Elektromagnet: kuidas see töötab, ehitus ja kasutusalad

Elektromagnetid on ajutised ja kunstlikud magnetid.Need on magnetid, mis on magnetilised ainult siis, kui läbi traatmähise jookseb elekter. Traatmähist nimetatakse solenoidiks. Magneti tugevus on proportsionaalne voolu vooluahelas voolava vooluga. Elektri voolu, mis jookseb läbi traadi, nimetatakse vooluks. Vool on elektronide, mis on negatiivselt laetud osakesed, vool. Elektromagnete kasutatakse mitmesugustel eesmärkidel. Lihtsa näitena võib elektromagnet võtta üles raua-, nikli- ja koobaltitükke.

Elektromagnete saab muuta tugevamaks, lisades vasktraadile rohkem mähiseid või lisades mähiste vahele raudsüdamiku (näiteks nael). Magnetismi tugevdamiseks võib suurendada ka voolu. Briti elektrik William Sturgeon leiutas elektromagneti 1825. aastal.

Elektromagnet on kasulik, sest seda saab hõlpsasti sisse ja välja lülitada (elektrivoolu abil), samas kui püsimagnetit ei saa välja lülitada ja see mõjutab jätkuvalt oma vahetut keskkonda.

Erinevad sulamid toimivad erinevalt. Raud lakkab väga kiiresti olemast elektromagnet, kuid terase kulumine võtab aega. Elektromagneti valmistamiseks mähitakse vasktraat ümber rauast varda. Traadi kaks otsa ühendatakse aku + (positiivne) ja - (negatiivne) küljega.

Elektromagnete kasutatakse igapäevastes esemetes, nagu näiteks sissemurdmisseadmed, elektrilised releed ja tuletõrjekellad. Elektrimootorid on põhimõtteliselt elektromagnetid. Nende võime muutuda mittemagnetilisest seisundist magnetiliseks lihtsalt elektrivoolu läbivooluga võimaldab neid kasutada paljudes erinevates esemetes. Seda võimet kasutatakse releedes.

Elektromagnete saab kasutada ka elektri tootmiseks. Elektromagneti edasi-tagasi liikumine elektromagneti ees tekitab elektrivoolu.

Kuidas elektromagnet töötab

Kui läbi juhtmähise jookseb vool, tekitab iga juhtme element ümbritsevas ruumis magnetvälja. Koondunud mähised annavad kokku tugeva magnetvälja, mille suuna ja polaarsuse määrab voolu suund. Kui mähise sisse panna magnetilisest materjalist südamik (nt raudnael), suunatakse ja võimendatakse magnetvälja, sest südamiku magnetiline läbitavus (permeaablus) on suurem kui õhul.

Lihtsustatud valem pikale solenoidile (õhukese külge võrreldes pikkusega) on:

B ≈ μ0 · μr · N · I / L

• kus B on magnetinduktsioon (teslates, T),
• μ0 on vaakumi magnetne konstants (4π·10^-7 H/m),
• μr on südamiku suhteline permeaablus (õhu puhul μr ≈ 1),
• N on mähiste arv ja
• I on vool (amprites) ning L on solenoidi pikkus (meetrites).

Tihti tähistatakse ka N/L = n (keerete arv meetri kohta) ja siis B ≈ μ0 · μr · n · I. See valem kehtib ideaalse pika solenoidi puhul; reaalses seadmes mõjutavad veel geomeetria, otsamõjud ja südamiku omadused.

Konstruktsioon ja tugevust mõjutavad tegurid

• Mähiste arv (N): rohkem keerde annab suurema magnetväljaga konstantse voolu juures.
• Vool (I): B on ligikaudu proportsionaalne vooluga; voolu suurendamine tõstab magnetjõudu, kuid ka soojenemist.
• Südamiku materjal (μr): pehme raud või spetsiaalsed ferromagnetilised sulamid (töödeldud raualehestus, pehme ferit) suurendavad märgatavalt väljatugevust võrreldes õhukeskse solenoidiga. Südamiku liigse magnetiseerimise piiriks on küll küllastumine.
• Geomeetria: mähise pikkus, raadius ja mähiste jaotus mõjutavad väljajaotust ja tugevust; lühikesed või laiad mähised annavad rohkem otsamõjusid.
• Kaod ja soojus: vool tekitab traadis soojuse (I²R), lisaks võivad raud-keskkonnas tekkida hystereesikaod ja Foucault (ehk eidevoolud) – neid vähendatakse lamelleeritud või feriit-südamikega.

Polaarsus ja suuna määramine

Voolu suund määrab elektromagneti pooluste paigutuse: kui voolu suund pöörata, vahetuvad ka magnetpoolused. Praktiline reegel on parema käe reegel (või keerutuse reegel): kui keerad parema käe sõrmed mööda mähist voolu suunas, siis sinu pöidlal näitad solenoidi magnetilist põhjapoolust.

Kuidas ehitada lihtne elektromagnet

Tarvikud: rauanael, isolatsiooniga vasktraat (nt 0,5–1 mm), aku (nt 9 V) või väike toiteallikas, klemmid või juhtmähise otsad.

1. Mähitse isolatsiooniga vasktraati tihedalt ja ühtlaselt rauanaele – rohkem keerde annab tugevama magneti.
2. Jäta mõlemasse otsa paar sentimeetrit vaba traati ning eemalda isoleeriv kate otstest.
3. Ühenda traadi otsad akuga (+ ja -), jälgi, et kontaktid ei tekita lühist mähise sees. Elektromagnet hakkab tööle kohe kui vool läheb läbi.
4. Kui soovid polariteeti vahetada, vaheta voolu juhtmete kinnituskohtasid vastupidiseks.

Märkus: ära jäta väikese takistusega mähist pikaks ajaks otse suure voolu juurde, sest traadi kuumenemine ja aku tühjenemine võivad olla ohtlikud.

Peamised kasutusalad

• Elektrimootorid ja generaatorid (magnetväljade suhteline liikumine muudab liikumise ja elektrienergia vahel vahetatavaks).
• Releed ja lülitid – elektromagnet liigutab mehhanismi, et ühendada või katkestada vooluahel.
• Tõste- ja sorteerimisseadmed (suurad kraanamagned prügilates ja metallitööstuses).
• Helisüsteemid: kõlarites on hääleketid (voice coils) elektromagnetid, mis liigutavad kõlarikõnet.
• Meditsiiniseadmed (MRI – magnetresonantstomograafia kasutab tugevaid elektromagnete, sageli superjuhtivaid), maglev-vedurid ja laborimeetodid.
• Kõikjal solenoidid: luku- ja ventiilimehhanismid, automaatika ja kella-masinad (nt tuletõrjekellad).

Ohutus ja piirangud

• Tugevad elektromagnetväljad võivad häirida meditsiiniseadmeid (näiteks südamestimulaatoreid) ja elektroonikat — hoidke sellistest seadmetest eemale.
• Soojuse teke: kõrge vooluga mähised kuumenevad; vajalik on piisav isolatsioon ja jahutus.
• Raud- ja terasesüdamiku küllastumine piirab väljatugevuse edasist suurendamist voolu tõstes.
• Eidevoole ja hystereesi vältimiseks kasutatakse südamikes lamelleeringut või feriitmaterjale, eriti kõrge sagedusega kasutuses.

Ajaloost ja mõõtmine

Elektromagneti varaseim teaduslik kasutuselevõtt on seotud 19. sajandi alguse katsetega; tuntud on William Sturgeon’i töö (1825), kuid järgnevate teadlaste, näiteks Michael Faraday ja James Clerk Maxwelli töö aitas mõista elektromagnetismi põhiseadusi. Elektromagneti tugevust mõõdetakse magnetinduktsiooniga, ühikuks on tesla (T) või vanem ühik gauss (1 T = 10 000 gaussi). Magnetvälja tugevust saab mõõta magnetomeetri või ferromagnetilise gauss-meetriga.

Kui soovite praktilist katset, proovige lihtsa koduse elektromagnetiga tõsta mitu väikeset paberklambrit: see näitab, kuidas mähiste arv, vool ja südamiku materjal mõjutavad magnetilist jõudu.

Küsimused ja vastused

K: Mis on elektromagnet?

K: Kuidas varieerub elektromagneti tugevus?

K: Millised osakesed vastutavad elektri tekitamise eest?

K: Kes leiutas elektromagneti?

K: Mis teeb elektromagneti kasulikuks võrreldes püsimagnetitega?

K: Kuidas teha elektromagnetit?

K: Kuidas reageerivad erinevad sulamid erinevalt, kui nad puutuvad kokku elektromagnetiliste väljadega?

Otsing