Szerkesztő:Dortje~huwiki/Elektromágnes

Az elektromágnes a mágnes egy fajtája, ahol a mágneses mezőt áramjárta vezető hozza létre.

Történet

1820 előtt még csak az acélmágnest és a mágnesvasércet ismerték. 1820-ban Oersted észrevette, hogyha áramjárta vezetőt tart az iránytű közelébe akkor az iránytű kitér eredeti irányából. Ezután hosszú hónapokon keresztül próbálta megmagyarázni a jelenséget, de nem tudta. A vezető önmagában nem vonzotta és nem is taszította a mágnestűt. Végül magyarázat nélkül kezdte el publikálni a kísérleteit.

Ezután Ampére rájött hogyha az áramjárta vezető hat a mágnestűre, akkor két áramjárta vezetőnek mágnesként kell egymásra hatnia. Majd bebizonyította hogy két párhuzamos vezető, melyekben egy irányba folyik az áram, vonzzák egymást. Ha a két vezető párhuzamos de ellentétes irányba folyik az áram, akkor a két vezeték taszítja egymást. Azt is felfedezte, hogy az erő nagysága fordítottan arányos a távolság négyzetével. Ez a felfedezés vezetett az elektromágnes feltalálásához. Angliában William Sturgeon készítette el az első elektromágnest 1825-ben. Az első elektromágnes egy patkó alakú vasra lazán felcsévélt drótból állt. Amikor áramot vezettek a drótba, körülötte mágneses tér keletkezett. Mikor az áramot megszüntették, a mágneses tér is eltűnt. Sturgeon 4,5 kilogrammot emelt fel mindössze 7 unciányi (198,45 gramm) feltekercselt vas seítségével, amit egy egyszerű galvánelemre kapcsolt. Az elektromágnes előnye a mágneshez képest, hogy a mágneses tér nagyságát befolyásolhatjuk, változtathatjuk.

Leírás

A legegyszerűbb elektromágnes feltekercselt vezetőből áll. Ha tekercs eyenes, hasonlatos egy csavarhoz, akkor solenoidról beszélünk. Ha a solenoid két végét bezárjuk, akkor toroidról beszélünk. A mágneses tér erősségét jócskán megnövelhetjük, ha a tekercs belsejébe paramágneses vagy ferromágneses anyagot helyezünk. Jellemzően ez az anyag a lágyvas, és vasmagnak nevezzük.

Current (I) flowing through a wire produces a magnetic field (B) around the wire. The field is oriented according to the left-hand rule.

Magnetic fields caused by coils of wire follow a form of the right-hand rule (for conventional current or left hand rule for electron current) [1]. If the fingers of the left hand are curled in the direction of electron current flow through the coil, the thumb points in the direction of the field inside the coil. The side of the magnet that the field lines emerge from is defined to be the north pole.

Electromagnets and permanent magnets

The main advantage of an electromagnet over a permanent magnet is that the magnetic field can be rapidly manipulated over a wide range by controlling the amount of electric current. However, a continuous supply of electrical energy is required to maintain the field.

As a current is passed through the coil, small magnetic regions within the material, called magnetic domains, align with the applied field, causing the magnetic field strength to increase. As the current is increased, all of the domains eventually become aligned, a condition called saturation. Once the core becomes saturated, a further increase in current will only cause a relatively minor increase in the magnetic field. In some materials, some of the domains may realign themselves. In this case, part of the original magnetic field will persist even after power is removed, causing the core to behave as a permanent magnet. This phenomenon, called remanent magnetism, is due to the hysteresis of the material. Applying a decreasing AC current to the coil, removing the core and hitting it, or heating it above its Curie point will reorient the domains, causing the residual field to weaken or disappear.

In applications where a variable magnetic field is not required, permanent magnets are generally superior. Additionally, permanent magnets can be manufactured to produce stronger fields than electromagnets of similar size.

Force on ferromagnetic materials

Computing the force on ferromagnetic materials is, in general, quite complex. This is due to fringing field lines and complex geometries. It can be simulated using finite element analysis. However, it is possible to estimate the maximum force under specific conditions. If the magnetic field is confined within a high permeability material, such as certain steel alloys, the maximum force is given by:

$F={\frac {B^{2}A}{2\mu _{o}}}$

Where:

• F is the force in newtons
• B is the magnetic field in teslas
• A is the area of the pole faces in square meters
• $\mu _{o}$ is the permeability of free space

See energy in a magnetic field for more details on the derivation.

In the case of free space (air), $\mu _{o}=4\pi \cdot 10^{-7}\,{\mbox{H}}\cdot {\mbox{m}}^{-1}$, the force per unit area (pressure) is:

$P\approx 398\,\mathrm {kPa}$ or $57.7\,{\mbox{lbf}}\cdot {\mbox{in}}^{-2}$ @ B = 1 tesla

$P\approx 1592\,\mathrm {kPa}$ or $230.8\,{\mbox{lbf}}\cdot {\mbox{in}}^{-2}$ @ B = 2 teslas

In a closed magnetic circuit:

$B={\frac {\mu NI}{L}}$

Where:

• N is the number of turns of wire around the electromagnet
• I is the current in amperes
• L is the length of the magnetic circuit

Substituting above,

$F={\frac {\mu ^{2}N^{2}I^{2}A}{2\mu _{0}L^{2}}}$

In order to build a strong electromagnet, a short magnetic circuit with large area is preferred. Most ferromagnetic materials saturate around 1 to 2 teslas. This occurs at a field intensity of:

$H\approx 787\ {\mbox{ampere.turns/meter or}}\ 20\ {\mbox{ampere.turns/inch}}$.

For this reason, there is no reason to build an electromagnet with a higher field intensity. Industrial lifting electromagnets are designed with both pole faces at one side (the bottom). This confines the field lines to maximize the magnetic field. It's like a cylinder within a cylinder. Many loudspeaker magnets use a similar geometry, although the field lines are radial from the inner cylinder rather than perpendicular to the face.

Patents

• U.S. Patent 427606

See also

• Dipole magnet - Electromagnet used in particle accelerators
• Electromagnetism
• Quadrupole magnet - Electromagnet used in particle accelerators
• Superconducting magnet - Electromagnet that uses superconducting windings