Електромагнетизмът е една от основните сили на Вселената, отговорна за всичко - от електрически и магнитни полета до светлина. Първоначално учените смятали, че магнетизмът и електричеството са отделни сили. Но към края на 19 век това мнение се променя, тъй като изследванията показват категорично, че положителните и отрицателните електрически заряди се управляват от една сила (т.е. магнетизъм).
От това време учените се стремят да тестват и измерват електромагнитните полета и да ги пресъздават. За тази цел те създадоха електромагнити, устройство, което използва електрически ток, за да индуцира магнитно поле. И тъй като първоначалното им изобретение като научен инструмент, електромагнитите се превърнаха в редовна характеристика на електронните устройства и индустриалните процеси.
Електромагнитите се отличават от постоянните магнити по това, че те показват магнитно привличане към други метални предмети, когато ток преминава през тях. Това представлява многобройни предимства, тъй като силата на магнитното му привличане може да се контролира и включва и изключва по желание. Поради тази причина те се използват широко в научните изследвания и промишлеността, където се изисква магнитно взаимодействие.
История на електромагнитите:
Първото записано откритие на връзката между електричеството и магнетизма се случи през 1820 г., когато датският учен Ханс Кристиан Орстед забеляза, че иглата на компаса му сочи към магнитния север, когато се включи акумулатор наблизо. Това отклонение го убеди, че магнитните полета излъчват от всички страни на проводник, носещ електрически ток, точно както правят светлината и топлината.
Малко след това той публикува своите открития, показвайки математически, че електрически ток произвежда магнитно поле, докато тече през жица. Четири години по-късно английският учен Уилям Стърджън разработва първия електромагнит, който се състои от парче желязо във формата на подкова, обвито с медна тел. Когато токът премине през жицата, той ще привлече други парчета желязо, а когато токът бъде спрян, той губи намагнитване.
Макар и слаб по съвременните стандарти, електромагнитът на Стърджън демонстрира потенциалната им полезност. Въпреки че тежи само 200 грама (7 унции), той може да повдига предмети, тежащи приблизително 4 кг (9 паунда) само с тока на едноклетъчна батерия. В резултат на това изследванията започват да се засилват както в електромагнитите, така и в естеството на електродинамиката.
До 30-те години на миналия век американският учен Джоузеф Хенри направи редица подобрения в дизайна на електромагнита. Използвайки изолирана жица, той успя да постави хиляди оборота на тел върху едно ядро. В резултат на това един от неговите електромагнити може да издържи до 936 кг тегло. Това трябваше да има популяризиращ ефект върху използването на електромагнити.
Видове електромагнити:
Електрическият ток, протичащ в жица, създава магнитно поле около жицата, поради закона на Ампер. Този закон гласи, че за всеки път със затворен цикъл сумата от елементите на дължината, кратна на магнитното поле по посока на елемента с дължина, е равна на проницаемостта, пъти на електрическия ток, затворен в контура.
За да концентрира магнитното поле в електромагнит, проводникът се навива в намотка многократно, като се гарантира, че проводникът на завоите е един до друг по ръба. Магнитното поле, генерирано от завоите на жицата, преминава през центъра на намотката, създавайки там силно магнитно поле. Страната на магнита, от която излизат полевите линии, се определя като Северен полюс.
Намотка от жица, която има формата на спирала, се нарича „соленоид“. Въпреки това могат да се получат много по-силни магнитни полета, ако във вътрешността на бобината се постави феромагнетичен материал (т.е. желязо). Това се нарича „феромагнитно ядро“ (или „електромагнит с желязна сърцевина“), което може да генерира магнитно поле хиляда пъти по-силно от силата на бобината.
Тогава е това, което е известно като "тоиродално ядро", при което жицата е навита около феромагнитно ядро под формата на затворен контур (известен още като магнитна верига). В този случай магнитните полета имат формата на затворен контур, като по този начин представляват много по-малко „съпротивление“ на магнитното поле, отколкото въздуха. В резултат на това може да се получи по-силно поле, ако по-голямата част от пътя на магнитното поле е в ядрото.
И тогава има „свръхпроводящи“ електромагнити, които са съставени от намотка тел, направена от свръхпроводящи материали (като ниобий-титан или диборид магнезий). Тези проводници се поддържат и при криогенни температури, за да се гарантира, че електрическото съпротивление е минимално. Такива електромагнити могат да провеждат много по-големи токове от обикновения проводник, създавайки най-силните магнитни полета на всеки електромагнит, като същевременно са по-евтини за работа, тъй като няма загуба на енергия.
Съвременни приложения за електромагнити:
Днес има безброй приложения за електромагнити, вариращи от широкомащабни индустриални машини, до малки електронни компоненти. В допълнение, електромагнитите се използват широко за провеждане на научни изследвания и експерименти, особено когато се изисква свръхпроводимост и бързо ускорение.
В случай на електромагнитни соленоиди те се използват винаги, когато е необходимо еднообразно (т.е. контролирано) магнитно поле. Същото важи и за електромагнита с желязна сърцевина, където желязо или друго феромагнитно ядро може да бъде поставено или отстранено, за да се усили силата на магнитното поле. В резултат на това соленоидните магнити се срещат често в електронни пейнтболни маркери, пинболни машини, матрични принтери и инжектори за гориво, където се прилага и контролира магнетизъм, за да се гарантира контролираното движение на конкретни компоненти.
Предвид способността им да генерират много мощни магнитни полета, ниско съпротивление и висока ефективност, свръхпроводящи електромагнити често се срещат в научното и медицинското оборудване. Те включват машини за магнитно резонансно изображение (MRI) в болници и научни инструменти като ядрено-магнитен резонанс (ЯМР) спектрометри, мас-спектрометри, а също и ускорители на частици.
Електромагнитите също се използват широко, когато става дума за музикално оборудване. Те включват високоговорители, слушалки, електрически звънци и магнитно оборудване за запис и съхранение на данни - като магнетофони. Мултимедийната и развлекателната индустрия разчита на електромагнитите за създаване на устройства и компоненти, като видеорекордери и твърди дискове.
Електрическите задвижващи механизми, които са двигатели, отговорни за превръщането на електрическата енергия в механичен въртящ момент, също разчитат на електромагнитите. Електромагнитната индукция е също средство, чрез което функционират силови трансформатори, които са отговорни за увеличаване или намаляване на напреженията на променлив ток по електропроводи.
Индукционното отопление, което се използва за готвене, производство и медицинско лечение, също разчита на електромагнитите, които превръщат електрическия ток в топлинна енергия. Електромагнитите се използват и за промишлени приложения, като магнитни повдигачи, които използват магнитно привличане за повдигане на тежки предмети или магнитни сепаратори, които са отговорни за сортирането на феромагнитни метали от скрап.
И последно, но със сигурност не на последно място, е прилагането на влакове на maglev. В допълнение към използването на електромагнитна сила, за да позволи на влака да левитира над коловоза, свръхпроводящите електромагнити също са отговорни за ускоряването на влаковете до високи скорости.
Накратко, използването на електромагнитите е практически неограничено, захранвайки всичко от потребителски устройства и тежко оборудване до масово преминаване. В бъдеще те могат да бъдат отговорни и за космическото пътуване, където йонните задвижващи системи използват магнитни полета, за да ускорят заредените частици (т.е. йони) и да постигнат тяга.
Написахме много интересни статии за електромагнитите тук в Space Magazine. Ето кои са открили електричество? От какво са направени магнитите? Как работят магнитите? Земното магнитно поле и йонното задвижване.
За повече информация, не забравяйте да проверите експериментите на НАСА с експерименти с електромагнити и земната роля като електромагнит и създаването на Аврори и страницата на НАСА с дължина на вълната на електромагнитите.
How Stuff Works също има страхотна страница, озаглавена „Въведение в начина на работа на електромагнитите“, а Националната лаборатория за високо магнитно поле (MagLab) има някои прекрасни статии за електромагнитите, как да ги направите и как работят.
Можете също така да проверите Астрономията в ролите. Епизод 103 е за електромагнитните сили.
