Inafasiriwa moja kwa moja kutoka kwa Wikipedia ya Kiingereza na Tafsiri ya Google

Electromagnet

Electromagnet rahisi yenye coil ya waya iliyofungwa iliyofungwa karibu na msingi wa chuma. Msingi wa vifaa vya ferromagnetic kama chuma hutumikia kuongeza shamba la magnetic. [1] Nguvu ya uwanja wa magnetic yanayotokana ni sawa na kiasi cha sasa kupitia vilima. [1]
Shamba la magnetic zinazozalishwa na solenoid (coil ya waya). Mchoro huu unaonyesha sehemu ya msalaba kupitia kituo cha coil. Msalaba ni waya ambao sasa unahamia kwenye ukurasa; Dots ni waya ambazo sasa zinahamia kutoka kwenye ukurasa.

Electromagnet ni aina ya sumaku ambayo uwanja wa magnetic huzalishwa na umeme wa sasa . Eneo la magnetic hupotea wakati wa sasa imezimwa. Vipunyuzi kawaida hujumuisha jeraha la waya iliyofungwa kwenye coil . Ya sasa kwa njia ya waya inaunda shamba la magnetic ambalo linalenga ndani ya shimo katikati ya coil. Vipindi vya waya mara nyingi hujeruhiwa karibu na msingi wa magneti uliofanywa kwa vifaa vya ferromagnetic au ferrimagnetic kama vile chuma ; msingi wa magnetic huzingatia upepo wa magnetic na hufanya sumaku yenye nguvu zaidi.

Faida kuu ya electromagnet juu ya sumaku ya kudumu ni kwamba shamba la magnetic linaweza kubadilishwa kwa haraka na kudhibiti kiasi cha sasa cha umeme katika vilima. Hata hivyo, tofauti na sumaku ya kudumu isiyohitaji nguvu, electromagnet inahitaji ugavi wa sasa wa kudumisha shamba la magnetic.

Majambazi hutumiwa sana kama vipengele vya vifaa vingine vya umeme, kama vile motors , jenereta , relays , sauti za sauti , disks ngumu , mashine za MRI , vyombo vya kisayansi, na vifaa vya kujitenga magneti . Majambazi pia huajiriwa katika sekta ya kuokota na kusonga vitu vikali vya chuma kama chuma cha chuma na chuma. [2]

Yaliyomo

Historia

Electromagnet ya Sturgeon, 1824
Moja ya umeme wa Henry ambayo inaweza kuinua mamia ya paundi, 1830
Karibu ya umeme mkubwa wa Henry

Mwanasayansi wa Denmark mwenye umri wa miaka Hans Christian Ørsted aligundua mwaka wa 1820 kwamba maji ya umeme yanaunda mashamba magnetic. Mwanasayansi wa Uingereza William Sturgeon alinunua electromagnet mwaka wa 1824. [3] [4] Electromagnet yake ya kwanza ilikuwa kipande cha chuma cha farasi ambacho kilikuwa kikiwa na chuma cha shaba kilichokuwa na urefu wa 18 (wire insulated bado haijawahi). Ya chuma ilikuwa varnished kwa insulate it kutoka windings. Wakati wa sasa ulipitia kupitia coil, chuma kilikuwa kinachopiga magneti na kuvutia vipande vingine vya chuma; wakati wa sasa uliposimamishwa, ulipoteza magnetization. Sturgeon ilionyesha uwezo wake kwa kuonyesha kwamba ingawa ilikuwa ni uzito wa ounces saba (takribani 200 gramu), inaweza kuinua paundi tisa (takribani kilo 4) wakati sasa ya betri moja ya seli imetumika. Hata hivyo, sumaku za Sturgeon zilikuwa dhaifu kwa sababu waya isiyounganishwa ambayo alitumia ingekuwa imefungwa kwa safu moja iliyo nje ya msingi, na kupunguza idadi ya zamu.

Kuanzia mwaka wa 1830, mwanasayansi wa Marekani Joseph Henry alisimamisha na kupanua electromagnet. [5] [6] Kwa kutumia waya maboksi na uzi hariri, na ulitokana na Schweigger tumia 's ya zamu mbalimbali ya waya kufanya galvanometer , [7] aliweza upepo matabaka mengi ya waya juu ya vipande, kujenga sumaku zenye nguvu na maelfu ya zamu za waya, ikiwa ni pamoja na moja ambayo inaweza kusaidia 2,063 lb (936 kg). Matumizi ya kwanza ya umeme ya umeme yalikuwa katika sauti za telegraph .

Nadharia ya magnetic uwanja wa jinsi kazi ya ferromagnetic cores ilipendekezwa kwanza mwaka wa 1906 na mtaalamu wa fizikia wa Kifaransa Pierre-Ernest Weiss , na ufafanuzi wa kina wa kisasa wa ferromagnetism ulifanyika miaka ya 1920 na Werner Heisenberg , Lev Landau , Felix Bloch na wengine.

Matumizi ya umeme

Viwanda electromagnet kuinua chakavu chuma, 1914

Electromagnet ya portative ni moja iliyoundwa tu kushikilia vifaa mahali; mfano ni sumaku ya kuinua. Electromagnet ya tractive inatumika nguvu na husababisha kitu. [8]

Vipande vya umeme vinatumiwa sana katika vifaa vya umeme na umeme , ikiwa ni pamoja na:

  • Motors na jenereta
  • Transformers
  • Relays
  • Kengele za umeme na buzzers
  • Vipeperushi na vichwa vya sauti
  • Actuators
  • Vifaa vya kurekodi magneti na kuhifadhi data: rekodi za tepi , VCRs , disks ngumu
  • Mashine ya MRI
  • Vifaa vya kisayansi kama vile spectrometers ya molekuli
  • Vipengele vya kasi
  • Kuunganisha magnetic
  • Vifaa vya kujitenga magnetic , kutumika kwa ajili ya kutenganisha magnetic kutoka nyenzo zisizo za umeme, kwa mfano kutenganisha chuma cha chuma na vifaa vingine kwenye chakavu.
  • Nguvu za kuinua viwanda
  • ukombozi wa magnetic , kutumika katika treni maglev
  • Kuchoma inapokanzwa kwa kupikia, viwanda, na tiba ya hyperthermia
Maabara ya umeme. Inazalisha shamba la T 2 na 20 ya sasa.
Magnet katika spectrometer ya wingi
Electromagnet ya AC juu ya stator ya motor umeme
Majarida katika kengele ya umeme

Rahisi solenoid

Electromagnet ya trace ya kawaida ni solenoid ya jeraha na safu. Solenoid ni coil ya waya, na plunger hufanywa kwa vifaa kama vile laini ya chuma. Kutumia sasa kwa solenoid hutumia nguvu kwa pongezi na inaweza kuifanya. Pulunger huacha kusonga wakati majeshi juu yake yanasawa. Kwa mfano, vikosi vina usawa wakati plunger inalenga katika solenoid.

Sura ya juu ya kuvuta hutokea wakati mwisho mmoja wa plunger ulipo katikati ya solenoid. Kiwango cha nguvu F ni [8]

ambapo C ni mara kwa mara uwiano, A ni sehemu ya msalaba wa plunger, n ni idadi ya zamu katika solenoid, mimi ni sasa kupitia waya solenoid, na l ni urefu wa solenoid. Kwa vitengo vyenye inchi, nguvu za pounds, na huongeza kwa muda mrefu, mwembamba, solenoids, thamani ya C ni karibu na 0.009 hadi 0.010 psi (upeo wa pounds kwa kila inchi ya mraba wa eneo la kupunguka). [9] Kwa mfano, coil ya muda mrefu ya 12 inchi ( l = 12 in ) na sehemu ya msalaba wa mraba 1 ya mraba ( A = 1 kwa 2 ) na 11,200 ampere-zamu ( n = 11,200 Aturn ) upeo mkubwa wa paundi 8.75 (sambamba na C = 0.0094 psi ). [10]

Upeo wa juu unaongezeka wakati kuacha magnetic kuingizwa ndani ya solenoid. Kuacha inakuwa sumaku ambayo itawavutia pomba; inaongeza kidogo kwa kuvuta solenoid wakati plunger ni mbali lakini kwa kasi huongeza kuvuta wakati wao ni karibu. Takwimu ya kuvuta P ni [11]

Hapa l a ni umbali kati ya mwisho wa kuacha na mwisho wa plunger. Mara kwa mara ya ziada ya C 1 kwa vitengo vya inchi, paundi, na huongeza kwa solenoids ndogo ni karibu 2660. Muda wa pili ndani ya bracket inawakilisha nguvu sawa na solenoid ya kuacha chini; neno la kwanza linawakilisha kivutio kati ya kuacha na kupunguka.

Maboresho mengine yanaweza kufanywa kwenye muundo wa msingi. Mwisho wa kuacha na kupungusha mara kwa mara hutumiwa. Kwa mfano, plunger inaweza kuwa na mwisho wa mwisho ambayo inafanana na kuacha sawa wakati wa kuacha. Shaba hufanya saumu ya kuvuta sare zaidi kama kazi ya kujitenga. Uboreshaji mwingine ni kuongeza njia ya kurudi magnetic karibu nje ya solenoid ("chuma-clad solenoid"). [12] [13] Njia ya kurudi magnetic, kama vile kuacha, ina athari kidogo mpaka pengo la hewa ni ndogo.

Fizikia

Sasa (I) kupitia waya hutoa shamba la magnetic (B). Shamba hiyo inaelekezwa kulingana na utawala wa mkono wa kulia .
Mstari wa magnetic ya kitanzi cha sasa cha kubeba waya kupitia katikati ya kitanzi, kuzingatia shamba pale

Sasa umeme unaozunguka kwenye waya huunda shamba la magnetic karibu na waya, kwa sababu ya sheria ya Ampere (tazama kuchora chini). Kuzingatia uwanja wa magnetic, katika electromagnet waya inajeruhiwa ndani ya coil na mzunguko mingi wa waya ukiwa upande kwa upande. [2] Sehemu ya magneti ya viti vyote vya waya hupitia katikati ya coil, na hufanya uwanja wa magnetic huko. [2] Coil inayounda sura ya tube moja kwa moja ( helix ) inaitwa solenoid . [1] [2]

Mwelekeo wa uwanja wa magnetic kupitia coil ya waya unaweza kupatikana kutoka kwa fomu ya utawala wa mkono wa kulia . [14] [15] Kama vidole vya mkono wa kulia vimezungukwa karibu na coil kwa njia ya mtiririko wa sasa ( kawaida ya sasa , mtiririko wa malipo mazuri ) kupitia windings, sehemu ya kifungo inaelekea kwenye shamba ndani ya coil. Kando ya sumaku ambayo mstari wa shamba hutoka hufafanuliwa kuwa pole ya kaskazini .

Mashamba na nguvu sana magnetic yanaweza kuzalishwa kama " magnetic msingi " ya laini ferromagnetic (au ferrimagnetic nyenzo), kama vile chuma , huwekwa ndani ya coil. [1] [2] [16] [17] Msingi unaweza kuongeza shamba la magnetic kwa maelfu ya mara nguvu ya shamba la coil peke yake, kutokana na upungufu mkubwa wa magnetic μ wa nyenzo. [1] [2] Hii inaitwa electromagnetic-msingi au chuma-msingi. Hata hivyo, sio umeme wote hutumia vidonda, na umeme zaidi, kama vile superconducting na umeme wa juu sana hivi sasa, hawawezi kutumia kwa sababu ya kueneza.

Sheria ya Ampere

Kwa ufafanuzi wa vigezo hapo chini, angalia sanduku mwisho wa makala.

Sehemu ya magnetic ya magneti ya umeme katika kesi ya jumla inatolewa na Sheria ya Ampere :

ambayo inasema kwamba sehemu muhimu ya shamba la magnetizing H karibu na kitanzi chochote kilichofungwa kimoja ni sawa na jumla ya sasa inayotembea kupitia kitanzi. Equation nyingine kutumika, ambayo inatoa shamba magnetic kutokana na kila sehemu ndogo ya sasa, ni Biot-Savart sheria . Kuchunguza shamba la magnetic na nguvu inayotumiwa na vifaa vya ferromagnetic ni vigumu kwa sababu mbili. Kwanza, kwa sababu nguvu za shamba zinatofautiana kutoka hatua hadi hatua kwa njia ngumu, hasa nje ya msingi na katika mapungufu ya hewa, ambapo maeneo ya kukimbia na ufujaji wa kuvuja lazima kuchukuliwa. Pili, kwa sababu shamba la magnetili B na nguvu ni kazi zisizo na nishati za sasa, kulingana na uhusiano usio na uhusiano kati ya B na H kwa nyenzo maalum za msingi zinazotumiwa. Kwa mahesabu sahihi, mipango ya kompyuta ambayo inaweza kuzalisha mfano wa uwanja wa magnetic kutumia njia ya mwisho ya kipengele huajiriwa.

Msingi wa magnetic

Vifaa vya msingi wa magnetic (mara nyingi hutengenezwa kwa chuma au chuma) hujumuisha mikoa midogo inayoitwa magnetic domains ambayo hufanya kama sumaku ndogo (tazama ferromagnetism ). Kabla ya sasa katika electromagnet inaendelea, domains katika hatua ya msingi ya chuma katika mwelekeo random, hivyo mashamba yao ndogo magnetic kufuta kila mmoja nje, na chuma haina kiwango kikubwa magnétique. Wakati sasa unapitia njia ya waya iliyofungwa karibu na chuma, shamba lake la magneti linaingia kwenye chuma, na husababisha nyanja ziwe zimegeuka, sawa na shamba la magnetic, hivyo mashamba yao magnetic yanaongeza shamba la waya, na kujenga shamba kubwa la magnetic ambayo inaenea ndani ya nafasi karibu na sumaku. Athari ya msingi ni kuzingatia shamba, na uwanja wa magnetic unapita kupitia msingi kwa urahisi zaidi kuliko ingeweza kupitia hewa.

Kuongezeka kwa sasa kwa njia ya coil ya waya, zaidi ya vikoa hujiunga, na nguvu ya magnetic uwanja ni. Hatimaye mada zote zimefungwa, na ongezeko zaidi katika sasa huongeza ongezeko kidogo katika uwanja wa magnetic: jambo hili linaitwa kueneza .

Wakati sasa katika coil imezimwa, katika vifaa vyenye magneti ambavyo vina karibu kutumika kila mara kama vidonda, wengi wa domains kupoteza alignment na kurudi hali random na shamba kutoweka. Hata hivyo, baadhi ya msimamo unaendelea, kwa sababu domains kuwa na shida kugeuza mwelekeo wao wa magnetization, na kuacha msingi msingi magnet kudumu. Kipengele hiki kinachoitwa hysteresis na shamba iliyobaki ya magnetic inaitwa magnetism ya remanent . Magnetization ya mabaki ya msingi inaweza kuondolewa kwa kufutwa . Kwa kuchanganya umeme wa sasa, kama vile hutumiwa kwa motors, sumaku ya msingi ni kuingiliwa, na remanence huchangia kupoteza magari.

Magnetic mzunguko - mara kwa mara B uwanja makadirio

Sehemu ya magnetic ( kijani ) ya sumaku ya umeme, na msingi wa chuma C kutengeneza kitanzi kilichofungwa na vikwazo viwili vya hewa G ndani yake.
B - magnetic shamba katika msingi
B F - "mashamba ya kukata". Katika vikwazo G magnetic uwanja mistari "bulge" nje, hivyo shamba shamba ni chini ya msingi: B F < B
B L - kuvuja huja ; magnetic shamba mistari ambayo si kufuata kamili magnetic mzunguko
L - urefu wa wastani wa mzunguko wa magnetic kutumika katika eq. 1 chini. Ni jumla ya urefu L msingi katika vipande chuma msingi na urefu L pengo katika mapengo hewa G.
Vipande vyote vya uvujaji na mashamba ya kupikwa yanaongezeka kama mapungufu yanayoongezeka, kupunguza nguvu inayotumiwa na sumaku.




Katika matumizi mengi ya magumu ya umeme, kama vile motors, jenereta, transfoma, sumaku ya kuinua, na vijiti vya sauti, msingi wa chuma ni kwa njia ya kitanzi au mzunguko wa magnetic , uwezekano wa kuvunjika kwa vikwazo vidogo vya hewa. [2] Hii ni kwa sababu mstari wa magnetic uwanja ni kwa njia ya loops imefungwa. Iron inatoa kiasi kidogo cha "upinzani" ( kukataa ) kwa shamba la magnetic kuliko hewa, hivyo shamba yenye nguvu linaweza kupatikana ikiwa njia nyingi za magnetic ni ndani ya msingi. [2]

Kwa kuwa sehemu nyingi za magnetic zimefungwa ndani ya maelezo ya kitanzi cha msingi, hii inaruhusu kurahisisha uchambuzi wa hisabati. [2] Angalia kuchora kwa haki. Njia ya kawaida ya kurahisisha kuridhika na umeme nyingi, ambayo itatumika katika sehemu hii, ni kwamba nguvu ya magnetic shamba B inakuwa karibu na mzunguko wa magnetic (ndani ya punguzo la msingi na hewa) na sifuri nje. Wengi wa shamba la magnetic litajilimbikizwa katika nyenzo za msingi (C) . Ndani ya msingi magnetic shamba (B) itakuwa karibu sare katika sehemu yoyote msalaba, hivyo ikiwa kwa kuongeza msingi ina eneo mara kwa mara katika urefu wake, uwanja katika msingi itakuwa mara kwa mara. [2] Hii inaacha tu mapungufu ya hewa (G) , ikiwa ni yoyote, kati ya sehemu za msingi. Katika mapungufu ya mistari ya magnetic ya uwanja haifungwa tena na msingi, hivyo 'hupiga' nje ya maelezo ya msingi kabla ya kurudi nyuma ili kuingia kipande cha pili cha nyenzo za msingi, kupunguza nguvu ya shamba katika pengo. [2] Bonde (B F ) huitwa mashamba ya kupiga . [2] Hata hivyo, kwa muda mrefu kama urefu wa pengo ni mdogo kuliko vipimo vya msalaba wa msingi, shamba katika pengo litakuwa sawa na msingi. Kwa kuongeza, baadhi ya mistari ya magnetic uwanja (B L ) itachukua "kupunguzwa mfupi" na sio kupita katikati ya mzunguko wa msingi, na hivyo haitachangia nguvu inayotumiwa na sumaku. Hii pia ni pamoja na mistari ya shamba inayozunguka waya wa waya lakini usiingie msingi. Hii inaitwa uvujaji wa uvujaji . Kwa hiyo, usawa katika sehemu hii halali kwa umeme wa umeme ambayo:

  1. mzunguko wa magnetic ni kitanzi kimoja cha vifaa vya msingi, labda kuvunjika kwa mapungufu ya hewa
  2. msingi una takribani eneo moja la msalaba sehemu nzima.
  3. vikwazo vya hewa kati ya sehemu ya nyenzo za msingi si kubwa ikilinganishwa na vipimo vya msalaba wa sehemu ya msingi.
  4. kuna uvujaji usio na maana

Kipengele kikuu cha msingi cha vifaa vya ferromagnetic ni kwamba shamba B hujaa thamani fulani, [2] ambayo ni karibu na Tesla 1.6 hadi 2 kwa vyeo vya juu vya uwezaji wa juu. [18] [19] [20] Uwanja wa B huongezeka haraka na kuongezeka kwa sasa hadi thamani hiyo, lakini juu ya thamani hiyo shamba huzima na huwa karibu, bila kujali kiasi gani sasa kinatumwa kupitia windings. [2] Hivyo nguvu ya juu ya uwanja wa magnetic iwezekanavyo kutoka kwa electromagnet ya msingi ya chuma ni mdogo kwa karibu 1.6 hadi 2 T. [18] [20]

Eneo la magnetic linaloundwa na sasa

Sehemu ya magnetic iliyoundwa na electromagnet inalingana na idadi ya zamu katika vilima, N , na sasa katika waya, mimi , kwa hiyo bidhaa hii, NI , katika ampere- returns, hupewa jina la magnetomotive . Kwa-umeme pamoja na wimbo wa mzunguko magnetic , ambapo urefu L msingi wa njia sumaku ni katika msingi nyenzo na urefu L pengo katika mapengo hewa, Sheria Ampere ya kupunguza na: [2] [21] [22]

wapi
ni upenyezaji wa magnetic wa nyenzo za msingi kwenye shamba fulani la B ambalo linatumika.
ni upungufu wa nafasi ya bure (au hewa); kumbuka kwamba katika ufafanuzi huu ni amperes .

Hii ni equation isiyo ya kawaida , kwa sababu upungufu wa msingi, μ , unatofautiana na shamba la magnetic B. Kwa suluhisho halisi, thamani ya μ kwa thamani ya B inayotumiwa inapaswa kupatikana kutoka kwa pembe ya msingi ya hysteresis . [2] Ikiwa B haijulikani, equation inapaswa kutatuliwa kwa mbinu za namba . Hata hivyo, kama nguvu ya magnetomotive iko juu ya kueneza, hivyo nyenzo za msingi ziko katika kueneza, uwanja wa magnetic utakuwa karibu na thamani ya kueneza B iliyokaa kwa nyenzo, na haitatofautiana sana na mabadiliko katika NI . Kwa mzunguko wa magnetili iliyofungwa (hakuna pengo la hewa) vifaa vingi vya msingi hujaa nguvu ya magnetomotive ya takriban 800 ampere-zamu kwa kila mita ya njia ya njia.

Kwa vifaa vya msingi zaidi, . [22] Kwa hiyo, kwa usawa (1) hapo juu, muda wa pili unatawala. Kwa hiyo, katika nyaya za magnetic na pengo la hewa, nguvu ya magnetic shamba B inategemea sana juu ya pengo la hewa, na urefu wa njia ya mtiririko katika msingi haijalishi sana. Kutokana na pengo la hewa la 1mm, nguvu ya magnetomotive ya kuhusu 796 Ampere-zamu inahitajika ili kuzalisha shamba la magnetic ya 1T.

Nguvu inayotumiwa na shamba la magnetic

Nguvu inayotumiwa na electromagnet kwenye sehemu ya vifaa vya msingi ni:

Equation nguvu inaweza kutolewa kutoka kwa nishati iliyohifadhiwa kwenye shamba la magnetic . Nishati ni nguvu nyakati umbali. Rearranging maneno hutoa equation hapo juu.

Kikomo cha 1.6 T kwenye uwanja [18] [20] hapo juu kinatoa kikomo juu ya nguvu ya juu kwa eneo la msingi la kitengo, au shinikizo , electromagnet ya msingi ya chuma inaweza kuweza; karibu:

Katika vitengo vyema zaidi ni muhimu kukumbuka kuwa katika 1T shinikizo la magnetic ni takriban 4 anga, au kg / cm 2 .

Kutokana na jiometri ya msingi, shamba B inahitajika kwa nguvu inayopatikana inaweza kuhesabiwa kutoka (2); ikiwa inatoka kwa zaidi ya 1.6 T, msingi mkuu unatakiwa kutumika.

Mzunguko wa magnetic uliofungwa

Sehemu ya msalaba ya kuinua electromagnet kama hiyo katika picha ya hapo juu, inayoonyesha ujenzi wa cylindrical. Windings (C) ni vipande vya shaba vyenye gorofa ili kuhimili nguvu ya Lorentz ya shamba la magnetic. Msingi hutengenezwa na nyumba ya chuma yenye nene (D) ambayo huzunguka windings.

Kwa mzunguko wa magnetic uliofungwa (hakuna pengo la hewa), kama vile utakavyopatikana kwenye electromagnet kuinua kipande cha chuma kilichopandwa kwenye miti yake, equation (1) inakuwa:

Kujiingiza kwenye (2), nguvu ni:

Inaweza kuonekana kuwa ili kuongeza nguvu, msingi na njia ya fupi ya L na sehemu kubwa ya msalaba A ni preferred (hii pia inatumika kwa sumaku zilizo na pengo la hewa). Ili kufikia hili, katika programu kama vile kuinua sumaku (tazama picha hapo juu) na viambatanisho muundo wa gorofa ya gorofa hutumiwa mara nyingi. Vipande vilivyofungwa karibu na msingi wa chini wa cylindrical ambao huunda pole moja, na nyumba ya chuma yenye nene inayozunguka nje ya windings huunda sehemu nyingine ya mzunguko wa magnetic, na kuleta uwanja wa magnetic mbele ili kuunda pole nyingine.

Nguvu kati ya electromagnets

Njia zilizo juu zinatumika kwa umeme na mzunguko wa magnetic , na hazitumiki wakati sehemu kubwa ya njia ya magnetic ni nje ya msingi. Mfano itakuwa sumaku na msingi wa moja kwa moja wa cylindrical kama ile iliyoonyeshwa juu ya makala hii. Kwa sumaku za umeme (au sumaku za kudumu) zilizo na "miti" zilizoelezwa vizuri ambapo mistari ya shamba hutoka kutoka msingi, nguvu kati ya umeme za umeme zinaweza kupatikana kwa kutumia 'mfano wa Gilbert' ambayo inadhani shamba la magnetic linazalishwa na 'mashtaka ya magnetic' juu ya uso wa fito, na pole nguvu m na vitengo ya Ampere -turn mita. Nguvu ya magnetic ya magumu ya umeme inaweza kupatikana kutoka:

Nguvu kati ya miti mbili ni:

Mfano huu hautoi shamba sahihi la magnetic ndani ya msingi, na hivyo hutoa matokeo yasiyo sahihi ikiwa pigo la sumaku moja inapata karibu na sumaku nyingine.

Madhara

Kuna madhara kadhaa yanayotokea kwa umeme ambayo inapaswa kutolewa kwa kubuni. Hizi kwa ujumla huwa muhimu zaidi katika umeme za umeme.

Kuchoma kwa ohmic

Mabasi makubwa ya alumini ya kubeba sasa ndani ya umeme kwenye LNCMI (Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses).

Nguvu pekee inayotumiwa katika electromagnet ya DC inatokana na upinzani wa windings, na hutengana kama joto. Baadhi ya umeme huhitaji maji ya kupenya yanayozunguka kupitia mabomba kwenye windings ili kubeba joto la taka.

Tangu shamba la magnetic linalingana na NI ya bidhaa, idadi ya zamu katika windings N na sasa ninaweza kuchaguliwa ili kupunguza hasara za joto, kama bidhaa zao zinavyoendelea. Tangu kupoteza kwa nguvu, P = I 2 R , huongezeka kwa mraba wa sasa lakini huongeza tu takriban linearly na idadi ya windings, nguvu kupotea katika windings inaweza kupunguza kwa kupunguza mimi na kuongeza idadi ya zamu N uwiano, au kutumia waya mwepesi ili kupunguza upinzani. Kwa mfano, kupunguza mimi na kuchanganya mara mbili N hupunguza kupoteza kwa nguvu, kama inavyopatanisha eneo la waya. Katika hali yoyote, kuongezeka kwa kiasi cha waya hupunguza hasara za ohmic. Kwa sababu hii, umeme huwa na unene mkubwa wa windings.

Hata hivyo, kikomo cha kuongeza N au kupunguza upinzani ni kwamba windings huchukua nafasi zaidi kati ya vipande vya msingi vya sumaku. Ikiwa eneo linapatikana kwa windings imejaa, zamu zaidi zinahitaji kwenda kwenye kipenyo kidogo cha waya, ambayo ina upinzani wa juu, ambayo inaleta faida ya kutumia zamu zaidi. Kwa hiyo katika sumaku kubwa kuna kiwango cha chini cha kupoteza joto ambayo haiwezi kupunguzwa. Hii inakua kwa mraba wa sumaku ya magnetic B 2 .

Kufata voltage spikes

Electromagnet ina inductance muhimu, na inakata mabadiliko katika sasa kupitia windings yake. Mabadiliko yoyote ya ghafla katika sasa yanayotokea husababisha spikes kubwa za voltage katika windings. Hii ni kwa sababu wakati wa sasa kwa njia ya sumaku imeongezeka, kama vile inapogeuka, nishati kutoka mzunguko lazima zihifadhiwe kwenye uwanja wa magnetic. Ikiwa inazima nguvu katika shamba zinarudi kwenye mzunguko.

Ikiwa kubadili kawaida hutumiwa kudhibiti hali ya sasa, hii inaweza kusababisha cheche kwenye vituo vya kubadili. Hii haitokeki wakati sumaku imekwisha, kwa sababu voltage imepungua kwa voltage ya umeme, lakini inapomwa, nishati katika shamba la magnetic hurudi kwa mzunguko, na kusababisha upepo mkubwa wa voltage na arc katika mawasiliano ya kubadili, ambayo yanaweza kuwaharibu. Kwa umeme ndogo ndogo capacitor hutumiwa mara kwa mara katika mawasiliano, ambayo inapunguza uendeshaji kwa kuhifadhi muda kwa sasa. Mara nyingi diode hutumiwa ili kuzuia spikes za voltage kwa kutoa njia ya sasa ya kurudi kwa njia ya upepo mpaka nishati ikitengana kama joto. Diode imeshikamana kote, inaelekezwa hivyo inapendekezwa wakati wa operesheni ya hali ya kutosha na haifanyi. Wakati voltage ya ugavi inapoondolewa, mkia wa voltage mbele-huzuia diode na sasa ya tendaji inaendelea kuingilia kwa njia ya upepo, kwa njia ya diode na nyuma ndani ya vilima. Diode inayotumiwa kwa njia hii inaitwa diode kuruka .

Magneti kubwa hutolewa na vifaa vyenye nguvu vya umeme hivi sasa, vinavyothibitiwa na microprocessor , ambayo huzuia spikes za voltage kwa kufikia mabadiliko ya sasa polepole, kwa ramps mpole. Inaweza kuchukua dakika kadhaa kuimarisha au kutenganisha sumaku kubwa.

Lorentz majeshi

Katika umeme za nguvu, uwanja wa magnetic hufanya nguvu kila upande wa windings, kwa sababu ya nguvu ya Lorentz kutekeleza mashtaka ya kusonga ndani ya waya. Nguvu ya Lorentz ni perpendicular kwa axis ya waya na uwanja wa magnetic. Inaweza kuonekana kama shinikizo kati ya mistari ya magnetic shamba , inayowafukuza. Ina madhara mawili kwenye windings ya electromagnet ya:

  • Mwelekeo wa shamba ndani ya mhimili wa coil hutumia nguvu ya radial kila upande wa windings, akijaribu kuwafukuza nje pande zote. Hii inasababishwa na mkazo wa tatizo katika waya.
  • Mwelekeo wa uwanja wa kuvuja kati ya kila upande wa coil hufanya nguvu ya kutisha kati ya zamu zilizo karibu, akijaribu kuwafukuza.

Lorentz huongezeka kwa B 2 . Katika umeme kubwa, windings lazima iwe imara imara, ili kuzuia mwendo juu ya nguvu-up na nguvu-chini kutokana na kusababisha uchovu wa chuma katika windings. Katika muundo wa Bitter , chini, uliotumiwa katika sumaku za utafiti wa juu sana, windings hujengwa kama disks za gorofa kupinga nguvu za radial, na kuingizwa katika mwelekeo wa axial kupinga axial.

Uharibifu wa kiara

Katika mchanganyiko wa sasa (AC)-umeme, kutumika katika transfoma , inductors , na motors AC na jenereta , shamba magnetic ni kubadilika. Hii inasababisha hasara za nishati katika vidonda vyao vya magnetic ambazo hutengana kama joto katika msingi. Hasara zinatokana na michakato miwili:

  • Mifumo ya Eddy : Kutoka sheria ya Faraday ya uingizaji , uwanja wa magnetic unaotengeneza inasababisha mzunguko wa umeme ndani ya waendeshaji wa karibu, inayoitwa curdy eddy . Nishati katika mikondo hii imepasuka kama joto katika upinzani wa umeme wa conductor, hivyo ni sababu ya hasara ya nishati. Kwa kuwa msingi wa chuma wa sumaku ni conductive, na wengi wa shamba magnetic ni kujilimbikizia pale, curly currents katika msingi ni shida kubwa. Mawimbi ya Eddy ni matanzi ya kufungwa ya sasa yanayotembea kwenye ndege kwa pembejeo ya shamba la magnetic. Nishati imeshuka ni sawa na eneo lililofungwa na kitanzi. Ili kuzuia, vidonge vya umeme vya umeme vya AC vinatengenezwa na magunia ya karatasi nyembamba za chuma, au laminations , inayolingana na shamba la magnetic, na mipako ya kuhami juu ya uso. Vipande vya insulation kuzuia sasa eddy kutoka katikati ya karatasi. Maji yoyote ya eddy yaliyobaki yanapaswa kuingilia ndani ya sehemu ya msalaba ya uharibifu wa kila mtu, ambayo inapunguza hasara sana. Mwingine mbadala ni kutumia msingi wa ferrite , ambayo haifai.
  • Hasara ya Hysteresis : Kugeuza mwelekeo wa magnetization ya nyanja za magnetic katika nyenzo za msingi kila mzunguko husababisha hasara ya nishati, kwa sababu ya ugumu wa nyenzo. Hasara hizi huitwa hysteresis . Nishati iliyopotea kwa kila mzunguko ni sawa na eneo la kitanzi cha hysteresis katika graph ya BH . Kupunguza kupoteza hii, vidonda vya magnetic kutumika katika transfoma na mengine ya umeme ya umeme ni wa "soft" chini vifaa vya nguvu, kama vile chuma silicon au ferrite laini .

Kupoteza nishati kwa kila mzunguko wa AC sasa ni mara kwa mara kwa kila moja ya taratibu hizi, hivyo kupoteza nguvu huongezeka kwa mstari na mzunguko .

Magumu ya umeme ya shamba

Electromagnets Superconducting

Electromagnet yenye nguvu zaidi ulimwenguni, sumaku 45 ya mseto wa Bitter-superconducting kwenye Maabara ya Maabara ya Amerika ya Magnetic High, Tallahassee, Florida, USA

Wakati shamba la magnetili likiwa kubwa zaidi kuliko kikomo cha ferromagnetic ya 1.6 T inahitajika, umeme wa superconducting inaweza kutumika. Badala ya kutumia vifaa vya ferromagnetic, hizi hutumia windings superconducting zilizopozwa na heliamu ya kioevu , ambayo hufanya sasa bila upinzani wa umeme . Hizi kuruhusu mikondo kubwa ya mtiririko, ambayo huzalisha mashamba magnetic makali. Vita vya superconducting vimepunguzwa na nguvu za shamba ambalo vifaa vyenye vilima vinakoma kuwa superconducting. Miundo ya sasa ni ndogo kwa 10-20 T, na rekodi ya sasa (2009) ya 33.8 T. [23] Vifaa vya friji muhimu na cryostat huwafanya kuwa ghali zaidi kuliko umeme wa kawaida. Hata hivyo, katika maombi ya juu ya nguvu hii inaweza kuondokana na gharama za chini za uendeshaji, tangu baada ya kuanza kuanza hakuna nguvu kwa windings, kwani hakuna nishati inapotea kwa joto la ohmic. Wao hutumiwa katika kasi za kasi na mashine za MRI .

Bitter-umeme

Wote umeme-msingi na superconducting umeme wana mipaka kwa shamba wanaweza kuzalisha. Kwa hiyo, mashamba yenye nguvu zaidi yanayopangwa na binadamu yamezalishwa na umeme wa msingi wa umeme wa nonsuperconducting ya kubuni yaliyotengenezwa na Francis Bitter mwaka 1933, inayoitwa umeme wa Bitter . [24] Badala ya upepo wa waya, sumaku ya Bitter ina solenoid iliyofanywa na stack ya kufanya disks, iliyopangwa ili sasa inapita njia ya helical kupitia yao, na shimo kwa njia ya kati ambapo uwanja upeo ni kuundwa. Kubuni hii ina nguvu ya mitambo ya kuhimili nguvu za Lorentz za shamba, ambazo zinaongezeka na B 2 . Disks hupigwa kwa mashimo kupitia maji ambayo maji ya baridi hupita ili kubeba joto lililosababishwa na sasa ya juu. Mtaa unaoendelea sana unaopatikana tu kwa sumaku ya kushinda ni 37.5 T ya 31 Machi 2014 , iliyotokana na electromagnet ya Bitter katika Maabara ya Magnet ya High Field Magnet ya Chuo Kikuu cha Radboud huko Nijmegen, Holland . [25] Rekodi ya awali ilikuwa T. 35. [23] Nguvu ya magnetic inayoendelea yenye nguvu, 45 T, [24] ilifanyika mnamo Juni 2000 na kifaa cha mseto kilicho na sumaku ya Bitter ndani ya sumaku ya superconducting.

Kulipuka-umeme

Sababu inayozuia nguvu za umeme ni kutoweza kupoteza joto kubwa la taka, hivyo mashamba yenye nguvu zaidi, hadi 100 T, [23] yamepatikana kutoka kwa sumaku za resistive kwa kutuma vidonda vifupi vya sasa vya juu kwa njia yao; Kipindi cha kutosha baada ya vurugu kila inaruhusu joto zinazozalishwa wakati wa pigo ili kuondolewa, kabla ya pigo ijayo. Mashamba yenye nguvu zaidi ya manmade [26] yameundwa kwa kutumia mabomu ili kuondokana na shamba la magnetic ndani ya umeme kama inavyopotezwa, kwa kutumia jenereta za kupumukiza za mafuriko .

Aina ya tube ya mashimo ya jenereta ya compression ya pumped flux .

Implosion inasisitiza shamba la magnetic kwa maadili ya karibu 1000 T [24] kwa microseconds chache. Wakati njia hii inaweza kuonekana kuwa ya uharibifu sana, inawezekana kurekebisha uharibifu wa mlipuko radially nje ili kwamba hakuna majaribio wala muundo wa magnetic hudhuru. Vifaa hivi hujulikana kama umeme wa uharibifu wa kuvuta. [27] Wao hutumiwa katika fizikia na utafiti wa sayansi ya utafiti kujifunza mali ya vifaa katika maeneo ya juu magnetic.

Ufafanuzi wa maneno

mita ya mraba eneo la msalaba wa msingi
tesla Magnetic field (Magnetic flux wiani)
newton Nguvu inayotumiwa na shamba la magnetic
ampere kwa mita Kinga ya magnetizing
ampere Hivi sasa katika waya iliyopo
mita Urefu wa jumla ya njia ya magnetic shamba
mita Urefu wa njia ya magnetic shamba katika vifaa vya msingi
mita Urefu wa njia ya magnetic shamba katika mapungufu ya hewa
mita ya ampere Nguvu ya nguvu ya electromagnet
Newton kwa kila mraba wa mraba Uwezeshaji wa vifaa vya msingi vya umeme
Newton kwa kila mraba wa mraba Uwezo wa nafasi ya bure (au hewa) = 4π (10 -7 )
- Upungufu wa jamaa wa vifaa vya msingi vya umeme
- Idadi ya zamu za waya juu ya electromagnet
mita Umbali kati ya miti ya umeme mbili

Angalia pia

  • Sumaku ya dipole - fomu ya msingi zaidi ya sumaku
  • Electromagnetism
  • Sumaku ya electropermanent - mpangilio wa electromagnet magnetically magnetically
  • Kutoa kwa kasi kwa jenereta ya compression generator
  • Kazi ya shamba
  • Kuzaa magnetic
  • Mchanganyiko wa shamba la pulsed
  • Sumaku ya quadrupole - mchanganyiko wa sumaku na umeme hutumiwa hasa kuathiri mwendo wa chembe za malipo.

Marejeleo

  1. ^ a b c d e Nave, Carl R. (2012). "Electromagnet" . Hyperphysics . Dept. of Physics and Astronomy, Georgia State Univ . Retrieved September 17, 2014 .
  2. ^ a b c d e f g h i j k l m n o p Merzouki, Rochdi; Samantaray, Arun Kumar; Pathak, Pushparaj Mani (2012). Intelligent Mechatronic Systems: Modeling, Control and Diagnosis . Springer Science & Business Media. pp. 403–405. ISBN 144714628X .
  3. ^ Sturgeon, W. (1825). "Improved Electro Magnetic Apparatus". Trans. Royal Society of Arts, Manufactures, & Commerce . London. 43 : 37–52. cited in Miller, T.J.E (2001). Electronic Control of Switched Reluctance Machines . Newnes. p. 7. ISBN 0-7506-5073-7 .
  4. ^ Windelspecht, Michael. Groundbreaking Scientific Experiments, Inventions, and Discoveries of the 19th Century , xxii, Greenwood Publishing Group, 2003, ISBN 0-313-31969-3 .
  5. ^ Cavicchi, Elizabeth. "Series and Parallel Experimenting with Electromagnets" (PDF) . Pavia Project Physics, Univ. of Pavia, Italy . Retrieved August 22, 2015 .
  6. ^ Sherman, Roger (2007). "Joseph Henry's contributions to the electromagnet and the electric motor" . The Joseph Henry Papers . The Smithsonian Institution . Retrieved 2008-08-27 .
  7. ^ "Schweigger Multiplier – 1820" . Maglab . National High Magnetic Field Laboratory . Retrieved 17 October 2017 .
  8. ^ a b Dawes, Chester L. (1967). "Electrical Engineering". In Baumeister, Theodore. Standard Handbook for Mechanical Engineers (7th ed.). McGraw-Hill. p. 15-105.
  9. ^ Dawes 1967 , p. 15-105–15-106
  10. ^ Dawes 1967 , p. 15-106, Table 25
  11. ^ Dawes 1967 , p. 15-106
  12. ^ Dawes 1967 , p. 15-106
  13. ^ Underhill, Charles R. (1906). The Electromagnet . D. Van Nostrand. p. 113.
  14. ^ Millikin, Robert; Bishop, Edwin (1917). Elements of Electricity . Chicago: American Technical Society. p. 125.
  15. ^ Fleming, John Ambrose (1892). Short Lectures to Electrical Artisans, 4th Ed . London: E.& F. N. Spon. pp. 38–40.
  16. ^ Gates, Earl (2013). Introduction to Basic Electricity and Electronics Technology . Cengage Learning. p. 184. ISBN 1133948510 .
  17. ^ Shipman, James; Jerry, Wilson; Todd, Aaron (2009). Introduction to Physical Science (12 ed.). Cengage Learning. pp. 205–206. ISBN 1111810281 .
  18. ^ a b c " Saturation flux levels of various magnetic materials range up to 24.5 kilogauss " (2.5 T) p.1 " Silicon steel saturates at about 17 kilogauss " (1.7 T) p.3 Pauley, Donald E. (March 1996). "Power Supply Magnetics Part 1: Selecting transformer/inductor core material" . Power Conversion and Intelligent Motion . Adams Business Media . Retrieved September 19, 2014 .
  19. ^ the most widely used magnetic core material, 3% silicon steel, has saturation induction of 20 kilogauss (2 T) "Material Properties, 3% grain-oriented silicon steel, p.16" . Catalog . Magnetic Materials Co. website . 2013 . Retrieved September 19, 2014 . External link in |publisher= ( help )
  20. ^ a b c " Magnetic steel fully saturates at about 2 T " Short, Thomas Allen (2003). Electric Power Distribution Handbook . CRC Press. p. 214. ISBN 0203486501 .
  21. ^ Feynman, Richard P. (1963). Lectures on Physics, Vol. 2 . New York: Addison-Wesley. pp. 36–9 to 36–11, eq. 36–26. ISBN 8185015848 .
  22. ^ a b Fitzgerald, A.; Kingsley, Charles; Kusko, Alexander (1971). Electric Machinery, 3rd Ed . USA: McGraw-Hill. pp. 3–5.
  23. ^ a b c "Mag Lab World Records" . Media Center . National High Magnetic Field Laboratory, USA. 2008 . Retrieved 2008-08-31 .
  24. ^ a b c Coyne, Kristin (2008). "Magnets: from Mini to Mighty" . Magnet Lab U . National High Magnetic Field Laboratory . Retrieved 2008-08-31 .
  25. ^ "HFML sets world record with a new 37.5 tesla magnet" . High Field Magnet Laboratory. 31 March 2014 . Retrieved 21 May 2014 .
  26. ^ "What is the strongest magnet in the world?" . News . Apex magnets. November 2014 . Retrieved February 5, 2017 .
  27. ^ Coyne, Kristin (2008). "7. Pulsed Magnets: Brief Shining Moments" . Magnets from Mini to Mighty . National High Magnetic Field Laboratory . Archived from the original on 2014-12-20 . Retrieved 2014-05-21 .

Viungo vya nje