Электромагниты в технических устройствах применяются для подъема грузов, переключения контактов реле магнитных пускателей, вентилей гидравлических систем, растормаживания механических тормозов и т. д.

На рис. 1.18 представлена схема магнитной цепи электромагнита.

Подвижная часть (якорь – 2, рис. 1.18) магнитопровода электромагнита отделена от его неподвижной части 1 рис. 1.18 воздушным зазором. При подключении намагничивающей обмотки к источнику электрической энергии возбуждается магнитное поле, возникает электромагнитная сила, действующая на якорь, и он, преодолевая силу тяжести, действие пружин и т. п., притягивается к неподвижной части магнитопровода.

Расчет силы притяжения электромагнита часто проводится приближенно, исходя из следующих соображений: 1. Ток I в обмотке имеет установившееся значение.

2. Сердечник 1 и якорь 2 не насыщены.

3. Потоком рассеяния Ф р и выпучиванием магнитного поля в зазорах пренебрегают.

4. При изменении воздушного зазора на dl 0 магнитная индукция В 0 остается постоянной.

В таком случае можно считать, что механическая работа по перемещению якоря в направлении действия сил F на расстояние dl 0 равна изменению энергии магнитного поля в воздушных зазорах, вследствие уменьшения их объемов.

С учетом двух воздушных зазоров имеем:

механическая работа

энергия магнитного поля в двух зазорах длиной dl 0 , где
– плотность электромагнитной энергии (энергия в единице объема зазора), S 0 – площадь одного воздушного зазора. Приравняв dW мех и dW эм , получим расчетную формулу силы притягивания электромагнита

1.16.

6.5.Об индуктивности намагничивающей обмотки.

Если катушка не имеет ферромагнитного сердечника, то зависимость потокосцепления y от тока катушки I линейная и индуктивность катушки
. Здесь индуктивность, как коэффициент пропорциональности между потокосцеплением и током катушки, является линейным параметром катушки. То же замечание относится и к намагничивающим обмоткам с ненасыщенным магнитопроводом (
).

Если поток Ф сцепляется со всеми w витками катушки (обмотки), то потокосцепление
, где
, тогда индуктивность

1.17

Здесь
– магнитное сопротивление на пути магнитного потока.

Абсолютная магнитная проницаемость ненасыщенных ферромагнитных материалов m а >> m 0 – магнитной проницаемости вакуума (4 p× 10 -7 Гн/м) . Поэтому размещение намагничивающей обмотки на ферромагнитном магнитопроводе резко увеличивает индуктивность катушки.

Физически последнее утверждение объясняется способностью ферромагнетиков усиливать внешнее магнитное поле, созданное током обмотки, за счет ориентации по направлению поля собственных областей самопроизвольного намагничивания. Эта ориентация выражена тем четче, чем больше ток обмотки. Когда все области самопроизвольного намагничивания ориентируются в направлении внешнего поля, наступает магнитное насыщение магнитопровода, его магнитная проницаемость и индуктивность обмотки резко снижаются, магнитопровод перестает выполнять функцию локализации магнитного поля.

В общем случае, когда приходится считаться с тем что
, используется понятие дифференциальной индуктивности
(индуктивность L становится нелинейным параметром обмотки).

Индуктивность, как элемент схемы замещения реальной электрической цепи, дает возможность учитывать при расчетах явление самоидукции (при переменных токах катушки) и явление накопления энергии в магнитном поле катушки.

Наиболее интересным и перспективным явлением в природе считается магнетизм, который способен проявить себя через различные виды полей. Электромагнитные поля это всего лишь одна из разновидностей полей. Они образуются из двух видов полей электрического и магнитного. Давайте начнем разбираться именно с природой и принципом действием магнитных полей. В роли источника магнитных полей проще всего применить постоянные магниты и электромагниты. А вот как они работают, об этом мы ипоговорим.

Электромагнит, это простая электротехническая конструкция состоящая из обмотки и сердечник. Из курса электротехники известно, что в случае прохождения электрического тока через обмотку вокруг нее возникают электромагнитные поля.

То есть, в то время, когда электрических заряд движется он генерирует вокруг себя магнитные поля. Когда же он не перемещается, у него имеется только электрическое поле. Но, электроны и ионы никогда не будут находится в состоянии полного покоя. Всегда присутствует внутреннее движении, поэтому электрическое и магнитное поле присутствуют одномоментно, только в случае относительного покое в большей степени заметны электрические поля, а при увеличении движения элементарных частиц начинает преобладать магнитное поле.

Таким образом для возникновения магнитного поля требуется всего лишь пропустить ток по проводнику, а для повышения уровня интенсивность этого поля, требуется увеличить силу тока или длину электрического проводника. Но существует еще один фактор, влияющий на силу магнитного поля.

В электромагнитах, кроме выше сказанного имеется сердечник из магнитного материала. В таком магнитном материале осуществляется свое собственное внутреннее движения заряженных элементарных частиц. Но они располагаются в хаотичном порядке, из-за чего осуществляется взаимное гашение магнитных сил.

При воздействии внешним электромагнитным полем на такой материал возникает следующий эффект, а именно все внутренние магнитные поля этого материала поворачиваются в одном направлении, что ведёт к резкому росту магнитных свойств. Следовательно, для изготовления хорошего магнита требуется на магнитный сердечник намотать большое количество витков из медной проволоки, после чего пропустить через них ток.

Но помните, что при отключении напряжения у электромагнита исчезают все его свойства. Потому, что все заряженные частицы перестают двигаться в проводнике, а упорядоченные магнитные поля внутри магнитного сердечника возвращаются в исходное хаотичное состояние. Для изготовления постоянного магнита без электропитания, требуется, что бы внутренние магнитные поля оставались в однонаправленном состоянии. Этого можно добиться применяя специальные магнитные материалы, которые можно намагничивать или размагничивать.

В первоначальный момент это вещество не обладает такими сильными магнитными свойствами. Для намагничивания его, необходимо разместить в сильном постоянном магнитном поле. Через определенный промежуток времени и интенсивность воздействия данный материал становится постоянным магнитом. Для размагничивания постоянного магнита, го нужно подвергнуть высокой температуре, сильным ударам или воздействовать сильным переменным магнитным полем.

Думаю каждый встречал обычные постоянные магнитики. А знаете ли вы, что является истинной причиной их специфического действия? Думаю, совсем не многие об этом знают. Предлагая ознакомится с простой теоретической лекцией об устройстве постоянного магнита и магнитном поле

В принципе их расчет это достаточно сложный процесс, но для радиолюбителей, он существенно упращен. Магнитная цепь описывается величиной - В , на которую влияет напряженность поля и магнитная проницаемость вещества.Поэтому сердечники электромагнитов изготавливают из специаального сплава железа, обладающего высокой величиной магнитной проницаемости. От магнитной индукции зависит силовой поток, Ф .

Где, S площадь поперечного сечения магнитопровода. На силовой поток оказывает влияние и магнитодвижущая сила (Е м) , которая вычисляется по формуле:

Ф = (Е м)×R м, откуда Е м = 1,3×I×N

Где, где N - число витков катушки, а I - сила текущего по катушке тока в амперах.

Магнитное сопротивление определяется по формуле:

где L - средняя длина пути силовых магнитных линий, М - магнитная проницаемость, a S - поперечное сечение магнитопровода.

При изготовление самодельных электромагнитов стараются получить максимальный силовой поток. Добиваются этого уменьшением магнитного сопротивления. Для чего выбирают магнитопровод с минимальной длиной пути силовых линий и с максимально возможным поперечным сечением, а в качестве материала стальной сплав с отличной магнитной проницаемостью. Другой метод увеличения силового потока это увеличения количества ампервитков не очень целесообразен, т.к в целях экономии проволоки и напряжения питания следует стремиться к снижению числа ампервитков. Предположим, нам необходимо определить ампервитки и силовой поток замкнутого стального магнитопровода, изображенного на рисунке а ниже, и сделанного из стали плохого качества.

Для намотки катушек с минимальным числом витков для упрощенных расчетов примим величину магнитной индукции в 10 000 силовых линий на 1 см 2 при двух ампервитках на один сантиметр длины. В этом радиолюбительском примере расчет может быть осуществлен следующим образом. Так, при длине магнитопровода L =L1+L2 равной 20 см + 10 см = 30 см, потребуется 2×30=60 ампервитков.

Если диаметр сердечника D (Рисунок,в) равен2 см, то его площадь: S = 3,14xD2/4 = 3,14 см 2 , отсюда

Ф = B × S= 10000 × 3,14=31400 силовых линий

Можно приближенно определить и подъемную силу электромагнита P :

P = B2 × S/25 × 1000000 = 12,4 кг.

Для двухполюсного магнита полученный результат необходимо удвоить. При расчете подъемной силы магнита следует помнить, что она зависит не только от длины магнитопровода, но и от площади контакта якоря и сердечника. Поэтому якорь должен хорошо прилегать к полюсным наконечникам ЭМ, иначе случится резкое уменьшение подъемной силы. Далее можно сделать расчет катушки электромагнита. В случае двухполюсного магнита подъемная сила в 25 кг задается 60 ампервитками, т.е N×J = 60 ампервитков.

Конечно, можно задать и другое соотношение, например 2 А и 30 витков, либо увеличив число витков катушки 0,25 А и 240 витков. Однако изменение номинала тока в большом диапазоне не всегда можно осуществить на практике, т.к может потребываться уж очень большой диаметра применяемой проволоки. В нашем примере медная проволока должна быть следующего сечения: для тока в 2А - 0,4 мм 2 , а для тока в 0,25А - 0,05 мм 2 , диаметр проволоки будет 0,7 мм и 0,2 мм соответственно. Каким же из этих проводов случше осуществить обмотку? Зная диаметр проволоки и ее длину, можно легко найти сопротивление. Длина проволоки L вычисляется как, произведению общего числа витков на длину одного из них (среднюю): L = N × L1 где L1 - длина одного витка, равная 3,14 × D. В нашем примере D = = 6,3 см. Поэтому, для первой катушки длина медной проволки будет 190 см, а сопротивление обмотки постоянному току около 0,1 Ом, а для второй 512 см, с сопротивлением в 8,7 Ом. Зная закон Ома, легко найти нужное напряжение. Так, для создания в обмотках тока номиналом в 2А потребуется напряжение 0,2В, а для тока в 0,25А - 2,2В.

Конвертер длины и расстояния Конвертер массы Конвертер мер объема сыпучих продуктов и продуктов питания Конвертер площади Конвертер объема и единиц измерения в кулинарных рецептах Конвертер температуры Конвертер давления, механического напряжения, модуля Юнга Конвертер энергии и работы Конвертер мощности Конвертер силы Конвертер времени Конвертер линейной скорости Плоский угол Конвертер тепловой эффективности и топливной экономичности Конвертер чисел в различных системах счисления Конвертер единиц измерения количества информации Курсы валют Размеры женской одежды и обуви Размеры мужской одежды и обуви Конвертер угловой скорости и частоты вращения Конвертер ускорения Конвертер углового ускорения Конвертер плотности Конвертер удельного объема Конвертер момента инерции Конвертер момента силы Конвертер вращающего момента Конвертер удельной теплоты сгорания (по массе) Конвертер плотности энергии и удельной теплоты сгорания топлива (по объему) Конвертер разности температур Конвертер коэффициента теплового расширения Конвертер термического сопротивления Конвертер удельной теплопроводности Конвертер удельной теплоёмкости Конвертер энергетической экспозиции и мощности теплового излучения Конвертер плотности теплового потока Конвертер коэффициента теплоотдачи Конвертер объёмного расхода Конвертер массового расхода Конвертер молярного расхода Конвертер плотности потока массы Конвертер молярной концентрации Конвертер массовой концентрации в растворе Конвертер динамической (абсолютной) вязкости Конвертер кинематической вязкости Конвертер поверхностного натяжения Конвертер паропроницаемости Конвертер паропроницаемости и скорости переноса пара Конвертер уровня звука Конвертер чувствительности микрофонов Конвертер уровня звукового давления (SPL) Конвертер уровня звукового давления с возможностью выбора опорного давления Конвертер яркости Конвертер силы света Конвертер освещённости Конвертер разрешения в компьютерной графике Конвертер частоты и длины волны Оптическая сила в диоптриях и фокусное расстояние Оптическая сила в диоптриях и увеличение линзы (×) Конвертер электрического заряда Конвертер линейной плотности заряда Конвертер поверхностной плотности заряда Конвертер объемной плотности заряда Конвертер электрического тока Конвертер линейной плотности тока Конвертер поверхностной плотности тока Конвертер напряжённости электрического поля Конвертер электростатического потенциала и напряжения Конвертер электрического сопротивления Конвертер удельного электрического сопротивления Конвертер электрической проводимости Конвертер удельной электрической проводимости Электрическая емкость Конвертер индуктивности Конвертер Американского калибра проводов Уровни в dBm (дБм или дБмВт), dBV (дБВ), ваттах и др. единицах Конвертер магнитодвижущей силы Конвертер напряженности магнитного поля Конвертер магнитного потока Конвертер магнитной индукции Радиация. Конвертер мощности поглощенной дозы ионизирующего излучения Радиоактивность. Конвертер радиоактивного распада Радиация. Конвертер экспозиционной дозы Радиация. Конвертер поглощённой дозы Конвертер десятичных приставок Передача данных Конвертер единиц типографики и обработки изображений Конвертер единиц измерения объема лесоматериалов Вычисление молярной массы Периодическая система химических элементов Д. И. Менделеева

1 ампер-виток = 1 ампер [А]

Исходная величина

Преобразованная величина

ампер ампер-виток килоампер-виток миллиампер-виток абампер-виток гильберт

Избранная статья

Магнитодвижущая сила

Общие сведения

Магнитодвижущая сила - это физическая величина, которая характеризует способность электрического тока создавать магнитный поток вокруг проводника, в котором он протекает. Магнитные поля возникают, когда через катушку или проводник проходит электрический ток и при этом возникает магнитодвижущая сила.

Магнитодвижущую силу в индукторе или электромагните измеряют как величину электрического тока, текущего через катушку. Она пропорциональна числу витков в катушке. Иногда, особенно в переводах с английского, эту силу также называют разностью магнитных потенциалов.

Магнитодвижущую силу часто сравнивают с электродвижущий силой (ЭДС) в электрических цепях. В СИ магнитодвижущая сила измеряется в амперах (A), а на практике - часто в ампер-витках. В СГС она также измеряется в гильбертах.

Постоянные магниты

В природе не очень много материалов, которые магнитны сами по себе, без вмешательства электричества, которое превращает тела, через которые протекает электрический ток, в электромагниты. Один из таких материалов - это намагниченный магнетит. В некоторых языках, например в английском, существует даже особый термин, который обозначает именно намагниченный магнетит. Это потому, что не всякое тело из магнетита - магнитно, так как не весь магнетит магнитный. Точно неизвестно, как происходит процесс намагничивания магнетита, но по одной теории намагничивание происходит за счёт молнии, так как при протекании электрического тока во время разряда молнии образуется достаточно сильное магнитное поле, которое и намагничивает магнетит. Эта теория возникла потому, что в основном ненамагниченный магнетит находят в более нижних породах грунта, в то время как намагниченный - наоборот, в верхних. Современные постоянные магниты чаще всего сделаны из сплавов. Самые сильные магниты - из редкоземельных металлов, например из неодима (Nd 2 Fe 14 B).

Электромагниты

Все, что нам нужно, чтобы создать магнитное поле - это немного проволоки, через которую течет электрический ток. Магнитные поля, генерируемые прямыми проводами обычно слабые. Но если намотать провод так, чтобы образовалась катушка, это значительно увеличивает напряженность магнитного поля. Как мы уже говорили, чем у катушки больше витков, тем сильнее магнитодвижущая сила. Магниты, созданные таким способом, называют электромагнитами .

Большое преимущество электромагнитов над обычными магнитами в том, что их можно выключать и включать. Это очень полезное свойство в технике, так как оно позволяет нам управлять тем, как и когда использовать магнит. Например, при перемещении старых автомобилей на площадке для переработки металлолома с помощью очень сильного электромагнита, магнит включают во время перемещения автомобиля из одного места в другое, и выключают его, когда автомобиль необходимо отпустить.

Примеры магнетизма и использования магнитодвижущей силы

Магнетизм широко используется в быту, и трудно даже представить нашу современную жизнь со всеми её удобствами без магнитов. Рассмотрим некоторые примеры использования магнитов.

В навигации

Одно из самых ранних применений магнитов - в навигации. Точно неизвестно, когда был создан первый компас, но мы знаем, что природные постоянные магниты из магнетита использовались мореплавателями для навигации как минимум с 12-го века. Многие ученные считают, что их использовали намного раньше. Поначалу магнетит использовали подвешенными так, чтобы он мог легко двигаться и указывать направление, но позже им стали намагничивать металлические иглы, так как их намного проще использовать.

Компас долго изменяли и улучшали, пока он не стал таким, как сейчас. Одно из улучшений - это стабилизированная игла. Даже на движущемся корабле игла в таком компасе вращается в основном под действием магнитного поля, а не под действием бортовой и килевой качки. Иногда для того, чтобы стабилизировать иглу в корпусе компаса, используют жидкость. Также для этого используют специальное устройство - карда́нов подве́с. Внутренняя рамка этого устройства, на который помещают компас, не движется относительно горизонта благодаря тому, что движутся внешние рамки. Еще одно важное улучшение помогло предотвратить влияние металлического корпуса корабля на компас.

У магнитного компаса есть два серьезных недостатка: он показывает направление на магнитный, а не истинный полюс Земли; он имеет высокую чувствительность к внешним магнитным полям, например, к деталям корпуса судна (это до сих пор проблема, хоть на данный момент и сделан ряд улучшений, чтобы сделать компас менее чувствительным, как мы говорили выше).От этих недостатков свободны «компасы с мотором», то есть, гирокомпасы, в которых магнитодвижущая сила используется в электродвигателе, приводящем в движение гироскоп в кардановом подвесе. Впрочем, у гирокомпаса тоже есть недостатки.

Магнитодвижущая сила в транспорте

Одно из интересных применений магнитодвижущей силы - в поездах маглев. Это название звучит как имя собственное, но это всего лишь аббревиатура от слов маг нитная лев итация. Поезд маглев это, в сущности, летающий поезд, только летит он совсем низко над землей, обычно всего в нескольких сантиметрах от рельсов. Магнитное поле, генерируемое на рельсах и на корпусе поезда, отталкивает поезд от рельсов. Магнитодвижущая сила также помогает двигать поезд вперед. Такая конструкция удобна тем, что позволяет достигать высоких скоростей, так как при таком движении поезд не касается рельсов и «висит» в воздухе, а значит отсутствует трение, что намного уменьшается износ деталей как поезда, так и рельсов. Хотя следует заметить, что, несмотря на эти преимущества, стоимость изготовления таких поездов и путей для них значительно выше, чем обычных.

Сейчас существует несколько моделей маглев-систем, которые отличаются количеством рельсов, а также принципом работы. В настоящее время используются две системы: на электромагнитной подвеске (EMS) и на электродинамической подвеске (EDS).

В системах с электромагнитной подвеской электромагниты направлены в сторону рельса. Обычно подвеска поезда, на которой установлен электромагнит, имеет форму буквы С, повернутой по часовой стрелке на 90° вниз и охватывающей рельс; магниты в ней обращены вверх, в направлении к рельсу. Такие системы менее динамически стабильны из-за их устройства. Поэтому в них установлена сложная система управления с обратной связью, которая обеспечивает правильное расстояние между поездом и рельсами. С другой стороны, у таких поездов есть преимущество: они могут левитировать даже при низких скоростях.

В системах с электродинамической подвеской используются либо постоянные магниты, либо электромагниты, как на самом поезде, так и на рельсах. Магнитное поле поддерживает поезд над рельсами на нужном расстоянии, а также толкает его вперед. Такие системы динамически стабильны и не нуждаются в сложной системе управления для поддержания постоянного зазора между подвеской и рельсом. Проблема с системами электродинамической подвески в том, что поезда маглев левитируют только когда поезд достиг достаточной скорости (более 30 км/час). Поэтому на участках, на которых такие поезда не достигли достаточной скорости, им необходимы колеса или подвижные рельсы. Как мы уже обсудили ранее, это вызывает износ колес и рельсов, что, в свою очередь, увеличивает эксплуатационные расходы.

Из-за их конструкции, для поездов маглев нужна своя особая инфраструктура. Начальные затраты на постройку новых железнодорожных путей обычно велики, особенно в городских районах с высокой плотностью населения. Обычно это вызвано высокими ценами на недвижимость в таких районах. К тому же, для поездов маглев необходимы запасные пути по всему маршруту на случай, если отключат электричество и нужно будет безопасно перевезти пассажиров из одной точки в другую. Это особенно важно, если пути идут высоко над землей, и пассажиры не могут пройти по рельсам пешком. С другой стороны, по сравнению с обычными поездами, большое преимущество поездов маглев в том, что на них мало влияет погода, кроме случаев, когда плохая погода вызывает также отключения электроэнергии.

Большая часть энергии, потребляемая поездами маглев, расходуется на преодоление сопротивления воздуха. Обычно такие поезда более экономны в плане расхода энергии на высоких скоростях, то есть их лучше всего использовать для перемещения на большие расстояния. На данный момент в мире используют несколько систем маглев: а Шанхае (Китай), в Японии и в Южной Корее. Существует также несколько испытательных систем, которые планируют использовать в будущем, а также систем, которые были испытаны, но впоследствии выведены из эксплуатации, например, таких как в Германии и Великобритании.

Земля - магнит

Земля - это огромный магнит. По сравнению со многими другими магнитами этот магнит - не очень сильный, но он очень важен для всего живого на Земле. Магнитное поле Земли защищает нас от солнечного ветра, который иначе может разрушить атмосферу Земли.

Кроме этого, именно благодаря намагниченности Земли мы можем использовать компас для навигации. Ученые считают, что твердое внутреннее ядро Земли состоит из сплавов железа, хорошо проводящих электрический ток. Жидкая наружная часть ядра, которая обрамляет твердое ядро, также состоит из имеющих высокую проводимость (но жидких) веществ, которые находятся в движении благодаря теплообмену внутри ядра. Именно это, по мнению ученых, и делает Землю электромагнитом.

Полярное сияние

Полярное сияние тоже возможно именно благодаря магнетизму Земли. Частицы солнечного ветра, в основном в форме электронов и протонов, сталкиваются с молекулами газов в верхних слоях атмосферы, в результате чего происходит их возбуждение с последующим переходом в нормальное, невозбужденное состояние, во время которого и излучается свет. Эти частицы сконцентрированы вокруг силовых линий магнитного поля. Так как эти линии начинаются и заканчиваются на магнитных полюсах Земли, то чем они ближе к полюсам, тем меньше расстояние между соседними линиями. Благодаря этому светящиеся частицы сконцентрированы вокруг магнитных полюсов, в районе которых и наблюдается полярное сияние.

Полярное сияние видно как у северного магнитного полюса, так и у южного. Его часто называют северным сиянием, но это правильно только для полярного сияния у северного магнитного полюса. У южного полюса оно называется южным сиянием, хотя этот термин почти не используется. Стоит также вспомнить, что магнитные северный и южный полюса не совпадают с географическими Северным и Южным полюсами Земли. Они не только отклонены от географических полюсов, но к тому же постоянно перемещаются. Из-за этого смещения районы, в которых можно наблюдать полярное сияние, не зависят напрямую от широты. В некоторых местах можно увидеть полярные сияния на более низких широтах, чем в других местах. Например, полярные сияния иногда наблюдают в Торонто, Канада, на 44° СШ, но это явление невозможно наблюдать в других точках Земли, даже на тех же широтах (например, в Ялте в Крыму, на 44° СШ). Объяснение этого явления можно представить себе как Землю в красивом головном уборе из северного сияния. Только надет этот убор не прямо на макушку, как шляпа, а сдвинут набок, как берет. Только в районах под этим «беретом» и видно полярное сияние.

Магниторецепция

Некоторые животные чувствуют магнитное поле Земли и используют это умение для ориентирования по местности. Называется это умение магниторецепцией. В настоящее время момент исследования в этой области только начинаются. Они включают эксперименты по определению механизма магниторецепции в разных организмах, например в дрозофилах, птицах, мышах, и даже больших млекопитающих, например лисах и оленях. Результаты некоторых исследований говорят о том, что животные ориентируются по местности и находят свой дом благодаря магниторецепции. Другие исследования предполагают, что некоторые животные могут определить направление магнитного поля и ориентируют свое тело по этому направлению. Стоит заметить, что на данный момент рано делать выводы на основе большей части этих исследований. Некоторые исследования, говорящие о магниторецепции в животном мире, пока что не были успешно повторены другими исследователями.

Дипольные магнитные системы

Обычно о магнитах говорят как о дипольных системах. Этот термин означает, что у любого магнита есть северный и южный полюсы. Одинаковые полюсы отталкивают друг друга, а разные - наоборот притягивают друг друга. Интересно заметить, что полюсы Земли, нашего гигантского магнита, обозначены наоборот. Известно, что северный полюс магнитов притягивается к северному магнитному полюсу Земли. То есть, северный магнитный полюс Земли - на самом деле - южный полюс магнита, которым является Земля.

Намагниченный кислород

Кислород в твердом состоянии обладает магнитными свойствами. Конечно, это очень интересно, хотя у этого свойства и нет применений в повседневной жизни, так как для того, чтобы заморозить кислород, его температуру необходимо опустить до −218,79 °C. Преобразовать кислород в твердое состояние можно также при комнатной температуре, но под большим давлением. Интересно заметить, что в твердом состоянии кислород изменяет цвет в зависимости от стадии. Цвет может быть голубым, оранжевым, красным, черным, и серебристым.

Самодельный униполярный электродвигатель

Попробуем сделать простой мотор, который использует магнитодвижущую силу для того, чтобы крутить пропеллер. Такой мотор называется униполярным электродвигателем . У него мало применений на практике, но его очень просто сделать, и он служит хорошим примером магнитодвижущей силы в действии.

Нам нужна батарейка, отрезок провода, один редкоземельный магнит и несколько обычных магнитов, которые в основном будут выполнять роль грузов. Грузы нужны, чтобы утяжелить нашу конструкцию и сделать её более стабильной. Можно также использовать редкоземельный магнит потяжелее. Для того, чтобы лучше видеть, как мотор вертится, можно в дополнение использовать пропеллер, или что-нибудь еще. На иллюстрации - два сделанных нами мотора. Тот, у которого пропеллер внизу - очень простой конструкции.

Вначале присоединим редкоземельный магнит к шурупу. Дальше добавим несколько магнитов снизу, чтобы утяжелить и стабилизировать конструкцию. Пропеллер закрепим между двумя магнитами. Теперь необходимо создать магнитное поле с помощью провода. Присоединим один конец провода к отрицательному полюсу батарейки. Для этого удобно использовать липкую ленту. Дальше прикоснемся другим концом провода к боковой поверхности редкоземельного магнита снизу. Вот и все! Наш мотор завертелся!

Такой мотор очень легко сделать дома своими руками. Редкоземельные магниты продают на радиорынках и в других местах. Обычные магниты и другие компоненты можно найти в отделе товаров для рукоделия. Конечно же, все это также можно приобрести в интернете на eBay.com, или на других подобных сайтах. Пропеллер использовать не обязательно - без него тоже видно, что мотор крутится. Вместо пропеллера можно также смастерить из проволоки или из скрепки фигурку. В Google Images и на YouTube много интересных примеров таких самодельных моторов с занимательными вертушками.

Расчеты для перевода единиц в конвертере «Конвертер магнитодвижущей силы » выполняются с помощью функций unitconversion.org .

В результате расчета магнитной цепи определяется не­обходимая МДС обмотки. Обмотка должна быть рассчитана таким образом, чтобы, с одной стороны, обеспечить требуе­мую МДС, а с другой - чтобы ее максимальная темпера­тура не превышала допустимой для используемого класса изоляции.

В зависимости от способа включения различают обмот­ки напряжения и обмотки тока. В первом случае напряже­ние, приложенное к обмотке, постоянно по своему действу­ющему значению, во втором — сопротивление обмотки электромагнита намного меньше сопротивления остальной части цепи, которым и определяется неизменное значение тока.

Расчет обмотки электромагнита постоянного тока .

На рис. 4.8 показаны магнитопровод и катушка электро­магнита. Обмотка 1 катушки выполняется изолированным проводом, который наматывается на каркас 2.

Катушки могут быть и бескаркасными. В этом случае витки обмотки скрепляются ленточной или листовой изоляцией либо заливочным компаундом.

Для расчета обмотки напряжения должны быть заданы напряжение и МДС. Сечение обмоточного провода находим, исходя из потребной МДС:

, (4.13)

откуда , (4.14)

где — удельное сопротивление; — сред­няя длина витка (рис. 4.8); — сопротивление обмотки, равное .

Из (4.13) следует, что при неизменной средней длине витка и заданном МДС определяется произведением .

Если при неизменном напряжении и средней дли­не витка требуется увеличить МДС, то необходимо взять провод большего сечения. При этом обмотка будет иметь меньшее число вит­ков. Ток в обмотке возрас­тет, так как сопротивление ее уменьшится за счет уменьшения числа витков и увели­чения сечения провода.

По найденному сечению с помощью таблиц сортаментов находится ближайший стан­дартный диаметр провода.

Мощность, выделяющаяся в обмотке в виде тепла, определяется следующим образом: .

Число витков обмотки при заданном сечении катушки определяется коэффициентом заполнения по меди , где – площадь, зани­маемая медью обмотки; – сечение обмотки по меди. Число витков . Тогда мощность, потребляемая обмоткой, определится выражением

.

Для расчета обмотки тока исходными параметрами яв­ляются МДС и ток цепи . Число витков обмотки нахо­дится из выражения . Сечение провода можно выбрать исходя из рекоменду­емой плотности тока, равной 2…4 А/мм 2 для продолжитель­ного, 5…12 А/мм 2 для повторно-кратковременного, 13…30 А/мм 2 для кратковременного режимов работы. Эти значения можно увеличить примерно в 2 раза, если срок службы обмотки и электромагнита не превышает 500 ч. Площадь окна, занимаемого рядовой обмоткой, определяется числом витков и диаметром провода

.

Зная , можно определить среднюю длину витка, сопротивление обмотки и потери в ней. После этого может быть проведена оценка нагрева обмотки.

Расчет обмотки электромагнитов переменного тока .

Исходными данными для расчета обмотки напряжения являются амплитуды МДС, магнитного потока и напряжение сети. Напряжение сети уравновешивается активным и реактивным падениями напряжения

где и – действующие значения напряжения и тока, соответственно.

Поскольку ток и сопротивление могут быть рассчитаны только после определения числа витков, то формула (4.15) не позво­ляет сразу найти все параметры обмотки. Задача решает­ся методом последовательных приближений.

Так как активное падение напряжения значительно меньше реактивного, то в начале расчета принимают .

Тогда число витков обмотки .

Если после подстановки полученных данных в (4.15) ле­вая часть отличается от правой более чем на 10 %, то не­обходимо варьировать число витков до получения удовле­творительного совпадения.

После расчета проводится проверка обмотки на на­грев. Расчет ведется так же, как и для обмоток постоянно­го тока.

Особенностью является нагрев магнитопровода за счет потерь от вихревых токов и гистерезиса. Отвод вы­деляемого в обмотке тепла через сердечник затруднен, точка с максимальной температурой лежит на внутрен­нем радиусе обмотки. Для улучшения охлаждения стре­мятся увеличивать поверхность торцов катушки при умень­шении ее длины.

Хорошие постоянные магниты находят себе важные научные и технические применения, например в электроизмерительных приборах. Но создаваемые ими поля не очень сильны, хотя в последнее время и изготовляют специальные сплавы, которые позволяют получать сильные постоянные магниты, хорошо сохраняющие свои магнитные свойства. К числу таких сплавов относится, например, кобальтовая сталь, содержащая около 50% железа, около 30% кобальта, а также некоторое количество вольфрама, хрома и углерода. Кроме того, большим неудобством постоянных магнитов является невозможность быстро изменять магнитную индукцию их поля. В этом отношении гораздо удобнее применение соленоидов с током (электромагнитов), поле которых можно легко изменять, изменяя силу тока в обмотке соленоида. Поле соленоида можно увеличить в сотни и тысячи раз, помещая внутрь него железный сердечник. Именно так и устроено большинство электромагнитов, применяемых в технике.

Простейший электромагнит каждый легко может приготовить себе сам. Достаточно намотать на какой-нибудь железный стержень – болт или кусок железного прута – несколько десятков витков изолированной проволоки и присоединить концы этой обмотки к источнику постоянного тока: аккумулятору или гальванической батарее (рис. 366). Нередко электромагниту придают подковообразную форму (рис. 367), более выгодную для удержания груза.

Рис. 366. Простейший самодельный электромагнит в виде стержня

Рис. 367. Самодельный подковообразный магнит

Поле катушки с железным сердечником значительно сильнее, чем поле катушки без сердечника, потому что железо внутри катушки сильно намагничивается и поле его складывается с полем катушки. Однако применение железных сердечников в электромагнитах для усиления поля может оказаться полезным только до известного предела. Действительно, поле электромагнита складывается из поля, создаваемого обмоткой с током, и поля намагниченного сердечника, причем при небольших токах это последнее значительно сильнее, чем первое. При увеличении тока в обмотке оба эти поля возрастают сначала в одинаковой степени, а именно пропорционально току, так что роль сердечника продолжает оставаться решающей. Однако при дальнейшем увеличении тока в обмотке намагничивание железа начинает замедляться и железо приближается к состоянию магнитного насыщения. Когда практически все молекулярные токи ориентированы параллельно, дальнейшее увеличение тока обмотки уже ничего не может добавить к намагничиванию железа, тогда как поле обмотки продолжает расти пропорционально току. При большом токе в обмотке (точнее, когда число ампер-витков на метр достигает значений порядка ) поле, создаваемое самой обмоткой, оказывается гораздо сильнее поля насыщенного железного сердечника, так что сердечник становится практически бесполезным и лишь усложняет конструкцию электромагнита. Поэтому самые мощные электромагниты делают без железного сердечника.

Нетрудно видеть, что создание весьма мощных электромагнитов представляет собой очень сложную техническую задачу. Действительно, чтобы иметь возможность применить большие токи, надо иметь обмотку из толстой проволоки, иначе она сильно разогреется и может даже расплавиться. Иногда вместо проволоки применяют медные трубки, в которых циркулирует сильная струя воды для интенсивного охлаждения стенок трубок, по которым течет электрический ток. Но при обмотке из толстой проволоки или трубки нельзя уложить много витков на единице длины. Применение же сравнительно тонкой проволоки, обеспечивающей значительное число витков на метр, не дает возможности применять большие токи.

Очень остроумный выход из этого положения нашел советский физик Петр Леонидович Капица (1894-1984). Он пропускал через соленоид токи огромной силы – десятки тысяч ампер, – но только в течение короткого времени, примерно 0,01 с. За это время обмотка соленоида не успевала чрезмерно нагреться и получались сильные, хотя и кратковременные магнитные поля. Однако специальные приборы успевали регистрировать результаты опытов, в которых изучалось влияние создаваемых в соленоиде мощных магнитных полей на различные вещества.

В большинстве технических электромагнитов применяются обмотки, у которых число ампер-витков на метр не превышает нескольких десятков тысяч, так что для их питания можно ограничиться током в несколько ампер и проволокой умеренной толщины. При наличии железного сердечника в таких электромагнитах могут быть получены довольно сильные магнитные поля (с индукцией несколько тесла).