись, сталь остаётся магнитом и после прекращения тока в катушке. Поэтому из стали изготовляют постоянные магниты, а для сердечников она не годится.

Электромагнит – искусственный магнит, у которого магнитное поле возникает и концентрируется в ферромагнитном сердечнике в результате прохождения электрического тока по охватывающей его обмотке, т.е. при пропускании тока через катушку помещенный внутри нее сердечник приобретает свойства естественного магнита.

Читайте также:  Серый налет на деревьях

Область применения электромагнитов очень обширна. Их используют в электрических машинах и аппаратах, в устройствах автоматики, в медицине, в различного рода научных исследованиях. Наиболее часто электромагниты и соленоиды используются для перемещения каких-то механизмов, а на производствах для подъёма груза.

Так, например, грузоподъемный электромагнит является очень удобным, производительным и экономичным механизмом: для закрепления и освобождения транспортируемого груза не требуется обслуживающий персонал. Достаточно положить электромагнит на перемещаемый груз и включить электрический ток в катушку электромагнита и груз притянется к электромагниту, а для освобождения от груза необходимо лишь отключить ток.

Конструкция электромагнита легка для повторения и в сущности не представляет собой ничего кроме сердечника и катушки из проводника. В этой статье мы ответим на вопрос как сделать электромагнит своими руками?

Как работает электромагнит (теория)

Если по проводнику протекает электрический ток, то вокруг этого проводника образуется магнитное поле. Так как ток может течь только тогда, когда цепь замкнута, то проводник должен представлять собой замкнутый контур, как, например, круг, который является простейшим замкнутым контуром.

Раньше проводником, свернутым в круг, часто пользовались для наблюдения действия тока на магнитную стрелку, помещенную в его центре. В этом случае стрелка находится на равном расстоянии от всех частей проводника, благодаря чему легче можно наблюдать действие тока на магнит.

Чтобы усилить действие электрического тока на магнит, можно прежде всего увеличить ток. Однако, если обогнуть проводник, по которому протекает какой-то ток, два раза вокруг охватываемого им контура, то действие тока на магнит удвоится.

Таким образом можно во много раз увеличить это действие, огибая проводник соответствующее число раз вокруг данного контура. Получающееся при этом проводящее тело, состоящее из отдельных витков, число которых может быть произвольным, называется катушкой.

Вспомним курс школьной физики, а именно о том, что при протекании электрического тока через проводник возникает магнитное поле. Если проводник свернуть в катушку линии магнитной индукции всех витков сложатся, и результирующее магнитное поле будет сильнее чем для одиночного проводника.

Магнитное поле, порожденное электрическим током в принципе не имеет существенных отличий по сравнению с магнитным если вернуться к электромагнитам, то формула его тяговой силы выглядит так:

где F – сила тяги, кГ (сила измеряется также в ньютонах, 1 кГ =9,81 Н, или 1 Н =0,102 кГ); B – индукция, Тл; S – площадь сечения электромагнита, м2.

То есть сила тяги электромагнита зависит от магнитной индукции, рассмотрим её формулу:

Здесь U0 – магнитная постоянная (12.5*107 Гн/м), U – магнитная проницаемость среды, N/L – число витков на единицу длины соленоида, I – сила тока.

Отсюда следует, что сила с которой магнит притягивает что-либо зависит от силы тока, количества витков и магнитной проницаемости среды. Если в катушке нет сердечника – средой является воздух.

Ниже приведена таблица относительных магнитных проницаемостей для разных сред. Мы видим, что у воздуха она равна 1, а у других материалов в десятки и даже сотни раз больше.

В электротехнике используют специальный металл для сердечников, его часто называют электротехнической или трансформаторной сталью. В третьей строке таблицы вы видите «Железо с кремнием» у которого относительная магнитная проницаемость равна 7*103 или 7000 Гн/м.

Это и есть усредненное значение для трансформаторной стали. Она отличается от обычной как раз-таки содержанием кремниями. На практике её относительная магнитная проницаемость зависит от приложенного поля, но не будем углубляться в подробности. Что даёт сердечник в катушке? Сердечник из электротехнической стали усилит магнитное поле катушки примерно в 7000-7500 раз!

Всё что нужно запомнить для начала – это то, что от материала сердечника внутри катушки зависит магнитная индукция, а от неё зависит сила с которой будет тянуть электромагнит.

Практика

Одним из наиболее популярных опытов, которые проводят для демонстрации возникновения магнитного поля вокруг проводника является опыт с металлической стружкой. Проводник накрывают листом бумаги и на него насыпают магнитную стружку, потом через проводник пропускают электрический ток, и стружка изменяет своё располагаясь каким-то образом на листе. Это уже почти электромагнит.

Читайте также:  Стиральные машинки фирмы хайер

Но для электромагнита просто притягивать металлические стружки недостаточно. Поэтому нужно его усилить, исходя из вышесказанного – нужно сделать катушку, намотанную на металлический сердечник. Простейшим примером – будет изолированный медный провод, намотанный на гвоздь или болт.

Такой электромагнит способен притягивать разные булавки, скрепи и тому подобное.

В качестве провода можно использовать либо любой провод в ПВХ или другой изоляции, либо медный провод в лаковой изоляции типа ПЭЛ или ПЭВ, которые используются для обмоток трансформаторов, динамиков, двигателей и прочее. Найти его можно либо новый в катушках, либо смотать с тех же трансформаторов.

10 Нюансов изготовления электромагнитов простыми словами:

1. Изоляция по всей длине проводника должна быть однородной и целой, чтобы не было межвитковых замыканий.

2. Намотка должна идти в одну сторону как на катушке с нитками, то есть нельзя изогнуть провод на 180 градусов и пойти в обратном направлении. Это связано с тем что результирующее магнитное поле будет равно алгебраической сумме полей каждого витка, если не вдаваться в подробности, то витки, намотанные в обратную сторону, будут порождать электромагнитное поле противоположное по знаку, в результате поля будут вычитаться и в результате сила электромагнита будет меньше, а если витков в одном и другом направлении будет одинаковое количество – магнит совсем ничего не будет притягивать, так как поля подавят друг друга.

3. Сила электромагнита также будет зависеть от силы тока, а он от напряжения приложенного к катушке и её сопротивления. Сопротивление катушки зависит от длины провода (чем длиннее, тем оно больше) и площади его поперечного сечения (чем больше сечение, тем меньше сопротивление) приблизительный расчёт можно провести по формуле – R=p*L/S

4. Если ток будет слишком большим – катушка сгорит

5. При постоянном токе – ток будет больше, чем при переменном из-за влияния реактивного сопротивления индуктивности.

6. При работе на переменном токе – электромагнит будет гудеть и дребезжать, его поле будет постоянно менять направление, а его тяговая сила будет меньше (в два раза) чем при работе на постоянном. При этом сердечник для катушек переменного тока выполняется из тонколистового металла, собираясь в единое целое, при этом пластины друг от друга изолируются лаком или тонким слоем окалины (оксида), т.н. шихты – для уменьшения потерь и токов Фуко.

7. При одинаковой тяговой силе электрический магнит переменного тока будет весить в два раза больше, соответственно возрастают и габариты.

8. Но стоит учесть, что электромагниты переменного тока обладают большим быстродействием чем магниты постоянного тока.

9. Сердечники электромагнитов постоянного тока

10. Оба типа электромагнитов могут работать как на постоянном, так и на переменном токе, вопрос только какой силой он будет обладать, какие потери и нагрев будут происходить.

3 идеи для электромагнита из подручных средств на практике

Как уже было сказано самый простой способ сделать электромагнит – использовать металлический стержень и медный провод подобрав и один и другой под нужную мощность. Напряжение питания этого устройства подбирается опытным путем исходя из силы тока и нагрева конструкции. Для удобства можно использовать пластиковую катушку от ниток или подобного, а под её внутренее отверстие подобрать сердечник – болт или гвоздь.

Второй вариант – использовать почти готовый электромагнит. Вспомните об электромагнитных коммутационных приборах – реле, магнитных пускателях и контакторах. Для использования на постоянном токе и напряжении 12В удобно использовать катушку от автомобильных реле. Всё что нужно сделать – снять корпус выломать подвижные контакты и подключить питание.

Для работы от 220 или 380 вольт удобно использовать катушки магнитных пускателей и контакторов, они намотаны на оправке и легко вынимаются. Сердечник подберите исходя из площади поперечного сечения отверстия в катушке.

Так вы можете включать магнит от розетки, а регулировать его силу удобно если использовать реостат или ограничивать ток с помощью мощного сопротивления, например, нихромовой спирали.

Ссылка на основную публикацию
Adblock detector