אלקטרומגנט: הרכב, חלקים, אופן פעולתו ויישומים - גוּפָנִי - 2025

אלקטרומגנט הוא מכשיר שמייצר מגנטיות מן זרם חשמלי. אם הזרם החשמלי נפסק, גם השדה המגנטי נעלם. בשנת 1820 התגלה כי זרם חשמלי מייצר שדה מגנטי בסביבתו. ארבע שנים לאחר מכן הומצא ונבנה האלקטרומגנט הראשון.

האלקטרומגנט הראשון כלל פרסת ברזל צבועה בלכה מבודדת, ושמונה עשר פניות של חוט נחושת ללא בידוד חשמלי נפערו עליו.

איור 1. אלקטרומגנט. מקור: pixabay

אלקטרומגנטים מודרניים יכולים להיות בעלי צורות שונות בהתאם לשימוש הסופי שעומד להינתן להם; וזה הכבל המבודד בלכה ולא ליבת הברזל. הצורה הנפוצה ביותר של ליבת הברזל היא הגלילית, עליה חוט החוט הנחושת המבודד.

אתה יכול ליצור אלקטרומגנט שרק המתפתל מייצר שדה מגנטי, אך ליבת הברזל מכפילה את עוצמת השדה.

כאשר זרם חשמלי עובר מתפתל אלקטרומגנט, ליבת הברזל הופכת לממגנט. כלומר, הרגעים המגנטיים המהותיים של החומר מיישרים קו ומוסיפים, מעצימים את השדה המגנטי הכולל.

מגנטיות ככזו ידועה לפחות מאז 600 לפני הספירה, אז התאלים היוונים של מילטוס דיברו בפירוט על המגנט. מגנטיט, מינרל ברזל, מייצר מגנטיות באופן טבעי וקבוע.

יתרונות האלקטרומגנטים

יתרון ללא ספק של אלקטרומגנטים הוא בכך שניתן להקים, להגדיל, לצמצם או להסיר את השדה המגנטי על ידי שליטת הזרם החשמלי. בעת ייצור מגנטים קבועים, אלקטרומגנטים הם הכרחיים.

עכשיו למה זה קורה? התשובה היא שמגנטיות מהותית לחומר בדיוק כמו לחשמל, אך שתי התופעות מתבטאות רק בתנאים מסוימים.

עם זאת, ניתן לומר כי מקור השדה המגנטי הוא נע מטענים חשמליים או זרם חשמלי. בתוך החומר, ברמה האטומית והמולקולרית, נוצרים זרמים אלה המייצרים שדות מגנטיים לכל הכיוונים שמבטלים זה את זה. זו הסיבה שחומרים בדרך כלל לא מראים מגנטיות.

הדרך הטובה ביותר להסביר זאת היא לחשוב שמגנטים קטנים (רגעים מגנטיים) שוכנים בתוך החומר שמצביעים לכל הכיוונים, ולכן השפעתם המקרוסקופית מבוטלת.

בחומרים פרומגנטיים, רגעים מגנטיים יכולים להתיישר ויוצרים אזורים המכונים תחומים מגנטיים. כאשר מיושמים שדה חיצוני, תחומים אלה מתיישרים.

כאשר מוסרים את השדה החיצוני, תחומים אלה אינם חוזרים למיקומם האקראי המקורי, אלא נשארים מיושרים באופן חלקי. בדרך זו החומר הופך לממגנט ויוצר מגנט קבוע.

הרכב וחלקים של אלקטרומגנט

אלקטרומגנט מורכב מ:

- סלילה של כבל מבודד בלכה.

- ליבת ברזל (לא חובה).

- מקור נוכחי, שיכול להיות ישיר או לסירוגין.

איור 2. חלקי אלקטרומגנט. מקור: תוצרת עצמית.

המתפתל הוא המוליך דרכו עובר הזרם המייצר את השדה המגנטי ונפתל בצורה של קפיץ.

בהתפתלות, הפניות או הפניות בדרך כלל קרובים מאוד זה לזה. זו הסיבה שחשוב מאין כמוהו שלתיל איתו מתפתל בידוד חשמלי, המושג בעזרת לכה מיוחדת. מטרת הלכה היא שגם כאשר הסיבובים מקובצים זה לזה ונוגעים זה בזה, הם נשארים מבודדים חשמלית והזרם ממשיך במסלוליו.

ככל שהמוליך המתפתל עבה יותר, כך כבל העמידות יהיה עמיד יותר, אך מגביל את המספר הכולל של סיבובים שניתן לפצע. מסיבה זו, סלילי אלקטרומגנט רבים משתמשים בחוט דק.

השדה המגנטי המיוצר יהיה פרופורציונלי לזרם העובר במוליך המתפתל וגם פרופורציונאלי לצפיפות הסיבובים. המשמעות היא שככל שמוצבים יותר סיבובים לכל אורך יחידה, כך עוצמת השדה גדולה יותר.

ככל שהפניות המתפתלות מהודקות יותר, כך המספר שישתלב באורך נתון גדול יותר, יגדיל את צפיפותן ולכן את השדה שנוצר. זו סיבה נוספת מדוע אלקטרומגנטים משתמשים בכבלים מבודדים בלכה במקום פלסטיק או חומר אחר, מה שיוסיף עובי.

סולנואיד

באלקטרומגנט סולנואיד או גלילי כמו זה שמוצג באיור 2, עוצמת השדה המגנטי תינתן על ידי הקשר הבא:

B = μ⋅n⋅I

כאשר B הוא השדה המגנטי (או אינדוקציה מגנטית), אשר ביחידות של המערכת הבינלאומית נמדד בטסלה, μ הוא החדירות המגנטית של הליבה, n הוא צפיפות הפניות או מספר הסיבובים למטר ולבסוף הזרם I שמסתובב דרך הפיתול שנמדד במגברים (A).

החדירות המגנטית של ליבת הברזל תלויה בסגסוגת שלה והיא בדרך כלל בין 200 ל -5000 פי חדירות האוויר. השדה המתקבל מוכפל באותו גורם ביחס לזה של אלקטרומגנט ללא ליבת ברזל. חדירות האוויר שווה בערך לזו של ואקום, שהוא μ ₀ = 1.26 × 10 ^-6 T * m / A.

איך זה עובד?

כדי להבין את פעולת האלקטרומגנט יש להבין את הפיזיקה של המגנטיות.

נתחיל עם חוט ישר פשוט הנושא זרם I, זרם זה מייצר שדה מגנטי B סביב החוט.

איור 3. שדה מגנטי המיוצר על ידי חוט ישר. מקור: Wikimedia Commons

קווי השדה המגנטי סביב החוט הישר הם עיגולים קונצנטריים סביב חוט העופרת. קווי השדה מצייתים לכלל היד הימנית, כלומר אם אגודל יד ימין מצביע על כיוון הזרם, ארבע אצבעות היד האחרות של יד ימין יצביעו על כיוון התפוצה של קווי השדה המגנטי.

שדה מגנטי של חוט ישר

השדה המגנטי עקב חוט ישר במרחק r ממנו הוא:

נניח שאנחנו מכופפים את הכבל כך שהוא יוצר מעגל או לולאה, ואז קווי השדה המגנטי בחלקו הפנימי מתלכדים ומצביעים כולם באותו כיוון, מוסיפים ומחזקים. בחלק הפנימי של הלולאה או המעגל השדה עז יותר מאשר בחלק החיצוני, שם קווי השדה נפרדים ונחלשים.

איור 4. שדה מגנטי המיוצר על ידי חוט במעגל. מקור: Wikimedia Commons

השדה המגנטי במרכז לולאה

השדה המגנטי שהתקבל במרכז לולאה של רדיוס הנושא זרם I הוא:

האפקט מתרבה אם בכל פעם אנו מכופפים את הכבל כך שיהיו לו שניים, שלושה, ארבעה, … והרבה סיבובים. כשאנחנו מתפתלים את הכבל בצורה של קפיץ עם סלילים קרובים מאוד, השדה המגנטי בתוך הקפיץ הוא אחיד ואינטנסיבי מאוד, ואילו מבחוץ הוא למעשה אפס.

נניח שאנחנו מתפתלים את הכבל בספירלה של 30 סיבובים באורך של 1 ס"מ וקוטר של 1 ס"מ. זה נותן צפיפות של סיבובים של 3000 סיבובים למטר.

שדה מגנטי סולנואיד אידיאלי

בסולנואיד אידיאלי השדה המגנטי שבתוכו ניתן על ידי:

לסיכום, החישובים שלנו לכבל הנושא זרם אמפר אחד וחישוב השדה המגנטי במיקרוטסלס, תמיד במרחק 0.5 ס"מ מהכבל בתצורות שונות:

1. כבל ישר: 40 מיקרוגל.
2. כבל במעגל בקוטר 1 ס"מ: 125 מיקרוטסלס.
3. ספירלה של 300 סיבובים בקוטר 1 ס"מ: 3770 מיקרוטסלס = 0.003770 טסלה.

אבל אם נוסיף לספירלה ליבת ברזל עם permittivity יחסית של 100, אז השדה מוכפל פי 100, כלומר 0.37 טסלה.

אפשר גם לחשב את הכוח שאותו מפעיל האלקטרומגנט בצורה סולנואיד על קטע של ליבת הברזל של חתך רוחב A:

בהנחה ששדה מגנטי רווי של 1.6 טסלה, הכוח למקטע מטר מרובע של שטח ליבת הברזל המופעל על ידי האלקטרומגנט יהיה 10 ^ 6 ניוטון שווה ערך ל 10 ^ 5 קילוגרם, כלומר 0.1 טון לכל מטר מרובע של חתך רוחב.

משמעות הדבר היא כי אלקטרומגנט עם שדה רוויה של 1.6 טסלה מפעיל כוח של 10 ק"ג על ליבת ברזל עם חתך רוחב של 1 ס"מ ² .

יישומי אלקטרומגנט

אלקטרומגנטים הם חלק מגאדג'טים ומכשירים רבים. לדוגמה, הם נמצאים בפנים:

- מנועים חשמליים.

- אלטרנטורים ודינמו.

- רמקולים.

- ממסרים או מתגים אלקטרומכניים.

- פעמונים חשמליים.

- שסתומי סולנואיד לבקרת זרימה.

- כוננים קשיחים ממוחשבים.

- מנופי הרמה מגרד מתכת.

- מפרידי מתכת מפסולת עירונית.

- בלמים חשמליים לרכבות ומשאיות.

- מכונות הדמיה תהודה מגנטית גרעינית.

ועוד מכשירים רבים.

הפניות

1. גרסיה, פ. שדה מגנטי. התאושש מ: www.sc.ehu.es
2. Tagueña, J. ומרטינה, E. Magnetism. מהמצפן לסחרור. התאושש מ: Bibliotecadigital.ilce.edu.mx.
3. סירס, זמנסקי. 2016. פיזיקה באוניברסיטה עם פיזיקה מודרנית. 14. עורך כרך 2. 921-954.
4. ויקיפדיה. אלקטרומגנט. התאושש מ: wikipedia.com
5. ויקיפדיה. אלקטרומגנט. התאושש מ: wikipedia.com
6. ויקיפדיה. מגנטיזציה. התאושש מ: wikipedia.com