Elektromagnet

Elektromagnet je magnet kod koga je potrebno napajanje električnom strujom da bi se održalo sopstveno magnetno polje. To je jednostavna naprava koja se sastoji od namotaja električki provodne žice oko feromagnetskog jezgra. Obično se koristi kao dio releja, solenoida, elektromotora i drugih naprava.

Jednostavan elektromagnet. Lakom izolovana bakarna žica namotana oko gvozdenog jezgra.

Način rada

Magnetsko polje koje proizvodi zavojnica elektromagneta. Zakrivljene linije pokazuju silnice magnetskog polja. Tačke u krugovima označavaju smjer struje u žici prema posmatraču. Krstovi označavaju smjer struje u žici od posmatrača.

Kada se krajevi namotaja žice povežu sa izvorom struje, kao što je baterija, dolazi do toka struje kroz zavojnicu. Ovaj tok stvara magnetsko polje, i elektromagnet dobija sjeverni i južni magnetski pol. Silnice magnetskog polja uzrokuju orijentaciju magnetskih domena u jezgri u smjeru silnica. To se isto dešava sa obližnjim feromagnetskim objektima, i oni bivaju privučeni ka jezgri elektromagneta ako su u blizini.

Privlačno djelovanje dolazi otuda što stvoreno magnetsko polje stvara suprotnu orijentaciju magnetskih polova kod obližnjih objekata, i time se stvara privlačenje između magnetskih polova jezgre i spoljnih objekata.

Ako se u zavojnici elektromagneta promijeni smjer struje, promijeniće mjesta magnetski polovi elektromagneta. To će istovremeno dovesti do promjene orijentacije polova u obližnjim feromagnetskim objektima, pa će i dalje biti privlačeni jezgri elektromagneta. Međutim obični magnet sa stalnim polovima će sad biti odbijan, ako je ranije bio privlačen jezgri, jer njegovu orijentaciju polova ne može da promijeni spoljno magnetsko polje.

Oblik

Oblik elektromagneta zavisi od upotrebe, i može biti cilindričan (valjkast), u obliku potkovice, i u drugim oblicima.

Upotreba

Dizanje gvozdenog otpada pomoću elektromagneta.

Koriste se obično kao dijelovi kompleksnijih uređaja, kao što su relej, solenoid ili elektromotor. Međutim njihova upotreba je moguća i direktno, recimo za privlačenje gvožđa i čelika na otpadu prilikom transporta, ili za glave čitača i pisača kod uređaja sa magnetskom trakom ili diskovima.

U većini slučajeva se koristi svojstvo elektromagneta da privlači feromagnetske materijale, kao što su gvožđe i čelik, a zatim ta akcija vrši neku drugu. Na primjer kod releja kotva aktivira električne kontakte, kod nekih solenoida aktivni dio otvara ili zatvara ventil, a kod elektromotora se elektromagnet koristi kao pol statora koji privlači ili odbija rotor.

Dalja važna područja upotrebe, gdje se koristi magnetsko polje koje proizvode elektromagneti, su u čitačkim glavama kod kasetofona, magnetofona i čvrstih (hard) diskova.

Kod čvrstih diskova se pušta puls struje kroz mali elektromagnet glave za čitanje. Ovaj puls stvara magnetsko polje koje magnetizira malu tačku na disku. Puls struje jednog polariteta stvara tačku jedne orijentacije magnetskih domena (binarnu jedinicu). Puls struje drugog polariteta služi za zapis binarne nule.

Glava za čitanje je isto mali elektromagnet. Ovdje magnetizirane tačke snimljene na disku uzrokuju indukciju (stvaranje) napona na krajevima zavojnice elektromagneta. Polaritet stvorenog napona indicira binarnu jedinicu ili nulu.

Matematičko razmatranje

Definicije

$A\,$	kvadratni metar	površina presjeka jezgra
$B\,$	Tesla	Gustina magnetskog toka
$F\,$	Njutn	Sila stvorena magnetskim poljem
$H\,$	Amper-metar	Magnetna sila
$I\,$	Amper	Struja u namotaju
$L\,$	Metar	Ukupna dužina puta magnetskih silnica $L_{\mathrm {c} }+L_{\mathrm {g} }\,$
$L_{\mathrm {c} }\,$	Metar	Dužina puta magnetskih silnica u jezgri
$L_{\mathrm {g} }\,$	Metar	Dužina puta magnetskih silnica u vazdušnom rasporu
$m_{1},m_{2}\,$	Amper-metar	Jačina polova elektromagneta
$\mu \,$	Njutn po kvadratnom Amperu	Permeabilnost jezgra
$\mu _{0}\,$	Njutn po kvadratnom Amperu	Permeabilnost vazduha ili vakuuma = 4π(10-7)
$\mu _{r}\,$	-	Relativna permeabilnost jezgra elektromagneta
$N\,$	-	Broj zavoja žice elektromagneta
$r\,$	Metar	Udaljenost između polova dva elektromagneta

Amperov zakon

Jačina magnetskog polja elektromagneta je približno data sa jednačinom Amperovog zakona:

$\int \mathbf {J} \cdot d\mathbf {A} =\oint \mathbf {H} \cdot d\mathbf {l}$

Magnetsko polje stvoreno strujom

Magnetno polje (zeleno) tipičnog elektromagneta, sa jezgrom od gvožđa C koje formira zatvorene petlje sa dve vazdušne praznine G u sebi. Veći deo magnetnog polja B je koncentrisan u jezgru. Međutim, jedan deo linija polja B_L, koji se zove „curenje fluksa“, ne prati puno kolo jezgra i tako ne doprinosi sili koja deluje od elektromagnet. U prazninama G linije polja se šire izvan granica jezgra, B_F. To povećava „otpor“ magnetnog kola, smanjujući ukupan magnetni fluks u jezgra.

Magnetsko polje stvoreno elektromagnetom je proporcionalno broju zavoja žice i struji kroz namotaj. Zbog toga se ovaj produkt (NI) zove i magnetomotorna sila.

Za jednostavan elektromagnet sa jednim magnetskim kolom, u kojem je dužina magnetnog jezgra L_c a dužina L_g vazdušni raspor, Amperov zakon se svodi na:

$NI=H_{\mathrm {c} }L_{\mathrm {c} }+H_{\mathrm {g} }L_{\mathrm {g} }\,$

$NI=B\left({\frac {L_{\mathrm {c} }}{\mu }}+{\frac {L_{\mathrm {g} }}{\mu _{0}}}\right)\qquad \qquad \qquad \qquad (1)\,$

gdje $\mu =B/H\,$

$\mu _{0}=4\pi (10^{-7})\ \mathrm {N} \cdot \mathrm {A} ^{-2}$ je permeabilnost vazduha ili vakuuma.

Sila stvorena elektromagnetom

Kada nema nikakvih gubitaka, sila koju elektromagnet stvara jest:

$F={\frac {B^{2}A}{2\mu _{0}}}\qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad (2)\,$

Zbog ograničenja najveće gustine magnetskog polja u realnim materijalima ovo svodi najveći praktični pritisak na:

${\frac {F}{A}}\approx 1000\ \mathrm {kPa}$

Gustina magnetskog polja je ograničena na oko 1.6 T za praktične materijale. To dakle ograničava praktični pritisak. Sila se može dalje povećavati povećanjem površine poprečnog presjeka elektromagneta.

Zatvoreno magnetsko kolo

Za zatvoreno magnetsko kolo bez vazdušnog raspora, vrijedi jednačina:

$B={\frac {NI\mu }{L}}\qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad (3)\,$

Odatle dobijamo da je privlačna sila:

$F={\frac {\mu ^{2}N^{2}I^{2}A}{2\mu _{0}L^{2}}}\qquad \qquad \qquad \qquad \qquad (4)\,$

Pogodno je koristiti najkraći mogući put magnetskih silnica sa velikim poprečnim presjekom jezgra.

Sila između elektromagneta

Jačina magnetskog pola se može pronaći iz:

$m={\frac {NIA}{L}}$

A sila između dva pola jest:

$F={\frac {\mu _{0}m_{1}m_{2}}{4\pi r^{2}}}$

Ovo je približna formula i ne vrijedi ako su magneti jako blizu.

Literatura

• Floyd, Thomas I. Hall (2002). Principles of Electric Circuits (7th izd.). Prentice. str. 387—930. ISBN 978-0-13-098576-7. 
• Nave, R. „Electricity and magnetism”. HyperPhysics. Georgia State University. Pristupljeno 2013-11-12. 
• Khutoryansky, E. „Electromagnetism – Maxwell's Laws”. YouTube. Pristupljeno 2014-12-28. 
• G.A.G. Bennet (1974). Electricity and Modern Physics (2nd izd.). Edward Arnold (UK). ISBN 978-0-7131-2459-0. 
• Browne, Michael (2008). Physics for Engineering and Science (2nd izd.). McGraw-Hill/Schaum. ISBN 978-0-07-161399-6. 
• Dibner, Bern (2012). Oersted and the discovery of electromagnetism. Literary Licensing, LLC. ISBN 978-1-258-33555-7. 
• Durney, Carl H.; Johnson, Curtis C. (1969). Introduction to modern electromagnetics. McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-018388-9. 
• Feynman, Richard P. (1970). The Feynman Lectures on Physics Vol II. Addison Wesley Longman. ISBN 978-0-201-02115-8. 
• Fleisch, Daniel (2008). A Student's Guide to Maxwell's Equations. Cambridge, UK: Cambridge University Press. ISBN 978-0-521-70147-1. 
• I.S. Grant; W.R. Phillips (2008). Electromagnetism. Manchester Physics (2nd izd.). John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-92712-9. 
• Griffiths, David J. (1998). Introduction to Electrodynamics (3rd izd.). Prentice Hall. ISBN 978-0-13-805326-0. 
• Jackson, John D. (1998). Classical Electrodynamics (3rd izd.). Wiley. ISBN 978-0-471-30932-1. 
• Moliton, André (2007). Basic electromagnetism and materials. 430 pages. New York: Springer-Verlag New York. ISBN 978-0-387-30284-3. 
• Purcell, Edward M. (1985). Electricity and Magnetism Berkeley, Physics Course Volume 2 (2nd ed.). McGraw-Hill. ISBN 978-0-07-004908-6. 
• Purcell, Edward M; Morin, David. (2013). Electricity and Magnetism, 820p (3rd izd.). Cambridge University Press, New York. ISBN 978-1-107-01402-2. 
• Rao, Nannapaneni N. (1994). Elements of engineering electromagnetics (4th ed.). Prentice Hall. ISBN 978-0-13-948746-0. 
• Rothwell, Edward J.; Cloud, Michael J. (2001). Electromagnetics. CRC Press. ISBN 978-0-8493-1397-4. 
• Tipler, Paul (1998). Physics for Scientists and Engineers: Vol. 2: Light, Electricity and Magnetism (4th izd.). W.H. Freeman. ISBN 978-1-57259-492-0. 
• Wangsness, Roald K.; Cloud, Michael J. (1986). Electromagnetic Fields (2nd izd.). Wiley. ISBN 978-0-471-81186-2. 
• A. Beiser (1987). Concepts of Modern Physics (4th izd.). McGraw-Hill (International). ISBN 978-0-07-100144-1. 
• L.H. Greenberg (1978). Physics with Modern Applications. Holt-Saunders International W.B. Saunders and Co. ISBN 978-0-7216-4247-5. 
• R.G. Lerner; G.L. Trigg (2005). Encyclopaedia of Physics (2nd izd.). VHC Publishers, Hans Warlimont, Springer. str. 12—13. ISBN 978-0-07-025734-4. 
• J.B. Marion; W.F. Hornyak (1984). Principles of Physics. Holt-Saunders International Saunders College. ISBN 978-4-8337-0195-2. 
• H.J. Pain (1983). The Physics of Vibrations and Waves (3rd izd.). John Wiley & Sons. ISBN 978-0-471-90182-2. 
• C.B. Parker (1994). McGraw Hill Encyclopaedia of Physics (2nd izd.). McGraw Hill. ISBN 978-0-07-051400-3. 
• R. Penrose (2007). The Road to Reality. Vintage books. ISBN 978-0-679-77631-4. 
• P.A. Tipler; G. Mosca (2008). Physics for Scientists and Engineers: With Modern Physics (6th izd.). W.H. Freeman and Co. ISBN 978-1-4292-0265-7. 
• P.M. Whelan; M.J. Hodgeson (1978). Essential Principles of Physics (2nd izd.). John Murray. ISBN 978-0-7195-3382-2. 

Spoljašnje veze

• Elektromagneti i magneti
• Magnetsko polje i sile
• Osnovno o magnetizmu