Když jsem nastoupil do sedmé třídy, fyzika se stala mým oblíbeným předmětem. Je v něm spousta zajímavých věcí. Můj starší bratr má spoustu knih o fyzice, požádal jsem ho, aby si je přečetl, a narazil jsem na téma „Elektromagnet“. S dědou jsem sledoval pořad o stavbě výškových budov, ve kterém ukazovali, jak jeřáb zvedal stavební materiály bez kabelů, děda mi vysvětlil, že se zde používal elektromagnet. Chtěl jsem tomuto tématu porozumět.
účel práce: studovat strukturu elektromagnetu, vyrobit elektromagnet z dostupných materiálů.
Pracovní úkoly:
1) studovat a analyzovat literaturu,
2) studovat princip fungování elektromagnetu,
3) vyrobit elektromagnet,
4) provádět výzkum.
Klíčové výsledky : byla vytvořena „Technologická mapa pro výrobu produktu“, byl vyroben elektromagnet a byla provedena studie.
Hypotéza: Síla elektromagnetu závisí na napětí na zdroji proudu.
1. Co je magnet
Konstrukce, princip činnosti a klasifikace
Elektromagnet je zařízení, které při průchodu proudu vytváří magnetické pole.
V roce 1820 Oersted zjistil, že elektrický proud vytváří magnetické pole. A pak, v roce 1824, William Sturgeon vytvořil první elektromagnet. Jednalo se o kus železa, který byl ohnut do tvaru podkovy a na kterém bylo navinuto 18 závitů měděného drátu. Po připojení ke zdroji proudu začal tento design přitahovat železné předměty. Navíc bylo zjištěno, že ačkoli tento elektromagnet vážil asi 200 gramů, mohl přitahovat předměty až do hmotnosti 4 kg.
Princip činnosti: když vodičem protéká proud, vytváří se kolem něj magnetické pole. Toto magnetické pole lze posílit tvarováním vodiče do tvaru cívky. Ale stále to není elektromagnet. Nyní, pokud je do této cívky umístěno jádro vyrobené z feromagnetického materiálu (například železa), stane se elektromagnetem (obrázek 1). Obrázek 1 – elektromagnet
Když proud protéká vinutím elektromagnetu, vytváří magnetické pole, jehož čáry pronikají jádrem, tedy feromagnetickým materiálem. Pod vlivem tohoto pole v jádře nejmenší oblasti, které mají miniaturní magnetická pole, nazývané domény, zaujímají uspořádanou polohu. V důsledku toho se jejich magnetická pole sčítají a vzniká jedno velké a silné magnetické pole, schopné přitahovat velké předměty. Navíc, čím silnější je proud, tím silnější je magnetické pole, které je tvořeno elektromagnetem. To se ale stane pouze do magnetické saturace. Poté, jak se proud zvýší, magnetické pole se zvětší, ale jen mírně. Pokud je proud v elektromagnetu odstraněn, pak domény opět zaujmou neuspořádanou polohu, ale některé z nich zůstanou stále ve stejném směru. Tyto zbývající směrové domény vytvoří malé magnetické pole. Tento jev se nazývá magnetická hystereze.
Nejjednodušším elektromagnetem je cívka s jádrem z feromagnetického materiálu. Obsahuje také kotvu, která slouží k přenosu mechanické síly. Například v relé je kotva přitahována k elektromagnetu a současně uzavírá kontakty. Protože magnetické siločáry jsou na kotvě uzavřeny, toto magnetické pole dále posiluje.
Elektromagnety jsou rozděleny do tří typů podle způsobu vytváření magnetického toku:
Neutrální stejnosměrné elektromagnety
Polarizované DC elektromagnety
U střídavých elektromagnetů se magnetický tok mění jak ve směru, tak v hodnotě, rozdíl je pouze v tom, že se mění s dvojnásobnou frekvencí proudu.
V neutrálních stejnosměrných elektromagnetech je směr magnetického toku nezávislý na směru proudu.
V polarizovaných stejnosměrných elektromagnetech, jak jste již pochopili, závisí směr magnetického toku na směru proudu. Kromě toho se tyto elektromagnety obvykle skládají ze dvou. Jedním z nich je permanentní magnet, který vytváří polarizační magnetický tok, který je potřeba při vypnutí hlavního, pracovního elektromagnetu. 1
1.2 Použití elektromagnetu
Většina použití elektromagnetů je založena na jejich schopnosti přitahovat a držet předměty, které obsahují železo a některé jeho slitiny. Podívejme se na pár příkladů.
Elektromagnetický jeřábobsahuje velmi silný elektromagnet a používá se v metalurgických závodech k přesunu hotových výrobků nebo kovového „šrotu“ shromážděného k recyklaci (obrázek 3). Obrázek 3 – kohoutek
Elektromagnetické stoly často používané ve strojích v kovoobráběcích podnicích. Vrtání, frézování a lisování bude vysoce kvalitní pouze tehdy, když je obrobek bezpečně upevněn. Na elektromagnetickém stole je budoucí produkt pevně držen přitažlivostí silných elektromagnetů. Pro zajištění obrobku v požadované poloze na stole stačí zapnout proud a pro uvolnění proudu proud vypnout.
Magnetické separátory (obrázek 4)slouží k oddělení magnetických materiálů od nemagnetických. To je například nutné pro „zužitkování rudy“ oddělováním kusů železné rudy od nerudné horniny (viz obrázek). Tím se například čistí semena zemědělských rostlin od
semena plevele. Obrázek 4 – separátor
To se děje následovně. Semena plevelů jsou zpravidla pokryta četnými vlákny, do kterých se zamotávají speciálně přidané malé železné piliny. Proto jsou v silném magnetickém poli semena plevelů vychýlena na stranu a oddělují se od prospěšných semen.
Elektromagnety ve vojenských záležitostech používá se například v magnetických minách, které explodují, když nad nimi proplouvají lodě nebo ponorky. Během druhé světové války a po ní hrály hlavní roli speciální lodě – elektromagnetické minolovky. Vyčistili vody od magnetických min, což způsobilo jejich explozi pomocí speciálně vytvořeného magnetického pole kolem lodi plující v bezpečné vzdálenosti.
Elektromagnetická relé (Obrázek 5) se používají v automatizačních systémech. Když proud protéká vinutím elektromagnetu, kotva je přitahována k jádru a uzavírá nebo otevírá kontakty. V důsledku toho se zapínají nebo vypínají zařízení ovládaná relé. V jakých případech je to nutné?
Například, když je potřeba vytvořit „galvanickou mezeru“, tedy zabránit proudu z řízeného obvodu do řídícího obvodu. Nebo například, když je potřeba řídit vysoký proud v tlustých, objemných a drahých vodičích s nízkým proudem (a tedy tenkých, a tedy levných a neskladných vodičích) (za účelem snížení nákladů na kabeláž a aby to bylo bezpečnější). Schopnost spínat elektrické obvody pomocí slabého signálu je důležitá pro bezpečný provoz průmyslových zařízení s vysokým výkonem. V tomto případě elektromagnetická relé fungují jako zesilovač signálu.
Elektromagnetické zámky spolehlivě zamykají ocelová vrata v továrnách a dveře ve vchodech domů. Chcete-li je otevřít, musíte vytočit speciální kód. Řetízek se otevře, přitažlivost zmizí a zámek lze snadno otevřít.
Elektromagnetické silnice (obrázek 6)u vysokorychlostních vozidel vytvářejí nad jejich povrchem tzv. „magnetický polštář“. Interagující magnetická pole silničních magnetů a spodku vlaku jej drží ve výšce několika centimetrů a současně jej posouvají dopředu, přičemž se rozsvítí, když se vlak přiblíží, a po jeho průjezdu se vypne.
Elektromagnety v urychlovačích (speciální vědecké přístroje, ve kterých se studují nabité částice) svým magnetickým polem podporují kruhovou trajektorii částic o konstantním poloměru. Svazky takových částic letící obrovskou rychlostí jsou hlavním prostředkem studia podstaty a vlastností elementárních částic. Největší elektromagnet na světě je součástí detektoru L3 používaného při experimentech na Velkém urychlovači Evropské rady pro jaderný výzkum ve Švýcarsku. Rozměry elektromagnetu přesahující výšku 4patrové budovy jsou 12x12x12 m, celková hmotnost je 7810 t. 2
2. Výroba elektromagnetu
2.1. Směrování
Vyvinuli jsme technologickou mapu pro výrobu elektromagnetu, která je uvedena v tabulce 1.
