Электромагнетизм - одна из фундаментальных сил Вселенной, ответственная за все, от электрических и магнитных полей до света. Первоначально ученые полагали, что магнетизм и электричество - это отдельные силы. Но к концу 19 века эта точка зрения изменилась, поскольку исследования убедительно показали, что положительные и отрицательные электрические заряды управляются одной силой (т. Е. Магнетизмом).
С того времени ученые пытались проверить и измерить электромагнитные поля и воссоздать их. С этой целью они создали электромагниты - устройство, использующее электрический ток для создания магнитного поля. С момента своего первоначального изобретения в качестве научного инструмента электромагниты стали постоянным элементом электронных устройств и промышленных процессов.
Электромагниты отличаются от постоянных магнитов тем, что они проявляют магнитное притяжение к другим металлическим объектам только тогда, когда через них проходит ток. Это дает множество преимуществ, поскольку силой его магнитного притяжения можно управлять, а также включать и выключать по желанию. По этой причине они широко используются в исследованиях и промышленности, где требуется магнитное взаимодействие.
История электромагнитов:
Первое зарегистрированное открытие связи между электричеством и магнетизмом произошло в 1820 году, когда датский ученый Ганс Кристиан Орстед заметил, что стрелка на его компасе указывала в сторону от магнитного севера при включении соседней батареи. Это отклонение убедило его в том, что магнитные поля излучаются со всех сторон провода, по которому проходит электрический ток, точно так же, как свет и тепло.
Иллюстрация электромагнита Стерджена (1924 г.) и одной из улучшенных конструкций Генри (1830-е гг.). Предоставлено: Смитсоновский институт / Scientific American.
Вскоре после этого он опубликовал свои выводы, математически продемонстрировав, что электрический ток создает магнитное поле, когда течет по проводу. Четыре года спустя английский ученый Уильям Стерджен разработал первый электромагнит, который состоял из куска железа в форме подковы, обмотанного медной проволокой. Когда ток проходил через провод, он притягивал другие куски железа, а когда ток прекращался, он терял намагниченность.
Хотя по современным меркам он слабый, электромагнит Sturgeon демонстрирует свою потенциальную полезность. Несмотря на то, что он весил всего 200 граммов (7 унций), он мог поднимать предметы весом около 4 кг (9 фунтов), используя только ток одноэлементной батареи. В результате стали активизироваться исследования как электромагнитов, так и природы электродинамики.
К 1930-м годам американский ученый Джозеф Генри внес ряд улучшений в конструкцию электромагнита. Используя изолированный провод, он смог разместить тысячи витков провода на одном сердечнике. В результате один из его электромагнитов мог выдерживать до 936 кг (2063 фунта) веса. Это должно было способствовать популяризации использования электромагнитов.
Типы электромагнитов:
Электрический ток, протекающий по проводу, создает магнитное поле вокруг провода в соответствии с законом Ампера. Этот закон гласит, что для любого пути замкнутого контура сумма элементов длины, умноженная на магнитное поле в направлении элемента длины, равна проницаемости, умноженной на электрический ток, заключенный в контуре.
Спиральная спираль из проволоки (также известная как соленоид) создает магнитное поле в своем центре. Предоставлено: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu.
Чтобы сконцентрировать магнитное поле в электромагните, провод наматывают много раз в катушку, обеспечивая расположение витков провода рядом по краю. Магнитное поле, создаваемое витками проволоки, проходит через центр катушки, создавая там сильное магнитное поле. Сторона магнита, из которой выходят силовые линии, определяется какСеверный полюс.
Катушка с проволокой, имеющая форму спирали, называется «соленоидом». Однако могут быть созданы гораздо более сильные магнитные поля, если внутрь катушки поместить ферромагнитный материал (например, железо). Это то, что называется «ферромагнитным сердечником» (или «электромагнитом с железным сердечником»), который может генерировать магнитное поле, в тысячу раз превышающее силу одной только катушки.
Затем существует так называемый «тойродальный сердечник», в котором провод намотан на ферромагнитный сердечник, имеющий форму замкнутого контура (также известного как магнитная цепь). В этом случае магнитные поля принимают форму замкнутого контура, таким образом оказывая гораздо меньшее «сопротивление» магнитному полю, чем воздух. В результате можно получить более сильное поле, если большая часть пути магнитного поля проходит внутри сердечника.
Железный сердечник имеет эффект значительного увеличения магнитного поля соленоида по сравнению с соленоидом с воздушным сердечником слева. Предоставлено: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu.
Кроме того, существуют «сверхпроводящие» электромагниты, которые состоят из спиральной проволоки, изготовленной из сверхпроводящих материалов (таких как ниобий-титан или диборид магния). Эти провода также хранятся при криогенных температурах, чтобы обеспечить минимальное электрическое сопротивление. Такие электромагниты могут проводить гораздо большие токи, чем обычный провод, создавая самые сильные магнитные поля среди всех электромагнитов, а также дешевле в эксплуатации из-за отсутствия потерь энергии.
Современное использование электромагнитов:
Сегодня существует бесчисленное множество применений для электромагнитов, начиная от крупномасштабного промышленного оборудования и заканчивая небольшими электронными компонентами. Кроме того, электромагниты широко используются для проведения научных исследований и экспериментов, особенно там, где требуется сверхпроводимость и быстрое ускорение.
В случае электромагнитных соленоидов они используются везде, где требуется однородное (то есть управляемое) магнитное поле. То же самое верно и для электромагнита с железным сердечником, где железный или другой ферромагнитный сердечник может быть вставлен или удален, чтобы усилить напряженность поля магнита. В результате соленоидные магниты обычно встречаются в электронных маркерах для пейнтбола, автоматах для игры в пинбол, матричных принтерах и топливных инжекторах, где применяется и контролируется магнетизм для обеспечения контролируемого движения определенных компонентов.
Учитывая их способность генерировать очень мощные магнитные поля, низкое сопротивление и высокую эффективность, сверхпроводящие электромагниты часто используются в научном и медицинском оборудовании. К ним относятся аппараты магнитно-резонансной томографии (МРТ) в больницах и научные инструменты, такие как спектрометры ядерного магнитного резонанса (ЯМР), масс-спектрометры, а также ускорители частиц.
Поперечное сечение Большого адронного коллайдера (LHC) ЦЕРН, в котором для достижения столкновений используются мощные ускорители частиц. Кредит: ЦЕРН
Электромагниты также широко используются в музыкальном оборудовании. К ним относятся громкоговорители, наушники, электрические звонки и оборудование для магнитной записи и хранения данных, такое как магнитофоны. Индустрия мультимедиа и развлечений полагается на электромагниты для создания устройств и компонентов, таких как видеомагнитофоны и жесткие диски.
Электрические приводы, которые представляют собой двигатели, отвечающие за преобразование электрической энергии в механический крутящий момент, также полагаются на электромагниты. Электромагнитная индукция также является средством, с помощью которого работают силовые трансформаторы, которые отвечают за увеличение или уменьшение напряжений переменного тока в линиях электропередач.
Индукционный нагрев, который используется для приготовления пищи, производства и лечения, также основан на электромагнитах, которые преобразуют электрический ток в тепловую энергию. Электромагниты также используются в промышленности, например, в магнитных подъемниках, которые используют магнитное притяжение для подъема тяжелых предметов, или в магнитных сепараторах, которые отвечают за сортировку ферромагнитных металлов из металлолома.
И наконец, что не менее важно, это применение поездов на магнитной подвеске. Помимо использования электромагнитной силы, позволяющей поезду левитировать над рельсами, сверхпроводящие электромагниты также отвечают за ускорение поездов до высоких скоростей.
Короче говоря, применение электромагнитов практически безгранично, они питают все, от бытовых устройств и тяжелого оборудования до общественного транспорта. В будущем они также могут нести ответственность за космические путешествия, где ионные двигательные установки использовать магнитные поля для ускорения заряженных частиц (то есть ионов) и достижения тяги.
Мы написали много интересных статей об электромагнитах здесь, в Universe Today. Вот Кто открыл электричество? , Из чего сделаны магниты? , Как работают магниты? , Магнитное поле Земли , а также Ионная тяга .
Для получения дополнительной информации обязательно ознакомьтесь с образовательными ресурсами НАСА. Эксперименты с электромагнитами а также Роль Земли как электромагнита и создание полярных сияний и страницу NASA Wavelength на Электромагниты .
У How Stuff Works также есть отличная страница под названием « Введение в принцип работы электромагнитов ', а также Национальная лаборатория сильного магнитного поля В (MagLab) есть несколько замечательных статей об электромагнитах, о том, как их сделать и как они работают.
Вы также можете проверить Astronomy Cast. Эпизод 103 это об электромагнитных силах.