Как сделать электромагнит в домашних условиях

Применение катушки с током в технике

На электрических схемах катушка обозначается следующим образом:

Рис. 7. Обозначение катушки на схемах

Катушки с током широко используют в технике в качестве магнитов. Они удобны тем, что их магнитное действие можно изменять в широких пределах.

Магнитное поле катушки велико по сравнению с магнитным полем проводника (при одинаковой силе тока).

При пропускании тока через катушку вокруг нее образуется магнитное поле. Чем больший ток протекает по катушке, тем сильнее будет магнитное поле.

Его можно фиксировать с помощью магнитной стрелки или металлической стружки. Также магнитное поле катушки зависит от количества витков. Магнитное поле катушки с током тем сильнее, чем больше число витков в ней. То есть мы можем регулировать поле катушки, изменяя количество ее витков или электрический ток, протекающий по катушке.

Параметры постоянных магнитов

Чтобы изготовить электромагнитный двигатель своими руками, потребуется подобрать все компоненты. И самое главное — это постоянные магниты. У них имеется три основных характеристики:

  1. Остаточная магнитная индукция, которая позволяет определить величину потока. В том случае, когда на генераторе установлены постоянно магниты с очень большой индукцией, пропорционально будет увеличиваться напряжение на выходе обмоток. Следовательно, повышается мощность генераторной установки.
  2. Энергетическое произведение позволяет «пробивать» потоком воздушные зазоры. Чем больше величина энергетического произведения, тем меньше размеры всей системы.
  3. Коэрцитивная сила определяет значение магнитного напряжения. При использовании в генераторах магнитов с большой коэрцитивной силой поле без труда преодолеет любой воздушный зазор. Если витков в статоре очень много, то без лишних энергозатрат будет поддерживаться ток.

Шторочные двигатели

Генераторы, оснащенные электромагнитами переменного тока, могут быть выполнены и по другой схеме. Можно также с успехом использовать электрические магниты постоянного тока. Причём нет необходимости устанавливать коммутатор и устройство для переполюсовки торцов в зазорах с помощью реверса тока. Такими действиями можно существенно упростить всю силовую часть и управление магнитным двигателем.

Но придётся установить магнитный экран, который будет коммутироваться механическим способом. Обязательно требуется синхронно экранировать магнитные полюса на статоре и роторе в нужный в момент времени. Мощность электромагнитного двигателя от этого не пострадает, так как потерь при механической регулировке практически не будет. Работа двигателя с механической регулировкой происходит таким же образом, как и с электронной.

Электромагниты и их применение

Вот некоторые из примеров, где они используются:

  • Моторы и генераторы. Благодаря электромагнитам стало возможным производство электродвигателей и генераторов, которые работают по принципу электромагнитной индукции. Это явление было открыто ученым Майклом Фарадеем. Он доказал, что электрический ток создает магнитноее поле. Генератор использует внешнюю силу ветра, движущейся воды или пара, вращает вал, который заставляет двигаться набор магнитов вокруг спирального провода, чтобы создать электрический ток. Таким образом, электромагниты преобразуют в электрическую другие виды энергии.
  • Практика промышленного использования. Только материалы, сделанные из железа, никеля, кобальта или их сплавов, а также некоторые природные минералы реагируют на магнитное поле. Где используют электромагниты? Одной из сфер практического применения является сортировка металлов. Поскольку упомянутые элементы используются в производстве, с помощью электромагнита эффективно сортируют железосодержащие сплавы.
  • Где применяют электромагниты? С их помощью можно также поднимать и перемещать массивные объекты, например, автомобили перед утилизацией. Они также используются в транспортировке. Поезда в Азии и Европе используют электромагниты для перевозки автомобилей. Это помогает им двигаться на феноменальных скоростях.

Применение грузоподъемных и крупномасштабных электромагнитов

Электродвигатели и генераторы жизненно важны в современном мире. Мотор принимает электрическую энергию и использует магнит, чтобы превратить электрическую энергию в кинетическую. Генератор, наоборот, преобразует движение, используя магниты, чтобы вырабатывать электричество. При перемещении габаритных металлических объектов используются грузоподъемные электромагниты. Они также необходимы при сортировке металлолома, для отделения чугуна и других черных металлов от цветных.

Настоящее чудо техники — японский левитирующий поезд, способный развивать скорость до 320 километров в час. В нем используются электромагниты, помогающие парить в воздухе и невероятно быстро передвигаться. Военно-морские силы США проводят высокотехнологичные эксперименты с футуристической электромагнитной рельсовой пушкой. Она может направлять свои снаряды на значительные расстояния с огромной скоростью. Снаряды обладают огромной кинетической энергией, поэтому могут поражать цели без использования взрывчатых веществ.

Энергия постоянных магнитов

Каждый постоянный магнит обладает очень сильным полем, у которого высокая энергетика. Поэтому многие разработчики электромагнитных двигателей пытаются преобразовать магнитное поле в механическую энергию, заставляя непрерывно вращаться ротор. Для сравнения:

  1. Во время сгорания уголь способен выделить примерно 33 Дж/г энергии.
  2. У нефти этот показатель 44 Дж/г.
  3. У радиоактивного урана — 43 млрд Дж/г.

В теории постоянный магнит может выделить около 17 млрд Джоулей на каждый грамм (а это примерно треть от аналогичного параметра урана). Вот только коэффициент полезного действия у магнита не будет равен 100 %. Ресурс магнитов на основе феррита — не более 70 лет. Но это при том, что на него не воздействуют большие перепады температуры, физическая и магнитная нагрузки. Конечно, не заменит бензиновый агрегат V8 электромагнитный двигатель, но вот на легкой технике он может использоваться.

Промышленностью на данный момент выпускаются магниты, которые изготавливаются из редких металлов. Они в десятки раз мощнее, нежели простые ферритовые. Следовательно, эффективность их использования намного выше. Если такой постоянный магнит потеряет свою силу, то его запросто можно заново зарядить. Для этого достаточно воздействовать на него магнитным полем с большой силой. Они могут применяться в двигателях с электромагнитными клапанами. В них отсутствует распределительный вал, его функции берет на себя электроника.

Конструкция электромагнитного двигатель-генератора

Устройство состоит из таких узлов:

  1. Магнитный двигатель. На роторе находится постоянный магнит, а она статоре — электрический.
  2. Генератор электромеханического типа, расположенный на том же месте, что и двигатель.

Статорные электромагниты статического типа выполняются на магнитопроводе в форме кольца и вырезанными сегментами.

В конструкции также имеется индуктивная катушка и коммутатор, позволяющий осуществить в ней реверс тока. Постоянный магнит устанавливается на роторе. Обязательно должен быть двигатель с электромагнитной муфтой, с ее помощью ротор соединяется с валом генератора. Обязательно в конструкции должен быть автономный инвертор, который выполняет функцию простейшего регулятора.

Используется схема простейшего мостового автономного инвертора, соединяется он с выходом индуктивной обмотки электрического магнита. Вход питания подключается к аккумуляторной батарее. Электромагнитный генератор соединяется либо с обмоткой, либо же при помощи выпрямителя с аккумуляторной батареей.

Использование электромагнитов

Промышленный электромагнит подъема металлолом, 1914

Разборный электромагнит является один предназначен только удерживать материал на месте; Пример является подъемным магнитом. Тяговое электромагнит применяет силу и движется что — то.

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

  • Двигатели и генераторы
  • трансформеры
  • Реле
  • Электрические звонки и зуммеры
  • Акустические системы и наушники
  • Приводы , такие как клапаны
  • Магнитная запись и хранение данных оборудование: магнитофоны , видеомагнитофоны , жесткие диски
  • МРТ машины
  • Научное оборудование , такое как масс — спектрометров
  • ускорители частиц
  • Магнитные замки
  • Магнитное разделение оборудования, используемого для отделения от магнитного немагнитного материала, например отделени черных металлов из другого материала в металлоломе.
  • Промышленные грузоподъемные магниты
  • магнитная левитация , используемая в Маглев поезде или поезд
  • Индукционный нагрев для приготовления пищи, производство и гипертермия терапии

Лаборатория электромагнит. Производит 2 T поле с 20 А тока.

Магнит в массе — спектрометре

AC электромагнит на статоре в качестве электродвигателя

Магниты в качестве электрического звонка

Высокопольные электромагниты

сверхпроводящие электромагниты

Самый мощный электромагнит в мире, 45 T гибридная Bitter-сверхпроводящий магнит в Национальной лаборатории сильных магнитных США Field, Таллахасси, Флорида, США

Когда магнитное поле выше , чем предел ферромагнитного 1,6 Т необходимо, сверхпроводящие электромагниты могут быть использованы. Вместо того чтобы использовать ферромагнитные материалы, эти использование сверхпроводящих обмоток с охлаждением жидким гелием , который проводит ток без электрического сопротивления . Они позволяют огромные токи течь, которые генерируют интенсивные магнитные поля. Сверхпроводящие магниты ограничены напряженности поля , при котором намотка материал перестает быть сверхпроводящим. Современные конструкции ограничиваются 10-20 Т с текущими (2017) записями 32 Т. Необходимое холодильное оборудованием и криостатом сделать их гораздо дороже обычных электромагниты. Однако при высоких энергетическом это может быть компенсировано более низкими эксплуатационными расходами, так как после запуска никакой силы не требуется для обмоток, так как энергия не теряются омическим нагрев. Они используются в ускорителях частиц и МРТ машин.

Горькие электромагниты

Оба ферромагнитных и сверхпроводящие электромагниты имеют пределы области они могут произвести. Таким образом, наиболее мощные техногенные магнитные поля были сгенерированы с воздушным сердечником несверхпроводящего электромагниты конструкции изобретенной Фрэнсис Биттер в 1933 году под названием Bitter электромагнитов . Вместо проволочных обмоток, горькое магнит состоит из соленоида , выполненного из стопки проводящих дисков, расположенных таким образом , что ток движется по спиральной траектории через них, с отверстием по центру , где создается максимальное поле. Эта конструкция имеет механическую прочность , чтобы выдерживать экстремальные силы Лоренца поля, которые увеличивают с B 2 . Диски проколоты с отверстиями , через которые охлаждающая вода проходит унести тепло , вызванное высоким током. Самое сильное непрерывное поле достигается только с резистивным магнитом 37.5 T по состоянию на 31 марта 2014, произведенный биттеровского электромагнита в Radboud University High Field Laboratory Magnet в Неймеген , в Нидерландах . Предыдущий рекорд был 35 Т. сильным непрерывным магнитное поля в целом, 45 Т, был достигнут в июне 2000 года с гибридным устройством , состоящим из горького магнита внутри сверхпроводящего магнита.

Взрывающиеся закачивается поток сжатия

Полая трубка типа ударно-волнового излучателя.

Фактор , ограничивающий силу электромагнитов является невозможностью для рассеивания тепла огромные отходов, поэтому более мощных полей, вплоть до 100 T, были получены из резистивных магнитов, посылая короткие импульсы высокого тока через них; неактивный период после каждого импульса позволяет тепло , произведенное в течение импульса , чтобы быть удалены, до начала следующего импульса. Наиболее мощные искусственные магнитные поля были созданы с использованием взрывчатых веществ , чтобы сжать магнитное поле внутри электромагнита , как это импульсное; их называют взрывным накачкой потока генераторов сжатия . Имплозии сжимает магнитное поле до значений около 1000 T в течение нескольких микросекунд. В то время как этот метод может показаться очень разрушительным, можно перенаправить удар взрыва в радиальном направлении наружу , так что ни эксперимент , ни магнитная структура страдает. Эти устройства известны как деструктивные импульсные электромагниты. Они используются в физике и материалов науки исследований по изучению свойств материалов при высоких магнитных полей.

Шторочный двигатель Дудышева

На статоре установлен неподвижный кольцевой электромагнит, на котором имеется обмотка. Между магнитопроводом и ротором присутствует небольшой зазор. На роторе располагается постоянный магнит и шторки. Это магнитные экраны, они расположены с внешней стороны и вращаются независимо от ротора. На валу двигателя находится маховик и стартер-генератор. На электромагните статора располагается обмотка, которая соединяется посредством выпрямителя со стартер-генератором.

Запуск такой конструкции осуществляется при помощи стартера, который находится на одном валу с мотором. После того, как запустится электродвигатель и он выйдет в нормальный режим работы, стартер начинает работать как генератор, то есть, вырабатывает напряжение. Шторки перемещаются на диске при повороте ротора максимально синхронно. При этом обеспечивается циклическая экранировка одноименных полюсов электромагнита.

Другими словами, обязательно нужно обеспечить при помощи различных технических средств такое перемещение диска со шторками и ротора, чтобы экраны располагались между одноименными полюсами неподвижного электрического магнита и постоянного на роторе. Возможности работы электрического магнитного двигателя в установившемся режиме:

  1. Когда ротор вращается принудительно, имеется возможность вырабатывать электроэнергию при помощи генератора.
  2. Если присоединить к нему индуктивную обмотку, то машина переводится в режим мотор-генератора. При этом передается вращение на совмещённый вал, работа электромагнитного двигателя происходит в двух режимах.

Классификация

Простейший электромагнит: вокруг ферромагнитного сердечника намотан электропровод в изоляции

Выделяют три типа электромагнитов по способу создания магнитного потока.

Нейтральные электромагниты постоянного тока

Постоянный магнитный поток создается постоянным током в обмотке таким образом, что сила притяжения зависит только от величины и не зависит от направления тока в обмотке.

Поляризованные электромагниты постоянного тока

Присутствуют два независимых магнитных потока — рабочий и поляризующий. Первый создается рабочей (или управляющей) обмоткой. Поляризующий поток чаще всего создается постоянными магнитами, иногда дополнительными электромагнитами, и используется для обеспечения наличия притягивающей силы при выключенной рабочей обмотке. В целом действие такого магнита зависит как от величины, так и от направления электрического тока в рабочей обмотке.

Электромагниты переменного тока

В этих магнитах питание обмотки осуществляется от источника переменного тока, магнитный поток периодически изменяется по величине и направлению, а однонаправленная сила притяжения меняется только по величине, в результате чего сила притяжения пульсирует от нуля до максимального значения с удвоенной частотой по отношению к частоте питающего тока.
Широко применяют в электротехнике, начиная от бытовой техники до плит электромагнитных для станков, при магнитопорошковом методе неразрушающего контроля.

Другие классификации

Электромагниты различают также по ряду других признаков: по способу включения обмоток — с параллельными и последовательными обмотками; по характеру работы — работающие в длительном, прерывистом и кратковременном режимах; по скорости действия — быстродействующие и замедленного действия, создающие постоянное или переменное магнитное поле и т. д.

Способы эксплуатации

Наиболее широкой и важной областью применения электромагнитов является сфера конструирования и эксплуатации электрических машин и аппаратов, входящих в систему автоматики в промышленности. Другой важной областью является аппаратура регулировки и защиты электротехнических объектов/установок

Также электромагниты применяются при изготовлении разнообразных механизмов, в роли привода по которому осуществляется необходимое поступательное перемещение (поворот) рабочего органа определенной машины или для создания удерживающих сил. Примером последних функций может служить электромагнит в составе грузоподъемного механизма/машины. Существуют электромагниты муфт, необходимых для начала действия торможения или установления сцепления (в машинах), электромагниты, применяемых в пускателях, устройствах контактора и выключателя, а также их используют при создании электроизмерительных приборов и т. д.

Электромагниты – это устройства, которые являются перспективными при конструировании тяговых приводов в скоростных транспортных средствах, где с их помощью создают магнитную подушку. В настоящее время и медицина не обходится без использования электромагнитов. При проведении химических, биологических и физических экспериментов их нередко применяют. Благодаря широте эксплуатации и конструктивном исполнении, а также масштабе и затратам энергии, электромагниты являются доступными как в быту, так и в любых других сферах деятельности человека. Вес электромагнитов может варьироваться от нескольких грамм до сотни тон, а потребляемое электричество расходуется – от доли Вт до многих десятков МВт.

Устройство электромагнитов

Несмотря на обширное, судя по описанной выше классификации, количество разнообразных вариантов электромагнитов, существуют определенные однотипные узлы, которые встречаются у всех ЭМ.

  • Катушка с расположенной на ней намагничивающей обмоткой
  • Подвижная часть электромагнита — якорь
  • Неподвижная часть — ярмо и сердечник

Между якорем и неподвижными частями существуют воздушные промежутки. Так вот, воздушные промежутки бывают полезными и паразитными. Полезные промежутки располагаются по возможному пути движения якоря. Паразитные промежутки лежат за пределами движения якоря.

Также существует понятие полюса. Полюсами называют поверхности магнитопровода, которые ограничивают полезный воздушный промежуток.

Конструктивные формы электромагнитов переменного тока не имеют множества вариантов, за счет того, что сердечник набирается из листов электротехнической стали. Это необходимо для борьбы с вихревыми токами.

Применение электромагнитов

На сегодняшний день электромагниты очень широко распространены. Электромагниты работают практически везде и всюду. Например, если нам надо перетащить достаточно большие грузы, мы используем электромагниты. И, регулируя силу тока, мы будем, соответственно, силу либо увеличивать, либо уменьшать. Еще одним примером использования электромагнитов является электрический звонок.

Открытие и закрытие дверей и тормоза некоторых транспортных средств (например, трамвая) тоже обеспечиваются электромагнитами.

Список литературы

  1. Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. Физика 8 / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. – М.: Мнемозина.
  2. Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
  3. Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. – М.: Просвещение.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

  1. Инернет-портал «interneturok.ru» (Источник)
  2. Инернет-портал «interneturok.ru» (Источник)
  3. Инернет-портал «class-fizika.narod.ru» (Источник)

Домашнее задание

  1. Что представляет собой катушка?
  2. У любой ли катушки есть магнитное поле?
  3. Опишите простейший электромагнит.

Общая характеристика

Электромагнит – это простая катушка провода, которая подключена к источнику, передающему постоянный ток.

Подключившись к источнику постоянного тока (а также напряжения), катушка и провод начинают получать энергетические ресурсы и создают магнитное поле, которое является подобным полю, что образуется в постоянных полосовых магнитах. Плотность, которой обладает магнитный поток, всегда является пропорциональной величине электрического тока, протекающего сквозь толщу катушки. Полярность электромагнита определяют по направлению тока. Механизм образования включает в себя (самый простой вариант) наматывание провода вокруг сердечника, выполненного из металла, через который потом пропускают электричество из определенного источника. Если внутренняя полость катушка заполнена воздухом, то ее называют соленоидом.

Электромагнит – это устройств, посредством которого можно создавать электромагнитное поле. Главной характеристикой является его способность контролировать силу данного поля, полярность и ее форму. При этом силу магнитного поля контролируют посредством величины использованного электрического тока, который протекает сквозь катушку. Полярность можно задавать, определив в каком направлении нужно двигать протекающий ток. Форма магнитного поля зависит от формы металлической сердцевины, служащей «стержнем» для обмотки проводом. Не забывайте, что полюса электромагнита определяются аналогично тому, как это делают в соленоидах, по физическому правилу правой руки. П.П.Р. также называют правилом буравчика, являющегося мнемоническим средством, посредством которого определяют направление векторных произведений и правого базиса.

Увеличивать силу электромагнита, а точнее его поля, можно при помощи:

  • применения сердечников из «мягкого» железа;
  • применения больших чисел витков;
  • применения электрического тока в больших размерах.

Простой электромагнитный

Обычный тяговый электромагнит равномерно обмотка соленоид и плунжер. Соленоида является катушкой провода, и поршень выполнен из материала , такие как мягкое железо. Применение тока к соленоиду прикладывает усилие к поршню и может заставить его двигаться. Плунжер прекращает движение , когда силы на нем сбалансированы. Так , например, силы уравновешены , когда поршень находится в центре соленоида.

Максимально равномерная тяга происходит , когда один конец плунжера находится в середине соленоида. Приближение для силы F является

Fзнак равноСANяL{\ Displaystyle Р = CANI / л}

где С является константой пропорциональности, представляет собой площадь поперечного сечения плунжера, п есть число витков соленоида, я это ток через провод соленоида, а л длина соленоида. Для устройств , использующих дюймов, фунтов силы, и ампер с длинными тонкими, соленоиды, значение C составляет около 0,009 до 0,010 фунтов на квадратный дюйм (максимальное тянуть фунтов на квадратный дюйм площади плунжера поперечного сечения). Например, 12-дюймовый длиной катушки ( л = 12 в ) с длинным плунжером 1-квадратный дюйм поперечного сечения ( А = 1 в 2 ) и 11200 ампер-витков ( п я = 11200 Aturn ) имел максимальную тягу 8,75 фунтов ( что соответствует C = 0,0094 фунтов на квадратный дюйм ).

Максимальное тяговое усилие увеличивается , когда магнитная остановка вставляются в соленоид. Остановка становится магнитом , который будет притягивать поршень; он добавляет немного к электромагнитному тянуть , когда поршень находится далеко , но резко возрастает тяга , когда они близки. Приближение для вытягивания P является

пзнак равноANя(NяLa2С12)+(СL)знак равно(AN2я2La2С12)+(СANяL){\ Displaystyle Р = AnI [(нл / л _ {\ mathrm {а}} ^ {2} C_ {1} ^ {2}) + (С / л)] = (Ап ^ {2} Я ^ {2} / л _ {\ mathrm {а}} ^ {2} C_ {1} ^ {2}) + (CANI / л)}

Здесь л расстояние между концом упора и концом плунжера. Дополнительная константа C 1 для единиц дюймов, фунтов, и ампер с тонкими соленоидами составляет около 2660. Второго члена в скобке представляет собой такую же силу , как и стоп-менее соленоид выше; первый член представляет собой притяжение между упором и поршнем.

Некоторые усовершенствования могут быть сделаны на основной конструкции. Концы остановки и плунжера часто конические. Например, поршень может иметь заостренный конец, который вписывается в согласующего углубление в остановке. Форма делает тянуть соленоида более однородны как функция разделения. Другое усовершенствованием является добавление магнитного обратного пути вокруг внешней стороны соленоида ( «железный плакированный соленоид»). Магнитный обратный путь, так как остановка, имеет незначительное влияние, пока воздушный зазор не мал.

Магнитное поле катушки с током

Исследованием магнитного поля катушки занимались два известных ученых: Андре-Мари Ампер и Франсуа Араго. Они выяснили, что магнитное поле катушки полностью соответствует магнитному полю постоянного магнита (рис. 2).

Рис. 2. Магнитное поле катушки и постоянного магнита

Почему магнитные линии катушки имеют такой вид

Если через прямой проводник протекает постоянный ток, вокруг него возникает магнитное поле. Направление магнитного поля можно определить по «правилу буравчика» (рис. 3).

Рис. 3. Магнтное поле проводника

Сгибаем этот проводник по спирали. Направление тока остается таким же, магнитное поле проводника так же существует вокруг проводника, поле разных участков проводника складывается. Внутри катушки магнитное поле будет сосредоточено. В итоге получим следующую картину магнитного поля катушки (рис. 4).

Рис. 4. Магнитное поле катушки

Вокруг катушки с током имеется магнитное поле. Его, как и поле прямого проводника, можно обнаружить при помощи опилок (рис. 5). Линии магнитного поля катушки с током являются также замкнутыми.

Рис. 5. Расположение металлических опилок около катушки с током

Если катушку с током подвесить на тонких и гибких проводниках, то она установится так же, как магнитная стрелка компаса. Один конец катушки будет обращен к северу, другой – к югу. Значит, катушка с током, как и магнитная стрелка, имеет два полюса – северный и южный (рис. 6).

Рис. 6. Полюса катушки

Ссылка на основную публикацию