ЭЛЕКТРОМАГНИТ: СОСТАВ, ЧАСТИ, ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ - услуги электромонтажа, строительства и ремонта

Где B – магнитное поле (или магнитная индукция), которое в единицах Международной системы измеряется в теслах, μ – магнитная проницаемость сердечника, n – плотность катушки или количество витков на метр и, наконец, ток I., который циркулирует по обмотке, измеряется в амперах (A).

Содержание

электромагнит: конструкция, части, принцип действия и применение

А электромагнит Это устройство, которое генерирует магнетизм из электрического тока. Если электрический ток прекращается, магнитное поле также исчезает. В 1820 году было обнаружено, что электрический ток создает магнитное поле в окружающей среде. Четыре года спустя был изобретен и построен первый электромагнит.

Первый электромагнит представлял собой железную подкову, покрытую изоляционным лаком, на которую было намотано восемнадцать витков медной проволоки без электрической изоляции.

Современные электромагниты могут иметь различную форму в зависимости от конечного применения, для которого они должны использоваться; и покрытие наносится именно на кабель, а не на железный сердечник. Наиболее распространенной формой железного сердечника является цилиндрический сердечник, на который наматывается изолированный медный провод.

Можно сделать электромагнит с одной лишь обмоткой, создающей магнитное поле, но железный сердечник многократно увеличивает напряженность поля.

Когда электрический ток проходит через катушку электромагнита, железный сердечник намагничивается. Это означает, что собственные магнитные моменты материала выравниваются и суммируются, усиливая общее магнитное поле.

Магнетизм как таковой известен по крайней мере с 600 года до н.э., когда грек Фалес из Милета подробно описал магнетизм. Магнетит, минерал железа, естественным и постоянным образом создает магнетизм.

Как упоминалось выше, самый простой способ сделать электромагнит – это использовать металлический стержень и медную проволоку, подобрав их в соответствии с требуемой мощностью. Напряжение питания для этого устройства подбирается экспериментально в зависимости от силы тока и нагрева конструкции. Для удобства можно использовать пластиковую катушку ниток или аналогичную, а под ее внутреннее отверстие подвести стержень – шуруп или гвоздь.

Как сделать электромагнит в домашних условиях

Каждый отдельный или несколько витков изолированного провода, соленоид, становится магнитом, когда через него пропускают ток. Сила такого магнита при заданном токе может быть значительно увеличена, если оснастить соленоид железным якорем. Полученная система называется электромагнитом.

Приводя различные части якоря в движение относительно друг друга, мы получаем механизм, который может производить механическую работу при подаче тока на его обмотки.

По конструкции электромагниты можно разделить на четыре основные группы:

с внешней арматурой,

вращающийся якорь,

электромагниты для создания магнитных полей.

Электромагнит – это искусственный магнит, в котором магнитное поле создается и концентрируется в ферромагнитном сердечнике в результате протекания электрического тока через окружающую его катушку, т.е. при прохождении тока через катушку помещенный в нее сердечник приобретает свойства естественного магнита.

Спектр применения электромагнитов очень широк. Они используются в электрических машинах и оборудовании, в устройствах автоматики, в медицине, в различных видах научных исследований. Чаще всего электромагниты и соленоиды используются для перемещения машин и в производстве для подъема грузов.

Например, подъемный электромагнит – это очень удобный, эффективный и экономичный механизм: не требуется персонал для крепления и освобождения транспортируемого груза. Просто поместите электромагнит на передаваемый груз и включите электрический ток в катушку электромагнита, и груз притянется к электромагниту; чтобы отпустить груз, просто выключите ток.

Все виды электромагнитов используются как для постоянного, так и для однофазного переменного тока, с той разницей, что для переменного тока все железные части изготавливаются, для уменьшения потерь на токи Фуко, из листового железа, а для постоянного тока – в основном из цельного железа.

Конструкцию электромагнита легко повторить, и в основном это не что иное, как сердечник и катушка проводника. В этой статье мы ответим на вопрос, как сделать электромагнит своими руками.

Как работает электромагнит (теория)

Если по проводнику течет электрический ток, вокруг него образуется магнитное поле. Поскольку ток может течь только при замкнутой цепи, проводник должен представлять собой замкнутый контур, например, круг, который является простейшим замкнутым контуром.

В прошлом проводник, свернутый в круг, часто использовался для наблюдения влияния тока на магнитную стрелку, помещенную в центр круга. В этом случае стрелка находится на одинаковом расстоянии от всех частей проводника, что облегчает наблюдение за воздействием тока на магнит.

Чтобы усилить действие электрического тока на магнит, можно сначала увеличить силу тока. Однако если согнуть проводник, по которому течет ток, дважды вокруг охватываемой им цепи, то воздействие тока на магнит удваивается.

Следовательно, можно многократно увеличить это действие, обернув проводник вокруг данной цепи соответствующее количество раз. Полученное проводящее тело, состоящее из отдельных витков, число которых может быть любым, называется катушкой.

Вспомним школьный курс физики, а именно, что при протекании электрического тока через проводник создается магнитное поле. Если проводник свернут, то линии магнитной индукции всех витков складываются, и результирующее магнитное поле будет сильнее, чем у одиночного проводника.

Магнитное поле, создаваемое электрическим током, в принципе, принципиально не отличается от магнитного поля, если вернуться к электромагнитам, то формула для его тягового усилия выглядит следующим образом

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

То есть, тяговое усилие электромагнита зависит от магнитной индукции, рассмотрим ее формулу:

U0 – магнитная постоянная (12,5*107 Гн/м), U – магнитная проницаемость среды, N/L – число витков на единицу длины катушки, I – ток.

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

Ниже приведена таблица относительных магнитных проницаемостей для различных сред. Мы видим, что проницаемость воздуха равна 1, в то время как у других материалов она в десятки и даже сотни раз выше.

В электротехнике для сердечников используется специальный металл, который часто называют электротехнической или трансформаторной сталью. В третьей строке таблицы мы видим “железо с кремнием”, которое имеет относительную магнитную проницаемость 7*103 или 7000 Гн/м.

Это среднее значение для трансформаторной стали. Он отличается от обычного именно содержанием кремния. На практике его относительная магнитная проницаемость зависит от приложенного поля, но не будем вдаваться в подробности. Что такое сердечник в катушке? Сердечник из электротехнической стали увеличит магнитное поле катушки примерно в 7000-7500 раз!

Для начала просто запомните, что материал сердечника внутри катушки определяет магнитную индукцию, которая, в свою очередь, определяет силу, с которой электромагнит будет притягиваться.

Практика

Одним из самых популярных экспериментов, проводимых для демонстрации формирования магнитного поля вокруг проводника, является эксперимент с металлической стружкой. Проводник покрывается листом бумаги, на него высыпаются магнитные опилки, затем через проводник пропускается электрический ток, и опилки каким-то образом меняют свое положение на бумаге. Это почти как электромагнит.

Однако для электромагнита одного лишь притяжения металлических стружек недостаточно. Поэтому нужно его усилить, исходя из вышесказанного – нужно сделать катушку, намотанную на металлический сердечник. Простейшим примером может служить изолированный медный провод, намотанный на гвоздь или шуруп.

Такой электромагнит способен притягивать различные булавки, скрепки и тому подобное.

В качестве провода может быть использован любой провод с ПВХ или другой изоляцией, или лакированный изолированный медный провод типа ПЭЛ или ПЭВ, который используется для обмоток трансформаторов, динамиков, двигателей и т.д. Его можно найти либо новым в катушках, либо намотанным из тех же трансформаторов.

10 Тонкости изготовления электромагнитов в простых терминах:

1. изоляция по всей длине провода должна быть равномерной и неповрежденной, чтобы не было межобмоточных повреждений.

2. намотка должна быть в одном направлении, как на катушке для намотки ниток, т.е. вы не можете согнуть проволоку на 180 градусов и пойти в противоположном направлении. Это происходит потому, что результирующее магнитное поле будет равно алгебраической сумме полей каждой катушки, не вдаваясь в подробности, катушки, намотанные в противоположном направлении, будут генерировать электромагнитное поле противоположного знака, что приведет к вычитанию полей, и в результате сила магнита будет меньше, а если количество катушек в обоих направлениях одинаково, то магнит вообще ничего не притянет, потому что поля будут взаимно гаситься.

(3) Сила электромагнита также будет зависеть от силы тока, а она зависит от напряжения, приложенного к катушке, и ее сопротивления. Сопротивление катушки зависит от длины провода (чем длиннее, тем больше) и площади поперечного сечения (чем больше площадь поперечного сечения, тем меньше сопротивление), приблизительный расчет можно сделать по формуле – R=p*L/S

4) Если ток слишком велик, катушка перегорит.

5. Для постоянного тока этот ток будет больше, чем для переменного, из-за влияния реактивного сопротивления индуктивности.

(6) При работе на переменном токе катушка будет гудеть и дребезжать, ее поле будет постоянно менять направление, а притягивающая сила будет меньше (в два раза), чем при работе на постоянном токе. В этом случае сердечник для катушек переменного тока изготавливается из тонколистового металла, собранного в единый блок, при этом пластины изолируются друг от друга лаком или тонким слоем окалины (оксида), так называемой шихты – для уменьшения потерь и токов Фуко.

Электрический магнит переменного тока будет весить в два раза больше при том же тяговом усилии, поэтому его размеры соответственно увеличатся.

(8) Однако стоит учесть, что электромагниты переменного тока имеют более высокую скорость, чем магниты постоянного тока.

9. сердечники электромагнитов постоянного тока

10. Оба типа электромагнитов могут питаться как от постоянного, так и от переменного тока, вопрос только в том, какой силой они будут обладать и какие потери и нагрев будут иметь место.

3 идеи для создания собственного электромагнита на практике

Как уже говорилось, самый простой способ сделать электромагнит – это использовать металлический стержень и медную проволоку, подведя оба под необходимую мощность. Напряжение питания для этого устройства подбирается экспериментально в зависимости от силы тока и нагрева конструкции. Для удобства можно использовать пластиковую катушку ниток или аналогичную, а под ее внутреннее отверстие подвести стержень – шуруп или гвоздь.

Второй вариант – использовать почти готовый электромагнит. Подумайте об электромагнитных коммутационных устройствах, таких как реле, магнитные пускатели и контакторы. Катушка от автомобильного реле пригодится для приложений постоянного тока и 12 В. Все, что требуется, – это снять корпус, разобрать подвижные контакты и подключить источник питания.

Для работы с напряжением 220 или 380 В удобно использовать катушки от магнитных пускателей и контакторов, которые наматываются на оправку и легко снимаются. Выберите сердечник в зависимости от площади поперечного сечения отверстия в катушке.

Таким образом, вы можете включить магнит из розетки и удобно регулировать его силу с помощью реостата или ограничить ток с помощью мощного резистора, например, нихромовой катушки.

Поверхности подвижной или неподвижной части провода магнита, ограничивающие рабочий зазор, называются полюсами.

Электромагниты и их применение

Электромагнит генерирует магнитное поле с помощью катушки, в которую подается электрический ток. Для того чтобы усилить это поле и направить магнитный поток в определенном направлении, большинство электромагнитов имеют катушку из магнитомягкой стали.

Электромагниты стали настолько привычными, что трудно назвать область техники, где они не используются в той или иной форме. Они содержатся во многих бытовых приборах – электробритвах, магнитофонах, телевизорах и т.д. Такие устройства коммуникационных технологий, как телефония, телеграфия и радио, немыслимы без их использования.

Электромагниты являются неотъемлемой частью электрических машин, многих устройств промышленной автоматизации, регулирования и защиты различного электрооборудования. Растущей областью применения электромагнитов являются медицинские устройства. Наконец, гигантские электромагниты используются в синхрофазотронах для ускорения элементарных частиц.

Масса электромагнитов варьируется от долей грамма до сотен тонн, а потребляемая при их работе электрическая мощность – от милливатт до десятков тысяч киловатт.

Особой областью применения электромагнитов являются электромагнитные механизмы. В этих приложениях электромагниты используются в качестве исполнительных механизмов для перемещения или поворота инструмента в пределах ограниченного угла или для создания удерживающего усилия.

Примерами таких электромагнитов являются тяговые электромагниты, предназначенные для выполнения определенной работы при перемещении определенных рабочих частей; электромагнитные замки; электромагнитные муфты и тормозные электромагниты; электромагниты, приводящие в действие контактные устройства в реле, контакторах, пускателях, выключателях; подъемные электромагниты, электромагниты вибраторов и т.д.

В ряде устройств постоянные магниты используются вместе с электромагнитами или вместо них (например, магнитные плиты станков, тормоза, магнитные замки и т.д.).

Электромагниты имеют множество различных конструкций, отличающихся по своим характеристикам и параметрам, поэтому классификация облегчает изучение процессов, происходящих при их работе.

В зависимости от способа создания магнитного потока и характера намагничивающей силы электромагниты делятся на три группы: нейтральные электромагниты постоянного тока, поляризованные электромагниты постоянного тока и электромагниты переменного тока.

В электромагнитах с нейтралью постоянного тока рабочий магнитный поток создается обмоткой постоянного тока. Работа электромагнита зависит только от величины этого потока и не зависит от его направления, а значит, и от направления тока в обмотке электромагнита. В отсутствие тока магнитный поток и притягивающая сила, действующая на якорь, практически равны нулю.

Поляризованные электромагниты постоянного тока характеризуются наличием двух независимых магнитных потоков: (поляризационный и рабочий). Поляризующий магнитный поток в большинстве случаев создается постоянными магнитами. Иногда для этой цели используются электромагниты. Рабочий поток создается намагничивающей силой рабочих или управляющих обмоток. Если в них нет тока, то на якорь действует притягивающая сила, создаваемая поляризованным магнитным потоком. Действие поляризованного электромагнита зависит от величины и направления рабочего потока, т.е. от направления тока в рабочей обмотке.

Электромагниты переменного тока

В электромагнитах переменного тока обмотка питается от источника переменного тока. Магнитный поток, создаваемый обмоткой переменного тока, периодически изменяется по величине и направлению (переменный магнитный поток), заставляя силу электромагнитного притяжения пульсировать от нуля до максимума с частотой, вдвое превышающей частоту тока питания.

Однако в случае тяговых электромагнитов снижение электромагнитной силы ниже определенного уровня недопустимо, так как это приводит к вибрации якоря и, в некоторых случаях, к полному нарушению нормальной работы. Поэтому для тяговых магнитов, работающих с переменным магнитным потоком, необходимо принять меры для уменьшения глубины пульсации силы (например, с помощью экранирующей катушки, охватывающей часть полюса электромагнита).

Кроме вышеперечисленных типов, в настоящее время очень распространены выпрямительные электромагниты, которые по источнику питания можно отнести к электромагнитам переменного тока, а по характеристикам схожи с электромагнитами постоянного тока. Однако существуют некоторые особенности их работы.

В зависимости от способа соединения обмоток различают электромагниты с последовательными и параллельными обмотками.

Последовательные обмотки, работающие при заданном токе, состоят из небольшого числа катушек с большим поперечным сечением. Ток, протекающий через эту обмотку, практически не зависит от ее параметров, но зависит от характеристик нагрузок, подключенных последовательно с обмоткой.

Параллельные обмотки, работающие при заданном напряжении, обычно имеют очень большое число витков и изготавливаются из провода с малым сечением.

По характеру работы обмотки электромагниты делятся на непрерывно работающие, прерывисто работающие и периодически работающие.

Что касается скорости, электромагниты могут иметь нормальную, быструю или медленную скорость. Это разделение несколько условно и указывает в основном на то, были ли приняты специальные меры для достижения желаемой скорости.

Все вышеперечисленные характеристики накладывают свои особенности на конструкцию электромагнитов.

В то же время, несмотря на разнообразие электромагнитов, встречающихся на практике, они состоят из основных частей, имеющих одинаковое назначение. Это: катушка с размещенной на ней намагничивающей обмоткой (может быть несколько катушек и несколько обмоток), неподвижная часть магнитной цепи из ферромагнитного материала (ярмо и сердечник) и подвижная часть магнитной цепи (якорь). В некоторых случаях неподвижная часть магнитной катушки состоит из нескольких частей (основание, корпус, фланцы и т.д.). a)

Якорь отделен от остальной части магнитной цепи пазами и является той частью электромагнита, которая передает электромагнитную силу на соответствующие части коробки передач.

Количество и форма воздушных зазоров, отделяющих подвижную часть магнитной катушки от неподвижной, зависит от конструкции электромагнита. Воздушные зазоры, в которых возникает полезная сила, называются рабочими зазорами; воздушные зазоры, в которых не возникает сила в направлении возможного движения якоря, называются паразитными зазорами.

Поверхности подвижной или неподвижной части магнитной цепи, ограничивающие рабочий зазор, называются полюсами.

В зависимости от положения якоря по отношению к остальной части электромагнита различают электромагниты с внешне втянутым якорем, электромагниты с втянутым якорем и электромагниты с внешне поперечно подвижным якорем.

Характерной особенностью электромагнитов с внешне втянутым якорем является внешнее положение якоря по отношению к обмотке. На это в первую очередь влияет рабочий поток от якоря к плоскому концу сердечника. Характер движения якоря может быть вращательным (например, катушка клапана) или поступательным. Эти электромагниты имеют диссипативные потоки (которые замыкаются вне рабочего зазора), которые производят мало или вообще не производят тяги, и, следовательно, имеют тенденцию к уменьшению. Соленоиды этой группы способны развивать достаточно большое усилие, но обычно используются для относительно небольших ходов клапана.

Особенностью соленоидов с втягивающимся якорем является то, что якорь частично располагается внутри катушки и продолжает перемещаться в катушку во время работы. Дисперсионные потоки в таких соленоидах, особенно с большими воздушными зазорами, создают некоторую тягу, что делает их полезными, особенно при относительно больших ходах якоря. Эти электромагниты могут быть изготовлены с заглушкой или без нее, а форма поверхностей, образующих рабочий зазор, может варьироваться в зависимости от того, какая тяговая характеристика желательна.

Наиболее часто используются электромагниты с плоскими и усеченными коническими полюсами, а также электромагниты без вилки. В качестве направляющей якоря чаще всего используется трубка из немагнитного материала, создающая паразитный зазор между якорем и верхней, неподвижной частью магнитной цепи.

Электромагниты с выдвижными якорями могут развивать силу и иметь ход якоря, изменяющийся в очень широком диапазоне, поэтому они так широко используются.

В электромагнитах с внешним поперечно подвижным якорем якорь перемещается поперек линий магнитного поля, поворачиваясь на ограниченный угол. Эти электромагниты обычно развивают относительно небольшие силы, но позволяют изменять тяговые характеристики и достигать высокого коэффициента оборачиваемости за счет правильного подбора формы полюсов и якоря.

Каждая из трех вышеперечисленных групп электромагнитов, в свою очередь, имеет ряд конструктивных вариаций, связанных как с характером тока, протекающего через обмотку, так и с необходимостью обеспечения определенных свойств и параметров электромагнита.

Если характер его работы повторяется, ему нужно время, чтобы остыть перед следующим циклом.

Как работает электромагнитная катушка

Сам цикл EM состоит из следующей последовательности операций. Сначала в обмотку подается ток такой силы, что магнитные силы превышают силы, удерживающие якорь в состоянии покоя.

Затем арматура выйдет из состояния покоя и переместится в конечную точку полезного пространства. Это первый этап.

На втором этапе ЭМ-фитинг подтягивается и через него протекает ток. Как мы знаем, ток имеет тепловой эффект с течением времени. Поэтому время работы не должно быть превышено. На этом этапе сила притяжения электромагнита максимальна.

Последний, третий этап похож на первый – ток уменьшается до нуля, магнитные силы становятся меньше тех, которые приводят якорь в состояние покоя, и якорь падает. Затем электромагнит охлаждается.

Если она имеет повторяющийся характер, то к следующему циклу она успеет остыть.

ВАЖНО! Чтобы остановить электромагнитную индукцию, просто отключите ЭМ от источника питания. Это позволит сохранить частицу магнитного поля. Этот эффект называется гистерезисом.

Самый простой способ сделать электромагнит – взять обычный гвоздь, провод и батарейку. По всей длине стержня наматывается изолированный провод. Концы провода прижимаются к клеммам аккумулятора. Один конец провода припаивается к положительному полюсу, чтобы заряд не пропадал зря. Другой конец должен быть выполнен в виде пружинной дуги, которая прижимается к клемме аккумулятора со знаком минус. На рисунке ниже показано, как можно сделать электромагнит в домашних условиях.

Обратите внимание! При изготовлении электромагнита из батарейки можно использовать контактную ленту от старого устройства. Чтобы деактивировать магнит, просто извлеките батарейку из батарейного отсека.

Обратите внимание! При изготовлении электромагнита, работающего от батарейки, можно использовать контактную ленту от старого устройства. Чтобы деактивировать магнит, просто выньте батарейку из контактной ленты.

Электромагнит

Магнитные поля катушки и постоянного магнита похожи. Катушка с током, используемая в качестве магнита, называется электромагнит

Рисунок 15: Магнитное поле катушки с током и постоянного магнита

Для усиления магнитного поля в него также вставляется железный сердечник. Как это способствует укреплению поля, мы узнали в этом блоке. Магнитное поле электромагнита и постоянного магнита имеют одинаковую природу: в обоих случаях это одна и та же магнитная составляющая электромагнитного поля с одной и той же природой электрического заряда. Поэтому, если мы спрячем постоянный магнит и катушку с током в коробку, мы не сможем отличить их магнитные поля друг от друга.

Но мы не можем изменить движение заряда в постоянном магните, поэтому он и называется постоянным. И мы можем включать и выключать электрический ток в катушке, увеличивать или уменьшать его, что очень полезно в приложениях. В промышленности можно узнать, где электромагниты используются в технике.

Использование электромагнитов

Электромагниты полезны везде, где необходимо зафиксировать черные тела. Например, электромагнит может быть использован для замены крюков крана. Теперь, чтобы поднять груз, достаточно включить электромагнит, а чтобы отпустить – выключить. Этот метод не работает для веществ, которые не взаимодействуют с магнитным полем, но их можно поместить в железные контейнеры и поднять эти контейнеры.

Электромагниты используются в качестве замков на входных дверях. Схема домофона переключает ток через электромагнит, который запирает железную дверь.

Иногда необходимо не зафиксировать объект, а привести его в движение. В технологии есть много подобных примеров: электромагнит приводит в движение контакты ключей в электрической цепи (такой управляемый ключ называется реле), электромагнит приводит в движение мембрану громкоговорителя для воспроизведения звука.

Многие слышали о Большом адронном коллайдере. Об этом можно сказать много интересного, но сейчас нас интересует следующее. Там различные элементарные частицы ускоряются в исследовательских целях, и есть необходимость контролировать их. А на движущуюся заряженную частицу может воздействовать магнитное поле, мы это уже знаем. Это поле также формируется с помощью электромагнитов.

Читайте далее: