Електромагнетизм — одна з фундаментальних сил Всесвіту, відповідальна за все, від електричних і магнітних полів до світла. Спочатку вчені вважали, що магнетизм і електрика - це окремі сили. Але до кінця 19 століття ця точка зору змінилася, оскільки дослідження остаточно продемонстрували, що позитивні та негативні електричні заряди керуються однією силою (тобто магнетизмом).
З того часу вчені намагалися випробувати і виміряти електромагнітні поля, а також відтворити їх. З цією метою вони створили електромагніти, пристрій, який використовує електричний струм для індукування магнітного поля. І з моменту свого початкового винаходу як наукового інструменту, електромагніти стали регулярною частиною електронних пристроїв і промислових процесів.
Електромагніти відрізняються від постійних магнітів тим, що вони виявляють магнітне притягнення до інших металевих об’єктів лише тоді, коли через них пропускають струм. Це дає численні переваги, оскільки силу його магнітного притягання можна контролювати, а також вмикати та вимикати за бажанням. Саме з цієї причини вони широко використовуються в наукових дослідженнях і промисловості, де потрібна магнітна взаємодія.
Історія електромагнітів:
Перше зареєстроване відкриття зв’язку між електрикою та магнетизмом відбулося в 1820 році, коли данський вчений Ганс Крістіан Орстед помітив, що стрілка на його компасі вказувала вбік від магнітної півночі, коли поруч була включена батарея. Це відхилення переконало його, що магнітні поля випромінюються з усіх боків дроту, по якому проходить електричний струм, так само, як світло і тепло.
Ілюстрація електромагніту Стерджена (1924 р.) та одного з покращених конструкцій Генрі (1830-ті). Авторство: Smithsonian/Scientific American
Невдовзі після цього він опублікував свої висновки, математично показавши, що електричний струм створює магнітне поле, протікаючи через дріт. Через чотири роки англійський вчений Вільям Стерджен розробив перший електромагніт, який складався з шматка заліза у формі підкови, обмотаного мідним дротом. Коли струм проходить через дріт, він притягує інші шматки заліза, а коли струм зупиняється, він втрачає намагніченість.
Хоча електромагніт Стерджена слабкий за сучасними стандартами, він демонструє свою потенційну корисність. Незважаючи на вагу лише 200 грамів (7 унцій), він міг піднімати предмети вагою приблизно 4 кг (9 фунтів) лише за допомогою струму одноелементної батареї. У результаті почали активізуватися дослідження як електромагнітів, так і природи електродинаміки.
До 1930-х років американський вчений Джозеф Генрі зробив ряд удосконалень у конструкції електромагніту. Використовуючи ізольований дріт, він зміг розмістити тисячі витків дроту на одній жилі. В результаті один з його електромагнітів міг витримати вагу до 936 кг (2063 фунта). Це мало популяризувати використання електромагнітів.
Типи електромагнітів:
Електричний струм, що протікає в дроті, створює магнітне поле навколо дроту відповідно до закону Ампера. Цей закон стверджує, що для будь-якого замкнутого контуру сума елементів довжини, помножених на магнітне поле в напрямку елемента довжини, дорівнює проникності, помноженій на електричний струм, укладений у петлі.
Згорнута спіраль дроту (він же соленоїд) створює магнітне поле у своєму центрі. Авторство: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
Щоб сконцентрувати магнітне поле в електромагніті, дріт намотують у котушку багато разів, забезпечуючи, щоб витки проводу були поруч уздовж краю. Магнітне поле, що створюється витками дроту, проходить через центр котушки, створюючи там сильне магнітне поле. Сторона магніту, з якої виходять силові лінії, визначається якпівнічний полюс.
Котушка дроту, що набуває форми спіралі, називається «соленоїдом». Однак набагато сильніші магнітні поля можна створити, якщо всередину котушки помістити феромагнітний матеріал (тобто залізо). Це те, що називається «феромагнітним сердечником» (або «електромагнітом із залізним сердечником»), який може створювати магнітне поле, що в тисячу разів перевищує силу однієї котушки.
Потім є те, що відомо як «тоіродальний сердечник», в якому дріт, намотаний навколо феромагнітного сердечника, набуває форми замкнутого контуру (він же магнітний ланцюг). У цьому випадку магнітні поля набувають форми замкнутого контуру, таким чином надають набагато менший «опір» магнітному полю, ніж повітря. В результаті можна отримати більш сильне поле, якщо більша частина шляху магнітного поля проходить всередині ядра.
Залізний сердечник значно збільшує магнітне поле соленоїда в порівнянні з соленоїдом з повітряним сердечником зліва. Авторство: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
А ще є «надпровідні» електромагніти, які складаються з намотаного дроту, виготовленого з надпровідних матеріалів (таких як ніобій-титан або диборид магнію). Ці дроти також зберігають при кріогенних температурах, щоб забезпечити мінімальний електричний опір. Такі електромагніти можуть проводити набагато більші струми, ніж звичайний дріт, створюючи найсильніші магнітні поля серед усіх електромагнітів, а також дешевші в експлуатації через відсутність втрат енергії.
Сучасне використання електромагнітів:
Сьогодні існує незліченна кількість застосувань для електромагнітів, починаючи від великомасштабних промислових машин і закінчуючи дрібними електронними компонентами. Крім того, електромагніти широко використовуються для проведення наукових досліджень і експериментів, особливо там, де потрібна надпровідність і швидке прискорення.
У разі електромагнітних соленоїдів вони використовуються там, де потрібне однорідне (тобто контрольоване) магнітне поле. Те ж саме стосується електромагніту із залізним сердечником, де можна вставити або видалити залізний або інший феромагнітний сердечник, щоб посилити напруженість поля магніту. В результаті електромагнітні магніти зазвичай зустрічаються в електронних маркерах для пейнтболу, автоматах для пінболу, матричних принтерах і паливних форсунках, де магнетизм застосовується і контролюється для забезпечення контрольованого руху певних компонентів.
Враховуючи їх здатність створювати дуже потужні магнітні поля, низький опір і високу ефективність, надпровідні електромагніти часто зустрічаються в науковому та медичному обладнанні. До них відносяться апарати для магнітно-резонансної томографії (МРТ) у лікарнях і наукові інструменти, такі як спектрометри ядерного магнітного резонансу (ЯМР), мас-спектрометри, а також прискорювачі частинок.
Поперечний перетин Великого адронного колайдера (LHC) CERN, який використовує потужні прискорювачі частинок для досягнення зіткнень. Авторство: ЦЕРН
Електромагніти також широко використовуються, коли справа доходить до музичного обладнання. До них належать гучномовці, навушники, електричні дзвінки, а також обладнання для магнітного запису й зберігання даних, наприклад магнітофони. Мультимедіа та індустрія розваг покладається на електромагніти для створення пристроїв і компонентів, таких як відеомагнітофони та жорсткі диски.
Електричні приводи, які є двигунами, що відповідають за перетворення електричної енергії в механічний крутний момент, також покладаються на електромагніти. Електромагнітна індукція також є засобом функціонування силових трансформаторів, які відповідають за підвищення або зниження напруг змінного струму вздовж ліній електропередач.
Індукційне нагрівання, яке використовується для приготування їжі, виробництва та лікування, також спирається на електромагніти, які перетворюють електричний струм в теплову енергію. Електромагніти також використовуються в промислових цілях, наприклад, магнітні підйомники, які використовують магнітне притягнення для підйому важких предметів, або магнітні сепаратори, які відповідають за сортування феромагнітних металів з металобрухту.
І останнє, але, безумовно, не в останню чергу, це застосування поїздів на маглеві. Крім використання електромагнітної сили, щоб дозволити поїзду левітувати над колією, надпровідні електромагніти також відповідають за прискорення поїздів до високих швидкостей.
Коротше кажучи, використання електромагнітів практично безмежне, вони живлять все, від споживчих пристроїв і важкого обладнання до масового транспорту. У майбутньому вони також можуть відповідати за космічні подорожі, де системи іонного руху використовувати магнітні поля для прискорення заряджених частинок (тобто іонів) і досягнення тяги.
Ми написали багато цікавих статей про електромагніти тут, на Universe Today. Ось Хто відкрив електрику? , З чого зроблені магніти? , Як працюють магніти? , Магнітне поле Землі , і Іонний рух .
Для отримання додаткової інформації обов’язково перегляньте освітні ресурси NASA Експерименти з електромагнітами і Роль Землі як електромагніту та створення полярних сяйв , а також сторінку NASA Wavelength Електромагніти .
У How Stuff Works також є чудова сторінка під назвою « Вступ до того, як працюють електромагніти “, і Національна лабораторія високого магнітного поля (MagLab) має кілька чудових статей про електромагніти, як їх зробити та як вони працюють.
Ви також можете переглянути Astronomy Cast. Епізод 103 йдеться про електромагнітні сили.
