Curent (I) printr-un fir produce un câmp magnetic (B). Câmpul este orientat conform regulii din dreapta.,
liniile De câmp magnetic al unui curent care transportă buclă de sârmă trece prin centrul buclei, concentrându-se pe teren acolo
câmpul magnetic generat de trecerea unui curent prin bobina
Un curent electric care curge într-o sârmă creează un câmp magnetic în jurul firului, din cauza Amperi e drept (a se vedea desenul de mai jos)., Pentru a concentra câmpul magnetic, într-un electromagnet, firul este înfășurat într-o bobină cu multe rotații de sârmă situate una lângă alta. Câmpul magnetic al tuturor virajelor de sârmă trece prin centrul bobinei, creând acolo un câmp magnetic puternic. O bobină care formează forma unui tub drept (o helix) se numește solenoid.direcția câmpului magnetic printr-o bobină de sârmă poate fi găsită dintr-o formă a regulii drepte., Dacă degetele mâinii drepte sunt curbate în jurul bobinei în direcția fluxului de curent (curent convențional, flux de încărcare pozitivă) prin înfășurări, degetul mare indică în direcția câmpului din interiorul bobinei. Partea magnetului din care ies liniile de câmp este definită a fi Polul Nord.
câmpuri magnetice mult mai puternice pot fi produse dacă un „miez magnetic” dintr-un material moale feromagnetic (sau ferimagnetic), cum ar fi fierul, este plasat în interiorul bobinei., Un miez poate crește câmpul magnetic la mii de ori rezistența câmpului bobinei singur, datorită permeabilității magnetice ridicate μ a materialului. Aceasta se numește electromagnet cu miez feromagnetic sau cu miez de fier. Cu toate acestea, nu toți electromagneții folosesc nuclee, iar cei mai puternici electromagneți, cum ar fi superconductorii și electromagneții cu curent foarte mare, nu le pot folosi din cauza saturației.
Ampere ‘ s lawEdit
pentru definițiile variabilelor de mai jos, a se vedea caseta de la sfârșitul articolului.,
câmpul magnetic al electromagneți în cazul general este dat de Legea lui Ampere:
∫ J ⋅ d A = ∮ H ⋅ d l {\displaystyle \int \mathbf {J} \cdot d\mathbf {O} =\comun \mathbf {H} \cdot d\mathbf {l} }
care spune că integrala de magnetizare câmpului H în jurul valorii de orice buclă închisă de domeniu este egal cu suma dintre curentul care trece prin bucla. O altă ecuație utilizată, care dă câmpul magnetic datorită fiecărui segment mic de curent, este legea Biot-Savart. Calcularea câmpului magnetic și a forței exercitate de materialele feromagnetice este dificilă din două motive., În primul rând, deoarece puterea câmpului variază de la punct la punct într-un mod complicat, în special în afara miezului și în golurile de aer, unde trebuie luate în considerare câmpurile de franjuri și fluxul de scurgere. În al doilea rând, deoarece câmpul magnetic B și forța sunt funcții neliniare ale curentului, în funcție de relația neliniară dintre B și H pentru materialul de bază special utilizat. Pentru calcule precise, sunt utilizate programe de calculator care pot produce un model al câmpului magnetic folosind metoda elementului finit.,
miez Magneticedit
Materialul unui miez magnetic (adesea din fier sau oțel) este compus din regiuni mici numite domenii magnetice care acționează ca niște magneți minusculi (vezi feromagnetismul). Înainte ca curentul din electromagnet să fie pornit, domeniile din miezul de fier punctează în direcții aleatorii, astfel încât câmpurile lor magnetice minuscule se anulează reciproc, iar fierul nu are câmp magnetic pe scară largă., Când un curent este trecut prin firul înfășurat în jurul fierului, câmpul său magnetic pătrunde în fier și determină rotirea domeniilor, aliniind paralel cu câmpul magnetic, astfel încât câmpurile lor magnetice minuscule se adaugă câmpului firului, creând un câmp magnetic mare care se extinde în spațiul din jurul magnetului. Efectul miezului este de a concentra câmpul, iar câmpul magnetic trece prin miez mai ușor decât ar trece prin aer.
cu cât curentul trece prin bobina de sârmă, cu atât Domeniile se aliniază mai mult și cu atât câmpul magnetic este mai puternic., În cele din urmă, toate domeniile sunt aliniate, iar creșterile ulterioare ale curentului determină doar creșteri ușoare ale câmpului magnetic: acest fenomen se numește saturație.când curentul din bobină este oprit, în materialele magnetice moi care sunt aproape întotdeauna utilizate ca nuclee, majoritatea domeniilor pierd alinierea și revin la o stare aleatorie, iar câmpul dispare. Cu toate acestea, o parte din aliniere persistă, deoarece domeniile au dificultăți în a-și întoarce direcția de magnetizare, lăsând miezul un magnet permanent slab., Acest fenomen se numește Histerezis, iar câmpul magnetic rămas se numește magnetism remanent. Magnetizarea reziduală a miezului poate fi îndepărtată prin degaussing. În electromagneți de curent alternativ, cum ar fi sunt utilizate în motoare, magnetizarea miezului este inversată în mod constant, iar remanența contribuie la pierderile motorului.
circuitului Magnetic – constanta B domeniul approximationEdit
câmp Magnetic (verde) tipică a unui electromagnet cu miez de fier C, formând o buclă închisă cu două goluri de aer G în ea.,
B-câmp magnetic în miez
BF – „câmpuri de fringing”. Golurile G liniile de câmp magnetic „umflatura”, astfel încât intensitatea câmpului este mai mică decât în miez: BF < B
BL – fluxul de dispersie; liniile de câmp magnetic care nu respectă complet circuitului magnetic
L – lungimea medie a circuitului magnetic utilizat în eq. 1 de mai jos. Aceasta este suma dintre lungimea Lcore în miez de fier bucăți și lungimea Lgap în golurile de aer G.
Atât fluxul de dispersie și fringing domenii obține mai mare ca golurile sunt crescute, reducerea forța exercitată de către magnet.,în multe aplicații practice ale electromagneților, cum ar fi motoare, generatoare, transformatoare, magneți de ridicare și difuzoare, miezul de fier este sub forma unei bucle sau a unui circuit magnetic, eventual rupt de câteva goluri de aer înguste. Acest lucru se datorează faptului că liniile câmpului magnetic sunt sub formă de bucle închise. Fierul prezintă mult mai puțină „rezistență” (reticență) la câmpul magnetic decât aerul, astfel încât un câmp mai puternic poate fi obținut dacă cea mai mare parte a căii câmpului magnetic se află în miez.,deoarece cea mai mare parte a câmpului magnetic este limitată în contururile buclei de bază, aceasta permite o simplificare a analizei matematice. Vezi desenul din dreapta. O presupunere simplificatoare comună satisfăcută de mulți electromagneți, care vor fi utilizați în această secțiune, este că Intensitatea câmpului magnetic B este constantă în jurul circuitului magnetic (în interiorul miezului și a golurilor de aer) și zero în afara acestuia. Cea mai mare parte a câmpului magnetic va fi concentrată în materialul de bază (C)., În interiorul miezului, câmpul magnetic (B) va fi aproximativ uniform în orice secțiune transversală, deci dacă în plus miezul are o suprafață aproximativ constantă pe toată lungimea sa, câmpul din miez va fi constant. Acest lucru lasă doar golurile de aer (G), dacă există, între secțiunile de bază. Golurile liniile de câmp magnetic nu mai sunt limitate de nucleu, astfel încât acestea ‘umflatura’ dincolo de contururile de bază înainte de curbare înapoi pentru a intra în următoarea bucată de material de bază, reducerea câmpului în gol. Bombele (BF) se numesc câmpuri de fringing., Cu toate acestea, atâta timp cât lungimea decalajului este mai mică decât dimensiunile secțiunii transversale a miezului, câmpul din decalaj va fi aproximativ același ca în miez. În plus, unele dintre liniile câmpului magnetic (BL) vor face „scurtături” și nu vor trece prin întregul circuit de bază și, prin urmare, nu vor contribui la forța exercitată de magnet. Aceasta include, de asemenea, linii de câmp care înconjoară înfășurările de sârmă, dar nu intră în miez. Aceasta se numește flux de scurgere., Prin urmare, ecuațiile din această secțiune sunt valabile pentru electromagneți pentru care:
- circuitul magnetic este o singură buclă de material de bază, posibil ruptă de câteva goluri de aer
- miezul are aproximativ aceeași suprafață a secțiunii transversale pe toată lungimea sa.
- orice goluri de aer între secțiunile materialului de bază nu sunt mari în comparație cu dimensiunile secțiunii transversale ale miezului.
- există un flux de scurgere neglijabil
principala caracteristică neliniară a materialelor feromagnetice este aceea că câmpul B saturează la o anumită valoare, care este în jur de 1.,6 la 2 teslas (T) pentru majoritatea oțelurilor de bază cu permeabilitate ridicată. Câmpul B crește rapid odată cu creșterea curentului până la acea valoare, dar peste această valoare câmpul se oprește și devine aproape constant, indiferent de cât de mult curent este trimis prin înfășurări. Deci puterea maximă a câmpului magnetic posibil de la un electromagnet cu miez de fier este limitată la aproximativ 1,6 până la 2 T.,
câmpul Magnetic creat de un currentEdit
câmpul magnetic creat de un electromagnet este proporțională cu numărul de spire în înfășurarea, N, și curentul în fire, I, prin urmare, acest produs, NI, în amperi-spire, este dat numele magnetomotive vigoare.,agnetic circuit, din care lungimea Lcore câmpului magnetic calea este din material de bază și lungimea Lgap este în goluri de aer, Legea lui Ampere se reduce la:
N I = H c o r e L c o r e + H g p L g o p {\displaystyle NI=H_{\mathrm {core} }L_{\mathrm {core} }+H_{\mathrm {decalaj} }L_{\mathrm {decalaj} }\,} N I = B ( L c o r e μ + L g o p μ 0 ) ( 1 ) {\displaystyle NI=B\left({\frac {L_{\mathrm {core} }}{\mu }}+{\frac {L_{\mathrm {decalaj} }}{\mu _{0}}}\right)\qquad \qquad \qquad \qquad (1)\,} unde μ = B / Sec {\displaystyle \mu =B/H\,} este permeabilitatea magnetică a miezului de material, în special B domeniul folosit., μ 0 = 4 π ( 10 − 7 ) N ⋅ a − 2 {\displaystyle \mu _{0}=4\pi (10^{-7})\ \mathrm {N} \cdot \mathrm {O} ^{-2}} este permeabilitatea de spațiu liber (sau aer); rețineți că Un {\displaystyle \mathrm {O} } în această definiție este de amperi.
aceasta este o ecuație neliniară, deoarece permeabilitatea miezului, μ, variază în funcție de câmpul magnetic B. pentru o soluție exactă, valoarea μ la valoarea B utilizată trebuie obținută din curba histerezisului materialului de bază. Dacă B este necunoscut, ecuația trebuie rezolvată prin metode numerice., Cu toate acestea, dacă magnetomotive vigoare este mai presus de saturație, astfel încât materialul de bază este în saturație, câmpul magnetic va fi de aproximativ la valoarea de saturație Bsat pentru material, și nu variază mult cu modificări în NI. Pentru un circuit magnetic închis (fără spațiu de aer), majoritatea materialelor de bază se saturează la o forță magnetomotivă de aproximativ 800 de rotații pe metru de cale de flux.pentru majoritatea materialelor de bază, μ r = μ /μ 0 ≈ 2000 − 6000 {\displaystyle \mu _{r}=\mu / \mu _{0}\aproximativ 2000-6000\,} . Deci, în ecuația (1) de mai sus, al doilea termen domină., Prin urmare, în circuitele magnetice cu un spațiu de aer, rezistența câmpului magnetic B depinde puternic de lungimea spațiului de aer, iar lungimea căii de flux din miez nu contează prea mult. Având în vedere un spațiu de aer de 1 mm, este necesară o forță magnetomotoare de aproximativ 796 de rotații pentru a produce un câmp magnetic de 1t.,
Forța exercitată de către magnetic fieldEdit
forța exercitată de un electromagnet pe o secțiune de material de bază este:
F = B 2 O 2 μ 0 ( 2 ) {\displaystyle F={\frac {B^{2}A}{2\mu _{0}}}\qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad (2)\,}
în cazul în care Un {\displaystyle Un} este aria secțiunii transversale a miezului. Ecuația de forță poate fi derivată din energia stocată într-un câmp magnetic. Energia este forța ori distanța. Rearanjarea Termeni dă ecuația de mai sus.
au 1.,6 T limita pe teren menționată mai sus stabilește o limită maximă pentru forța pe unitatea de zona centrală, sau presiune magnetică, un miez de fier, electromagnet poate exercita; aproximativ:
F A = B s o t 2 2 μ 0 ≈ 1000 k P o = 10 6 N / m 2 = 145 l b f ⋅ i n − 2 {\displaystyle {\frac {F}{Un}}={\frac {B_{sat}^{2}}{2\mu _{0}}}\approx 1000\ \mathrm {kPa} =10^{6}\mathrm {N/m^{2}} =145\ \mathrm {lbf} \cdot \mathrm {în} ^{-2}\,}
În mai intuitiv unități este util să ne amintim că la 1 T presiunea magnetică este de aproximativ 4 atmosfere, sau kg/cm2.,
având în vedere o geometrie a miezului, câmpul B necesar pentru o anumită forță poate fi calculat de la (2); dacă iese la mult mai mult de 1,6 T, trebuie utilizat un miez mai mare.
magnetic Închis circuitEdit
secțiune Transversală de ridicare electromagnet că în fotografia de mai sus, arată cilindrice de construcție. Înfășurările (C) sunt benzi plate de cupru pentru a rezista forței Lorentz a câmpului magnetic. Miezul este format din carcasa groasă de fier (D) care se înfășoară în jurul înfășurărilor.,ic circuit (fără gol de aer), astfel ca s-ar fi găsit într-un electromagnet de ridicare o bucată de fier punte peste poli, ecuația (1) devine: B = N I µl ( 3 ) {\displaystyle B={\frac {NI\mu }{L}}\qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad (3)\,}
Înlocuind în (2), forța este:
F = μ 2 N 2 I 2 2 μ 0 L 2 ( 4 ) {\displaystyle F={\frac {\mu ^{2}N^{2}I^{2}A}{2\mu _{0}L^{2}}}\qquad \qquad \qquad \qquad \qquad (4)\,}
Se poate observa că pentru a maximiza forța, un nucleu cu un scurt flux cale L și o largă arie a secțiunii transversale a este preferat (acest lucru este valabil și pentru magneți cu un decalaj de aer)., Pentru a realiza acest lucru, în aplicații precum magneții de ridicare (a se vedea fotografia de mai sus) și difuzoarele se utilizează adesea un design cilindric plat. Înfășurarea este înfășurată în jurul unui miez cilindric scurt, care formează un pol, iar o carcasă metalică groasă care se înfășoară în exteriorul înfășurărilor formează cealaltă parte a circuitului magnetic, aducând câmpul magnetic în față pentru a forma celălalt pol.,
forța dintre electromagnețiedit
metodele de mai sus sunt aplicabile electromagneților cu circuit magnetic și nu se aplică atunci când o mare parte a căii câmpului magnetic este în afara miezului. Un exemplu ar fi un magnet cu un miez cilindric drept ca cel prezentat în partea de sus a acestui articol., Pentru electromagneți (sau magneți permanenți) cu „poli” bine definiți în care liniile de câmp ies din miez, forța dintre doi electromagneți poate fi găsită folosind „modelul Gilbert” care presupune că câmpul magnetic este produs DE „SARCINI magnetice” fictive pe suprafața polilor, cu rezistența polului m și unitățile de contor amperi-turn., Polul Magnetic puterea de electromagneți pot fi găsite la:
m = N I a L {\displaystyle m={\frac {NIA}{L}}}
În vigoare între doi poli este:
F = μ 0 m 1 m 2 4 π r 2 {\displaystyle F={\frac {\mu _{0}m_{1}m_{2}}{4\pi r^{2}}}}
Acest model nu dă corectă a câmpului magnetic în interiorul miezului și astfel dă rezultate incorecte în cazul polul de un magnet devine prea aproape de un alt magnet.