Elektromagnesy

Elektromagnes to magnes, który działa w wyniku przepływu prądu elektrycznego. Można go załączać i wyłączać. Uzwojenia elektromagnesu są prawie zawsze nawinięte drutem miedzianym, ponieważ miedź jest bardzo dobrym przewodnikiem elektryczności.

Elektromagnesy mają wiele zastosowań. Oto niektóre przykłady:

  • Dzwonek elektryczny: elektromagnes powoduje drgania młoteczka uderzającego w czaszę dzwonka.
  • Zamek elektryczny: odpowiadając na domofon można otworzyć drzwi wejściowe z mieszkania na piętrze. Elektromagnes wciąga rygiel zamka i otwiera drzwi. Wyłączenie powoduje, że rygiel pod działaniem sprężyny wysuwa się z powrotem.
  • Dźwig: dźwig z elektromagnetycznym chwytakiem może podnosić tony stali bez użycia haków i lin.
  • Narzędzie chirurgiczne: chirurg okulista może usuwać odłamki stali z oka pacjenta za pomocą elektromagnesu, zwiększając prąd aż przyciąganie elektromagnesu delikatnie usunie metal.
  • Mikrochirurgia: badacze pracują nad elektromagnesami, które będą mogły poruszać mikroroboty wewnątrz ciała pacjenta, umożliwiając przeprowadzanie operacji bez otwierania jam ciała.
(Dzięki uprzejmości Wikimedia)

Elektromagnes przyciąga zworę, która uderza w czaszę dzwonka. Zwora poruszając się otwiera obwód i wyłącza elektromagnes. Pod działaniem sprężyny zwora powraca do poprzedniego położenia, załącza obwód i magnes znowu przyciąga. W ten sposób cykl powtarza się bardzo szybko, powodując dzwonienie.

(Dzięki uprzejmości Amazon)

Cewka elektromagnesu (osłonięta niebieską taśmą) wciąga rygiel zamka drzwi. Po wyłączeniu zasilania cewki, sprężyna z powrotem wypycha rygiel. W tego rodzaju zastosowaniach cewka jest nazywana solenoidem.

(Dzięki uprzejmości Directindustry)

Chwytak elektromagnetyczny może podnosić i upuszczać ciężkie ładunki, takie jak pokazane tu stalowe rury, bez udziału pracownika zakładającego liny, dzięki czemu praca dźwigu jest bardziej bezpieczna.

Pole magnesu trwałego

Magnes ma dwa bieguny: północny i południowy. Nazwy te pochodzą od sposobu wskazywania kierunku na Ziemi, która jest gigantycznym magnesem. Bieguny jednoimienne odpychają się, a bieguny różnoimienne odpychają się.

Jak można “zobaczyć” pole magnetyczne

Magnes nie musi stykać się z innym magnesem, aby go przyciągać lub odpychać. Siła magnesu sięga na zewnątrz. Jest to niewidzialna siła, która oddziałuje na odległość. Mówimy, że wokół magnesu istnieje pole magnetyczne. Pole magnetyczne jest obszarem, w którym działa siła magnetyczna.

Do uwidocznienia niewidzialnego pola magnetycznego możemy wykorzystać opiłki żelaza.

  1. Umieść kawałek kartonu nad magnesem
  2. Delikatnie rozsyp trochę opiłków żelaza na kartonie
  3. Postukaj w karton, tak żeby opiłki żelaza ułożyły się zgodnie z polem magnetycznym
  4. Obserwuj wzór utworzony przez opiłki żelaza.

Opiłki żelaza ukazują nam kształt pola magnetycznego. Warto jednak wiedzieć w jakim kierunku to pole przebiega, tj. czy będzie przyciągać czy odpychać północny biegun innego magnesu?

Możemy się tego dowiedzieć używając kompasu. Igła kompasu jest małym magnesem. Jej strzałka jest północnym biegunem, zatem kompas będzie odwracał się od północnego bieguna magnesu.

Pole jest niewidzialne, ale można je ujawnić za pomocą kartonu, opiłków żelaza i prostych czynności: rozsyp i stuknij!

Pole magnetyczne

Magnes przyciąga pewne metale, jak żelazo. Metale te nazywamy ferromagnetycznymi. Możemy również wykonać magnes z miękkiego żelaza. Taki magnes będzie miał dwa bieguny: północny i południowy. Dwa magnesy sztabkowe będą się przyciągały lub odpychały zależnie od tego, którym końcem są do siebie zwrócone.

Jeżeli zbliżymy północny biegun jednego magnesu sztabkowego do południowego bieguna drogiego magnesu, będą się one wzajemnie przyciągały. Mówimy, że przeciwne bieguny przyciągają się.

Jeżeli jednak przybliżymy biegun północny do innego północnego bieguna, to będą się odpychały. To samo dzieje się z dwoma biegunami południowymi. Mówimy, że bieguny jednoimienne odpychają się.

Linie pola wokół magnesu sztabkowego

Zauważ na rysunku przedstawiającym linie pola wokół magnesu sztabkowego, że linie te:

  • Wychodzą z bieguna północnego N
  • Wchodzą do bieguna południowego S
  • Wychodzą tylko z końców magnesu
  • Są skupione bliżej siebie tam, gdzie pole jest najsilniejsze, np. w pobliżu biegunów.
Pole wokół magnesu trwałego

Strzałki na liniach pola wskazują nam, w którym kierunku poruszałby się inny biegun północny. Biegun południowy byłby przyciągany w kierunku przeciwnym do strzałek.

Elektromagnesy

Elektromagnes jest cewką z drutu, przez którą przepływa prąd elektryczny. Cewka nawinięta na cylindrze nazywana jest solenoidem. Jeżeli przez cewkę płynie prąd solenoid staje się elektromagnesem.


Wyłącznik otwarty – prąd nie płynie i nie ma pola magnetycznego.
Wyłącznik zamknięty – płynie prąd, który wytwarza pole magnetyczne

Miedziana cewka przewodząca prąd posiada pole magnetyczne podobnie jak magnes sztabkowy, ale prąd można załączać, wyłączać lub odwracać jego kierunek. W takich zastosowaniach, jak cewki skanujące MRI (obrazowanie metodą rezonansu magnetycznego), kierunek prądu jest zmieniany miliony razy na sekundę. Drut miedziany jest stosowany w cewkach ponieważ ma małą oporność elektryczną. Oznacza to, że prąd może łatwo przepływać przez cewkę. Drut miedziany można także łatwo kształtować przy nawijaniu cewki.

Pole elektromagnetyczne

Pole magnetyczne elektromagnesu jest takie samo, jak trwałego magnesu sztabkowego. Zwiększanie prądu powoduje, że pole jest silniejsze, ale duży prąd będzie nagrzewał cewkę powodując straty energii w postaci ciepła.

Zwiększenie liczby zwojów także zwiększy natężenie pola. Możemy więc coraz bardziej zwiększać liczbę zwojów i w ten sposób  zwiększać natężenie pola. To wydaje się zbyt dobre, żeby było prawdziwe… i tak właśnie jest. Zwiększenie liczby zwojów zwiększa także rezystancję cewki ponieważ rośnie długość drutu. To jednak, zmniejsza natężenie prądu.

Projektanci muszą decydować, jak wiele zwojów i jak  dużego prądu, potrzebują dla uzyskania właściwego natężenia pola.

Przydatny sposób zapamiętania jaki biegun wytworzy przepływający prąd.

Pytania

1. Czy dźwig z chwytakiem elektromagnetycznym może podnosić rury z brązu, mosiądzu lub miedzi?

2. Pole magnetyczne działa na odległość. Wywiera siłę bezdotykowo. Pole grawitacyjne też tak oddziałuje, ale co pole magnetyczne robi takiego, czego grawitacja nie może?

3. Jeżeli którykolwiek biegun magnesu zbliżysz do kawałka stali, takiego jak gwóźdź lub spinacz do papieru, to magnes zawsze go przyciąga. Nigdy nie odpycha. Czy potrafisz to wyjaśnić?

Odpowiedzi

1. Czy dźwig z chwytakiem elektromagnetycznym może podnosić rury z brązu, mosiądzu lub miedzi?
Nie. Rury muszą być ferromagnetyczne. Stopy miedzi są niemagnetyczne. Rury na fotografii są wykonane ze stali, która jest stopem żelaza.

2. Pole magnetyczne działa na odległość. Wywiera siłę bezdotykowo. Pole grawitacyjne też tak oddziałuje, ale co pole magnetyczne robi takiego, czego grawitacja nie może?
Siła grawitacji jest zawsze przyciągająca. Pole magnetyczne może przyciągać lub odpychać obiekt magnetyczny, zależnie od kierunku pola magnetycznego.

3. Jeżeli którykolwiek biegun magnesu zbliżysz do kawałka stali, takiego jak gwóźdź lub spinacz do papieru, to magnes zawsze go przyciąga. Nigdy nie odpycha. Czy potrafisz to wyjaśnić?
Pole magnesu sztabkowego indukuje w gwoździu przeciwny biegun magnetyczny. W pobliżu magnesu trwałego żelazo i stal stają się magnesami nietrwałymi.