Elektromagnēts: definīcija, darbības princips un pielietojumi

Uzzini, kas ir elektromagnēts, tā darbības princips, vēsture un praktiskie pielietojumi — no relejiem un elektromotoriem līdz signalizācijai un elektroenerģijas ražošanai.

Elektromagnēti ir īslaicīgi un mākslīgi magnēti. Tie ir magnēti, kas ir magnētiski tikai tad, kad caur tiem plūst elektrība. Parasti elektromagnētu veido solenoīds — vadu spirāle, kas apvīta ap stieni vai karkasu. Magnēta spēks ir proporcionāls strāvai, kas plūst ķēdē, kā arī vijumu skaitam un serdeņa materiāla īpašībām. Elektrību, kas plūst caur vadu, sauc par strāvu. Strāva ir elektronu, kas ir negatīvi lādētas daļiņas, plūsma. Kad strāva iet caur vadu vai spirāli, ap vadu rodas magnētiskie lauka līnijas — to virzienu nosaka «labās rokas likums». Elektromagnetus izmanto dažādiem mērķiem. Vienkāršā piemērā elektromagnēts var uzņemt dzelzs, niķeļa un kobalta gabalus.

Kā tas darbojas

Vienkāršākā izpratnē solenoīda vai spoles magnētiskais lauks rodas tāpēc, ka strāva rada magnētisku lauku ap vadiem. Ja spole ir ap dzelzs serdeņu, šis lauks koncentrējas un pastiprinās. Magnētiskā lauka stiprumu spolei var aptuveni aprakstīt kā atkarīgu no vijumu skaita (N), strāvas (I) un serdeņa relatīvās caurlaidības (μr): jo vairāk vijumu un lielāka strāva, jo stiprāks lauks. Praktiski to ietekmē arī spoles garums, vada diametrs un serdeņa materiāla īpašības.

Elektromagnēta darbību var pavērst otrādi — pārvietojot magnētu vai mainot lauku pret spoli, spolei tiek ierosināta elektriskā sprieguma straume. Šo principu (elektromagnētisko indukciju) atklāja Maikls Ferdžeilijs (Michael Faraday) 1831. gadā, un tā ir pamats elektrogeneratoriem.

Elektromagnetus var padarīt spēcīgākus, vara stieplei pievienojot vairāk vijumu vai caur vijumiem pievienojot dzelzs serdi (piemēram, naglu). Var arī palielināt strāvu, lai padarītu magnētismu spēcīgāku. Praktiski ir vēl citi aspekti: serdeņiem no mīksta dzelzs (soft iron) ir liela relatīvā caurlaidība, tāpēc tie dod spēcīgu, bet viegli noņemamu magnētismu; tērauds var saglabāt remanentu magnetizāciju ilgāk. Lai samazinātu zaudējumus, ko rada virpuļstrāvas, lieliem elektromagnētiem serdeņi bieži laminē vai izmanto feromagnētiskus sakausējumus ar zemāku elektrisko vadītspēju. Vēl viens veids, kā iegūt ļoti spēcīgus magnētiskos laukus, ir izmantot supervadītāju spolēm, kas darbojas zemu temperatūru apstākļos un ļauj ļoti lielu strāvu bez siltuma zudumiem. Britu elektriķis Viljams Stērdžons izgudroja elektromagnētu 1825. gadā, bet elektromagnētiskās indukcijas likumus vēlāk formulēja Ferdžeilijs.

Materiāli un īpašības

Dažādi sakausējumi darbojas atšķirīgi. Dzelzs ļoti ātri pārstāj būt elektromagnēts, bet tēraudam ir nepieciešams laiks, lai nolietotos — tas nozīmē, ka tērauda serdeņi var saglabāt daļēju magnētismu pat pēc strāvas izslēgšanas. Lai izgatavotu elektromagnētu, vara stiepli uztin ap dzelzs stieni. Abi stieples gali ir savienoti ar akumulatora + (pozitīvo) un - (negatīvo) pusi vai ar citu strāvas avotu. No praktiskas puses jāņem vērā vada izolācija, vada diametrs (lai tas izturētu strāvu) un nepieciešamā dzesēšana — spole var sakarst, ja caur to plūst liela strāva ilgstoši.

Lietojumi praktiskajā dzīvē

Elektromagnetus izmanto tādos ikdienā lietojamos priekšmetos kā signalizācija pret ielaušanos, elektriskie releji un ugunsdzēsības zvani. Daudzi mehānismi, kur nepieciešams kontrolēts pievilkšanas vai atbrīvošanas spēks, izmanto solenoīdus — cilindriskas spoles ar kustīgu serdeņa stieni, kas pārvietojas, kad spole tiek uzlādēta. Piemēri:

• lielie magnēti metāla pārstrādes laukumos (rūpnīcu un noliktavu celtņi), kas paceļ un nolaiž metāla priekšmetus;
• elektromagnētiskie elektromotori — tie izmanto mainīgus elektromagnētiskos laukus, lai radītu griezes momentu; rotora un statora mijiedarbība ļauj pārvērst elektrisko enerģiju mehāniskā enerģijā;
• skaļruņi un ausu austiņas — mazas spoles un magnēti pārvērš elektriskos signālus skaņā;
• elektromagnētiskie slēdži un releji, automobiļu starteri, elektriskie durvju aizslēģi, solenoīdi vārstiem un mehānismiem;
• magnētiskā rezonanse (MRI) medicīnā — tur izmanto ļoti spēcīgus, parasti supervadītājus saturošus elektromagnētus;
• elektroģeneratori un alternatori — pārvietojot magnētu pie spolēm vai spoli pie magnēta, rodas indukcijas strāva, kas ražo elektrību;
• magnētiskā pacelšana un šķirošana metāllūžņos;
• magnētiskās bremzes un liela mēroga transporta sistēmas (piem., magnētiskās levitācijas tehnoloģijas demonstrācijām).

Elektroenerģijas ražošana un indukcija

Elektromagnetus var izmantot arī elektrības ražošanai. Pārvietojot magnētu uz priekšu un atpakaļ elektromagnēta priekšā, rodas elektriskā strāva. Indukcijas stiprumu nosaka magnētiskā plūsmas izmaiņas laikā — jo ātrāk mainās lauks vai lielāka lauka intensitāte, jo lielāks inducētais spriegums (saskaņā ar Ferdžeilija likumu). Tādējādi ģeneratoros tiek izmantots relatīvs kustības princips starp magnētiem un spolēm, lai pārvērstu mehānisko enerģiju elektriskajā.

Drošība un praktiski apsvērumi

Strādājot ar elektromagnētiem, jāievēro drošības nosacījumi: lielas strāvas rada siltumu (jāparedz dzesēšana), viņi var radīt spēcīgas magnētiskās spējas, kas ietekmē elektroniku un magnētiskos uzglabāšanas līdzekļus, un stipri lauki var būt bīstami cilvēkiem ar sirds ritmu regulējošām ierīcēm (piem., sirds stimulētājiem). Projektējot elektromagnētu, jāņem vērā arī serdeņa materiāla izturība, iespējami magnētiskie zudumi un drošības pārtraucēji, kas novērš pārslodzi.

Kopsavilkumā — elektromagnēts ir elastīgs un jaudīgs rīks, kas, pateicoties iespējamai strāvas ieslēgšanai/izslēgšanai un regulējamam laukam, ir būtisks mūsdienu tehnoloģijās — no vienkāršiem slēdžiem līdz medicīniskajām ierīcēm un enerģijas ražošanai.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir elektromagnēts?

J: Kā mainās elektromagnēta stiprums?

J: Kādas daļiņas ir atbildīgas par elektrības radīšanu?

J: Kas izgudroja elektromagnētu?

J: Kas padara elektromagnētu noderīgāku salīdzinājumā ar pastāvīgajiem magnētiem?

J: Kā izgatavot elektromagnētu?

J: Kā dažādi sakausējumi atšķirīgi reaģē elektromagnētiskā lauka ietekmē?

Meklēt pēc burta