Электромагнит - Electromagnet

Простой электромагнит, состоящий из катушки с проволокой, намотанной на железный сердечник. Сердечник из ферромагнитного материала, такого как железо, служит для увеличения создаваемого магнитного поля. Сила генерируемого магнитного поля пропорциональна величине тока, проходящего через обмотку.
Магнитное поле, создаваемое соленоидом (катушкой с проволокой). На этом чертеже показано поперечное сечение центра катушки. Крестики - это провода, по которым на страницу проходит ток; точки - это провода, по которым ток выходит за пределы страницы.

Электромагнит представляет собой тип магнита , в котором магнитное поле производится с помощью электрического тока . Электромагниты обычно состоят из проволоки, намотанной в катушку . Ток через провод создает магнитное поле, которое концентрируется в отверстии, обозначающем центр катушки. Магнитное поле исчезает при отключении тока. Витки проволоки часто наматываются на магнитный сердечник, сделанный из ферромагнитного или ферримагнитного материала, такого как железо ; магнитопровод концентрирует магнитный поток и делает магнит более мощным.

Основное преимущество электромагнита перед постоянным магнитом состоит в том, что магнитное поле можно быстро изменить, контролируя величину электрического тока в обмотке. Однако, в отличие от постоянного магнита, которому не требуется питание, электромагнит требует непрерывной подачи тока для поддержания магнитного поля.

Электромагниты широко используются в качестве компонентов других электрических устройств, таких как двигатели , генераторы , электромеханические соленоиды , реле , громкоговорители , жесткие диски , аппараты МРТ , научные инструменты и оборудование для магнитной сепарации . Электромагниты также используются в промышленности для захвата и перемещения тяжелых металлических предметов, таких как железный лом и сталь.

История

Электромагнит Осетра, 1824 г.
Один из электромагнитов Генри, который мог поднять сотни фунтов, 1830-е годы.
Крупный план большого электромагнита Генри

Датский ученый Ганс Кристиан Эрстед в 1820 году обнаружил, что электрические токи создают магнитные поля. Британский ученый Уильям Стерджен изобрел электромагнит в 1824 году. Его первым электромагнитом был кусок железа в форме подковы, на который было намотано около 18 витков голого медного провода ( изолированного провода еще не существовало). Утюг был покрыт лаком, чтобы изолировать его от обмоток. Когда через катушку пропускали ток, железо намагничивалось и притягивало другие куски железа; когда ток был остановлен, он потерял намагниченность. Sturgeon продемонстрировал свою мощь, показав, что, хотя он весил всего семь унций (примерно 200 граммов), он мог поднять девять фунтов (примерно 4 кг) при подаче тока от одноэлементного источника питания. Однако магниты Стерджена были слабыми, потому что неизолированный провод, который он использовал, можно было намотать только одним слоем вокруг сердечника, ограничивая количество витков.

Начиная с 1830 года американский ученый Джозеф Генри систематически улучшал и популяризировал электромагнит. Используя проволоку, изолированную шелковой нитью, и вдохновленный тем, как Швайггер использовал несколько витков проволоки для изготовления гальванометра , он смог намотать несколько слоев проволоки на сердечники, создав мощные магниты с тысячами витков проволоки, в том числе один, который мог выдерживать 2063 фунта (936 кг). Первое крупное применение электромагнитов было в телеграфных эхолотах .

Теория магнитных доменов того, как работают ферромагнитные сердечники, была впервые предложена в 1906 году французским физиком Пьером-Эрнестом Вайсом , а подробная современная квантово-механическая теория ферромагнетизма была разработана в 1920-х годах Вернером Гейзенбергом , Львом Ландау , Феликсом Блохом и другими.

Применение электромагнитов

Промышленный электромагнит для подъема металлолома, 1914 г.

Разборный электромагнит является один предназначен для удержания всего материала на месте; пример - подъемный магнит. Тяговое электромагнит прикладывает усилие и перемещает что - то.

Электромагниты очень широко используются в электрических и электромеханических устройствах, в том числе:

Электромагнит лабораторный. Создает поле 2 Тл при токе 20 А.
AC электромагнит на статоре в качестве электродвигателя
Секступольный фокусирующий магнит в синхротроне

Простой соленоид

Обычный тяговый электромагнит представляет собой соленоид и плунжер с равномерной обмоткой. Соленоид представляет собой катушку из проволоки, а поршень изготовлен из такого материала, как мягкое железо. Подача тока на соленоид прикладывает силу к плунжеру и может заставить его двигаться. Плунжер перестает двигаться, когда силы, действующие на него, уравновешиваются. Например, силы уравновешиваются, когда плунжер центрируется в соленоиде.

Максимальное равномерное усилие достигается, когда один конец плунжера находится в середине соленоида. Приближение силы F :

где C - коэффициент пропорциональности, A - площадь поперечного сечения плунжера, n - количество витков в соленоиде, I - ток через провод соленоида, l - длина соленоида. Для устройств, использующих силу в дюймах, фунтах и ​​амперах с длинными тонкими соленоидами, значение C составляет от 0,009 до 0,010 фунтов на квадратный дюйм (максимальное тяговое усилие на квадратный дюйм площади поперечного сечения плунжера). Например, катушка длиной 12 дюймов ( l = 12 дюймов ) с длинным плунжером с поперечным сечением 1 квадратный дюйм ( A = 1 дюйм 2 ) и 11 200 ампер-витков ( n I = 11 200 Aturn ) имела максимальное тяговое усилие 8,75 фунта (соответствует C = 0,0094 фунта на кв . Дюйм ).

Максимальное усилие увеличивается, когда в соленоид вставлен магнитный упор. Упор становится магнитом, притягивающим поршень; он немного увеличивает тягу соленоида, когда плунжер находится далеко, но значительно увеличивает тягу, когда они закрыты. Приближение тяги P :

Здесь l a - расстояние между концом упора и концом плунжера. Дополнительная константа C 1 для единиц измерения в дюймах, фунтах и ​​амперах с тонкими соленоидами составляет около 2660. Второй член в скобке представляет ту же силу, что и упомянутый выше безстопорный соленоид; первый член представляет притяжение между упором и плунжером.

Некоторые улучшения могут быть внесены в базовый дизайн. Концы упора и плунжера часто имеют коническую форму. Например, плунжер может иметь заостренный конец, который входит в соответствующую выемку в упоре. Форма делает тягу соленоида более равномерной в зависимости от расстояния. Еще одно усовершенствование - добавление магнитного обратного пути вокруг соленоида снаружи («железный соленоид»). Магнитный обратный путь, как и ограничитель, оказывает небольшое влияние, пока воздушный зазор не станет небольшим.

Физика

Ток (I) через провод создает магнитное поле (B). Поле ориентировано по правилу правой руки .
Силовые линии магнитного поля токоведущей петли из проволоки проходят через центр петли, концентрируя там поле.
Магнитное поле, создаваемое пропусканием тока через катушку.

Электрический ток, протекающий по проводу, создает магнитное поле вокруг провода в соответствии с законом Ампера (см. Рисунок ниже). Чтобы сконцентрировать магнитное поле, в электромагните провод намотан в катушку с множеством витков, лежащих рядом. Магнитное поле всех витков провода проходит через центр катушки, создавая там сильное магнитное поле. Катушка, образующая форму прямой трубки ( спирали ), называется соленоидом .

Направление магнитного поля через катушку с проволокой можно найти с помощью правила правой руки . Если пальцы правой руки согнуты вокруг катушки в направлении прохождения тока ( обычный ток , поток положительного заряда ) через обмотки, большой палец будет указывать в направлении поля внутри катушки. Сторона магнита, из которой выходят силовые линии, определяется как северный полюс .

Могут быть созданы более сильные магнитные поля, если внутрь катушки поместить « магнитный сердечник » из мягкого ферромагнитного (или ферримагнитного ) материала, такого как железо . Сердечник может увеличивать магнитное поле в тысячи раз по сравнению с силой поля одной только катушки из-за высокой магнитной проницаемости μ материала. Это называется электромагнитом с ферромагнитным сердечником или железным сердечником. Однако не все электромагниты используют сердечники, а самые сильные электромагниты, такие как сверхпроводящие и очень сильноточные электромагниты, не могут использовать их из-за насыщения.

Закон Ампера

Определения переменных ниже см. В рамке в конце статьи.

Магнитное поле электромагнитов в общем случае задается законом Ампера :

который говорит, что интеграл намагничивающего поля вокруг любого замкнутого контура равен сумме тока, протекающего через контур. Другое используемое уравнение, которое дает магнитное поле, обусловленное каждым небольшим сегментом тока, - это закон Био – Савара . Вычислить магнитное поле и силу, действующую на ферромагнитные материалы, сложно по двум причинам. Во-первых, потому что напряженность поля сложным образом меняется от точки к точке, особенно за пределами активной зоны и в воздушных зазорах, где необходимо учитывать окаймляющие поля и поток утечки . Во-вторых, потому что магнитное поле B и сила являются нелинейными функциями тока, в зависимости от нелинейного соотношения между B и H для конкретного используемого материала сердечника. Для точных расчетов используются компьютерные программы, которые могут создавать модель магнитного поля с использованием метода конечных элементов .

Магнитный сердечник

Материал магнитопровода (часто из железа или стали) состоит из небольших областей, называемых магнитными доменами, которые действуют как крошечные магниты (см. Ферромагнетизм ). До включения тока в электромагните домены в железном сердечнике указывают в случайных направлениях, поэтому их крошечные магнитные поля нейтрализуют друг друга, и у железа нет крупномасштабного магнитного поля. Когда через провод, обернутый вокруг утюга, проходит ток, его магнитное поле проникает в железо и заставляет домены поворачиваться, выравниваясь параллельно магнитному полю, поэтому их крошечные магнитные поля добавляются к полю провода, создавая большое магнитное поле. который простирается в пространство вокруг магнита. Эффект сердечника заключается в концентрации поля, и магнитное поле проходит через сердечник легче, чем через воздух.

Чем больше ток, проходящий через проволочную катушку, тем больше выравниваются домены и тем сильнее магнитное поле. Наконец, все домены выстраиваются в линию, и дальнейшее увеличение тока вызывает лишь небольшое увеличение магнитного поля: это явление называется насыщением .

Когда ток в катушке отключается, в магнитомягких материалах, которые почти всегда используются в качестве сердечников, большинство доменов теряют ориентацию и возвращаются в случайное состояние, и поле исчезает. Однако некоторая часть выравнивания сохраняется, потому что домены испытывают трудности с изменением направления намагниченности, оставляя сердечник слабым постоянным магнитом. Это явление называется гистерезисом, а остаточное магнитное поле - остаточным магнетизмом . Остаточную намагниченность сердечника можно удалить размагничиванием . В электромагнитах переменного тока, которые используются в двигателях, намагниченность сердечника постоянно меняется на противоположную, и остаточная намагниченность способствует потерям в двигателе.

Магнитная цепь - приближение постоянного поля B

Магнитное поле ( зеленый ) типичного электромагнита, причем железный сердечник С образуя замкнутый контур с двумя воздушными зазорами G в нем.
B - магнитное поле в сердечнике
B F - «окаймляющие поля». В зазорах G силовые линии магнитного поля «выпирают», поэтому напряженность поля меньше, чем в сердечнике: B F  <  B
B L - поток утечки ; силовые линии магнитного поля, которые не следуют за полной магнитной цепью
L - средняя длина магнитной цепи, используемой в уравнении. 1 ниже. Это сумма длины L сердечника в железных сердечника и длины L зазора в воздушных зазоров G .
Как поток утечки, так и окаймляющие поля увеличиваются по мере увеличения зазоров, уменьшая силу, оказываемую магнитом.

Во многих практических применениях электромагнитов, таких как двигатели, генераторы, трансформаторы, подъемные магниты и громкоговорители, железный сердечник имеет форму петли или магнитной цепи , возможно, разорванной несколькими узкими воздушными зазорами. Это связано с тем, что силовые линии магнитного поля имеют форму замкнутых контуров. Железо оказывает гораздо меньшее «сопротивление» ( магнитное сопротивление ) магнитному полю, чем воздух, поэтому более сильное поле может быть получено, если большая часть пути магнитного поля проходит внутри сердечника.

Поскольку большая часть магнитного поля ограничена контурами сердечника, это позволяет упростить математический анализ. См. Рисунок справа. Распространенное упрощающее предположение, которому удовлетворяют многие электромагниты, которые будут использоваться в этом разделе, заключается в том, что напряженность магнитного поля B постоянна вокруг магнитной цепи (внутри сердечника и воздушных зазоров) и равна нулю за ее пределами. Большая часть магнитного поля будет сосредоточена в материале сердечника (C) . Внутри сердечника магнитное поле (B) будет приблизительно однородным по всему поперечному сечению, поэтому, если к тому же сердечник имеет примерно постоянную площадь по всей своей длине, поле в сердечнике будет постоянным. Это просто оставляет воздушные зазоры (G) , если они есть, между секциями сердечника. В зазорах силовые линии магнитного поля больше не ограничиваются сердечником, поэтому они «выпирают» за контуры сердечника, прежде чем изгибаться назад, чтобы войти в следующий кусок материала сердечника, уменьшая напряженность поля в зазоре. Выпуклости (B F ) называются окаймляющими полями . Однако до тех пор, пока длина зазора меньше размеров поперечного сечения сердечника, поле в зазоре будет примерно таким же, как и в сердечнике. Кроме того, некоторые силовые линии магнитного поля (B L ) будут «сокращаться» и не проходить через всю цепь сердечника, и, таким образом, не будут влиять на силу, действующую со стороны магнита. Это также включает силовые линии, которые охватывают обмотки провода, но не входят в сердечник. Это называется потоком утечки . Следовательно, уравнения в этом разделе действительны для электромагнитов, для которых:

  1. магнитная цепь представляет собой одиночную петлю из материала сердечника, возможно, разорванную несколькими воздушными зазорами
  2. ядро имеет примерно одинаковую площадь поперечного сечения по всей длине.
  3. любые воздушные зазоры между частями материала сердечника невелики по сравнению с размерами поперечного сечения сердечника.
  4. есть незначительный поток утечки

Основная нелинейная особенность ферромагнитных материалов заключается в том, что поле B насыщается до определенного значения, которое составляет от 1,6 до 2 тесла (Тл) для большинства сталей с сердечником с высокой проницаемостью. Поле B быстро увеличивается с увеличением тока до этого значения, но выше этого значения поле выравнивается и становится почти постоянным, независимо от того, какой ток проходит через обмотки. Таким образом, максимальная сила магнитного поля, возможная от электромагнита с железным сердечником, ограничена величиной от 1,6 до 2 Тл.

Магнитное поле, создаваемое током

Магнитное поле, создаваемое электромагнитом, пропорционально как количеству витков в обмотке, N , так и току в проводе, I , поэтому этот продукт, NI , в ампер- витках, получил название магнитодвижущей силы . Для электромагнита с одной магнитной цепью , у которой длина L сердечника пути магнитного поля находится в материале сердечника, а длина L зазора находится в воздушных зазорах, закон Ампера сводится к:

куда
- магнитная проницаемость материала сердечника при конкретном используемом поле B.
- проницаемость свободного пространства (или воздуха); Обратите внимание, что в этом определении есть амперы .

Это нелинейное уравнение , так как проницаемость сердечника, μ , изменяется в зависимости от магнитного поля B . Для точного решения значение μ при используемом значении B должно быть получено из кривой гистерезиса материала сердечника . Если B неизвестно, уравнение необходимо решить численными методами . Однако, если магнитодвижущая сила намного выше насыщения, так что материал сердечника находится в насыщении, магнитное поле будет приблизительно равным значению насыщения B sat для материала и не будет сильно меняться с изменениями NI . Для замкнутой магнитной цепи (без воздушного зазора) большинство материалов сердечника насыщаются при магнитодвижущей силе примерно 800 ампер-витков на метр пути потока.

Для большинства основных материалов . Таким образом, в приведенном выше уравнении (1) второй член доминирует. Следовательно, в магнитных цепях с воздушным зазором напряженность магнитного поля B сильно зависит от длины воздушного зазора, а длина пути потока в сердечнике не имеет большого значения. При воздушном зазоре в 1 мм требуется магнитодвижущая сила около 796 ампер-витков для создания магнитного поля в 1Тл.

Сила, создаваемая магнитным полем

Сила, прилагаемая электромагнитом к части материала сердечника, равна:

где - площадь поперечного сечения жилы. Уравнение силы может быть получено из энергии, запасенной в магнитном поле . Энергия - это сила, умноженная на расстояние. Перестановка членов дает приведенное выше уравнение.

Предел 1,6 Тл для поля, упомянутого выше, устанавливает предел максимальной силы на единицу площади сердечника или магнитного давления , которое может оказывать электромагнит с железным сердечником; грубо:

В более интуитивно понятных единицах измерения полезно помнить, что при 1 Тл магнитное давление составляет примерно 4 атмосферы, или кг / см 2 .

Учитывая геометрию сердечника, поле B, необходимое для данной силы, может быть рассчитано по формуле (2); если он выходит за пределы 1,6 Тл, необходимо использовать сердечник большего размера.

Замкнутая магнитная цепь

Поперечное сечение подъемного электромагнита, как на фотографии выше, демонстрирует цилиндрическую конструкцию. Обмотки (C) представляют собой плоские медные полоски, которые выдерживают силу Лоренца магнитного поля. Сердечник образован толстым железным корпусом (D), который охватывает обмотки.

Для замкнутой магнитной цепи (без воздушного зазора), такой как электромагнит, поднимающий кусок железа, соединенный перемычкой между полюсами, уравнение (1) принимает следующий вид:

Подставляя в (2), сила равна:

Видно, что для увеличения силы предпочтительнее сердечник с коротким потоком L и большой площадью поперечного сечения A (это также относится к магнитам с воздушным зазором). Для этого в таких приложениях, как подъемные магниты (см. Фото выше) и громкоговорители, часто используется плоская цилиндрическая конструкция. Обмотка намотана вокруг короткого широкого цилиндрического сердечника, образующего один полюс, а толстый металлический корпус, охватывающий внешнюю часть обмоток, образует другую часть магнитной цепи, перенося магнитное поле вперед, образуя другой полюс.

Сила между электромагнитами

Вышеупомянутые методы применимы к электромагнитам с магнитной цепью и неприменимы, когда большая часть пути магнитного поля проходит за пределами сердечника. Примером может служить магнит с прямым цилиндрическим сердечником, подобным показанному в верхней части этой статьи. Для электромагнитов (или постоянных магнитов) с четко определенными «полюсами», где силовые линии выходят из сердечника, сила между двумя электромагнитами может быть найдена с помощью модели магнитного заряда, которая предполагает, что магнитное поле создается фиктивными «магнитными зарядами». на поверхности полюсов, с силой полюса m и единицами ампер- метр. Сила магнитного полюса электромагнитов может быть найдена из:

Сила между двумя полюсами:

Каждый электромагнит имеет два полюса, поэтому общая сила, действующая на данный магнит из-за другого магнита, равна векторной сумме сил полюсов другого магнита, действующих на каждый полюс данного магнита. Эта модель предполагает точечные полюса вместо конечных поверхностей, и, таким образом, дает хорошее приближение только тогда, когда расстояние между магнитами намного больше, чем их диаметр.

Побочные эффекты

Электромагниты имеют несколько побочных эффектов, которые должны быть предусмотрены в их конструкции. Обычно они становятся более значимыми в больших электромагнитах.

Омический нагрев

Большие алюминиевые шины, пропускающие ток к электромагнитам в лаборатории сильных полей LNCMI (Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses).

Единственная мощность, потребляемая электромагнитом постоянного тока в установившемся режиме, связана с сопротивлением обмоток и рассеивается в виде тепла. Некоторым большим электромагнитам требуются системы водяного охлаждения в обмотках для отвода отработанного тепла .

Поскольку магнитное поле пропорционально произведению NI , количество витков в обмотках N и ток I могут быть выбраны так, чтобы минимизировать тепловые потери, при условии, что их произведение является постоянным. Поскольку рассеиваемая мощность P = I 2 R увеличивается пропорционально квадрату тока, но увеличивается только приблизительно линейно с количеством обмоток, потери мощности в обмотках можно минимизировать, уменьшив I и пропорционально увеличив количество витков N , или использовать более толстую проволоку для уменьшения сопротивления. Например, уменьшение I вдвое и удвоение N вдвое снижает потери мощности, как и удвоение площади провода. В любом случае увеличение количества проволоки снижает омические потери. По этой причине электромагниты часто имеют значительную толщину обмоток.

Однако ограничение увеличения N или уменьшения сопротивления состоит в том, что обмотки занимают больше места между частями сердечника магнита. Если область, доступная для обмоток, заполнена, для большего количества витков потребуется провод меньшего диаметра, который имеет более высокое сопротивление, что сводит на нет преимущество использования большего количества витков. Таким образом, в больших магнитах есть минимальные тепловые потери, которые невозможно уменьшить. Это увеличивается пропорционально квадрату магнитного потока B 2 .

Индуктивные скачки напряжения

Электромагнит имеет значительную индуктивность и сопротивляется изменениям тока через его обмотки. Любые внезапные изменения тока обмотки вызывают большие скачки напряжения на обмотках. Это связано с тем, что, когда ток через магнит увеличивается, например, когда он включен, энергия от цепи должна храниться в магнитном поле. Когда он выключен, энергия поля возвращается в цепь.

Если для управления током обмотки используется обычный переключатель , это может вызвать искры на выводах переключателя. Этого не происходит, когда магнит включен, потому что ограниченное напряжение питания приводит к медленному увеличению тока через магнит и энергии поля, но когда он выключен, энергия магнитного поля внезапно возвращается в цепь, вызывая большой скачок напряжения и дугу на контактах переключателя, что может привести к их повреждению. В небольших электромагнитах между контактами иногда используется конденсатор , который уменьшает искрение за счет временного накопления тока. Чаще всего для предотвращения скачков напряжения используется диод , обеспечивающий рециркуляцию тока через обмотку до тех пор, пока энергия не будет рассеиваться в виде тепла. Диод подключен поперек обмотки и ориентирован таким образом, чтобы он был смещен в обратном направлении во время работы в установившемся режиме и не проводил ток. Когда напряжение питания снимается, скачок напряжения смещает диод в прямом направлении, и реактивный ток продолжает течь через обмотку, через диод и обратно в обмотку. Используемый таким образом диод называется обратным диодом или обратным диодом .

Большие электромагниты обычно питаются от электронных источников питания с регулируемым током , управляемых микропроцессором , которые предотвращают скачки напряжения за счет медленного изменения тока с плавным повышением. Для включения или выключения большого магнита может потребоваться несколько минут.

Силы Лоренца

В мощных электромагнитах магнитное поле оказывает силу на каждый виток обмотки из-за силы Лоренца, действующей на движущиеся заряды внутри провода. Сила Лоренца перпендикулярна оси проволоки и магнитному полю. Это можно представить как давление между линиями магнитного поля , раздвигающее их. Он оказывает два воздействия на обмотки электромагнита:

  • Силовые линии внутри оси катушки оказывают радиальное усилие на каждый виток обмоток, стремясь вытолкнуть их наружу во всех направлениях. Это вызывает растягивающее напряжение в проволоке.
  • Линии поля рассеяния между каждым витком катушки создают силу притяжения между соседними витками, стремясь стянуть их вместе.

Силы Лоренца увеличиваются с увеличением B 2 . В больших электромагнитах обмотки должны быть надежно закреплены на месте, чтобы движение при включении и выключении питания не приводило к усталости металла в обмотках. В приведенной ниже конструкции Биттера , используемой в очень сильнополевых исследовательских магнитах, обмотки сконструированы в виде плоских дисков, чтобы противостоять радиальным силам, и зажаты в осевом направлении, чтобы противостоять осевым.

Основные потери

В переменного тока электромагниты (AC), используемые в трансформаторы , катушки индуктивности , и двигатели переменного тока и генераторы , магнитное поле постоянно меняется. Это вызывает потери энергии в их магнитных сердечниках, которые рассеиваются в сердечнике в виде тепла. Потери связаны с двумя процессами:

  • Вихревые токи : согласно закону индукции Фарадея , изменяющееся магнитное поле индуцирует циркулирующие электрические токи внутри соседних проводников, называемые вихревыми токами . Энергия этих токов рассеивается в виде тепла в электрическом сопротивлении проводника, поэтому они являются причиной потерь энергии. Поскольку железный сердечник магнита является проводящим, и большая часть магнитного поля сосредоточена в нем, вихревые токи в сердечнике являются основной проблемой. Вихревые токи - это замкнутые контуры тока, которые текут в плоскостях, перпендикулярных магнитному полю. Рассеиваемая энергия пропорциональна площади, ограниченной петлей. Чтобы предотвратить их, сердечники электромагнитов переменного тока состоят из стопок тонких стальных листов или пластин , ориентированных параллельно магнитному полю, с изолирующим покрытием на поверхности. Слои изоляции предотвращают протекание вихревых токов между листами. Любые оставшиеся вихревые токи должны течь в поперечном сечении каждой отдельной пластинки, что значительно снижает потери. Другой альтернативой является использование ферритового сердечника , который не является проводником.
  • Гистерезисные потери : изменение направления намагничивания магнитных доменов в материале сердечника на противоположное в каждом цикле вызывает потерю энергии из-за коэрцитивной силы материала. Эти потери называются гистерезисом . Потери энергии за цикл пропорциональны площади петли гистерезиса награфике BH . Чтобы минимизировать эти потери, магнитные сердечники, используемые в трансформаторах и других электромагнитах переменного тока, изготовлены из «мягких» материалов с низкой коэрцитивной силой, таких как кремнистая сталь или мягкий феррит . Потери энергии за цикл переменного тока постоянны для каждого из этих процессов, поэтому потери мощности линейно возрастают с частотой .

Электромагниты с сильным полем

Сверхпроводящие электромагниты

Самый мощный электромагнит в мире, гибридный горько-сверхпроводящий магнит 45 Тл в Национальной лаборатории сильного магнитного поля США, Таллахасси, Флорида, США.

Когда необходимо магнитное поле выше ферромагнитного предела 1,6 Тл, можно использовать сверхпроводящие электромагниты . Вместо ферромагнитных материалов в них используются сверхпроводящие обмотки, охлаждаемые жидким гелием , которые проводят ток без электрического сопротивления . Они позволяют протекать огромным токам, которые создают сильные магнитные поля. Сверхпроводящие магниты ограничены напряженностью поля, при которой материал обмотки перестает быть сверхпроводящим. Текущие конструкции ограничены 10–20 Тл, с текущим (2017 г.) рекордом 32 Тл. Необходимое холодильное оборудование и криостат делают их намного дороже, чем обычные электромагниты. Однако в приложениях с высокой мощностью это может быть компенсировано более низкими эксплуатационными расходами, поскольку после запуска на обмотки не требуется мощность, поскольку энергия не теряется на омический нагрев. Они используются в ускорителях частиц и аппаратах МРТ .

Горькие электромагниты

И у электромагнитов с железным сердечником, и у сверхпроводящих электромагнитов есть пределы поля, которое они могут создавать. Таким образом, самые мощные искусственные магнитные поля были созданы несверхпроводящими электромагнитами с воздушным сердечником, конструкция которых была изобретена Фрэнсисом Биттером в 1933 году и называлась электромагнитами Биттера . Вместо проволочных обмоток магнит Биттера состоит из соленоида, состоящего из набора проводящих дисков, расположенных так, что ток движется по спирали через них, с отверстием в центре, где создается максимальное поле. Эта конструкция обладает механической прочностью, чтобы противостоять экстремальным силам Лоренца поля, которые увеличиваются с увеличением B 2 . В дисках есть отверстия, через которые проходит охлаждающая вода и отводит тепло, вызванное сильным током. Максимально сильное непрерывное поле, достигаемое только с помощью резистивного магнита, составляет 37,5 Тл по состоянию на 31 марта 2014 года, создаваемое электромагнитом Горького в Лаборатории высокопольных магнитов Университета Радбауд в Неймегене , Нидерланды . Предыдущий рекорд составлял 35 Тл. Самое сильное непрерывное магнитное поле в целом, 45 Тл, было достигнуто в июне 2000 года с помощью гибридного устройства, состоящего из магнита Биттера внутри сверхпроводящего магнита.

Фактором, ограничивающим силу электромагнитов, является неспособность рассеивать огромное количество отработанного тепла, поэтому более мощные поля, до 100 Тл, были получены от резистивных магнитов, посылая через них короткие импульсы сильного тока; неактивный период после каждого импульса позволяет отвести тепло, выделяемое во время импульса, до следующего импульса.

Сжатие флюса с взрывной накачкой

Генератор сжатия потока со взрывной накачкой - полая трубка. Полая медная трубка действует как однооборотная вторичная обмотка трансформатора; когда импульс тока от конденсатора в обмотках создает импульс магнитного поля, это создает сильный окружной ток в трубке, захватывая линии магнитного поля внутри. Затем взрывчатка разрушает трубку, уменьшая ее диаметр, и силовые линии сближаются, увеличивая поле.

Самые мощные искусственные магнитные поля были созданы с помощью взрывчатых веществ для сжатия магнитного поля внутри электромагнита при его импульсном воздействии; они называются генераторами сжатия потока с взрывной накачкой . Имплозии сжимает магнитное поле до значений около 1000 T в течение нескольких микросекунд. Хотя этот метод может показаться очень разрушительным, можно перенаправить основную силу взрыва радиально наружу, так что ни эксперимент, ни магнитная структура не пострадают. Эти устройства известны как разрушающие импульсные электромагниты. Они используются в исследованиях физики и материаловедения для изучения свойств материалов в сильных магнитных полях.

Определение терминов

Срок Значение Ед. изм
площадь поперечного сечения сердечника квадратный метр
Магнитное поле (плотность магнитного потока) тесла
Сила, создаваемая магнитным полем ньютон
Намагничивающее поле ампер на метр
Ток в обмоточном проводе ампер
Общая длина пути магнитного поля метр
Длина пути магнитного поля в материале сердечника метр
Длина пути магнитного поля в воздушных зазорах метр
Полюсная сила электромагнита амперметр
Проницаемость материала сердечника электромагнита ньютон на квадратный ампер
Проницаемость свободного пространства (или воздуха) = 4π (10 −7 ) ньютон на квадратный ампер
Относительная магнитная проницаемость материала сердечника электромагнита -
Количество витков провода на электромагните -
Расстояние между полюсами двух электромагнитов метр

Смотрите также

использованная литература

внешние ссылки