Електромагніт своїми руками: теорія і практика

Електромагніт штучний магніт, у якого магнітне поле виникає і концентрується в феромагнітному осерді в результаті проходження електричного струму по охоплює його обмотці, тобто при пропущенні струму через котушку поміщений всередині неї сердечник набуває властивостей природного магніту.

Область застосування електромагнітів дуже обширна. Їх використовують в електричних машинах і апаратах, в пристроях автоматики, в медицині, в різного роду наукових дослідженнях. Найбільш часто електромагніти та соленоїди використовуються для переміщення якихось механізмів, а на виробництвах для підйому вантажу.

Так, наприклад, вантажопідйомний електромагніт є дуже зручним, продуктивним і економічним механізмом: для закріплення і звільнення вантажу не потрібно обслуговуючий персонал. Досить покласти електромагніт на переміщуваний вантаж і включити електричний струм в котушку електромагніта і вантаж притягнеться до електромагніту, а для звільнення від вантажу необхідно лише відключити струм.

Конструкція електромагніту легка для повторення і по суті не є нічим крім сердечника і котушки з провідника. У цій статті ми відповімо на питання як зробити електромагніт своїми руками?

Як працює електромагніт (теорія)

Якщо по провіднику протікає електричний струм, то навколо цього провідника утворюється магнітне поле. Так як струм може текти тільки тоді, коли ланцюг замкнута, то провідник повинен являти собою замкнутий контур, як, наприклад, коло, який є найпростішим замкнутим контуром.

Раніше провідником, згорнутим в коло, часто користувалися для спостереження дії струму на магнітну стрілку, вміщену в його центрі. В цьому випадку стрілка знаходиться на рівній відстані від усіх частин провідника, завдяки чому легше можна спостерігати дію струму на магніт.

Щоб підсилити дію електричного струму на магніт, можна перш за все збільшити струм. Однак, якщо обігнути провідник, по якому протікає якийсь струм, два рази навколо охопленого ним контуру, то дія струму на магніт подвоїться.

Таким чином можна в багато разів збільшити цю дію, огинаючи провідник відповідне число раз навколо даного контуру. Виходять при цьому провідне тіло, що складається з окремих витків, число яких може бути довільним, називається котушкою.

Згадаймо курс шкільної фізики, а саме про те, що при протіканні електричного струму через провідник виникає магнітне поле. Якщо провідник згорнути в котушку лінії магнітної індукції всіх витків складуться, і результуюче магнітне поле буде сильніше ніж для одиночного провідника.

Магнітне поле, породжене електричним струмом в принципі не має істотних відмінностей у порівнянні з магнітним якщо повернутися до електромагнітам, то формула його тягової сили виглядає так:

F = 40550 ∙ B2 ∙ S,

де F – сила тяги, кг (сила вимірюється також в ньютонах, 1 кг = 9,81 Н, або 1 Н = 0,102 кг); B – індукція, Тл; S – площа перетину електромагніту, м2.

Тобто сила тяги електромагніту залежить від магнітної індукції, розглянемо її формулу:

Тут U0 – магнітна постійна (12.5 * 107 Гн / м), U – магнітна проникність середовища, N / L – число витків на одиницю довжини соленоїда, I – сила струму.

Звідси випливає, що сила з якою магніт притягує що-небудь залежить від сили струму, кількості витків і магнітної проникності середовища. Якщо в котушці немає сердечника – середовищем є повітря.

Нижче наведена таблиця відносних магнітних проникностей для різних середовищ. Ми бачимо, що у повітря вона дорівнює 1, а у інших матеріалів в десятки і навіть сотні разів більше.

В електротехніці використовують спеціальний метал для сердечників, його часто називають електротехнічної або трансформаторної сталлю. У третьому рядку таблиці ви бачите «Залізо з кремнієм» у якого відносна магнітна проникність дорівнює 7 * 103 або 7000 Гн / м.

Це і є усереднене значення для трансформаторної сталі. Вона відрізняється від звичайної якраз-таки вмістом кремнію. На практиці її відносна магнітна проникність залежить від прикладеного поля, але не будемо заглиблюватися в подробиці. Що дає сердечник в котушці? Сердечник з електротехнічної сталі посилить магнітне поле котушки приблизно в 7000-7500 разів!

Все що потрібно запам’ятати для початку – це те, що від матеріалу сердечника всередині котушки залежить магнітна індукція, а від неї залежить сила з якою буде тягнути електромагніт.

Практика

Одним з найбільш популярних дослідів, які проводять для демонстрації виникнення магнітного поля навколо провідника є досвід з металевою стружкою. Провідник накривають аркушем паперу і на нього насипають магнітну стружку, потім через провідник пропускають електричний струм, і стружка змінює своє розташовуючись якимось чином на аркуші. Це вже майже електромагніт.

Але для електромагніту просто притягувати металеві стружки недостатньо. Тому потрібно його посилити, виходячи з вищесказаного – потрібно зробити котушку, намотану на металевий сердечник. Найпростішим прикладом – буде ізольований мідний дріт, намотаний на цвях або болт.

Такий електромагніт здатний притягувати різні шпильки, скрепі тощо.

Як дроти можна використовувати або будь-який провід в ПВХ або інший ізоляції, або мідний дріт в лакової ізоляції типу ПЕЛ або ПЗВ, які використовуються для обмоток трансформаторів, динаміків, двигунів та інше. Знайти його можна або новий в котушках, або змотати з тих самих трансформаторів.

10 Нюансів виготовлення електромагнітів простими словами:

1. Ізоляція по всій довжині провідника повинна бути однорідною і цілої, щоб не було міжвиткових замикань.

2. Намотування повинна йти в одну сторону як на котушці з нитками, тобто не можна зігнути дріт на 180 градусів і піти в зворотному напрямку. Це пов’язано з тим що результуюче магнітне поле дорівнюватиме алгебраїчній сумі полів кожного витка, якщо не вдаватися в подробиці, то витки, намотані в зворотну сторону, будуть породжувати електромагнітне поле протилежне за знаком, в результаті поля будуть відніматися і в результаті сила електромагніта буде менше , а якщо витків в одному і іншому напрямку буде однакова кількість – магніт зовсім нічого не буде притягувати, так як поля придушать один одного.

3. Сила електромагніта також буде залежати від сили струму, а він від напруги прикладеного до котушки і її опору. Опір котушки залежить від довжини проводу (чим довше, тим воно більше) і площі його поперечного перерізу (чим більше перетин, тим менше опір) приблизний розрахунок можна провести за формулою – R = p * L / S

4. Якщо струм буде занадто великим – котушка згорить

5. При постійному струмі – струм буде більше, ніж при змінному через вплив реактивного опору індуктивності.

6. При роботі на змінному струмі – електромагніт буде гудіти і деренчати, його поле буде постійно змінювати напрямок, а його тягова сила буде менше (в два рази) ніж при роботі на постійному. При цьому сердечник для котушок змінного струму виконується з тонколистового металу, збираючись в єдине ціле, при цьому пластини одна від одної ізолюються лаком або тонким шаром окалини (оксиду), т.зв. шихти – для зменшення втрат і струмів Фуко.

7. При однаковій тягової силі електричний магніт змінного струму буде важити в два рази більше, відповідно зростають і габарити.

8. Але варто врахувати, що електромагніти змінного струму мають більшу швидкодію ніж магніти постійного струму.

9. Сердечники електромагнітів постійного струму

10. Обидва типи електромагнітів можуть працювати як на постійному, так і на змінному струмі, питання тільки якою силою він буде володіти, які втрати і нагрів відбуватимуться.

3 ідеї для електромагніту з підручних засобів на практиці

Як вже було сказано найпростіший спосіб зробити електромагніт – використовувати металевий стрижень і мідний дріт підібравши і один і другий під потрібну потужність. Напруга живлення цього пристрою підбирається дослідним шляхом виходячи із сили струму і нагрівання конструкції. Для зручності можна використовувати пластикову котушку від ниток або подібного, а під її внутрішнє отвір підібрати сердечник – болт або цвях.

Другий варіант – використовувати майже готовий електромагніт. Згадайте про електромагнітні комутаційних приладах – реле, магнітних пускателях контакторах. Для використання на постійному струмі і напрузі 12В зручно використовувати котушку від автомобільних реле. Все що потрібно зробити – зняти корпус виламати рухливі контакти і підключити живлення. 

Для роботи від 220 або 380 вольт зручно використовувати котушки магнітних пускачів і контакторів, вони намотані на оправці і легко виймаються. Сердечник підберіть виходячи з площі поперечного перерізу отвору в котушці.

Так ви можете включати магніт від розетки, а регулювати його силу зручно якщо використовувати реостат або обмежувати струм за допомогою потужного опору, наприклад, нихромовой спіралі.

Олексій Бартош

Ссылка на основную публикацию