Электромагниты и их применение
Электромагнит создает магнитное поле с помощью обмотки, обтекаемой электрическим током. Для того чтобы усилить это поле и направить магнитный поток по определенному пути, в большинстве электромагнитов имеется магнитопровод, выполняемый из магнитномягкой стали.
Электромагниты получили настолько широкое распространение, что трудно назвать область техники, где бы они не применялись в том или ином виде. Они содержатся во многих бытовых приборах — электробритвах, магнитофонах, телевизорах и т.п. Устройства техники связи — телефония, телеграфия и радио немыслимы без их применения.
Электромагниты являются неотъемлемой частью электрических машин, многих устройств промышленной автоматики, аппаратуры регулирования и защиты разнообразных электротехнических установок. Развивающейся областью применения электромагнитов является медицинская аппаратура. Наконец, гигантские электромагниты для ускорения элементарных частиц применяются в синхрофазотронах.
Вес электромагнитов колеблется от долей грамма до сотен тонн, а потребляемая при их работе электрическая мощность — от милливатт до десятков тысяч киловатт.
Особой областью применения электромагнитов являются электромагнитные механизмы. В них электромагниты используются в качестве привода для осуществления необходимого поступательного перемещения рабочего органа или поворота его в пределах ограниченного угла, или для создания удерживающей силы.
Примером подобных электромагнитов являются тяговые электромагниты, предназначенные для совершения определенной работы при перемещении тех или иных рабочих органов; электромагнитные замки; электромагнитные муфты сцепления и торможения и тормозные электромагниты; электромагниты, приводящие в действие контактные устройства в реле, контакторах, пускателях, автоматических выключателях; подъемные электромагниты, электромагниты вибраторов и т. п.
В ряде устройств наряду с электромагнитами или взамен их используются постоянные магниты (например, магнитные плиты металлорежущих станков, тормозные устройства, магнитные замки и т. п.).
Электромагниты весьма разнообразны по конструктивным выполнениям, которые различаются по своим характеристикам и параметрам, поэтому классификация облегчает изучение процессов, происходящих при их работе.
В зависимости от способа создания магнитного потока и характера действующей намагничивающей силы электромагниты подразделяются на три группы: электромагниты постоянного тока нейтральные, электромагниты постоянного тока поляризованные и электромагниты переменного тока.
В нейтральных электромагнитах постоянного тока рабочий магнитный поток создается с помощью обмотки постоянного тока. Действие электромагнита зависит только от величины этого потока и не зависит от его направления, а следовательно, от направления тока в обмотке электромагнита. При отсутствии тока магнитный поток и сила притяжения, действующая на якорь, практически равны нулю.
Поляризованные электромагниты постоянного тока характеризуются наличием двух независимых магнитных потоков:(поляризующего и рабочего. Поляризующий магнитный поток в большинстве случаев создается с помощью постоянных магнитов. Иногда для этой цели используют электромагниты. Рабочий поток возникает под действием намагничивающей силы рабочей или управляющей обмотки. Если ток в них отсутствует, на якорь действует сила притяжения, создаваемая поляризующим магнитным потоком. Действие поляризованного электромагнита зависит как от величины, так и от направления рабочего потока, т. е. от направления тока в рабочей обмотке.
Электромагниты переменного тока
В электромагнитах переменного тока питание обмотки осуществляется от источника переменного тока. Магнитный поток, создаваемый обмоткой, по которой проходит переменный ток, периодически изменяется по величине и направлению (переменный магнитный поток), в результате чего сила электромагнитного притяжения пульсирует от нуля до максимума с удвоенной частотой по отношению к частоте питающего тока.
Однако для тяговых электромагнитов снижение электромагнитной силы ниже определенного уровня недопустимо, так как это приводит к вибрации якоря, а в отдельных случаях к прямому нарушению нормальной работы. Поэтому в тяговых электромагнитах, работающих при переменном магнитном потоке, приходится прибегать к мерам для уменьшения глубины пульсации силы (например, применять экранирующий виток, охватывающий часть полюса электромагнита).
Кроме перечисленных разновидностей, в настоящее время большое распространение получили электромагниты с выпрямлением тока, которые по питанию могут быть отнесены к электромагнитам переменного тока, а по своим характеристикам приближаются к электромагнитам постоянного тока. Поскольку все же имеются некоторые специфические особенности их работы.
В зависимости от способа включения обмотки различают электромагниты с последовательными и параллельными обмотками.
Обмотки последовательного включения , работающие при заданном токе, выполняются с малым числом витков большого сечения. Ток, проходящий по такой обмотке, практически не зависит от ее параметров, а определяется характеристиками потребителей, включенных .последовательно с обмоткой.
Обмотки параллельного включения , работающие при заданном напряжении, имеют, как правило, весьма большое число витков и выполняются из провода малого сечения.
По характеру работы обмотки электромагниты разделяются на работающие в длительном, прерывистом и кратковременном режимах.
По скорости действия электромагниты могут быть с нормальной скоростью действия, быстродействующие и замедленно действующие. Это разделение является несколько условным и свидетельствует главным образом о том, приняты ли специальные меры для получения необходимой скорости действия.
Все перечисленные выше признаки накладывают свой отпечаток на особенности конструктивных выполнений электромагнитов.
Вместе с тем при всем разнообразии встречающихся на практике электромагнитов они состоят из основных частей одинакового назначения. К ним относятся катушка с расположенной на ней намагничивающей обмоткой (может быть несколько катушек и несколько обмоток), неподвижная часть магнитопровода, выполняемого из ферромагнитного материала (ярмо и сердечник) и подвижная часть магнитопровода (якорь). В некоторых случаях неподвижная часть магнитопровода состоит из нескольких деталей (основания, корпуса, фланцев и т. д.). а)
Якорь отделяется от остальных частей магнитопровода воздушными промежутками и представляет собой часть электромагнита, которая, воспринимая электромагнитное усилие, передает его соответствующим деталям приводимого в действие механизма.
Количество и форма воздушных промежутков, отделяющих подвижную часть магнитопровода от неподвижной, зависят от конструкции электромагнита. Воздушные промежутки, в которых возникает полезная сила, называются рабочими; воздушные промежутки, в которых не возникает усилия в направлении возможного перемещения якоря, являются-паразитными.
Поверхности подвижной или неподвижной части магнитопровода, ограничивающие рабочий воздушный промежуток, называют полюсами.
В зависимости от расположения якоря относительно остальных частей электромагнита различают электромагниты с внешним притягивающимся якорем, электромагниты со втягивающимся якорем и электромагниты с внешним поперечно движущимся якорем.
Характерной особенностью электромагнитов с внешним притягивающимся якорем является внешнее расположение якоря относительно обмотки. На него действует главным образом рабочий поток, проходящий от якоря к торцу шляпки сердечника. Характер перемещения якоря может быть вращательным (например, клапанный электромагнит) или поступательным. Потоки рассеяния (замыкающиеся помимо рабочего зазора) у таких электромагнитов практически не создают тягового усилия, и поэтому их стремятся уменьшить. Электромагниты этой группы способны развивать достаточно большое усилие, но обычно применяются при сравнительно небольших рабочих ходах якоря.
Особенностью электромагнитов со втягивающимся якорем являются частичное расположение якоря в своем начальном положении внутри катушки и дальнейшее перемещение его в катушку в процессе работы. Потоки рассеяния у таких электромагнитов, особенно при больших воздушных зазорах, создают определенное тяговое усилие, в результате чего они являются полезными, особенно при сравнительно больших ходах якоря. Такие электромагниты могут выполняться со стопом или без него, причем форма поверхностей, образующих рабочий зазор, может быть различной в зависимости от того, какую тяговую характеристику нужно получить.
Наибольшее распространение получили электромагниты с плоскими и усеченно коническими полюсами, а также электромагниты без стопа. В качестве направляющей для якоря чаще всего применяется трубка из немагнитного материала, создающая паразитный зазор между якорем и верхней, неподвижной, частью магнитопровода.
Электромагниты со втягивающимся якорем могут развивать усилия и иметь ход якоря, изменяющиеся в очень большом диапазоне, что обусловливает их широкое распространение.
В электромагнитах с внешним поперечно движущимся якорем якорь перемещается поперек магнитных силовых линий, поворачиваясь на некоторый ограниченный угол. Такие электромагниты обычно развивают сравнительно небольшие усилия, но они позволяют путем соответствующего согласования форм полюсов и якоря получать изменения тяговой характеристики и высокий коэффициент возврата.
В каждой из трех перечисленных групп электромагнитов в свою очередь имеется ряд конструктивных разновидностей, связанных как с характером протекающего по обмотке тока, так и с необходимостью обеспечения заданных характеристик и параметров электромагнитов.
Телеграмм канал для тех, кто каждый день хочет узнавать новое и интересное: Школа для электрика
Для чего в электромагнитах используют сердечники из магнитно-мягких материалов? Почему сердечники электромагнитов не делают
Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах.
Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте.
Как быстро и эффективно исправить почерк? Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.
Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью.
Магнитный сердечник — Magnetic core
А магнитный сердечник это часть магнитный материал с высоким магнитная проницаемость используется для ограничения и руководства магнитные поля в электрике, электромеханический и магнитные устройства, такие как электромагниты, трансформаторы, электродвигатели, генераторы, индукторы, магнитный записывающие головки, и магнитные сборки. Это сделано из ферромагнитный металл, такой как железо, или ферримагнитный такие соединения, как ферриты. Высокая проницаемость по отношению к окружающему воздуху вызывает силовые линии магнитного поля концентрироваться в основном материале. Магнитное поле часто создается токоведущей катушкой из проволоки вокруг сердечника.
Использование магнитопровода может увеличить прочность магнитное поле в электромагнитная катушка в несколько сот раз больше, чем было бы без сердечника. Однако магнитные сердечники имеют побочные эффекты, которые необходимо учитывать. В переменный ток (AC) устройства, вызывающие потери энергии, называемые потери в сердечнике, из-за гистерезис и вихревые токи в таких приложениях, как трансформаторы и катушки индуктивности. «Мягкие» магнитные материалы с низким принуждение и гистерезис, например кремнистая сталь, или же феррит, обычно используются в сердечниках.
Содержание
Основные материалы
Электрический ток через провод, намотанный на катушка создает магнитное поле через центр катушки из-за Закон Ампера. Катушки широко используются в электронных компонентах, таких как электромагниты, индукторы, трансформаторы, электродвигатели и генераторы. Катушка без магнитного сердечника называется катушкой с «воздушным сердечником». Добавление кусочка ферромагнитный или же ферримагнитный материал в центре катушки может увеличивать магнитное поле в сотни или тысячи раз; это называется магнитным сердечником. Поле проволоки проникает в материал сердечника, намагничивание это, так что сильное магнитное поле сердечника добавляется к полю, создаваемому проводом. Степень увеличения магнитного поля сердечником зависит от магнитная проницаемость основного материала. Потому что побочные эффекты, такие как вихревые токи и гистерезис могут вызывать частотно-зависимые потери энергии, для катушек, используемых в разных частоты.
В некоторых случаях потери нежелательны, а при очень сильных полях насыщение может быть проблемой, и используется «воздушный сердечник». Прежний можно использовать; кусок материала, такого как пластик или композит, который может не иметь значительной магнитной проницаемости, но который просто удерживает катушки проводов на месте.
Твердые металлы
Мягкое железо
«Мягкий» (отожженный ) утюг используется в магнитных сборках, постоянный ток (DC) электромагниты и в некоторых электродвигателях; и он может создавать концентрированное поле, которое в 50 000 раз сильнее, чем ядро воздуха. [1]
Из железа желательно делать магнитопроводы, так как оно выдерживает высокие уровни магнитное поле без насыщающий (до 2,16 теслас при температуре окружающей среды. [2] [3] ) Отожженное железо используется потому, что, в отличие от «твердого» железа, оно имеет низкую принуждение и поэтому не остается намагниченным при удалении поля, что часто важно в приложениях, где требуется многократное переключение магнитного поля.
Из-за электрической проводимости металла, когда цельный металлический сердечник используется в переменный ток (AC) приложений, таких как трансформаторы и индукторы, изменяющееся магнитное поле индуцирует большие вихревые токи В нем циркулируют замкнутые контуры электрического тока в плоскостях, перпендикулярных полю. Ток, протекающий через сопротивление металла, нагревает его за счет Джоулевое нагревание, вызывая значительные потери мощности. Поэтому твердые железные сердечники не используются в трансформаторах или индукторах, их заменяют на ламинированный или порошковые железные сердечники, или непроводящие сердечники, такие как феррит.
Ламинированная кремнистая сталь
Для уменьшения упомянутых выше потерь на вихревые токи в большинстве низкочастотных силовых трансформаторов и индукторов используются ламинированный сердечники, сделанные из стопки тонких листов кремнистая сталь:
Ламинирование
Ламинированный Магнитопроводы состоят из стопок тонких листов железа, покрытых изолирующим слоем, расположенных как можно более параллельно линиям магнитного потока. Слои изоляции служат барьером для вихревых токов, поэтому вихревые токи могут течь только узкими петлями в пределах толщины каждого отдельного слоя. Поскольку ток в вихретоковой петле пропорционален площади петли, это предотвращает протекание большей части тока, уменьшая вихревые токи до очень небольшого уровня. Поскольку рассеиваемая мощность пропорциональна квадрату тока, разбиение большого сердечника на узкие пластинки значительно снижает потери мощности. Из этого видно, что чем тоньше пластина, тем меньше потери на вихревые токи.
Легирование кремнием
Небольшое добавление кремний гладить (около 3%) приводит к резкому увеличению удельное сопротивление металла, до четырех раз выше. [ нужна цитата ] Более высокое удельное сопротивление уменьшает вихревые токи, поэтому в сердечниках трансформаторов используется кремнистая сталь. Дальнейшее увеличение концентрации кремния ухудшает механические свойства стали, вызывая трудности при прокатке из-за хрупкости.
Среди двух типов кремнистая сталь, ориентированный по зерну (GO) и неориентированный по зерну (GNO), GO наиболее желателен для магнитных сердечников. это анизотропный, предлагая лучшие магнитные свойства, чем GNO, в одном направлении. Поскольку магнитное поле в сердечниках индуктора и трансформатора всегда направлено в одном направлении, выгодно использовать сталь с ориентированной зернистостью в предпочтительной ориентации. Вращающиеся машины, в которых направление магнитного поля может изменяться, не получают преимуществ от стали с ориентированной зеренной структурой.
Специальные сплавы
Для магнитных сердечников существует семейство специализированных сплавов. Примеры мю-металл, пермаллой, и супермаллой. Они могут изготавливаться в виде штамповок или в виде длинных лент для ленточных сердечников. Некоторые сплавы, например Сендуст, производятся в виде порошка и спеченный формировать.
Многие материалы требуют осторожного термическая обработка достигать своих магнитных свойств и терять их при механическом или термическом воздействии. Например, проницаемость мю-металла увеличивается примерно в 40 раз после отжиг в атмосфере водорода в магнитном поле; последующие более резкие изгибы нарушают выравнивание зерен, что приводит к локальной потере проницаемости; Это можно восстановить, повторив этап отжига.
Стекловидный металл
Аморфный металл представляет собой множество сплавов (например, Metglas ), которые не являются кристаллическими или стеклообразными. Они используются для создания трансформаторов с высоким КПД. Материалы могут быть очень чувствительны к магнитным полям для низких гистерезисных потерь, а также могут иметь более низкую проводимость для уменьшения потерь на вихревые токи. Энергетические компании в настоящее время широко используют эти трансформаторы для новых установок. [4] Высокая механическая прочность и коррозионная стойкость также являются обычными свойствами металлических стекол, которые являются положительными для этого применения. [5]
Порошковые металлы
Сердцевины порошка состоят из металлических зерен, смешанных с подходящим органическим или неорганическим связующим и спрессованных до желаемой плотности. Более высокая плотность достигается при более высоком давлении и меньшем количестве связующего. Сердечники с более высокой плотностью имеют более высокую проницаемость, но меньшее сопротивление и, следовательно, более высокие потери из-за вихревых токов. Более мелкие частицы позволяют работать на более высоких частотах, поскольку вихревые токи в основном ограничены отдельными зернами. Покрытие частиц изолирующим слоем или их разделение тонким слоем связующего снижает потери на вихревые токи. Присутствие более крупных частиц может ухудшить высокочастотные характеристики. На проницаемость влияет расстояние между зернами, которые образуют распределенный воздушный зазор; чем меньше зазор, тем выше проницаемость и менее мягкая насыщенность. Из-за большой разницы плотностей даже небольшое количество связующего по весу может значительно увеличить объем и, следовательно, расстояние между зернами.
Материалы с меньшей проницаемостью лучше подходят для более высоких частот из-за баланса потерь в сердечнике и обмотке.
Поверхность частиц часто окисляется и покрывается слоем фосфата для обеспечения взаимной электрической изоляции.
Порошковое железо — самый дешевый материал. У него более высокие потери в сердечнике, чем у более передовых сплавов, но это можно компенсировать, увеличив сердечник; это выгодно там, где стоимость важнее массы и размера. Поток насыщения от 1 до 1,5 тесла. Относительно высокий гистерезис и потери на вихревые токи, работа ограничена низкими частотами (примерно ниже 100 кГц). Используется в индукторах накопителя энергии, выходных дросселях постоянного тока, дифференциальных дросселях, дросселях симисторных регуляторов, дросселях для фактор силы корректирующие, резонансные катушки индуктивности, импульсные и обратные трансформаторы. [6]
В качестве связующего обычно используется эпоксидная смола или другая органическая смола, подверженная термическому старению. При более высоких температурах, обычно выше 125 ° C, связующее разрушается и магнитные свойства сердечника могут измениться. С более термостойкими связующими сердцевины можно использовать при температуре до 200 ° C. [7]
Сердечники из железного порошка чаще всего доступны в виде тороидов. Иногда как E, EI, так и стержни или блоки, используемые в основном в мощных и сильноточных частях.
Карбонильное железо значительно дороже, чем железо, восстановленное водородом.
Карбонильное железо
Порошковые сердечники из карбонильное железо, высокочистое железо, обладают высокой стабильностью параметров в широком диапазоне температуры и магнитный поток уровни, с отличным Q-факторы от 50 кГц до 200 МГц. Порошки карбонильного железа в основном состоят из микрометровых сферы железа, покрытого тонким слоем электрическая изоляция. Это эквивалентно микроскопической многослойной магнитной цепи (см. Выше кремнистую сталь), что снижает вихревые токи, особенно на очень высоких частотах. Карбонильное железо имеет более низкие потери, чем железо, восстановленное водородом, но также более низкую проницаемость.
Популярное применение магнитопроводов на основе карбонильного железа — высокочастотная и широкополосная индукторы и трансформаторы, особенно более мощные.
Сердечники из карбонильного железа часто называют «радиочастотными сердечниками».
Свежеприготовленные частицы «Е-типа» имеют луковичную кожуру с концентрическими оболочками, разделенными зазором. В них содержится значительное количество углерода. Они ведут себя намного меньше, чем предполагает их внешний размер. Частицы «C-типа» могут быть получены путем нагревания частиц E-типа в атмосфере водорода при 400 ° C в течение длительного времени, что приводит к безуглеродным порошкам. [8]
Восстановленное водородом железо
Порошковые сердечники из восстановленное водородом железо имеют более высокую проницаемость, но более низкую Q, чем карбонильное железо. Они используются в основном для электромагнитная интерференция фильтры и низкочастотные дроссели, в основном в импульсные источники питания.
Сердечники из восстановленного водородом железа часто называют «силовыми сердечниками».
МПП (молипермаллой)
Сплав около 2% молибден, 81% никель и 17% железа. Очень низкие потери в сердечнике, низкий гистерезис и, следовательно, низкие искажения сигнала. Очень хорошая температурная стабильность. Высокая стоимость. Максимальный поток насыщения около 0,8 тесла. Используется в высокодобротных фильтрах, резонансных цепях, нагрузочных катушках, трансформаторах, дросселях и т. Д. [6]
Материал был впервые представлен в 1940 году, использовался в загрузочные катушки для компенсации емкости в длинных телефонных линиях. Его можно использовать на частотах от 200 кГц до 1 МГц, в зависимости от поставщика. [7] Он до сих пор используется в наземных телефонных линиях из-за своей температурной стабильности. В подземных линиях с более стабильной температурой обычно используются ферритовые сердечники из-за их более низкой стоимости. [8]
С высоким потоком (Ni-Fe)
Сплав примерно 50–50% никеля и железа. Большой накопитель энергии, плотность потока насыщения около 1,5 тесла. Остаточная плотность потока около нуля. Используется в приложениях с большим постоянным током смещения (фильтры линейных помех или индукторы в импульсных регуляторах) или там, где требуется низкая остаточная плотность потока (например, импульсные трансформаторы и трансформаторы обратного хода, высокое насыщение подходит для униполярного привода), особенно там, где пространство ограничено. Материал можно использовать на частотах до 200 кГц. [6]
Сендуст, KoolMU
Сплав из 6% алюминия, 9% кремния и 85% железа. Основные потери выше, чем MPP. Очень низкий магнитострикция, делает звук низким. Теряет индуктивность при повышении температуры, в отличие от других материалов; может использоваться в сочетании с другими материалами в качестве композитного сердечника для температурной компенсации. Поток насыщения около 1 тесла. Хорошая температурная стабильность. Используется в импульсных источниках питания, импульсных и обратных трансформаторах, линейных шумовых фильтрах, поворотных дросселях и в фильтрах в фазовые контроллеры (например, диммеры), где важен низкий акустический шум. [6]
Отсутствие никеля приводит к более легкой обработке материала и его более низкой стоимости, чем у высокофлюсовых и MPP.
Этот материал был изобретен в Японии в 1936 году. Его можно использовать на частотах от 500 кГц до 1 МГц, в зависимости от производителя. [7]
Нанокристаллический
А нанокристаллический сплав стандартного сплава железо-бор-кремний, с добавлением меньшего количества медь и ниобий. Размер зерен порошка достигает 10-100 нанометров. Материал имеет очень хорошие характеристики на низких частотах. Он используется в дросселях для инверторов и в мощных устройствах. Он доступен под такими именами, как, например, Наноперм, Витроперм, Хитперм и Файнемет. [7]
Керамика
Феррит
Ферритная керамика используются для высокочастотных приложений. Ферритовые материалы можно разрабатывать с широким диапазоном параметров. Как керамика, они, по сути, являются изоляторами, предотвращающими появление вихревых токов, хотя потери, такие как гистерезисные, все же могут возникать.
Воздуха
Катушка, не содержащая магнитопровода, называется воздушное ядро. Это включает в себя катушки, намотанные на пластиковую или керамическую форму, в дополнение к катушкам из жесткой проволоки, которые являются самонесущими и имеют внутри воздух. Катушки с воздушным сердечником обычно имеют гораздо меньшую индуктивность чем катушки с ферромагнитным сердечником аналогичного размера, но используются в радиочастота схемы для предотвращения потерь энергии, называемые потери в сердечнике которые встречаются в магнитных сердечниках. Отсутствие нормальных потерь в сердечнике позволяет увеличить Добротность, поэтому катушки с воздушным сердечником используются в высокочастотных резонансные контуры, например, до нескольких мегагерц. Однако такие потери, как эффект близости и диэлектрические потери все еще присутствуют. Воздушные сердечники также используются, когда требуется напряженность поля выше примерно 2 Тесла, поскольку они не подвержены насыщению.
Часто используемые конструкции
Прямой цилиндрический стержень
Чаще всего делают из феррит или порошковое железо, и используется в радио особенно для настройки индуктор. Катушка наматывается вокруг стержня или в форме катушки со стержнем внутри. Перемещение стержня в катушку или из нее изменяет поток через катушку и может использоваться для регулировки индуктивность. Часто стержень резьбовой для регулировки с помощью отвертки. В радиосхемах капля воск или же смола используется после того, как индуктор настроен, чтобы предотвратить перемещение сердечника.
Наличие керна с высокой проницаемостью увеличивает индуктивность, но силовые линии магнитного поля все равно должны проходить через воздуха от одного конца стержня до другого. Воздушный тракт гарантирует, что индуктор останется линейный. В этом типе индуктора радиация происходит на конце стержня и электромагнитная интерференция может быть проблемой при некоторых обстоятельствах.
Одно ядро »I»
Как цилиндрический стержень, но квадратный, редко используется сам по себе. Этот тип сердечника чаще всего встречается в катушках зажигания автомобилей.
Сердечник «C» или «U»
U и C-образные сердечники используются с я или другой C или же U core, чтобы сделать квадратное закрытое ядро, простейшую форму закрытого ядра. Обмотки можно надевать на одну или обе ножки сердечника.
Электромагнит — это что такое? Сила электромагнита
В данной статье мы рассмотрим понятие «электромагнит». Это устройство мы опишем в общем виде. Также мы узнаем причину возникновения магнитного поля, ознакомимся с историческими данными и определим классификацию главного объекта, рассматриваемого здесь.
Введение
Электромагнит – это прибор/устройство, способный создавать магнитное поле вследствие прохода электрического тока сквозь него. Чаще всего электромагниты состоят из ферромагнитного сердечника и нескольких слоев обмотки. Они предназначаются, в первую очередь, для образования механических усилий; к ним приставляют якорь – подвижный элемент магнитопровода, который передает это усилие.
Магнитные поля возникают в случае, когда весь набор электронов металлического объекта начинает вращаться в одинаковом направлении. В искусственных магнитах это движение обуславливается при помощи электромагнитного поля. Для постоянных электромагнитов данное явление считается натуральным.
Снижение потери ВхТ
Обмотку для электромагнита выполняют из медных или алюминиевых изолированных проводов. Существуют и сверхпроводящие электромагниты. Магнитный провод делают из магнитно-мягкого материла, чаще всего стали (конструкционной, литой и электротехнической), чугуна и сплавов железа с кобальтом или никелем. Снижение потери на вихревой ток (ВхТ) осуществляется при помощи создания магнитопровода из множества листов.
Общая характеристика
Электромагнит – это простая катушка провода, которая подключена к источнику, передающему постоянный ток.
Подключившись к источнику постоянного тока (а также напряжения), катушка и провод начинают получать энергетические ресурсы и создают магнитное поле, которое является подобным полю, что образуется в постоянных полосовых магнитах. Плотность, которой обладает магнитный поток, всегда является пропорциональной величине электрического тока, протекающего сквозь толщу катушки. Полярность электромагнита определяют по направлению тока. Механизм образования включает в себя (самый простой вариант) наматывание провода вокруг сердечника, выполненного из металла, через который потом пропускают электричество из определенного источника. Если внутренняя полость катушка заполнена воздухом, то ее называют соленоидом.
Электромагнит – это устройств, посредством которого можно создавать электромагнитное поле. Главной характеристикой является его способность контролировать силу данного поля, полярность и ее форму. При этом силу магнитного поля контролируют посредством величины использованного электрического тока, который протекает сквозь катушку. Полярность можно задавать, определив в каком направлении нужно двигать протекающий ток. Форма магнитного поля зависит от формы металлической сердцевины, служащей «стержнем» для обмотки проводом. Не забывайте, что полюса электромагнита определяются аналогично тому, как это делают в соленоидах, по физическому правилу правой руки. П.П.Р. также называют правилом буравчика, являющегося мнемоническим средством, посредством которого определяют направление векторных произведений и правого базиса.
Увеличивать силу электромагнита, а точнее его поля, можно при помощи:
- применения сердечников из «мягкого» железа;
- применения больших чисел витков;
- применения электрического тока в больших размерах.
Исторические данные
Первым, кто создал электромагнит, был У. Стерджен. Его устройство представляло собой изогнутый стержень, выполненный из железа мягкого типа, вокруг которого была намотана медная толстая проволока. Для изоляции стержня от обмотки совершили его покрытие лаком. Вследствие подачи тока стержень наделялся свойствами, характерными для сильных магнитов; прерывание подпитки приводило к утрате всех свойств. Именно данная характеристика обусловила их широкое применение в технике. На страницах «Энциклопедического словаря Брокгауза и Ефрона» находится упоминание о том, что электромагниты использовали еще в XIX-XX веке; М.Э. Мендельсон заметил, что электромагниты являются хорошим средством для устранения инородных объектов из полости глаза.
Основная классификация
Существует три основных способа классификации электромагнитов. Они обусловлены током в электромагнитах и способом его создания:
- Нейтральный э/м постоянного тока – устройство, в котором магнитный поток создают так, что сила притяжения становится зависимой только от размерности и скорости подачи постоянного тока, а его направление в обмотке ни на что не влияет.
- Поляризованный э/м постоянного тока – устройство, внутрь которого помещают 2 независимых магнитных потока: поляризующий и рабочий. Второй создают при помощи рабочей обмотки. Поляризующиеся потоки своим образованием обязаны постоянными магнитными полями, реже дополнительным электромагнитам. Данные потоки необходимы для создания притягивающих сил в магните. Деятельность такого устройства обуславливается направлением и/или величиной электрического тока в обмотке, выполняющего работу.
- Э/м переменного тока – устройств, обмотку которого питает источник переменного тока. Течение потока магнитной природы может периодически изменяться по своему направлению и размерности (величине). Потенциал однонаправленной силы, отвечающей за притяжение, меняться может только по своей величине, что приводит к пульсации этой силы в размере от нуля до максимально предельных значений с частотой вдвое большей, чем частота подпитывающего тока. Чаще всего используются в бытовой технике.
Другие виды классификации
Существуют и другие способы классификации электромагнитов. Например, их могут различать по полю электромагнита и его статуса: переменное и/или постоянное. Также бывают классификации, основанные на методах, по которым происходит включение обмотки (последовательное и параллельное включение), на работоспособности и ее характеристике (способные работать в течение длительного времени, прерывистые и кратковременные) и отличные по скорости выполнения задачи (замедленные и быстродействующие).
Способы эксплуатации
Наиболее широкой и важной областью применения электромагнитов является сфера конструирования и эксплуатации электрических машин и аппаратов, входящих в систему автоматики в промышленности. Другой важной областью является аппаратура регулировки и защиты электротехнических объектов/установок. Также электромагниты применяются при изготовлении разнообразных механизмов, в роли привода по которому осуществляется необходимое поступательное перемещение (поворот) рабочего органа определенной машины или для создания удерживающих сил. Примером последних функций может служить электромагнит в составе грузоподъемного механизма/машины. Существуют электромагниты муфт, необходимых для начала действия торможения или установления сцепления (в машинах), электромагниты, применяемых в пускателях, устройствах контактора и выключателя, а также их используют при создании электроизмерительных приборов и т. д.
Электромагниты – это устройства, которые являются перспективными при конструировании тяговых приводов в скоростных транспортных средствах, где с их помощью создают магнитную подушку. В настоящее время и медицина не обходится без использования электромагнитов. При проведении химических, биологических и физических экспериментов их нередко применяют. Благодаря широте эксплуатации и конструктивном исполнении, а также масштабе и затратам энергии, электромагниты являются доступными как в быту, так и в любых других сферах деятельности человека. Вес электромагнитов может варьироваться от нескольких грамм до сотни тон, а потребляемое электричество расходуется – от доли Вт до многих десятков МВт.