Elektromagnes prądu stałego
advertisement
Temat: Elektromagnes, budowa, zasada działania Pole magnetyczne Co to jest elektromagnes? Rys historyczny Budowa Zasada działania Rodzaje elektromagnesów Źródła Pole magnetyczne Pole magnetyczne magnesu stałego Magnes stały (trwały) - ferromagnetyk po uporządkowaniu domen magnetycznych, czyli namagnesowaniu. Każdy magnes wytarza wokół siebie pole magnetyczne, które można przedstawić w postaci tzw. linii pola. Zwrot ich został umownie przyjęty: od bieguna północnego do południowego. Posiada dwa bieguny: północny (N) i południowy (S). Jednoimienne bieguny odpychają się, a różnoimienne - przyciągają. Oddziaływanie to można zaobserwować za pomocą opiłków żelaza. Biegunów tych nie można od siebie oddzielić. Drobne przedmioty stalowe umieszczone w polu magnetycznym magnesują się, czyli stają się magnesami. Pole magnetyczne Ziemi Ziemia ma pole magnetyczne działające tak, jak gdyby w jej środku tkwił olbrzymi magnes. Stanowi go najprawdopodobniej znajdujące się w ciągłym ruchy (wynikającym z ruchu obrotowego) jądro ziemi - płynna masa żelaza z niklem. Ziemia ma dwa bieguny magnetyczne, które nie pokrywają się z biegunami geograficznymi. Biegun magnetyczny południowy znajduje się w pobliżu bieguna północnego geograficznego. Jego współrzędne geograficzne wynoszą współcześnie: 73°30' N i 92°30' W. Oba bieguny oddalone są od siebie o około 800 km. Biegun magnetyczny północny znajduje się w odległości około 1000 km od bieguna geograficznego południowego. Jego współrzędne geograficzne wynoszą współcześnie: 72°25' S i 154' E. Pole magnetyczne ziemskie na niezbyt wielkiej przestrzeni jest polem jednorodnym. Okresowe zmiany pola magnetycznego to zmiany dzienne (związane z miesiącem księżycowym), roczne, nieokresowe zmiany związane z plamami na Słońcu. Biegnące z kosmosu strumienie naładowanych elektrycznie szybkich cząstek zostają wychwycone przez ziemskie pole magnetyczne. Cząstki te powodują powstawanie w atmosferze zjawiska zorzy polarnej. Kierunki linii ziemskiego pola magnetycznego przebiegają następująco: na równiku magnetycznym są one równoległe do powierzchni Ziemi, a na biegunie magnetycznym biegną pionowo, w strefie pośredniej zaś linie te są tym bardziej strome, im bliżej biegunów magnetycznych się znajdują Pole magnetyczne wokół przewodnika z prądem Wokół przewodnika, przez który płynie prąd elektryczny, istnieje pole magnetyczne. Ułożenie biegunów pola magnetycznego przewodnika, przez który płynie prąd, zależy od kierunku przepływu prądu. Linie tego pola tworzą okręgi leżące w płaszczyźnie prostopadłej do przewodnika o środkach leżących na przewodniku. Zwrot linii tego pola wyznaczamy za pomocą reguły prawej dłoni. Zwojnica wytwarza pole magnetyczne, którego linie na zewnątrz mają podobny przebieg, jak w przypadku magnesu sztabkowego. Wewnątrz zwojnicy linie pola są do siebie równoległe. Aby rozpoznać położenie biegunów magnetycznych pętli i zwojnicy, możemy posłużyć się regułą prawej dłoni. Zjawisko istnienia pola magnetycznego wokół przewodnika, przez który płynie prąd, wykazał H. Ch. Oersted. 1. Co to jest elektromagnes? Elektromagnes - urządzenie służące do wytwarzania pola magnetycznego. Ma zwykle postać cewki osadzonej (nawiniętej) na rdzeniu z materiału silnie magnetycznie czynnego, np. ferromagnetyka, ferrytu (magnetyczna budowa materii). Przepływ prądu elektrycznego przez cewkę wytwarza pole magnetyczne, które magnesuje rdzeń, ulegając tym samym znacznemu wzmocnieniu. Gdy prąd przestaje płynąć, pole cewki znika, rdzeń rozmagnesowuje się i elektromagnes przestaje być źródłem pola magnetycznego. 2. Budowa elektromagnesu Elektromagnes jest to zwojnica (inaczej solenoid lub potocznie cewka) z rdzeniem w środku wykonanym z ferromagnetyka, w której płynie prąd. Rdzeniem jest na ogół stal miękka czyli niehartowna. Szybko się ona magnesuje, a po ustąpieniu zewnętrznego pola magnetycznego szybko się rozmagnesowuje. W elektromagnesach prądu przemiennego (natężenie i napięcie zmienia się sinusoidalnie) rdzenie wykonuje się z blach poprzedzielanych izolacją w celu zmniejszenia strat energii powodowanych prądami wirowymi. W elektromagnesach, których zwoje stykają się z rdzeniem drut powinien być izolowany tak, by prąd nie mógł płynąć po powierzchni rdzenia. Elektromagnesy powinny mieć kształt podkowy w celu zmniejszenia, rozproszenia strumienia magnetycznego. Dzwonek elektryczny Obecnie najsilniejsze elektromagnesy buduje się przy użyciu cewek nadprzewodzących. Są one wykonane z materiałów zwanych nadprzewodnikami, nie wykazujących żadnego oporu elektrycznego w bardzo niskich temperaturach (poniżej -200oC). Fizycy szukają tanich nadprzewodników wysokotemperaturowych co rozpowszechni silne elektromagnesy nadprzewodzące. 3. Zasada działania Silniejsze pole Pole magnetyczne powstałe w wyniku przepływu prądu stanie się silniejsze, jeśli przewód zostanie uformowany w zwojnicę nazywaną solenoidem. Pole magnetyczne jakie powstało przypomina pole dookoła zwyczajnego magnesu sztabkowego. Pola każdego spośród poszczególnych zwojów sumują się tworząc wypadkowe pole całej cewki (solenoidu). Jeden koniec solenoidu zachowuje się jak biegun północny, podczas gdy drugi zachowuje się jak biegun południowy. Biegunowość cewki zależy od kierunku przepływu prądu elektrycznego płynącego w niej. Może być ona określana na podstawie reguły prawej dłoni. Jeszcze silniejsze pole Pole magnetyczne solenoidu można znacznie wzmocnić (co najmniej 1000 razy), jeśli przewód nawinie się wokół rdzenia z "miękkiego" żelaza. "Miękkie" oznacza tutaj, że żelazo nie "magazynuje" pola magnetycznego, tak jak stal w magnesie trwałym. Gdy prąd elektryczny przepływa przez zwojnicę, "miękkie" żelazo staje się namagnesowane. Kiedy prąd elektryczny przestaje płynąć, pole magnetyczne zanika i żelazo ulega rozmagnesowaniu. Taka jest właśnie zasada działania elektromagnesu. Działanie elektromagnesu można wzmocnić przez umieszczenie wewnątrz rdzenia wykonanego ze stali "miękkiej", zwiększając liczbę zwojów zwojnicy lub zwiększając natężenie prądu. 4. Rodzaje elektromagnesów Podział Elektromagnesy dzieli się na 4 podstawowe grupy: - elektromagnes prądu stałego - elektromagnes spolaryzowany - elektromagnes prądu zmiennego - elektromagnes nadprzewodnikowy Elektromagnes prądu stałego W tych elektromagnesach strumień magnetyczny istnieje tylko wówczas, gdy przez cewkę przepływa prąd elektryczny). Jeżeli prąd nie płynie, to strumień równy jest zeru. Elektromagnes spolaryzowany Niezależnie od strumienia magnetycznego powstającego pod wpływem przepływu prądu elektrycznego istnieje stały strumień magnetyczny wytwarzany przez magnes stały. Te elektromagnesy "rozróżniają" kierunek prądu zasilającego i dlatego stosowane są w przekaźnikach. Elektromagnes prądu zmiennego strumień magnetyczny zmienia się co do kierunku i wielkości, a w konsekwencji siła elektromagnesu pulsuje od zera do maksimum z częstotliwością dwukrotnie większą od częstotliwości prądu zasilającego. Elektromagnes nadprzewodnikowy Bardzo korzystne parametry mają elektromagnesy, których uzwojenie wykonane jest z materiałów nadprzewodzących, które nie wykazują żadnego oporu elektrycznego w bardzo niskich temperaturach (poniżej -200°C). Pozwala to uzyskiwać pola magnetyczne o natężeniu dochodzącym do 1000 A/m. Pól magnetycznych o większych natężeniach nie można uzyskać przy użyciu dotychczasowych materiałów nadprzewodzących, gdyż ich nadprzewodnictwo zostaje zniszczone przez silniejsze pola magnetyczne. Wymiary i ciężar elektromagnesów nadprzewodzących są znacznie mniejsze niż wymiary i ciężar w przypadkach elektromagnesów stałych. Fizycy wciąż szukają tanich nadprzewodników wysokotemperaturowych co rozpowszechni silnie elektromagnesy nadprzewodzące. Rys historyczny Wynalazek elektromagnesu wiąże się ściśle z historycznym doświadczeniem Oersteda (1820), w którym odkryty został efekt magnetyczny prądu elektrycznego. Doświadczenie to powtórzył D.F. Arago. Zjawisko magnesowania ciał magnetycznych przez pole przewodnika z prądem wykorzystał następnie W. Sturgeon, budując w 1823 roku pierwszy elektromagnes. Istotne ulepszenia są zasługą J. Henry'ego, który zastosował drut izolowany. Hans Christian Oersted (1777 - 1851) Dwadzieścia lat doświadczeń z ogniwami Volty dało możność zbadania wielu zagadek przepływu prądu w obwodach, lecz nikt nie przypuszczał nawet, że istnieją związki między prądem i magnesami. Nic dziwnego zatem, że doświadczenia wykazujące wpływ prądu na magnesy, wykonane przez Hansa Christiana Oersteda, zainicjowały rewolucję zjawisk elektrycznych, a ściśle mówiąc - rewolucję w spojrzeniu na zjawiska elektryczne. Oersted umieścił nad igłą magnetyczną przewodnik. Umieścił go w ten sposób, że igła była do niego ustawiona równolegle. Po włączeniu prądu okazało się, że igła odchyla się od poprzednio zajmowanego kierunku północ- południe i ustawia prostopadle do przewodnika. Oersted zmienił kierunek prądu w przewodniku. Wówczas igła odchyliła się w przeciwną stronę niż poprzednio i znowu zatrzymała się prawie prostopadle do przewodnika. Badacz obserwował wychylenie się igły magnetycznej dla prądów o różnych natężeniach i stwierdził, że prądy płynące w tym samym kierunku zawsze odchylają igłę w tę samą stronę. Małe prądy wychylają igłę nieznacznie, zaś duże prądy ustawiają ją prostopadle do przewodnika z prądem. Zależnie od kierunku prądu igłą odchyla się w lewo lub w prawo. Innymi słowy, przepływ prądu w przewodniku wywoływał taki efekt, jak gdyby nad igłą umieszczano prostopadle do niej magnes sztabkowy. Tak więc Oersted odkrył (1820) drugie oblicze prądu elektrycznego - wokół przewodnika z prądem istnieje pole magnetyczne. Dzięki temu odkryciu dziś rozmawiamy przez telefon, dzwonimy do drzwi znajomych, słuchamy muzyki itp. William Sturgeon (1783 - 1850) William Sturgeon był angielskim inżynierem elektrykiem. W 1823 roku zbudował pierwszy elektromagnes (na rdzeniu z miękkiego żelaza, pokrytym - dla zapewnienia izolacji elektrycznej - lakiem, był nawinięty nie izolowany drut). W 1832 wynalazł komutator wykorzystywany w silnikach elektrycznych, a w 1836 zbudował galwanometr z ruchomą cewką. Jego Annały elektryczności (1936) były pierwszym tego rodzaju wydawnictwem w Anglii. Jego elektromagnes był w stanie utrzymać ciężar większy od własnego. To urządzenie wytyczyło drogę dla takich wynalazków jak telegraf, silnik elektryczny i wielu innych od XIX wiecznej do nowoczesnej technologii. James Clark Maxwell (1831-1879) Wielki fizyk brytyjski James Clark Maxwell znany jest przede wszystkim jako autor czterech równań opisujących podstawowe prawa elektryczności i magnetyzmu. Elektryczność i magnetyzm były intensywnie badane na wiele lat przed Maxwellem i fizycy wiedzieli, że te dwie dziedziny są ze sobą ściśle związane. Mimo że znane były rozmaite prawa dotyczące dziedziny elektryczności i magnetyzmu i prawa te sprawdzały się w określonych sytuacjach, przed Maxwellem nie istniała jednak ogólna, jednolita teoria elektryczności i magnetyzmu. Za pomocą układu czterech krótkich, niezwykle przemyślnych równań Maxwell zdołał dokładnie opisać zachowanie oraz wzajemną zależność pola elektrycznego i magnetycznego i w ten sposób przekształcił zbiór nie uporządkowanych praw odpowiadających rozmaitym zjawiskom - w jedną spójną teorię. W minionym stuleciu równania Maxwella znalazły szerokie zastosowanie zarówno w teorii naukowej, jak i w jej praktycznym wykorzystaniu. Ogromną zaletą równań Maxwella jest ich ogólność: są one słuszne we wszystkich okolicznościach. Z równań Maxwella wyprowadzić można wszystkie poprzednio znane prawa dotyczące elektryczności i magnetyzmu oraz znaleźć wiele nie znanych wcześniej zależności. Najważniejsze z nich wyprowadził sam Maxwell. Źródła http://serwisy.gazeta.pl/czasopisma/1,46703,1678522.html http://napoleon.gery.pl/odkrycia/oersted.php http://www.wsipnet.pl/obudowy/index.html?p=4&s=5&kid=94&id=1358 http://biografie.servis.pl/maxwell.php
