Электромагнит

Магнит, созданный с помощью электрического тока

Простой электромагнит, состоящий из катушки провода, намотанного вокруг железного сердечника. Сердечник из ферромагнитного материала, например, железа, служит для увеличения создаваемого магнитного поля. ^[1] Сила создаваемого магнитного поля пропорциональна величине тока через обмотку. ^[1]

Магнитное поле, создаваемое соленоидом ( катушкой провода). На этом рисунке показано поперечное сечение через центр катушки. Крестики — это провода, по которым ток движется в страницу; точки — это провода, по которым ток движется вверх из страницы.

Электромагнит — это тип магнита , в котором магнитное поле создается электрическим током . Электромагниты обычно состоят из провода, намотанного в катушку . Ток через провод создает магнитное поле, которое концентрируется в отверстии в центре катушки . Магнитное поле исчезает, когда ток выключается. Витки провода часто наматываются вокруг магнитного сердечника , изготовленного из ферромагнитного или ферримагнитного материала, такого как железо ; магнитный сердечник концентрирует магнитный поток и делает магнит более мощным.

Главное преимущество электромагнита перед постоянным магнитом заключается в том, что магнитное поле можно быстро изменять, контролируя величину электрического тока в обмотке. Однако, в отличие от постоянного магнита, которому не требуется питание, электромагниту требуется непрерывная подача тока для поддержания магнитного поля.

Электромагниты широко используются в качестве компонентов других электрических устройств, таких как двигатели , генераторы , электромеханические соленоиды , реле , громкоговорители , жесткие диски , машины МРТ , научные приборы и оборудование для магнитной сепарации . Электромагниты также используются в промышленности для подъема и перемещения тяжелых железных предметов, таких как железный лом и сталь. ^[2]

История

Датский ученый Ганс Христиан Эрстед в 1820 году открыл, что электрические токи создают магнитные поля. В том же году французский ученый Андре-Мари Ампер показал, что железо можно намагнитить, вставив его в соленоид с электрическим питанием.

Британский ученый Уильям Стерджен изобрел электромагнит в 1824 году. ^{[3] [4]} Его первый электромагнит представлял собой кусок железа в форме подковы, обмотанный примерно 18 витками голой медной проволоки. ( Изолированной проволоки тогда не существовало.) Железо покрывали лаком, чтобы изолировать его от обмоток. Когда ток проходил через катушку, железо намагничивалось и притягивало другие куски железа; когда ток прекращался, оно теряло намагниченность. Стерджен продемонстрировал его силу, показав, что, хотя он весил всего семь унций (примерно 200 граммов), он мог поднять девять фунтов (примерно 4 килограмма) при подаче тока от одноэлементного источника питания. Однако магниты Стерджен были слабыми, потому что неизолированный провод, который он использовал, можно было обернуть только одним разнесенным слоем вокруг сердечника, что ограничивало количество витков.

Начиная с 1830 года, американский ученый Джозеф Генри систематически совершенствовал и популяризировал электромагнит. ^{[5] [6]} Используя провод, изолированный шелковой нитью, и вдохновленный использованием Швейггером нескольких витков провода для изготовления гальванометра , ^[7] он смог намотать несколько слоев провода на сердечники, создав мощные магниты с тысячами витков провода, включая тот, который мог выдерживать 2063 фунта (936 кг). Первое крупное применение электромагнитов было в телеграфных зондах .

Теория магнитных доменов , описывающая работу ферромагнитных сердечников, была впервые предложена в 1906 году французским физиком Пьером-Эрнестом Вайсом , а подробная современная квантово-механическая теория ферромагнетизма была разработана в 1920-х годах Вернером Гейзенбергом , Львом Ландау , Феликсом Блохом и другими.

Применение электромагнитов

Промышленный электромагнит для подъема железного лома, 1914 г.

Портативный электромагнит — это тот, который предназначен только для удержания материала на месте; примером может служить подъемный магнит. Тяговый электромагнит прикладывает силу и перемещает что-либо. ^[8]

Электромагниты очень широко используются в электрических и электромеханических устройствах, в том числе:

• Двигатели и генераторы
• Трансформеры
• Реле
• Электрические звонки и зуммеры
• Громкоговорители и наушники
• Исполнительные механизмы, такие как клапаны
• Оборудование для магнитной записи и хранения данных: магнитофоны , видеомагнитофоны , жесткие диски
• Аппараты МРТ
• Научное оборудование, такое как масс-спектрометры
• Ускорители частиц
• Магнитные замки
• Оборудование для магнитной сепарации используется для отделения магнитных материалов от немагнитных, например, для отделения черных металлов от других материалов в ломе.
• Промышленные грузоподъемные магниты
• магнитная левитация , используемая в поездах на магнитной подвеске
• Индукционный нагрев для приготовления пищи, производства и гипертермической терапии

Простой соленоид

Обычный тяговый электромагнит — это равномерно намотанный соленоид и плунжер. Соленоид — это катушка проволоки, а плунжер изготовлен из такого материала, как мягкое железо. Приложение тока к соленоиду прикладывает силу к плунжеру и может заставить его двигаться. Плунжер перестает двигаться, когда силы на нем уравновешиваются. Например, силы уравновешиваются, когда плунжер находится в центре соленоида.

Максимальное равномерное натяжение происходит, когда один конец плунжера находится в середине соленоида. Приближение для силы F равно ^[8]

${\displaystyle F={\frac {CANI}{\ell }}}$

где C — константа пропорциональности, A — площадь поперечного сечения плунжера, N — количество витков в соленоиде, I — ток через провод соленоида, а ℓ — длина соленоида. Для единиц, использующих дюймы, фунты силы и амперы с длинными, тонкими соленоидами, значение C составляет около 0,009–0,010 фунтов на квадратный дюйм (максимальное тяговое усилие в фунтах на квадратный дюйм площади поперечного сечения плунжера). ^[9] Например, 12-дюймовая длинная катушка ( ℓ = 12 дюймов ) с длинным плунжером с поперечным сечением в 1 квадратный дюйм ( A = 1 дюйм ² ) и 11 200 ампер-витками ( NI = 11 200 Aturn ) имела максимальное тяговое усилие 8,75 фунтов (что соответствует C = 0,0094 фунтов на квадратный дюйм ). ^[10]

Максимальное тяговое усилие увеличивается, когда в соленоид вставляется магнитный упор. Упор становится магнитом, который притягивает плунжер; он немного увеличивает тяговое усилие соленоида, когда плунжер находится далеко, но значительно увеличивает тяговое усилие, когда они находятся близко. Приближение для тягового усилия P равно ^[11]

${\displaystyle P=ANI\left[{\frac {NI}{(\ell _{\mathrm {a} })^{2}(C_{1})^{2}}}+{\frac {C}{\ell }}\right]={\frac {AN^{2}I^{2}}{(\ell _{\mathrm {a} })^{2}(C_{1})^{2}}}+{\frac {CANI}{\ell }}}$

Здесь ℓ _a — расстояние между концом упора и концом плунжера. Дополнительная константа C ₁ для единиц дюймов, фунтов и ампер с тонкими соленоидами составляет около 2660. Второй член в скобках представляет ту же силу, что и для соленоида без упора выше; первый член представляет притяжение между упором и плунжером.

Некоторые улучшения могут быть сделаны в базовой конструкции. Концы упора и плунжера часто конические. Например, плунжер может иметь заостренный конец, который вставляется в соответствующую выемку в упоре. Форма делает тягу соленоида более равномерной в зависимости от разделения. Другое улучшение заключается в добавлении магнитного возвратного пути вокруг внешней части соленоида («железный соленоид»). ^{[11] [12]} Магнитный возвратный путь, как и упор, оказывает небольшое влияние, пока воздушный зазор не станет небольшим.

Физика

Ток ( ) через провод создает магнитное поле ( ). Поле ориентировано по правилу правой руки . ${\displaystyle I}$ ${\displaystyle B}$

Линии магнитного поля проволочного контура с током проходят через центр контура, концентрируя там поле.

Магнитное поле, создаваемое при пропускании тока через катушку

Электрический ток, текущий в проводе, создает магнитное поле вокруг провода, из-за закона Ампера (см. рисунок провода с магнитным полем) . Чтобы сконцентрировать магнитное поле в электромагните, провод наматывают в катушку со многими витками провода, лежащими рядом. ^[2] Магнитное поле всех витков провода проходит через центр катушки, создавая там сильное магнитное поле. ^[2] Катушка, образующая форму прямой трубки ( спирали ), называется соленоидом . ^{[1] [2]}

Направление магнитного поля через катушку провода можно найти из формы правила правой руки . ^{[13] [14]} Если пальцы правой руки обхватить катушку в направлении тока ( обычный ток , поток положительного заряда ) через обмотки, большой палец будет указывать в направлении поля внутри катушки. Сторона магнита, из которой выходят линии поля, определяется как северный полюс .

Магнитный сердечник

Определения приведенных ниже переменных см. в рамке в конце статьи.

Гораздо более сильные магнитные поля могут быть получены, если поместить внутрь катушки « магнитный сердечник » из мягкого ферромагнитного (или ферримагнитного ) материала, например, железа . ^{[1] [2] [15] [16]} Сердечник может усилить магнитное поле в тысячи раз по сравнению с силой поля одной катушки из-за высокой магнитной проницаемости μ материала. ^{[1] [2]} Не все электромагниты используют сердечники, поэтому такой электромагнит называется электромагнитом с ферромагнитным сердечником или электромагнитом с железным сердечником.

Это происходит потому, что материал магнитного сердечника (часто сделанный из железа или стали) состоит из небольших областей, называемых магнитными доменами , которые действуют как крошечные магниты (см. ферромагнетизм ). До того, как ток в электромагните включен, домены в сердечнике из мягкого железа направлены в случайных направлениях, поэтому их крошечные магнитные поля компенсируют друг друга, и железо не имеет крупномасштабного магнитного поля. Когда ток проходит через провод, обернутый вокруг железа, его магнитное поле проникает в железо и заставляет домены поворачиваться, выстраиваясь параллельно магнитному полю, поэтому их крошечные магнитные поля добавляются к полю провода, создавая большое магнитное поле, которое простирается в пространство вокруг магнита. Эффект сердечника заключается в концентрации поля, и магнитное поле проходит через сердечник с меньшим сопротивлением , чем при прохождении через воздух.

Чем больше ток, проходящий через катушку, тем больше домены выстраиваются в линию, и тем сильнее магнитное поле. Наконец, все домены выстраиваются в линию, и дальнейшее увеличение тока вызывает лишь небольшое увеличение магнитного поля: это явление называется насыщением . Вот почему самые сильные электромагниты, такие как сверхпроводящие и сверхсильные электромагниты, не могут использовать сердечники.

Основная нелинейная особенность ферромагнитных материалов заключается в том, что поле B насыщается при определенном значении, ^[2] которое составляет около 1,6–2 тесла (Тл) для большинства сталей с высокой проницаемостью сердечника. ^{[17] [18] [19]} Поле B быстро увеличивается с увеличением тока до этого значения, но выше этого значения поле выравнивается и становится почти постоянным, независимо от того, какой ток проходит через обмотки. ^[2] Максимальная напряженность магнитного поля, возможная от электромагнита с железным сердечником, ограничена примерно 1,6–2 Тл. ^{[17] [19]}

Когда ток в катушке выключается, в магнитно-мягких материалах, которые почти всегда используются в качестве сердечников, большинство доменов теряют выравнивание и возвращаются в случайное состояние, и поле исчезает. Однако часть выравнивания сохраняется, поскольку домены с трудом поворачивают свое направление намагничивания, оставляя сердечник намагниченным как слабый постоянный магнит. Это явление называется гистерезисом , а остаточное магнитное поле называется остаточным магнетизмом . Остаточную намагниченность сердечника можно удалить путем размагничивания . В электромагнитах переменного тока, таких как те, которые используются в двигателях, намагниченность сердечника постоянно меняется на противоположную, и остаточный намагничивание вносит вклад в потери двигателя.

Закон Ампера

Магнитное поле электромагнитов в общем случае определяется законом Ампера :

${\displaystyle \int \mathbf {J} \cdot d\mathbf {A} =\oint \mathbf {H} \cdot d{\boldsymbol {\ell }}}$

который гласит, что интеграл намагничивающего поля вокруг любого замкнутого контура равен сумме тока, протекающего через контур. Другое используемое уравнение, которое дает магнитное поле, обусловленное каждым малым сегментом тока, — это закон Био–Савара . ${\displaystyle \mathbf {H} }$

Сила, действующая со стороны магнитного поля

Аналогично соленоиду, сила, действующая со стороны электромагнита на проводник, расположенный на участке сердечника, равна:

Уравнение силы можно вывести из энергии, запасенной в магнитном поле . Энергия — это сила, умноженная на расстояние. Перестановка членов дает уравнение выше.

Упомянутый выше предел поля в 1,6 Тл ^{[17] [19]} устанавливает предел максимальной силы на единицу площади сердечника или магнитного давления , которое может оказывать электромагнит с железным сердечником; примерно:

${\displaystyle {\frac {F}{A}}={\frac {(B_{\text{sat}})^{2}}{2\mu _{0}}}\approx 1000\ \mathrm {kPa} =10^{6}\mathrm {N/m^{2}} =145\ \mathrm {lbf/in^{2}} }$

для предела насыщения сердечника, B _sat . В более интуитивных единицах полезно помнить, что при 1 Т магнитное давление составляет приблизительно 4 атмосферы, или кг/см ² .

Учитывая геометрию сердечника, поле B, необходимое для заданной силы, можно рассчитать по формуле (1); если оно окажется намного больше 1,6 Тл, необходимо использовать сердечник большего размера.

Однако вычисление магнитного поля и силы, оказываемой ферромагнитными материалами в целом, затруднено по двум причинам. Во-первых, потому что напряженность поля меняется от точки к точке сложным образом, особенно вне сердечника и в воздушных зазорах, где необходимо учитывать краевые поля и поток утечки . Во-вторых, потому что магнитное поле B и сила являются нелинейными функциями тока, зависящими от нелинейного соотношения между B и H для конкретного используемого материала сердечника. Для точных расчетов используются компьютерные программы, которые могут создавать модель магнитного поля с использованием метода конечных элементов .

Магнитная цепь

Магнитное поле ( зеленое ) типичного электромагнита, в котором железный сердечник C образует замкнутый контур с двумя воздушными зазорами G в нем.
B – магнитное поле в сердечнике
B _F – «крайние поля». В зазорах G линии магнитного поля «выпячиваются», поэтому напряженность поля меньше, чем в сердечнике: B _F  <  B
B _L – поток рассеяния ; линии магнитного поля, которые не следуют за полной магнитной цепью
L – средняя длина магнитной цепи, используемой в уравнении 1 ниже. Это сумма длины L _core в частях железного сердечника и длины L _gap в воздушных зазорах G. Как поток рассеяния, так и краевые поля становятся больше по мере увеличения зазоров, уменьшая
силу, оказываемую магнитом.

Во многих практических применениях электромагнитов, таких как двигатели, генераторы, трансформаторы, подъемные магниты и громкоговорители, железный сердечник имеет форму петли или магнитной цепи , возможно, разорванной несколькими узкими воздушными зазорами. Железо оказывает гораздо меньшее «сопротивление» ( магнитное сопротивление ) магнитному полю, чем воздух, поэтому можно получить более сильное поле, если большая часть пути магнитного поля находится внутри сердечника. ^[2] Вот почему сердечник и линии магнитного поля имеют форму замкнутых петель.

Поскольку большая часть магнитного поля заключена в контурах контура сердечника, это позволяет упростить математический анализ. ^[2] См. рисунок справа. Распространенное упрощающее предположение, которому удовлетворяют многие электромагниты, которое будет использоваться в этом разделе, заключается в том, что напряженность магнитного поля B постоянна вокруг магнитной цепи (внутри сердечника и воздушных зазоров) и равна нулю вне ее. Большая часть магнитного поля будет сосредоточена в материале сердечника ( C ). Внутри сердечника магнитное поле ( B ) будет приблизительно равномерным по любому поперечному сечению, поэтому, если, кроме того, сердечник имеет приблизительно постоянную площадь по всей своей длине, поле в сердечнике будет постоянным. ^[2]

Это оставляет воздушные зазоры ( G ), если таковые имеются, между секциями сердечника. В зазорах линии магнитного поля больше не ограничиваются сердечником. Поэтому они «выпячиваются» за пределы контуров сердечника, прежде чем изогнуться обратно, чтобы войти в следующую часть материала сердечника, уменьшая напряженность поля в зазоре. _[ ^2] Выпуклости ( BF ) называются краевыми полями . ^[2] Однако до тех пор, пока длина зазора меньше размеров поперечного сечения сердечника, поле в зазоре будет примерно таким же, как в сердечнике.

Кроме того, некоторые линии магнитного поля ( B _L ) будут «сокращаться» и не проходить через всю цепь сердечника, и, таким образом, не будут способствовать силе, оказываемой магнитом. Это также включает линии поля, которые окружают обмотки проводов, но не входят в сердечник. Это называется потоком рассеяния .

Уравнения в этом разделе справедливы для электромагнитов, для которых:

1. магнитная цепь представляет собой одиночную петлю из сердечника, возможно, разорванную несколькими воздушными зазорами
2. сердечник имеет примерно одинаковую площадь поперечного сечения по всей длине.
3. любые воздушные зазоры между секциями материала сердечника невелики по сравнению с размерами поперечного сечения сердечника.
4. имеется незначительный поток утечки.

Магнитное поле в магнитной цепи

Магнитное поле, создаваемое электромагнитом, пропорционально как N , так и I , поэтому это произведение, NI , называется магнитодвижущей силой . Для электромагнита с одним магнитным контуром закон Ампера сводится к: ^{[2] [20] [21]}

${\displaystyle NI=H_{\mathrm {core} }L_{\mathrm {core} }+H_{\mathrm {gap} }L_{\mathrm {gap} }}$

Это нелинейное уравнение , поскольку μ изменяется в зависимости от B. Для точного решения значение μ при используемом значении B должно быть получено из кривой гистерезиса материала сердечника . ^[2] Если B неизвестно, уравнение должно быть решено численными методами .

Более того, если магнитодвижущая сила значительно превышает насыщение, то есть материал сердечника находится в состоянии насыщения, магнитное поле будет приблизительно равно значению насыщения B _sat для материала и не будет сильно меняться при изменении NI . Для замкнутой магнитной цепи (без воздушного зазора) большинство материалов сердечника насыщаются при магнитодвижущей силе примерно 800 ампер-витков на метр пути потока.

Для большинства материалов сердечника, . ^[21] Таким образом, в уравнении (2) выше, второй член доминирует. Поэтому в магнитных цепях с воздушным зазором B сильно зависит от длины воздушного зазора, а длина пути потока в сердечнике не имеет большого значения. При воздушном зазоре 1 мм требуется магнитодвижущая сила около 796 Ампер-витков для создания магнитного поля 1 Тл. ${\displaystyle \mu _{r}\approx 2000{\text{–}}6000\,}$

Замкнутая магнитная цепь

Поперечное сечение подъемного электромагнита, как на фото выше, показывающее цилиндрическую конструкцию. Обмотки ( C ) представляют собой плоские медные полосы, выдерживающие силу Лоренца магнитного поля. Сердечник образован толстым железным корпусом ( D ), который обертывает обмотки.

Для замкнутой магнитной цепи (без воздушного зазора), например, такой, которая может быть в электромагните, поднимающем кусок железа, соединенный мостиком с его полюсами, уравнение ( 2 ) принимает вид:

Подставляя в ( 1 ), получаем силу:

Видно, что для максимизации силы предпочтителен сердечник с коротким путем потока L и большой площадью поперечного сечения A (это также относится к магнитам с воздушным зазором). Чтобы достичь этого, в таких приложениях, как подъемные магниты (см. фото выше) и громкоговорители, часто используется плоская цилиндрическая конструкция. Обмотка намотана вокруг короткого широкого цилиндрического сердечника, который образует один полюс, а толстый металлический корпус, который оборачивается вокруг внешней части обмоток, образует другую часть магнитной цепи, выводя магнитное поле вперед для формирования другого полюса.

Сила между электромагнитами

Вышеуказанные методы применимы к электромагнитам с магнитной цепью и не применяются, когда большая часть пути магнитного поля находится вне сердечника. Примером без цепи может служить магнит с прямым цилиндрическим сердечником, как показано в верхней части этой статьи. Сосредоточение внимания только на силе между двумя электромагнитами (или постоянными магнитами) с четко определенными «полюсами», где линии поля выходят из сердечника, специальная аналогия, называемая моделью магнитного заряда, которая предполагает, что магнитное поле создается фиктивными «магнитными зарядами» на поверхности полюсов. Эта модель предполагает точечные полюса вместо реально существующих поверхностей, и, таким образом, она дает хорошее приближение только тогда, когда расстояние между магнитами намного больше их диаметра, поэтому она полезна только для силы между ними.

Силу магнитного полюса электромагнитов можно найти из: $${\displaystyle m={\frac {NIA}{L}}}$$

Сила между двумя полюсами равна: $${\displaystyle F={\frac {\mu _{0}m_{1}m_{2}}{4\pi r^{2}}}}$$

Каждый электромагнит имеет два полюса, поэтому общая сила, действующая на данный магнит со стороны другого магнита, равна векторной сумме сил полюсов другого магнита, действующих на каждый полюс данного магнита.

Побочные эффекты

В электромагнитах есть несколько побочных эффектов, которые должны быть предусмотрены в их конструкции. Они, как правило, становятся более существенными в более крупных электромагнитах.

Омический нагрев

Большие алюминиевые шины, передающие ток к электромагнитам в лаборатории сильного поля LNCMI (Национальная лаборатория интенсивных магнитных полей).

Единственная мощность, потребляемая в электромагните постоянного тока в установившемся режиме, обусловлена ​​сопротивлением обмоток и рассеивается в виде тепла. Некоторые большие электромагниты требуют систем водяного охлаждения в обмотках для отвода отработанного тепла .

Поскольку магнитное поле пропорционально произведению NI , число витков в обмотках N и ток I можно выбрать так, чтобы минимизировать тепловые потери, при условии, что их произведение постоянно. Поскольку рассеиваемая мощность P = I ² R увеличивается пропорционально квадрату тока, но увеличивается только приблизительно линейно с числом витков, потери мощности в обмотках можно минимизировать, уменьшив I и пропорционально увеличив число витков N или используя более толстый провод для уменьшения сопротивления. Например, уменьшение I вдвое и удвоение N вдвое уменьшает потери мощности, как и удвоение площади провода. В любом случае увеличение количества провода снижает омические потери. По этой причине электромагниты часто имеют значительную толщину обмоток.

Однако пределом увеличения N или снижения сопротивления является то, что обмотки занимают больше места между частями сердечника магнита. Если площадь, доступная для обмоток, заполнена, большее количество витков требует перехода на меньший диаметр провода, который имеет большее сопротивление, что сводит на нет преимущество использования большего количества витков. Таким образом, в больших магнитах существует минимальное количество потерь тепла, которое нельзя уменьшить. Оно увеличивается с квадратом магнитного потока B ² .

Индуктивные всплески напряжения

Электромагнит имеет значительную индуктивность и сопротивляется изменениям тока через его обмотки. Любые внезапные изменения тока обмотки вызывают большие скачки напряжения на обмотках. Это происходит потому, что когда ток через магнит увеличивается, например, когда он включен, энергия из цепи должна сохраняться в магнитном поле. Когда он выключен, энергия в поле возвращается в цепь.

Если для управления током обмотки используется обычный переключатель , это может вызвать искры на клеммах переключателя. Этого не происходит, когда магнит включен, потому что ограниченное напряжение питания заставляет ток через магнит и энергию поля медленно увеличиваться, но когда он выключен, энергия в магнитном поле внезапно возвращается в цепь, вызывая большой скачок напряжения и дугу на контактах переключателя, что может повредить их. В небольших электромагнитах иногда используется конденсатор на контактах, который уменьшает искрение за счет временного хранения тока. Чаще всего для предотвращения скачков напряжения используется диод , предоставляя путь для рециркуляции тока через обмотку, пока энергия не рассеется в виде тепла. Диод подключен параллельно обмотке, ориентирован так, чтобы он был обратно смещен во время работы в устойчивом состоянии и не проводил ток. Когда напряжение питания снимается, скачок напряжения смещает диод вперед, и реактивный ток продолжает течь через обмотку, через диод и обратно в обмотку. Диод, используемый таким образом, называется диодом обратного хода или диодом обратного хода .

Большие электромагниты обычно питаются от электронных источников питания переменного тока , управляемых микропроцессором , которые предотвращают скачки напряжения, выполняя изменения тока медленно, плавными скачками. Для включения или выключения большого магнита может потребоваться несколько минут.

Силы Лоренца

В мощных электромагнитах магнитное поле оказывает силу на каждый виток обмоток из-за силы Лоренца , действующей на движущиеся заряды внутри провода. Сила Лоренца перпендикулярна как оси провода, так и магнитному полю. Ее можно визуализировать как давление между линиями магнитного поля , раздвигающее их. Она оказывает два эффекта на обмотки электромагнита: ${\displaystyle q\mathbf {v} \times \mathbf {B} }$

• Линии поля внутри оси катушки оказывают радиальное усилие на каждый виток обмотки, стремясь вытолкнуть их наружу во всех направлениях. Это вызывает растягивающее напряжение в проводе.
• Линии поля утечки между каждым витком катушки создают силу притяжения между соседними витками, стремясь притянуть их друг к другу. ^{[ необходима цитата ]}

Силы Лоренца увеличиваются с B ² . В больших электромагнитах обмотки должны быть прочно закреплены на месте, чтобы предотвратить движение при включении и выключении питания, вызывающее усталость металла в обмотках. В конструкции Биттера , показанной ниже, используемой в исследовательских магнитах с очень высоким полем, обмотки выполнены в виде плоских дисков для сопротивления радиальным силам и закреплены в осевом направлении для сопротивления осевым силам.

Потери в сердечнике

В электромагнитах переменного тока (AC), используемых в трансформаторах , индукторах , а также двигателях и генераторах переменного тока , магнитное поле постоянно меняется. Это приводит к потерям энергии в их магнитных сердечниках , которые рассеиваются в виде тепла в сердечнике. Потери возникают из-за двух процессов:

• Вихревые токи : Согласно закону индукции Фарадея , изменяющееся магнитное поле индуцирует циркулирующие электрические токи внутри близлежащих проводников, называемые вихревыми токами . Энергия в этих токах рассеивается в виде тепла на электрическом сопротивлении проводника, поэтому они являются причиной потери энергии. Поскольку железный сердечник магнита является проводящим, и большая часть магнитного поля сосредоточена там, вихревые токи в сердечнике являются основной проблемой. Вихревые токи представляют собой замкнутые контуры тока, которые текут в плоскостях, перпендикулярных магнитному полю. Рассеиваемая энергия пропорциональна площади, охватываемой контуром. Чтобы предотвратить их, сердечники электромагнитов переменного тока изготавливаются из стопок тонких стальных листов или пластин , ориентированных параллельно магнитному полю, с изолирующим покрытием на поверхности. Изоляционные слои предотвращают протекание вихревых токов между листами. Любые оставшиеся вихревые токи должны протекать в пределах поперечного сечения каждой отдельной пластины, что значительно снижает потери. Другой альтернативой является использование ферритового сердечника , который является непроводником.
• Потери на гистерезис : Изменение направления намагничивания магнитных доменов в материале сердечника на обратное в каждом цикле приводит к потере энергии из-за коэрцитивной силы материала. Эти потери называются гистерезисом . Потеря энергии за цикл пропорциональна площади петли гистерезиса на графике BH . Чтобы минимизировать эти потери, магнитные сердечники, используемые в трансформаторах и других электромагнитах переменного тока, изготавливаются из «мягких» материалов с низкой коэрцитивной силой, таких как кремниевая сталь или мягкий феррит . Потеря энергии за цикл переменного тока постоянна для каждого из этих процессов, поэтому потеря мощности линейно увеличивается с частотой .

Электромагниты с высоким полем

Сверхпроводящие электромагниты

Самый мощный электромагнит в мире, гибридный биттер-сверхпроводящий магнит на 45 Т в Национальной лаборатории сильных магнитных полей США, Таллахасси, Флорида, США

Когда необходимо магнитное поле выше ферромагнитного предела в 1,6 Тл, можно использовать сверхпроводящие электромагниты . Вместо использования ферромагнитных материалов они используют сверхпроводящие обмотки, охлаждаемые жидким гелием , которые проводят ток без электрического сопротивления . Они позволяют протекать огромным токам, которые генерируют интенсивные магнитные поля. Сверхпроводящие магниты ограничены напряженностью поля, при которой материал обмотки перестает быть сверхпроводящим. Текущие конструкции ограничены 10–20 Тл, с текущим (2017) рекордом в 32 Тл. ^{[22] [23]} Необходимое холодильное оборудование и криостат делают их намного дороже обычных электромагнитов. Однако в приложениях высокой мощности это может быть компенсировано более низкими эксплуатационными расходами, поскольку после запуска для обмоток не требуется питание, поскольку энергия не теряется на омический нагрев. Они используются в ускорителях частиц и аппаратах МРТ .

Горькие электромагниты

Как железные, так и сверхпроводящие электромагниты имеют ограничения на поле, которое они могут создать. Поэтому самые мощные искусственные магнитные поля были созданы воздушными несверхпроводящими электромагнитами конструкции, изобретенной Фрэнсисом Биттером в 1933 году, называемыми электромагнитами Биттера . ^[24] Вместо проволочных обмоток магнит Биттера состоит из соленоида, сделанного из стопки проводящих дисков, расположенных таким образом, что ток движется по винтовой траектории через них, с отверстием через центр, где создается максимальное поле. Эта конструкция имеет механическую прочность, чтобы выдерживать экстремальные силы Лоренца поля, которые увеличиваются с B ² . Диски пронизаны отверстиями, через которые проходит охлаждающая вода, чтобы отводить тепло, вызванное высоким током. Самое сильное непрерывное магнитное поле, достигнутое исключительно с помощью резистивного магнита, составляет 41,5 Тесла по состоянию на 22 августа 2017 года ^[update], оно было создано электромагнитом Биттера в Национальной лаборатории сильных магнитных полей в Таллахасси , Флорида . ^{[25] [26]} Предыдущий рекорд составлял 37,5 Т. ^​​[27] Самое сильное непрерывное магнитное поле в целом, 45 Т, ^[24] было достигнуто в июне 2000 года с помощью гибридного устройства, состоящего из магнита Биттера внутри сверхпроводящего магнита.

Фактором, ограничивающим силу электромагнитов, является неспособность рассеивать огромное количество выделяемого тепла, поэтому более мощные поля, до 100 Тл ^[23] , были получены с помощью резистивных магнитов путем пропускания через них коротких импульсов сильного тока; неактивный период после каждого импульса позволяет отводить тепло, выделяемое во время импульса, перед следующим импульсом.

Взрывная накачка потока сжатия

Тип полой трубки взрыво-накачиваемого генератора компрессии потока. Полая медная трубка действует как одновитковая вторичная обмотка трансформатора; когда импульс тока от конденсатора в обмотках создает импульс магнитного поля, это создает сильный окружной ток в трубке, захватывая линии магнитного поля внутри. Затем взрывчатые вещества сжимают трубку, уменьшая ее диаметр, и линии поля сближаются, увеличивая поле.

Самые мощные искусственные магнитные поля ^[28] были созданы с помощью взрывчатых веществ для сжатия магнитного поля внутри электромагнита, когда он пульсирует; они называются генераторами компрессии потока с взрывной накачкой . Имплозия сжимает магнитное поле до значений около 1000 Тл ^[24] в течение нескольких микросекунд. Хотя этот метод может показаться очень разрушительным, формирование заряда перенаправляет взрыв наружу, чтобы минимизировать вред для эксперимента. Эти устройства известны как разрушительные импульсные электромагниты. ^[29] Они используются в исследованиях физики и материаловедения для изучения свойств материалов в сильных магнитных полях.

Определение терминов

Смотрите также

• Дипольный магнит – самая простая форма магнита.
• Электромагнетизм
• Электропостоянный магнит - магнитно-жёсткое электромагнитное устройство.
• Катушка возбуждения
• Магнитный подшипник
• Импульсный магнит поля
• Квадрупольный магнит – комбинация магнитов и электромагнитов, используемая в основном для воздействия на движение заряженных частиц.

Ссылки

1. Nave, Carl R. (2012). "Электромагнит". Гиперфизика . Кафедра физики и астрономии, Georgia State Univ. Архивировано из оригинала 22 сентября 2014 г. Получено 17 сентября 2014 г.
2. Merzouki, Rochdi; Samantaray, Arun Kumar; Pathak, Pushparaj Mani (2012). Интеллектуальные мехатронные системы: моделирование, управление и диагностика. Springer Science & Business Media. стр. 403–405. ISBN 978-1447146285. Архивировано из оригинала 2016-12-03.
3. Sturgeon, W. (1825). «Улучшенный электромагнитный аппарат». Trans. Royal Society of Arts, Manufactures, & Commerce . 43 : 37–52.цитируется в Miller, TJE (2001). Электронное управление коммутируемыми реактивными машинами. Newnes. стр. 7. ISBN 978-0-7506-5073-1. Архивировано из оригинала 2016-12-03.
4. Виндельшпехт, Майкл. Новаторские научные эксперименты, изобретения и открытия XIX века. Архивировано 11 января 2017 г. в Wayback Machine , xxii, Greenwood Publishing Group, 2003 г., ISBN 0-313-31969-3 . 
5. Кавикки, Элизабет. «Последовательные и параллельные эксперименты с электромагнитами» (PDF) . Pavia Project Physics, Univ. of Pavia, Италия. Архивировано (PDF) из оригинала 15 марта 2016 г. . Получено 22 августа 2015 г. .
6. Шерман, Роджер (2007). «Вклад Джозефа Генри в электромагнит и электродвигатель». Документы Джозефа Генри . Смитсоновский институт. Архивировано из оригинала 2012-06-08 . Получено 2008-08-27 .
7. "Schweigger Multiplier – 1820". Maglab . Национальная лаборатория сильных магнитных полей. Архивировано из оригинала 17 октября 2017 года . Получено 17 октября 2017 года .
8. Dawes, Chester L. (1967). «Электротехника». В Baumeister, Theodore (ред.). Стандартный справочник для инженеров-механиков (7-е изд.). McGraw-Hill. стр. 15-105.
9. Доус 1967, стр. 15-105–15-106
10. Доус 1967, стр. 15-106, Таблица 25
11. Dawes 1967, стр. 15-106
12. Андерхилл, Чарльз Р. (1906). Электромагнит. Д. Ван Ностранд. стр. 113. Архивировано из оригинала 01.05.2016.
13. Милликин, Роберт; Бишоп, Эдвин (1917). Элементы электричества. Чикаго: Американское техническое общество. С. 125.
14. Флеминг, Джон Эмброуз (1892). Короткие лекции для электротехников, 4-е изд. Лондон: E.& FN Spon. стр. 38–40. Архивировано из оригинала 11.01.2017.
15. Гейтс, Эрл (2013). Введение в основы электричества и электронных технологий. Cengage Learning. стр. 184. ISBN 978-1133948513. Архивировано из оригинала 2017-01-10.
16. Шипман, Джеймс; Джерри, Уилсон; Тодд, Аарон (2009). Введение в физическую науку (12-е изд.). Cengage Learning. стр. 205–206. ISBN 978-1111810283. Архивировано из оригинала 2017-01-11.
17. " Уровни потока насыщения различных магнитных материалов достигают 24,5 килогаусс " (2,5 Т) стр. 1 " Кремниевая сталь насыщается примерно при 17 килогаусс " (1,7 Т) стр. 3 Pauley, Donald E. (март 1996). "Магнетизм источников питания. Часть 1: Выбор материала сердечника трансформатора/индуктора". Преобразование мощности и интеллектуальное движение . Архивировано из оригинала 24 декабря 2014 г. . Получено 19 сентября 2014 г. .
18. Наиболее широко используемый материал магнитного сердечника, 3% кремниевая сталь, имеет индукцию насыщения 20 килогаусс (2 Тл). "Свойства материала, 3% зернисто-ориентированная кремниевая сталь". Каталог . Magnetic Materials Co. 2013. стр. 16. Архивировано из оригинала 20 сентября 2014 г. . Получено 19 сентября 2014 г. .
19. " Магнитная сталь полностью насыщается при примерно 2 Тл " Шорт, Томас Аллен (2003). Справочник по распределению электроэнергии. CRC Press. стр. 214. ISBN 978-0203486504.
20. Фейнман, Ричард П. (1963). Лекции по физике, т. 2. Нью-Йорк: Addison-Wesley. стр. 36–9 по 36–11, ур. 36–26. ISBN 978-8185015842.
21. Фицджеральд, А.; Кингсли, Чарльз; Куско, Александр (1971). Электрические машины, 3-е изд . США: McGraw-Hill. С. 3–5.
22. "32 Tesla All-Superconducting Magnet". Национальная лаборатория сильных магнитных полей, США. 2018.
23. "Mag Lab World Records". Media Center . National High Magnetic Field Laboratory, USA. 2008. Архивировано из оригинала 2008-10-07 . Получено 2008-08-31 .
24. Coyne, Kristin (2008). "Магниты: от мини до мощных". Magnet Lab U. Национальная лаборатория сильных магнитных полей. Архивировано из оригинала 2008-09-17 . Получено 2008-08-31 .
25. "MagLab восстанавливает рекорд самого сильного резистивного магнита". Национальная лаборатория сильных магнитных полей. 22 августа 2017 г. Получено 14 мая 2023 г.
26. Toth, J.; Bole, ST (апрель 2018 г.). ""Проектирование, строительство и первое тестирование 41,5-тетрафторэтиленового магнита с полным сопротивлением в NHMFL в Таллахасси"". Труды IEEE по прикладной сверхпроводимости . 28 (3). IEEE: 1–4. Bibcode : 2018ITAS...2875578T. doi : 10.1109/TASC.2017.2775578 . S2CID  7923594.
27. "HFML устанавливает мировой рекорд с новым магнитом 37,5 тесла". High Field Magnet Laboratory. 31 марта 2014 г. Архивировано из оригинала 4 сентября 2015 г. Получено 21 мая 2014 г.
28. «Какой самый сильный магнит в мире?». Apex magnetics. Ноябрь 2014. Архивировано из оригинала 5 февраля 2017 г. Получено 5 февраля 2017 г.
29. Койн, Кристин (2008). "7. Импульсные магниты: краткие яркие моменты". Магниты от мини до мощных . Национальная лаборатория сильных магнитных полей . Архивировано из оригинала 2014-12-20 . Получено 21-05-2014 .

Внешние ссылки

• Электромагниты - Фейнмановские лекции по физике