Электромагнит переменного тока принцип действия

Электромагнит — устройство и принцип работы

Принцип действия

Чтобы понять, как работают электромагниты, надо рассмотреть их конструкцию. Простое устройство объясняет принцип действия электромагнита. При протекании электрического заряда в теле обмотки возникает излучение магнитного поля, пронизывающее магнитопровод.

Формула магнитного потока

Внутри металла или ферромагнита, в соответствии с законами физики, формируются микроскопические магнитные поля, именуемые доменами. Их поля под внешним воздействием обмотки выстраиваются в определённом порядке. В результате магнитные силы доменов суммируются, образуя сильное магнитное поле, сообщая магнитопроводу способность притягивать массивные металлические предметы.

Важно! Чтобы остановить электромагнитную индукцию, достаточно отключить ЭМ от источника тока. При этом сохранится частица магнитного поля. Такой эффект называют гистерезисом.

Принцип работы

Принцип действия магнитного пускателя основывается на явлении электромагнитной индукции. Если через катушку ток не проходит, значит, магнитное поле в ней отсутствует. Это приводит к тому, что пружина механически отталкивает подвижные контакты. Как только питание катушки восстановлено, в ней возникают магнитные потоки, сжимающие пружину и притягивающие якорь к неподвижно закрепленной части магнитопровода.

Так как работает пускатель только под воздействием электромагнитной индукции, размыкание контактов происходит при перебоях с электричеством и при снижении напряжения в сети больше чем на 60% от номинального показателя. Когда напряжение вновь восстановлено, контактор не включается самостоятельно. Для его активации потребуется нажатие кнопки «Пуск».

При необходимости изменения направления вращения асинхронного двигателя применяются реверсивные устройства. Реверс происходит благодаря 2 контакторам, активирующимся по очереди. При одномоментном включении контакторов происходит короткое замыкание. Для исключения таких ситуаций в конструкцию входит специальная блокировка.

Классификация

Ротор — что это такое

ЭМ различают по способам создания магнитных полей. Существуют электромагниты трёх разновидностей:

• электромагнит переменного тока;
• нейтральный прибор постоянного тока;
• поляризованный ЭМ постоянного тока.

Магниты, работающие на переменном токе, меняют направление магнитного потока вместе с удвоенной частотой электротока.

Нейтральные ЭМ, подключённые к источнику постоянного тока, создают магнитные потоки, не зависящие от направления электротока.

В поляризованных устройствах ориентировка магнитного потока привязана к направлению электрического тока. Поляризованные ЭМ состоят из двух магнитов. Один из них направляет поляризующий поток магнитного поля на второй электромагнит для его отключения.

Применение электромагнитов

Питание обмотки данного типа магнитов производится переменным током. Поскольку он является переменным, то направление и величина магнитного потока, также периодически изменяются. При этом, сила притяжения действует в одном направлении и изменяется только ее величина. Поэтому, происходит пульсация силы притяжения от нулевого до наивысшего значения, частота которой в два раза выше частоты питающего напряжения.

Для того, чтобы лучше понять разницу между двумя видами электромагнитов, следует рассматривать их в сравнении. Таким образом, можно наиболее точно определить целесообразность их применения в той или иной сфере.

При одинаковых сечениях полюсов, среднее значение силы при постоянном токе, в два раза больше, чем сила при переменном. Это касается всех конструкций, с различным количеством фаз. Иначе говоря, сталь, используемая в магните постоянного, дает эффект, в два раза больший, чем при питании от переменного.

Поэтому, при одинаковых параметрах хода якоря и силы тяги, электромагнит переменного тока имеет значительно больший вес, поскольку имеет место повышенный расход содержащихся в нем материалов. Здесь же следует учитывать и реактивную мощность, напрямую связанную со значением физической работы, которую должен выполнить электромагнит.

Преимущества использования электромагнитов

Главным преимуществом электрического магнита перед постоянным источником магнитного поля заключается в том, что он приводится в рабочее состояние под воздействием электрического тока. То есть, когда нужно оказать магнитное влияние на определённую часть пространства, ток включают. Это позволяет обеспечивать ритмичную работу ЭМ, что с успехом применяется в разных видах электро оборудования, приборов и устройств.

Электромагнит можно обнаружить в электрических счётчиках, сепараторных установках, трансформаторах, теле,- и аудиотехнике и других устройствах.

Мощные магниты установлены на мостовых кранах в цехах металлургических заводов и лебёдках предприятий по сбору металлолома.

Грузоподъёмные электромагниты

Одно из первых применений ЭМ – это динамики. Звуковое устройство в своей основе имеет электромагнит, который заставляет колебаться мембрану в звуковом диапазоне.

ЭМ используются в металлоискателях для обнаружения металлосодержащих предметов под землёй, в воде и различных массивах.

Преимущества использования

Частота вращения: формула

Электромагниты переменного тока могут быть использованы:

• для размагничивания объектов (экранов телевизоров, аудио кассет, видео кассет);
• в качестве компонентов других электрических устройств, таких как двигатели, генераторы, реле, громкоговорители, жесткие диски, магнитно-резонансная аппаратура, научные приборы и оборудование для магнитной сепарации;
• в промышленности для сбора и перемещения тяжелых железных предметов, таких как лом чугуна и стали.

Основным преимуществом электромагнита перед постоянным магнитом является то, что магнитное поле можно быстро изменять. При этом электрический ток в обмотке является величиной контролируемой. В отличие от постоянных магнитов, работающих без электропитания, электромагниты требуют постоянных источников тока для поддержания магнитного поля.

Сверхпроводящий электромагнит

Сверхпроводимостью считают свойство материалов с сопротивлением, близким к нулю. Электромагниты с практически нулевым показателем сопротивления обладают сверхмощным магнитным полем. Сила магнитного воздействия может заставить парить в пространстве такие диамагнетики, как кусочки свинца и органические объекты.

Как было замечено физиками, металлы приобретают свойство сверхпроводимости при сверхнизкой температуре. Чтобы получить эффект сверхпроводимости, обмотки ЭМ помещают в сосуд Дьюара с жидким гелием, который снабжён клапаном для сброса паров вещества. Сверхпроводящие магниты применяют в медицинском оборудовании – аппаратах МРТ (магнитный резонансный томограф). В экспериментальных поездах на воздушной подушке применяются сверхпроводящие магниты.

Сверхпроводящий магнит

Электромагнитные силы

Силу электромагнитного поля можно регулировать путем изменения электрического тока, проходящего через провода, обернутые вокруг магнита. Если изменить направление электрического тока, полярность магнитного поля также меняется на противоположную. Этот эффект используется для создания полей в магнитной ленте или жестком диске компьютера для хранения информации, а также в громкоговорителях акустических колонок в радио, телевизоре и стереосистемах.

Как сделать электромагнит 12в

Самый просто способ, как сделать электромагнит, – это взять обычный гвоздь, провод и батарейку. По всей длине стержня наматывают изолированный провод. Концы проводника прижимают к полюсам батарейки. Для того чтобы заряд не расходовался зря, один конец провода припаивают к положительному контакту. Другое окончание нужно делать в виде подпружиненной дуги, которую прижимают к клемме батарейки со знаком минус. На нижнем фото видно, как можно сделать электромагнит в домашних условиях.

Электромагнит своими руками

Обратите внимание! При изготовлении электромагнита с батарейкой можно использовать контактную колодку со старого устройства. Для отключения магнита будет достаточно вынуть батарейку из контактной коробки.

Расчёты

Перед тем, как начать собирать электромагнит своими руками, делают предварительный расчёт его параметров. Элементы конструкции рассчитывают отдельно для ЭМ постоянного и переменного тока.

Для постоянного тока

Перед тем, как производить расчёты, определяются с требуемой величиной магнитодвижущей силы (МДС) катушки. Параметры обмотки должны обеспечивать нужную МДС, в то же время катушка не должна перегреваться, иначе будет потерян изоляционный слой провода намотки. Исходными данными для расчёта являются напряжение в проводе электромагнитной катушки и требуемая величина магнитодвижущей силы.

Методики расчёта электромагнитов постоянного тока постоянно публикуются в сети интернета. Там же можно подобрать формулы для определения МДС, поперечного сечения сердечника и провода обмотки, его длины.

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).

Где можно применять электромагниты в медицине?

Магнитно-резонансные томографы (МРТ) также работают с помощью электромагнитов. Это специализированный медицинский метод для обследования внутренних органов человека, которые недоступны для непосредственного обследования. Наряду с основным используются дополнительные градиентные магниты.

Где применяют электромагниты? Они присутствуют во всех видах электрических устройств, включая жесткие диски, колонки, двигатели, генераторы. Электромагниты используются повсеместно и, несмотря на свою незаметность, занимают важное место в жизни современного человека.

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.

Принцип действия электромагнита

При пропускании электрического тока через катушку помещенный внутри ее стальной сердечник приобретает свойства естественного магнита

Степень намагничивания стального сердечника, определяемая величиной проходящего через него магнитного потока, о которой судят по максимальной массе притя-гиваемого груза (грузоподъемная сила электромагнита), зависит от величины тока, пропускаемого через катушку, числа витков и температуры катушки, химического состава, формы, размеров и температуры поднимаемого груза.

Катушка без стального сердечника также будет обладать магнитными свойствами — притягивать к себе ферромагнитные тела, но сила притяжения при одном и том же токе, проходящем через нее, значительно меньше, чем у катушки со стальным сердечником. Это объясняется тем, что магнитная проницаемость воздуха намного меньше, чем стального (ферромагнитного) сердечника.

Магнитный поток электромагнита определяется намагничивающей силой F, ампервитки:

где I — ток, проходящий через его катушку, A; w — число витков катушки, а также магнитной проницаемости цепи, состоящей из сердечника электромагнита и поднимаемого груза.

Магнитная проницаемость не является постоянной величиной и зависит от величины намагничивающей силы. С ростом намагничивающей силы магнитная проницаемость сначала резко возрастает, достигает своей максимальной величины, после чего наступает насыщение; увеличение дает незначительное увеличение магнитного потока до того момента, когда увеличение намагничивающей силы практически не сопровождаетсядальнейшимувеличениеммагнитного потока.

Примерный расчет грузоподъемной силы электромагнита можно провести по следующей формуле:

где S — площадь соприкосновения между полюсами магнита и поднимаемой плитой, см²; Ф — магнитный поток, Вб, равный

Rm — магнитное сопротивление цепи электромагнита.

Магнитное сопротивление возрастает с увеличением длины силовых линий магнитного потока и числа воздушных промежутков, находящихся на пути магнитного потока, и уменьшается с увеличением сечения и повышения магнитной проницаемости материала, по которому проходит магнитный лоток.

Длина силовых линий магнитного потока и сечение, по которому проходит этот поток, определяются конструкцией и размерами электромагнита, а число и размеры воздушных промежутков зависят от формы поднимаемого груза. На рис. 1,а показано расположение магнитных силовых линий при поднимании плиты (слитка), а на рис. 1,б — при поднимании скрапа. В последнем случае магнитное сопротивление настолько возрастает, что электромагнит поднимает груз в несколько раз меньше массы плиты или слитка.

Ниже приведены данные грузоподъемности электромагнита в зависимости от характера поднимаемого груза, %:

Грузоподъемная сила электромагнита при прочих равных условиях пропор-циональна величине тока, проходящего через его катушку. При заданном напря-жении эта величина зависит от электрического сопротивления катушки, кото-рое возрастает с повышением температуры. Сопротивление катушки при мак-симально допустимой температуре для грузовых электромагнитов может воз-расти в 1,4 — 1,6 раз по сравнению с холодной катушкой. В таком же соотно-шении снизится ток, намагничивающая сила и грузоподъемная сила электромаг-нита. Так как с повышением температуры поднимаемого груза снижается его магнитная проницаемость (достигая нуля при температуре, близкой к 750 °С), то соответственно этому снижается грузоподъемная сила электромагнита.

Питание электромагнита производится постоянным током. Питание может производиться также переменным током, но в этом случае предусматривается соответствующая выпрямительная установка. В качестве последних применяют полупроводниковые установки, выполненные по схеме трехфазного двухполупериодного выпрямления.

Для освобождения от груза иногда оказывается недостаточным отключить пита-ние электромагнита. Из-за остаточного магнетизма в сердечнике электромагнита и поднимаемом грузе магнитный поток не снижается до нуля, а составляет некоторую величину, определяемую свойствами материала сердечника и поднимаемого груза, и это может оказаться достаточным, чтобы груз (или часть груза) остался притянутым к электромагниту. Для полного освобождения от груза необходимо на короткое время «перемагнитить» электромагнит, т. е. пропустить ток через его катушку в обратном направлении. При этом, когда магнитный поток снизится до нуля, груз отпадет. Величина этого тока, называемого «обратным» током, составляет 12—20% рабочего тока.

При отключении электромагнита происходит быстрое снижение магнитного потока, наводящее в катушке электромагнита электромагнитную силу самоиндук-ции. Величина индуктированного напряжения возрастает при быстром отключении тока и в некоторых случаях может достигнуть 3000 – 4000 В, т.е. в 15—18 раз превысит номинальное напряжение, что не исключает возможности пробоя изоляции катушки электромагнита.

В блоках управления электромагнитом, разработанных в советские времена, для ограничения величины перенапряжения параллельно катушке электромагнита подключалось так называемое разрядное сопротивление. При величине разрядного сопротивления, в 5—6 раз превышающей сопротивление катушки электромагнита, перенапряжение практически снижалось до 700 – 800 В. Так как разрядное сопро¬тивление постоянно подключено к электромагниту, то при его работе оно потребляет дополнительный ток.

В начале 90-х годов Трегубовым Дмитрием Анатольевичем, в настоящий момент генеральный директор ООО “Кировский завод электромагнитов “ДимАл”, был разработан и запатентован первый тиристорный блок управления электромагнитом, нашедший широкое практическое применение.
Благодаря применению тиристоров, энергия, возникающая в катушке электромагнита при его отключении, через шунтирующий тиристор возвращает в сеть. Подобное схемное решение позволило увеличить срок эксплуатации электромагнита.

Повреждения электромагнитов в большинстве случаев заключаются в нарушении изоляции между витками и секциями катушки, а также между катуш-кой и корпусом или токоподводом и корпусом электромагнита.

Как указывалось, при отключении магнита возникает повышенное разрядное напряжение. Для его снижения к катушке подсоединяется разрядное сопро-тивление. Однако изоляция катушки и токоподводов должна противостоять (соот-ветственно толщинам устанавливаемой изоляции и изоляционным расстояниям) не сниженному разрядному напряжению, а полному, если по каким-либо причинам разрядное сопротивление может оказаться отключенным или поврежденным.

Одной из причин нарушения изоляции может быть плохая герметизация объема, занятого катушкой, что приводит к вытеканию электроизоляционной массы или ухудшению ее электроизоляционных и механических свойств вследствие попадания влаги через неплотности. Влага снижает электрическую надежность витковой, межсекционной и корпусной изоляции.

Кроме того, при недостаточном закреплении катушки нарушению изоляции в немалой степени способствуют перемещение и деформация секций, происходящие из-за тепловых расширений катушки и от неизбежных сотрясений и ударов электромагнита о груз. Поэтому продолжительность безаварийной работы электромагнита зависит от того, как надежно герметизирован электромагнит, как прочно укреплена в нем катушка и выводы, и насколько доброкачественна электро-изоляционная масса.

Основное назначение электроизоляционной заливочной массы препятствовать увлажнению изоляции, что способствует сохранению её высоких электрических и механических качеств. Помимо этого улучшается теплоотвод от катушки, а при достаточной твердости массы при рабочих температурах ограничиваются возможности деформации катушки, что ведет к сохранению изоляции.

Применяемая на предприятии ООО “Кировский завод электромагнитов “ДимАл” технология заливки катушки значительно уменьшила количество межвитковых коротких замыканий, пробоев на корпус воздушных включений (в следствии чего уменьшилось количество попадаемой в электроизоляционную массу влаги), улучшила механическую прочность катушки к ударам, что в свою очередь увеличило срок службы электромагнита и уменьшило количество ремонтов.

Электромагнит — устройство и принцип работы

Всем привет! Сегодня я собираюсь рассказать вам о очень лёгком, но зрелищном эксперименте, и имя его: «Электромагнит»! Я больше чем уверен что каждый начинающий радиолюбитель знает его, но для начала он как раз подойдёт. Я сделал этот обзор самоделки для тех кому интересно как устроен магнит.

Перед инструкцией давайте посмотрим принцип работы электромагнита. Что говорит нам Википедия:

• Не понятно? Объясню просто:

Когда электричество проходит по проводам и крутится вокруг гвоздя (сердечника), и гвоздь приобретает свойства природного магнита (как на холодильнике (сделанного из магнитной руды)). И без гвоздя магнит может работать только значительно слабее.

• Где используются электромагниты:

Сильные электромагниты используются в разных механизмах для разных целей. К примеру, электромагнитный подъемный кран используется на металлургических и металлообрабатывающих заводах для перемещения металлического лома и готовых деталей. На заводах часто работают со станками которые ещё называют «магнитные столы», на которых можно работать с железным или стальным изделиями которые закрепляются магнитами с помощью мощных электромагнитов. Нужно только включить ток, чтобы крепко закрепить деталь в любом нужном положении на столе, выключите ток, чтобы освободить изделие. При расфасовке магнитных руд от немагнитных, к примеру при очистке кусков железной руды от пустой породы , используют магнитные сепараторы, при которых очищаемая руда проезжает через мощное магнитное поле электромагнитов, собирающее из него все магнитные элементы.

Нам потребуется:

• Железный гвоздь
• Тонкая изолированная проволка (чем больше тем лучше)
• Батарейка (любой мощности, не меньше 1.5V)
• Обьекты для проверки магнита (скрепки, кнопки, булавки)
• Устройство зачистки проводов (Необязательно)
• Клейкая лента

Правила безопасности:

1. Не пытайтесь подключать провода к розетке 220V. Наш электромагнит использует электричество, и когда вы подсоедините его к стандартному высокому напряжению, то тогда вас будет короткое замыкание во всём доме.
2. У вас должно быть много свободной проволоки до батарейки. Если так будет, у вас не будет сильного электрического сопротивления, и батарейка самоуничтожится!
3. Нашему электромагниту нужно только низкое напряжение. Если вы будете использовать высокое напряжение
   вас ожидает удар током.

А сейчас к инструкции:
1.Обмотайте медную проволоку вокруг гвоздя, но так чтобы с каждого конца осталось где-то 30 см, следите за тем, чтобы проволока была закручена только в одну сторону или у вас будет два маленьких поля которые будут мешать друг-другу. ВАЖНО: Проволока должна быть накручена так, чтобы она лежала не далеко от предыдущего мотка, но и не была на нём.
Подсказка: Чем больше слоев тем сильнее магнит, можно сделать даже многослойную.

Электромагниты переменного тока.

При переменном токе поток (рис а) изменяется по синусоидальному закону. Сила притяжения электромагнита в таком случае будет

Р = Рм* sin cot =( Рм /2)(1 – cos2ω t) т.е. сила притяжения Р пульсирует по значению с двойной частотой сети, не меняя при этом своего знака (рис. ,б). Сила притяжения может быть представлена в виде двух составляющих: постоянной во времени Р = Рм /2 и изменяющейся во времени по закону косинуса переменной

Р = ( Рм /2)( cos2ω t) (рис в)

Если отрывное усилие электромагнита будет Ротр, то дважды за период в точке А (рис. 8-5, в) якорь электромагнита будет отпадать, а в точке В — снова притягиваться, т.е. будет вибрировать с двойной частотой. Вибрация приводит к износу магнитной системы и сопровождается гудением.

Для устранения вибрации электромагниты переменного тока снабжаются коротко-замкнутыми витками (рис. 8-6, а) из проводниковых материалов (медь, латунь), охватывающими часть полюса (электромагнита (70-80%).

Наконечник полюса расщепляется и на его большую часть насаживают к-з виток).

Принцип работы витка заключается в следующем. Общий поток электромагнита Ф разветвляется на поток Ф который проходит по не охваченной витком части полюса, и на поток Фг, который проходит через часть, охватываемую короткозамкнутым витком. При этом в витке индуцируется ЭДС и возникает ток , сдвинутый на угол ω.

Сила притяжения электромагнита Р складывается из двух пульсирующих, но сдвинутых во времени сил Pi и Рг (рис. 8-6, г). Благодаря сдвигу их во времени общая сила Р пульсирует много меньше и минимальное значение ее остается выще Ротр, чем и исключается вибрация якоря.

Статические тяговые электромагнитные характеристики могут меняться в широких пределах путем изменения фор­мы полюсов и конструктивного исполнения . Выбор формы полюсов и исполнения магнитной системы диктуется характеристикой противодействующих сил или моментов. При большом ходе якоря – до 100 мм (длинноходовые эл магниты) применяются броневые магнитные системы. В броневом электромагните создается дополнительная сила за счёт потоков рассеяния. В длинноходовых электромагнитах потоки рассеяния могут создавать до половины общего усилия. Благодаря этой осо­бенности броневые электромагниты используются в тех слу­чаях, когда требуется развить большое усилие при большом ходе. При этом начальное усилие создается в основном только за счет потоков рассеяния.

При малом ходе якоря – до 10 мм (короткоходовые эл магниты) преимущественно применяются клапанные магнитные системы

При угловом перемещении якоря используются магнитные системы с поворотным якорем.

В системах 7 и 8 при симметричном положении якоря относительно центра катушки сила равна нулю. При выходе из этого положения сила меняет знак

Как сделать электромагнит в домашних условиях

Электромагнит – искусственный магнит, у которого магнитное поле возникает и концентрируется в ферромагнитном сердечнике в результате прохождения электрического тока по охватывающей его обмотке, т.е. при пропускании тока через катушку помещенный внутри нее сердечник приобретает свойства естественного магнита.

Область применения электромагнитов очень обширна. Их используют в электрических машинах и аппаратах, в устройствах автоматики, в медицине, в различного рода научных исследованиях. Наиболее часто электромагниты и соленоиды используются для перемещения каких-то механизмов, а на производствах для подъёма груза.

Так, например, грузоподъемный электромагнит является очень удобным, производительным и экономичным механизмом: для закрепления и освобождения транспортируемого груза не требуется обслуживающий персонал. Достаточно положить электромагнит на перемещаемый груз и включить электрический ток в катушку электромагнита и груз притянется к электромагниту, а для освобождения от груза необходимо лишь отключить ток.

Конструкция электромагнита легка для повторения и в сущности не представляет собой ничего кроме сердечника и катушки из проводника. В этой статье мы ответим на вопрос как сделать электромагнит своими руками?

Как работает электромагнит (теория)

Если по проводнику протекает электрический ток, то вокруг этого проводника образуется магнитное поле. Так как ток может течь только тогда, когда цепь замкнута, то проводник должен представлять собой замкнутый контур, как, например, круг, который является простейшим замкнутым контуром.

Раньше проводником, свернутым в круг, часто пользовались для наблюдения действия тока на магнитную стрелку, помещенную в его центре. В этом случае стрелка находится на равном расстоянии от всех частей проводника, благодаря чему легче можно наблюдать действие тока на магнит.

Чтобы усилить действие электрического тока на магнит, можно прежде всего увеличить ток. Однако, если обогнуть проводник, по которому протекает какой-то ток, два раза вокруг охватываемого им контура, то действие тока на магнит удвоится.

Таким образом можно во много раз увеличить это действие, огибая проводник соответствующее число раз вокруг данного контура. Получающееся при этом проводящее тело, состоящее из отдельных витков, число которых может быть произвольным, называется катушкой.

Вспомним курс школьной физики, а именно о том, что при протекании электрического тока через проводник возникает магнитное поле. Если проводник свернуть в катушку линии магнитной индукции всех витков сложатся, и результирующее магнитное поле будет сильнее чем для одиночного проводника.

Магнитное поле, порожденное электрическим током в принципе не имеет существенных отличий по сравнению с магнитным если вернуться к электромагнитам, то формула его тяговой силы выглядит так:

где F – сила тяги, кГ (сила измеряется также в ньютонах, 1 кГ =9,81 Н, или 1 Н =0,102 кГ); B – индукция, Тл; S – площадь сечения электромагнита, м2.

То есть сила тяги электромагнита зависит от магнитной индукции, рассмотрим её формулу:

Здесь U0 – магнитная постоянная (12.5*107 Гн/м), U – магнитная проницаемость среды, N/L – число витков на единицу длины соленоида, I – сила тока.

Отсюда следует, что сила с которой магнит притягивает что-либо зависит от силы тока, количества витков и магнитной проницаемости среды. Если в катушке нет сердечника – средой является воздух.

Ниже приведена таблица относительных магнитных проницаемостей для разных сред. Мы видим, что у воздуха она равна 1, а у других материалов в десятки и даже сотни раз больше.

В электротехнике используют специальный металл для сердечников, его часто называют электротехнической или трансформаторной сталью. В третьей строке таблицы вы видите «Железо с кремнием» у которого относительная магнитная проницаемость равна 7*103 или 7000 Гн/м.

Это и есть усредненное значение для трансформаторной стали. Она отличается от обычной как раз-таки содержанием кремниями. На практике её относительная магнитная проницаемость зависит от приложенного поля, но не будем углубляться в подробности. Что даёт сердечник в катушке? Сердечник из электротехнической стали усилит магнитное поле катушки примерно в 7000-7500 раз!

Всё что нужно запомнить для начала – это то, что от материала сердечника внутри катушки зависит магнитная индукция, а от неё зависит сила с которой будет тянуть электромагнит.

Практика

Одним из наиболее популярных опытов, которые проводят для демонстрации возникновения магнитного поля вокруг проводника является опыт с металлической стружкой. Проводник накрывают листом бумаги и на него насыпают магнитную стружку, потом через проводник пропускают электрический ток, и стружка изменяет своё располагаясь каким-то образом на листе. Это уже почти электромагнит.

Но для электромагнита просто притягивать металлические стружки недостаточно. Поэтому нужно его усилить, исходя из вышесказанного – нужно сделать катушку, намотанную на металлический сердечник. Простейшим примером – будет изолированный медный провод, намотанный на гвоздь или болт.

Такой электромагнит способен притягивать разные булавки, скрепи и тому подобное.

В качестве провода можно использовать либо любой провод в ПВХ или другой изоляции, либо медный провод в лаковой изоляции типа ПЭЛ или ПЭВ, которые используются для обмоток трансформаторов, динамиков, двигателей и прочее. Найти его можно либо новый в катушках, либо смотать с тех же трансформаторов.

10 Нюансов изготовления электромагнитов простыми словами:

1. Изоляция по всей длине проводника должна быть однородной и целой, чтобы не было межвитковых замыканий.

2. Намотка должна идти в одну сторону как на катушке с нитками, то есть нельзя изогнуть провод на 180 градусов и пойти в обратном направлении. Это связано с тем что результирующее магнитное поле будет равно алгебраической сумме полей каждого витка, если не вдаваться в подробности, то витки, намотанные в обратную сторону, будут порождать электромагнитное поле противоположное по знаку, в результате поля будут вычитаться и в результате сила электромагнита будет меньше, а если витков в одном и другом направлении будет одинаковое количество – магнит совсем ничего не будет притягивать, так как поля подавят друг друга.

3. Сила электромагнита также будет зависеть от силы тока, а он от напряжения приложенного к катушке и её сопротивления. Сопротивление катушки зависит от длины провода (чем длиннее, тем оно больше) и площади его поперечного сечения (чем больше сечение, тем меньше сопротивление) приблизительный расчёт можно провести по формуле – R=p*L/S

4. Если ток будет слишком большим – катушка сгорит

5. При постоянном токе – ток будет больше, чем при переменном из-за влияния реактивного сопротивления индуктивности.

6. При работе на переменном токе – электромагнит будет гудеть и дребезжать, его поле будет постоянно менять направление, а его тяговая сила будет меньше (в два раза) чем при работе на постоянном. При этом сердечник для катушек переменного тока выполняется из тонколистового металла, собираясь в единое целое, при этом пластины друг от друга изолируются лаком или тонким слоем окалины (оксида), т.н. шихты – для уменьшения потерь и токов Фуко.

7. При одинаковой тяговой силе электрический магнит переменного тока будет весить в два раза больше, соответственно возрастают и габариты.

8. Но стоит учесть, что электромагниты переменного тока обладают большим быстродействием чем магниты постоянного тока.

9. Сердечники электромагнитов постоянного тока

10. Оба типа электромагнитов могут работать как на постоянном, так и на переменном токе, вопрос только какой силой он будет обладать, какие потери и нагрев будут происходить.

3 идеи для электромагнита из подручных средств на практике

Как уже было сказано самый простой способ сделать электромагнит – использовать металлический стержень и медный провод подобрав и один и другой под нужную мощность. Напряжение питания этого устройства подбирается опытным путем исходя из силы тока и нагрева конструкции. Для удобства можно использовать пластиковую катушку от ниток или подобного, а под её внутренее отверстие подобрать сердечник – болт или гвоздь.

Второй вариант – использовать почти готовый электромагнит. Вспомните об электромагнитных коммутационных приборах – реле, магнитных пускателях и контакторах. Для использования на постоянном токе и напряжении 12В удобно использовать катушку от автомобильных реле. Всё что нужно сделать – снять корпус выломать подвижные контакты и подключить питание.

Для работы от 220 или 380 вольт удобно использовать катушки магнитных пускателей и контакторов, они намотаны на оправке и легко вынимаются. Сердечник подберите исходя из площади поперечного сечения отверстия в катушке.

Так вы можете включать магнит от розетки, а регулировать его силу удобно если использовать реостат или ограничивать ток с помощью мощного сопротивления, например, нихромовой спирали.

Электромагнит

Электромагнит — устройство, создающее магнитное поле при прохождении электрического тока через него. Обычно электромагнит состоит из обмотки и ферромагнитного сердечника, который приобретает свойства магнита при прохождении по обмотке электрического тока. В электромагнитах, предназначенных, прежде всего, для создания механического усилия также присутствует якорь (подвижная часть магнитопровода), передающий усилие.

Обмотку электромагнитов изготавливают из изолированного алюминиевого или медного провода, хотя есть и сверхпроводящие электромагниты. Магнитопроводы изготавливают из магнитно-мягких материалов — обычно из электротехнической или качественной конструкционной стали, литой стали и чугуна, железо-никелевых и железо-кобальтовых сплавов. Для снижения потерь на вихревые токи (токи Фуко) магнитопроводы выполняют из набора листов.

Содержание

• 1 История
• 2 Классификация
  • 2.1 Другие классификации
• 3 См. также
• 4 Примечания
• 5 Литература
• 6 Ссылки

История

В 1825 году английский инженер Уильям Стёрджен изготовил первый электромагнит, представляющий собой согнутый стержень из мягкого железа с обмоткой из толстой медной проволоки. Для изолирования от обмотки, стержень был покрыт лаком. 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 [1] [2] .

Помимо промышленного использования, магниты стали широко применяться в медицине. Еще в конце XIX — начале XX века на страницах Энциклопедического словаря Брокгауза и Ефрона Мендельсон М. Э. писал, что электромагнит «служит самым лучшим способом для извлечения инородных тел из полости глаза» [3] .

Классификация

Выделяют три типа электромагнитов по способу создания магнитного потока.

Нейтральные электромагниты постоянного тока

Постоянный магнитный поток создается постоянным током в обмотке таким образом, что сила притяжения зависит только от величины и не зависит от направления тока в обмотке.

Поляризованные электромагниты постоянного тока

Присутствуют два независимых магнитных потока — рабочий и поляризующий. Первый создается рабочей (или управляющей) обмоткой. Поляризующий поток чаще всего создается постоянными магнитами, иногда дополнительными электромагнитами, и используется для обеспечения наличия притягивающей силы при выключенной рабочей обмотке. В целом действие такого магнита зависит как от величины, так и от направления электрического тока в рабочей обмотке.

Электромагниты переменного тока

В этих магнитах питание обмотки осуществляется от источника переменного тока, магнитный поток периодически изменяется по величине и направлению, а однонаправленная сила притяжения меняется только по величине, в результате чего сила притяжения пульсирует от нуля до максимального значения с удвоенной частотой по отношению к частоте питающего тока. Широко применяют в электротехнике, начиная от бытовой техники до плит электромагнитных для станков, при магнитопорошковом методе неразрушающего контроля.

Другие классификации

Электромагниты различают также по ряду других признаков: по способу включения обмоток — с параллельными и последовательными обмотками; по характеру работы — работающие в длительном, прерывистом и кратковременном режимах; по скорости действия — быстродействующие и замедленного действия, создающие постоянное или переменное магнитное поле и т. д.

Электромагниты переменного тока

Страницы работы

Содержание работы

ЭЛЕКТРОМАГНИТЫ ПЕРЕМЕННОГО ТОКА

Достаточно в полной мере отредактировано. 2007-02-15. ВАК

Не ясно, как можно было так испортить файл, что в нем

невозможно вкл. переносы и отредактировать параметры страницы?

Переменный ток, протекающий по катушке электромагнита, приводит к

изменению во времени всех других зависящих от него величин. Так как их

взаимосвязь во многом определяется кривой намагничивания стального материала

магнитопровода, имеющей выраженный нелинейный характер, то при

синусоидальном изменении напряжения на катушке характерные для

электромагнита другие величины оказываются несинусоидальными, содержащими

высшие гармонические составляющие.

Однако если режим работы магнитопровода не достигает насыщенного состояния,

что в ряде случаев целесообразно для уменьшения потерь на вихревые токи и

перемагничивание (они пропорциональны квадрату индукции), то зависимость

между индукцией и напряженностью В(Н) можно приближенно считать линейной.

В дальнейшем будем оперировать с основными величинами как с синусоидальными,

что допустимо для электромагнита переменного тока.

В отличие от электромагнита постоянного тока катушка электромагнита на

переменном токе обладает как активным, так и индуктивным электрическим сопротивлением (Ом).

где f — частота тока, Гц; w — число витков; G_M — магнитная проводимость электромагнита, Гн.

На рис. 1, а изображен электромагнит переменного тока.

Рис. 1 Электромагнит переменного тока

Если магнитное сопротивление стали магнитопровода Rст значи­тельно меньше сопротивления воздушных зазоров Re, то без учета проводимости рассеяния результирующая магнитная проводимость электромагнита будет определяться воздушным зазором:

Для электромагнита, изображенного на рис.1, d_S == 2d. Обозначив через R (Ом) активное электрическое сопротивле­ние обмотки электромагнита, получим выражение для тока в ней:

—напряжение на катушке, В.

Если R = 0, то

где m_o = 1,25-10 -6 — магнитная проницаемость воздуха, Гн/м.

Из этой формулы видно, что при неизменном действующем значении напряжения на катушке ток в ней зависит от величины воздушного зазора электромагнита (в отличие от электромагнитов постоянного тока). Это вызвано влиянием величины зазора на индуктивное электрическое сопротивление электромагнита. Характер зависимости действующего значения тока от величины зазора i (d) дан на рис. 1, б.

При подаче напряжения на катушку электромагнита через нее протекает пусковой ток Iп, имеющий значительную величину из-за большого начального воздушного зазора d₀. При движении якоря этот зазор и ток в катушке уменьшаются. В притянутом состоянии якоря по катушке протекает ток Ix., который в несколько раз меньше пускового.

Рост тока (и ампервитков катушки) при увеличении воздушного зазора δ меняет вид тяговой характеристики электромагнита переменного тока. Если пренебречь активным электрическим сопротивлением катушки и падением напряжения на нем, то приложенное к катушке напряжение полностью уравновешивается ее противо-ЭДС. На основании закона электромагнитной индукции (для синусоидальных величин)

— действующее значение напряжения, В; Фmах — амплитудное значение потока, Вб.

Если известен поток Фmax, определяемый по заданной тяговой силе, то число витков катушки электромагнита

Отсюда следует, что в рассматриваемых условиях магнитный поток Фmax не должен зависеть от величины воздушного зазора электромагнита. Если бы весь этот поток замыкался через рабочий воздушный зазор, то создаваемая им электромагнитная сила тоже не зависела бы от величины воздушного зазора. В действительности такая зависимость существует. Изменение воздушного зазора δ и его магнитного сопротивления приводит к перераспределению суммарного потока Фmax на рассеяние Фs и рабочий зазор Фd, так как магнитное сопротивление для потоков рассеяния остается неизменным. Чем больше рабочий зазор d и его магнитное сопротивление, тем большая часть магнитного потока ответвляется в рассеяние. Тогда рабочий поток Ф_δ и тяговая сила уменьшаются.

Кроме того, активное сопротивление катушки реального электромагнита не равно нулю, а имеет конечное значение. При значительном увеличении зазора d индуктивная составляющая сопротивления катушки может оказаться малой по сравнению с активным сопротивлением обмотки R. Тогда ток и намагничивающая сила катушки не будут зависеть от зазора (подобно электромагнитам постоянного тока). В соответствии с законом Ома для магнитной цепи (рис 1, а) увеличение зазора и его магнитного сопротивления вызовут снижение потока и создаваемой им электромагнитной силы.

Следовательно, электромагнитная сила в электромагнитах переменного тока (например, среднее ее значение за полу период) при постоянном действующем значении напряжения на катушке с увеличением рабочего зазора d снижается и характеристика Fэ(d) имеет падающий вид (см. рис.1, б).

Однако в сопоставимых условиях степень этого снижения меньше, чем для электромагнитов постоян­ного тока.

Рис. 2. Электромагнит переменного тока и его векторная диаграмма

Чтобы уменьшить потери на вихревые токи и гистерезис, магнитопроводы электромагнитов переменного тока делают шихтованными. С физической точки зрения вихревые токи, наводимые в стальном магнитопроводе, сравнимы с токами, наведенными магнитным потоком в короткозамкнутом витке, охватывающем магнитопровод.

Для дальнейшего рассмотрения изобразим короткозамкнутую обмотку wкз в схеме электромагнита переменного тока (рис. 2, а). Наличие короткозамкнутых витков на магнитопроводе, потерь в магнитопроводе на вихревые токи и перемагничивание аналогично появлению реактивного (индуктивного) магнитного сопротивления в магнитной цепи. Активное магнитное сопротивление магнитопровода определяется магнитной проницаемостью материала. Для магнитной цепи (см. рис.2, а) можно записать

где Iкзwкз — намагничивающая сила короткозамкнутой обмотки. Ток в короткозамкнутой обмотке выражается через наведенную ЭДС Екз, определяемую по закону электромагнитной индукции, и сопротивление Rкз короткозамкнутой обмотки:

Для синусоидального потока Ф = Фmax sin wt получим