Дополнительная информация. В основном в интернете ищут расчёты электромагнитов на 12 вольт, сделанных своими руками. В зависимости от потребностей, можно пойти разными путями расчётов. В основном выбирают «рецепты» по определению сечения и длины провода обмотки с питанием от стандартной батарейки формата «А» или «АА».

Для переменного тока

Основой для ЭМ переменного тока является расчёт обмотки. Как и в предыдущем случае, руководствуются исходными требованиями величины МДС. Несмотря на большое количество рекомендуемых формул расчёта, чаще всего «способности» устройства определяют опытным подбором параметров деталей его конструкции. Методики расчёта ЭМ переменного тока всегда можно найти во всемирной информационной паутине (интернете).

Примеры использования ЭМ

В качестве примеров применения электромагнитов можно привести следующие приборы:

• телевизоры;
• трансформаторы;
• пусковые устройства автомобилей.

Телевизоры

Современные жилища, как правило, заполнены различными электроприборами. Находясь вблизи телеприёмника, они могут воздействовать магнитной индукцией на экран телевизора (ТВ). В ТВ уже существует встроенная защита от намагничивания экрана. Если на поле дисплея появились разноцветные пятна, то надо выключить прибор на 10-20 минут. Встроенная защита уберёт намагниченность экрана.

В некоторых случаях этот способ не оказывает нужную помощь. Тогда применяют специальный электромагнит, который называют дросселем. Это своеобразная катушка индукции. Прибор подключают к розетке бытовой электросети и проводят им вдоль и поперёк экрана. В результате наведённые магнитные поля поглощаются дросселем.

Трансформаторы

Конструкция трансформаторов очень схожа со строением электромагнитов. И там, и там есть обмотки и сердечники. Отличие трансформатора от ЭМ состоит в том, что у первого магнитопровод имеет замкнутую форму. Поэтому суммированная магнитная сила обнуляется встречными магнитными потоками.

Пусковое устройство автомобиля

Стартер автомобиля работает как пусковое устройство двигателя. Он включается на время заводки мотора. Временная передача стартового усилия на коленвал двигателя обеспечивается втягивающим электромагнитом.

При повороте ключа в замке зажигания ЭМ втягивает шестерню в зубцы коленвала. Во время контакта электродвигатель стартера проворачивает мотор до возникновения цикла сгорания топлива в цилиндрах мотора. Затем тяговое реле отключает электромагнит, и шестерня стартера возвращается в исходное положение. После чего автомобиль может двигаться.

Стартер с тяговым реле

Электромагниты настолько плотно вошли в сферу деятельности человека, что существование без них немыслимо. Нехитрые устройства можно встретить повсеместно. Знание принципа их действия позволит домашнему мастеру справляться с мелким ремонтом бытовых электротехнических устройств.

Видео

1. Принцип действия электромагнита.

2. Каков порядок расчета электромагнита?

3. Как работает электромагнитная муфта?

Раздел IV

МАГНИТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ И

МОДУЛЯТОРЫ

Глава 22

МАГНИТНЫЕ УСИЛИТЕЛИ БЕЗ ОБРАТНОЙ СВЯЗИ

§ 22.1. Физические основы работы магнитных усилителей

Работа магнитных усилителей основана на использовании свойств ферромагнитных материалов. Эти свойства известны из курса физи­ки. Если по обмотке, расположенной на сердечнике из ферромаг­нитного материала, проходит электрический ток, то в сердечнике возникает магнитное поле. Это магнитное поле в сердечнике харак­теризуется напряженностью Н и магнитной индукцией В. Напря­женность магнитного поля Я создается током, проходящим по об­мотке, и выражается в амперах на метр (А/и). Магнитная индукция В увеличивается при возрастании напряженности Н и выражается в теслах (Тл). Кривая, характеризующая зависимость магнитной ин­дукции В от напряженности магнитного поля Я, называется кривой намагничивания ферромагнитного материала {рис. 22.1).

Начиная с некоторого значения напря­женности магнитного поля дальнейшее ее увеличение практически не приводит к из­менению магнитной индукции. В этом случае говорят, что магнитный материал достиг состояния насыщения. Максималь­ная индукция в сердечнике называется ин­дукцией насыщения B_s, напряженность поля при этом равна H_f

Если далее уменьшать напряженность поля, то изменение магнитной индукции происходит по новой кривой (кривая 2). Индукция при этом уменьшается медлен­нее, чем она возрастала при увеличении Н

от 0 до H_s (кривая /). При уменьшении напряженности магнитного поля до нуля (т. е. при отсутствии тока в обмотке) индукция в сер­дечнике сохраняет значение Д, называемое остаточной индукцией. При увеличении напряженности магнитного поля в обратном на­правлении (т. е. при изменении направления тока в обмотке) ин­дукция уменьшается до нуля при напряженности -Н_с, которая носит название коэрцитивной силы. Затем при значении напряженно­сти -H_s сердечник снова насыщается, индукция в нем будет рав­на -B_s. Теперь при изменении напряженности от -H_s до +H_S измене­ние индукции происходит по кривой 3. Таким образом, изменение индукции в зависимости от напряженности поля происходит по графику, имеющему вид петли, называемой петлей гистерезиса. Как видим, зависимость В(Н) имеет явно выраженный нелинейный ха­рактер.

В зависимости от ширины петли гистерезиса различают магни-томягкие и магнитотвердые материалы. Материалы с широкой пет­лей гистерезиса называются магнитотвердыми, они используются для постоянных магнитов. Материалы с узкой петлей гистерезиса называются магнитомягкими, они используются для сердечников магнитных усилителей и других электромагнитных устройств: реле, трансформаторов, электрических машин. Для пояснения принципа действия магнитного усилителя можно пренебречь петлей гистере­зиса и считать, что изменение магнитной индукции в зависимости от напряженности происходит по средней (основной) кривой на­магничивания (кривая / на рис. 22.1).

Рассмотрим процессы, происходящие в сердечнике, если к об­мотке (рис. 22.2) приложено синусоидальное напряжение и = U_M sin со/, где и — мгновенное значение напряжения; £/_м — мак­симальное (амплитудное) значение напряжения; ю — угловая часто­та; t — текущее значение времени.

Под действием этого напряжения по об­мотке пойдет ток /, а в сердечнике происхо­дит изменение магнитной индукции В и на­пряженности магнитного поля Я.

Связь между электрическими и магнит­ными величинами определяется на основании закона полного тока и закона электромагнит­ной индукции. Согласно закону полногс тока, напряженность магнитного поля Я е сердечнике пропорциональна току i в обмотке и обратно пропорциональна средней длине сердечника.

Так как магнитный поток равен произведению магнитной ин­дукции В на сечение сердечника 5, то

Знак минус означает, что ЭДС е направлена навстречу напряже­нию и, вызывающему появление магнитного потока, т. е. противо­действует причине, вызвавшей ее появление — изменению магнит­ного потока (правило Ленца).

Приложенное к обмотке переменное напряжение м уравновеши­вается падением напряжения на активном сопротивлении обмотки г и значением ЭДС е:

где В_й — постоянная интегрирования, представляющая собой посто­янную составляющую магнитной индукции. Д, определяется нача­льным магнитным состоянием сердечника (при отсутствии подмаг-ничивания сердечника постоянным магнитным полем 5₀ = 0).

Амплитудное (максимальное) значение переменной составляю­щей индукции равно

Анализ уравнения (22.2) позволяет сделать важный вывод: амп­литуда магнитной индукции В_н не зависит от магнитных свойств сердечника и постоянной составляющей магнитной индукции и од­нозначно определяется амплитудой приложенного к обмотке пере­менного напряжения. В зависимости от магнитных свойств сердеч­ника и первоначального подмагничивания В_й изменяется не ампли­туда переменной составляющей индукции, а ток / в обмотке и соответственно напряженность магнитного поля //.

В соответствии с законом полного тока можно записать выра­жение для среднего значения напряженности поля:

где / — средняя длина сердечника.

Для выяснения зависимости тока /, протекающего по обмотке с числом витков w при синусоидальном напряжении и, от свойств материала сердечника и постоянной составляющей магнитной ин­дукции воспользуемся графическими построениями.

На рис. 22.3 изображена средняя кривая намагничивания сер­дечника B-f(H), обозначенная MON. На этом же рисунке изобра­жены две кривые изменения во времени магнитной индукции: 1 — при отсутствии постоянной составляющей магнитной индукции; 2 — при наличии постоянной составляющей, равной В₀.

Проецируя значения магнитной индукции, соответствующие кривой 7, на кривую намагничивания, находим кривую изменения напряженности поля Г в зависимости от времени при переменной индукции без постоянной составляющей. Аналогичным построени­ем находим кривую изменения напряженности поля 2′ в зависимо­сти от времени при наличии постоянной составляющей индукции. Так как напряженность поля может быть создана только током /, протекающим в обмотке сердечника, то кривые /’ и 2′ на рис. 22.3 в другом масштабе представляют собой зависимости этого тока / от времени. Из сравнения кривых Г и 2′ видно, что при подмагничива-нии сердечника постоянным током, т. е. при наличии постоянной составляющей магнитной индукции В₀, растет переменная составля­ющая напряженности поля и, следовательно, переменный ток в об­мотке. На этом явлении и основано действие магнитных усилителей.

это что такое? Сила электромагнита :: SYL.ru

В данной статье мы рассмотрим понятие «электромагнит». Это устройство мы опишем в общем виде. Также мы узнаем причину возникновения магнитного поля, ознакомимся с историческими данными и определим классификацию главного объекта, рассматриваемого здесь.

Введение

Электромагнит – это прибор/устройство, способный создавать магнитное поле вследствие прохода электрического тока сквозь него. Чаще всего электромагниты состоят из ферромагнитного сердечника и нескольких слоев обмотки. Они предназначаются, в первую очередь, для образования механических усилий; к ним приставляют якорь – подвижный элемент магнитопровода, который передает это усилие.

Магнитные поля возникают в случае, когда весь набор электронов металлического объекта начинает вращаться в одинаковом направлении. В искусственных магнитах это движение обуславливается при помощи электромагнитного поля. Для постоянных электромагнитов данное явление считается натуральным.

Снижение потери ВхТ

Обмотку для электромагнита выполняют из медных или алюминиевых изолированных проводов. Существуют и сверхпроводящие электромагниты. Магнитный провод делают из магнитно-мягкого материла, чаще всего стали (конструкционной, литой и электротехнической), чугуна и сплавов железа с кобальтом или никелем. Снижение потери на вихревой ток (ВхТ) осуществляется при помощи создания магнитопровода из множества листов.

Общая характеристика

Электромагнит – это простая катушка провода, которая подключена к источнику, передающему постоянный ток.

Подключившись к источнику постоянного тока (а также напряжения), катушка и провод начинают получать энергетические ресурсы и создают магнитное поле, которое является подобным полю, что образуется в постоянных полосовых магнитах. Плотность, которой обладает магнитный поток, всегда является пропорциональной величине электрического тока, протекающего сквозь толщу катушки. Полярность электромагнита определяют по направлению тока. Механизм образования включает в себя (самый простой вариант) наматывание провода вокруг сердечника, выполненного из металла, через который потом пропускают электричество из определенного источника. Если внутренняя полость катушка заполнена воздухом, то ее называют соленоидом.

Электромагнит – это устройств, посредством которого можно создавать электромагнитное поле. Главной характеристикой является его способность контролировать силу данного поля, полярность и ее форму. При этом силу магнитного поля контролируют посредством величины использованного электрического тока, который протекает сквозь катушку. Полярность можно задавать, определив в каком направлении нужно двигать протекающий ток. Форма магнитного поля зависит от формы металлической сердцевины, служащей «стержнем» для обмотки проводом. Не забывайте, что полюса электромагнита определяются аналогично тому, как это делают в соленоидах, по физическому правилу правой руки. П.П.Р. также называют правилом буравчика, являющегося мнемоническим средством, посредством которого определяют направление векторных произведений и правого базиса.

Увеличивать силу электромагнита, а точнее его поля, можно при помощи:

• применения сердечников из «мягкого» железа;
• применения больших чисел витков;
• применения электрического тока в больших размерах.

Исторические данные

Первым, кто создал электромагнит, был У. Стерджен. Его устройство представляло собой изогнутый стержень, выполненный из железа мягкого типа, вокруг которого была намотана медная толстая проволока. Для изоляции стержня от обмотки совершили его покрытие лаком. Вследствие подачи тока стержень наделялся свойствами, характерными для сильных магнитов; прерывание подпитки приводило к утрате всех свойств. Именно данная характеристика обусловила их широкое применение в технике. На страницах «Энциклопедического словаря Брокгауза и Ефрона» находится упоминание о том, что электромагниты использовали еще в XIX-XX веке; М.Э. Мендельсон заметил, что электромагниты являются хорошим средством для устранения инородных объектов из полости глаза.

Основная классификация

Существует три основных способа классификации электромагнитов. Они обусловлены током в электромагнитах и способом его создания:

• Нейтральный э/м постоянного тока – устройство, в котором магнитный поток создают так, что сила притяжения становится зависимой только от размерности и скорости подачи постоянного тока, а его направление в обмотке ни на что не влияет.
• Поляризованный э/м постоянного тока – устройство, внутрь которого помещают 2 независимых магнитных потока: поляризующий и рабочий. Второй создают при помощи рабочей обмотки. Поляризующиеся потоки своим образованием обязаны постоянными магнитными полями, реже дополнительным электромагнитам. Данные потоки необходимы для создания притягивающих сил в магните. Деятельность такого устройства обуславливается направлением и/или величиной электрического тока в обмотке, выполняющего работу.
• Э/м переменного тока – устройств, обмотку которого питает источник переменного тока. Течение потока магнитной природы может периодически изменяться по своему направлению и размерности (величине). Потенциал однонаправленной силы, отвечающей за притяжение, меняться может только по своей величине, что приводит к пульсации этой силы в размере от нуля до максимально предельных значений с частотой вдвое большей, чем частота подпитывающего тока. Чаще всего используются в бытовой технике.

Другие виды классификации

Существуют и другие способы классификации электромагнитов. Например, их могут различать по полю электромагнита и его статуса: переменное и/или постоянное. Также бывают классификации, основанные на методах, по которым происходит включение обмотки (последовательное и параллельное включение), на работоспособности и ее характеристике (способные работать в течение длительного времени, прерывистые и кратковременные) и отличные по скорости выполнения задачи (замедленные и быстродействующие).

Способы эксплуатации

Наиболее широкой и важной областью применения электромагнитов является сфера конструирования и эксплуатации электрических машин и аппаратов, входящих в систему автоматики в промышленности. Другой важной областью является аппаратура регулировки и защиты электротехнических объектов/установок. Также электромагниты применяются при изготовлении разнообразных механизмов, в роли привода по которому осуществляется необходимое поступательное перемещение (поворот) рабочего органа определенной машины или для создания удерживающих сил. Примером последних функций может служить электромагнит в составе грузоподъемного механизма/машины. Существуют электромагниты муфт, необходимых для начала действия торможения или установления сцепления (в машинах), электромагниты, применяемых в пускателях, устройствах контактора и выключателя, а также их используют при создании электроизмерительных приборов и т. д.

Электромагниты – это устройства, которые являются перспективными при конструировании тяговых приводов в скоростных транспортных средствах, где с их помощью создают магнитную подушку. В настоящее время и медицина не обходится без использования электромагнитов. При проведении химических, биологических и физических экспериментов их нередко применяют. Благодаря широте эксплуатации и конструктивном исполнении, а также масштабе и затратам энергии, электромагниты являются доступными как в быту, так и в любых других сферах деятельности человека. Вес электромагнитов может варьироваться от нескольких грамм до сотни тон, а потребляемое электричество расходуется – от доли Вт до многих десятков МВт.

Постоянные и переменные электромагниты

Существуют определенные природные материалы и объекты, которые сами по себе обладают магнитными свойствами. Их называют естественными магнитами. Примерами естественного магнитного материала могут служить железные руды, насыщенные магнитными свойствами. Примером же естественного магнитного объекта выступает наша с вами планета Земля.

Естественные, они же постоянные, магниты обладают высокой остаточной магнитной индукцией, что позволяет им сохранять магнитные свойства на протяжении длительного времени.

Однако, более широкое распространение в промышленности, медицине и других отраслях нашли электромагниты — электрические аппараты, в которых магнитным полем можно управлять. В электроэнергетике применяются, кроме прочего, в реле, выключателях, генераторах.

При определенных условиях магнитные поля способны создавать поля электрические. Верно и обратное утверждение. В этом и кроется суть электромагнитов.

Классификация электромагнитов

Принято классифицировать электромагниты (ЭМ) по способу питания на электромагниты постоянного и переменного тока. ЭМ постоянного тока в свою очередь классифицируются на постоянного тока нейтральные и поляризованные. Также существуют ЭМ выпрямленного тока.

В нейтральных электромагнитах постоянного тока магнитный поток создается обмоткой постоянного тока. Величина магнитного потока зависит лишь от обмотки, не зависит от направления. Если величина тока равна нулю, то магнитный поток и сила притяжения также опускаются практически до величины нуля.

Поляризованные ЭМ постоянного тока характеризуются наличием двух независимых магнитных потоков — рабочего и поляризующего. Поляризующий поток создается постоянными магнитами или электромагнитами. Рабочий же поток создается под действием намагничивающей силы рабочей обмотки. При отсутствии тока на якорь магнита будет действовать сила притяжения от поляризующего потока. В отличие от нейтральных, в поляризованных электромагнитах их действие зависит не только от величины рабочего потока но и от его направления.

В электромагнитах переменного тока обмотка питается от источника переменного тока. Величина и направление магнитного потока изменяется во времени от нуля до максимума.

Далее другие возможные классификации

• с последовательными (мало витков большого сечения) и параллельными (много витков малого сечения) обмотками
• работающие в длительном, кратковременном или прерывистом режимах
• быстродействующие, замедленно действующие и нормально действующие
• с внешним притягивающим якорем, со втягивающимся якорем, с внешним поперечно движущимся якорем

Устройство электромагнитов

Несмотря на обширное, судя по описанной выше классификации, количество разнообразных вариантов электромагнитов, существуют определенные однотипные узлы, которые встречаются у всех ЭМ.

• Катушка с расположенной на ней намагничивающей обмоткой
• Подвижная часть электромагнита — якорь
• Неподвижная часть — ярмо и сердечник

Между якорем и неподвижными частями существуют воздушные промежутки. Так вот, воздушные промежутки бывают полезными и паразитными. Полезные промежутки располагаются по возможному пути движения якоря. Паразитные промежутки лежат за пределами движения якоря.

Также существует понятие полюса. Полюсами называют поверхности магнитопровода, которые ограничивают полезный воздушный промежуток.

Конструктивные формы электромагнитов переменного тока не имеют множества вариантов, за счет того, что сердечник набирается из листов электротехнической стали. Это необходимо для борьбы с вихревыми токами.

Как работает электромагнит

Сам цикл работы ЭМ представляет собой следующую последовательность действий. Сначала в обмотку подается ток такой величины, при которой магнитные силы станут больше, чем силы удерживающие якорь в покое.

Далее произойдет отрыв якоря из состояния покоя и движение якоря в конечную точку полезного промежутка. Это первый этап.

На втором этапе якорь ЭМ подтянут и через него протекает ток. Как известно, ток создает термическое воздействие с течением времени. Поэтому время работы не должно превышать допустимое. На этом этапе сила тяги электромагнита максимальная.

Последний, Третий этап — аналогичен первому — ток уменьшается до нуля, магнитные силы становятся меньше сил, возвращающих якорь в состояние покоя, якорь отпадает. Далее электромагнит остывает.

Если характер его работы периодически повторяющийся, то за время до следующего цикла, ему необходимо успеть остыть.

Сравнение ЭМ постоянного и переменного тока

При выборе между электромагнитами на постоянном или переменном токе следует учитывать следующие особенности:

• Сила тяги. При одинаковом сечении полюсов средняя величина силы тяги в ЭМ на переменном токе (“ЭМ ~ тока”) будет вдвое меньше, чем в аналогичном на постоянном токе. То есть железо более эффективно используется в ЭМ на постоянном токе (“ЭМ = тока”)
• Вес. Если же заданными константами являются сила тяги и ход якоря, то для получения электромагнита переменного тока потребуется вдвое больше железа и размеров, чем для ЭМ постоянного тока
• Реактивная мощность. Если необходимо уменьшить потребляемую мощность “ЭМ = тока”, то достаточно увеличить его размеры. В случае же с “ЭМ ~ тока” потребляемая при пуске реактивная мощность не может быть уменьшена путем увеличения размеров ЭМ
• Вихревые токи. В случае с “ЭМ ~ тока” магнитопроводы выполняют шихтованными и разрезными для уменьшения влияния вихревых токов. Само же наличие потерь на вихревые токи и перемагничивание вызывает увеличение потребления электроэнергии и лишний нагрев. В случае же с “ЭМ = тока” данный пункт отсутствует
• Быстродействие. Если взять ЭМ постоянного и переменного тока, то вторые будут более быстродействующие. Однако для “ЭМ = тока” внедряют специальные меры, которые могут сделать их более быстродействующими. При этом “ЭМ = тока” будут потреблять меньше энергии

Однако, в промышленности, вышеописанные недостатки “ЭМ ~ тока” не вызывают особых препятствий на пути их использования.

Сохраните в закладки или поделитесь с друзьями

Последние статьи

Самое популярное

Электромагнит

Описание:

Электромагнит — устройство, создающее магнитное поле при прохождении электрического тока.

Для опыта нам понадобились: медный провод, покрытый изолирующим лаком, батарейка, стальной гвоздь, скрепки, нож канцелярский.

Обматываем гвоздь проволокой (нам проволоки хватило на 55 витков). Зачищаем концы проволоки от изоляции ножом. Подсоединяем концы проволоки к разным полюсам батарейки. Гвоздь не является магнитным, но приобретает свойства магнита при прохождении тока по проволочной обмотке.

После отсоединения батарейки свойство намагниченности гвоздя быстро пропадает.

Для усиления электромагнита необходим более мощный источник тока и большее количество витков проволоки. Мы обмотали стальной прут изолированной алюминиевой проволокой в два слоя и подключили наш электромагнит к блоку питания от ПК (напряжение 12 V).

Магнит притягивает гирьку 100 г. и скрепки при подключении к источнику тока (ИТ). После отключения ИТ стержень сохранил магнитные свойства. Для того чтобы его размагнитить достаточно пустить малый ток в обратном направлении. Мы присоединили батарейку к концам проволоки противоположными полюсами и стержень мгновенно размагнитился.   

Объяснение:

Ток, протекая через провод, создаёт магнитное поле вокруг провода. Сворачивание провода в форме катушки и размещение ферромагнетика внутри катушки позволяет сосредоточить и усилить магнитное поле во много раз.

История открытия:

После открытия Эрстредом в 1820 г. связи между электричеством и магнетизмом началась новая эпоха в понимании многих физических явлений и процессов, где главные роли играли ток и магнит.

Многие заинтересовались проблемами электромагнетизма: в том же 1820 г. Араго продемонстрировал проволоку с током, облепленную железными опилками, а Ампер доказал, что спираль с током – соленоид – обладает всеми свойствами природного магнита, притягивая мелкие железные предметы.

Что касается первого электромагнита, т.е. катушки, обтекаемой током и содержащей внутри железный сердечник, то его изобретения пришлось ждать еще пять лет. Это устройство создал Вильям Стерджен.

23 мая 1825 г. английский механик Вильям Стерджен представил построенный им первый электромагнит.

Это был подковообразный стержень, покрытый для электроизоляции лаком, длиной 30 и диаметром 1,3 см. На этот стержень был намотан всего один слой голой медной проволоки, которая замыкалась на электрическую батарею (вольтов столб).

При пропускании тока железный стержень приобретал свойства сильного магнита, но при прерывании тока он мгновенно их терял. Именно эта особенность электромагнитов и позволила широко применять их в технике.

При массе 0,2 кг электромагнит Стерджена поднимал железный груз, почти в 20 раз тяжелее. Первый же электромагнит сразу оказался сильнее природных магнитов той же массы.

Рисунок 1. Первый электромагнит Стерджена

Долгое время, вплоть до 1840 г., электромагниты Стерджена были самыми сильными в мире. А потом вперед вышел ученик Стерджена, будущий великий физик Д. Джоуль. Повысив число полюсов электромагнита и рационально расположив их на грузе, он создает конструкцию, способную при собственной массе 5,5 кг поднимать 1,2 т!