Spis treści:
Czas nauczyć się nowej, fundamentalnej siły Wszechświata. Prawdopodobnie to druga najlepiej znana po grawitacji. Dziś trochę mniej fizyki, a więcej praktyki. Przyjrzymy się różnym rodzajom magnesów i zastanowimy, gdzie warto je zastosować. Ale najpierw: ta siła to…
Magnetyzm
Trudno mówić o magnesach i przynajmniej nie wzmiankować zjawiska magnetyzmu.
Wiele dawnych cywilizacji odnalazło magnetyty. To naturalnie namagnesowane kawałkiem minerału kamienie, które przyciągają żelazo. Jedna z najwcześniejszych wzmianek o nich pochodzi z VI wieku p.n.e. – odkrycie tego zjawiska Grecy przypisywali Talesowi z Miletu. Nazwa magnes może zatem pochodzić od magnetytów znalezionych w Magnezji nad Meandrem, starożytnym mieście greckim w Azji Mniejszej.
Materiały magnetyczne klasyfikuje się według ich podatności. Ferromagnetyzm jest odpowiedzialny za większość efektów magnetyzmu spotykanych w życiu codziennym, ale w rzeczywistości istnieje kilka rodzajów magnetyzmu.
- Substancje paramagnetyczne, takie jak aluminium i tlen, są słabo przyciągane przez przyłożone pole magnetyczne.
- Substancje diamagnetyczne, takie jak miedź i węgiel, są słabo odpychane.
- Materiały antyferromagnetyczne, takie jak chrom i szkło spinowe, mają bardziej złożoną relację z polem magnetycznym.
Siła magnesu działająca na paramagnetyki, diamagnetyki i antyferromagnetyki jest zazwyczaj zbyt słaba, aby ją odczuć i może być wykryta jedynie przez instrumenty laboratoryjne, dlatego w życiu codziennym substancje te są często określane jako niemagnetyczne. Ale tak naprawdę wszystkie substancje wykazują pewien rodzaj magnetyzmu.
Wiele zależy od temperatury, ciśnienia i przyłożonego pola magnetycznego. Materiał może wykazywać więcej niż jedną formę magnetyzmu, gdy te zmienne ulegają, jak to zmienne, zmianie. Natężenie pola magnetycznego prawie zawsze maleje wraz z odległością, choć dokładna matematyczna zależność pomiędzy natężeniem a odległością jest różna. Różne konfiguracje momentów magnetycznych i prądów elektrycznych mogą powodować powstawanie skomplikowanych pól magnetycznych.
Magnes ma dwa bieguny, które zostały oznaczone N (północ) i S (południe). Dlaczego? To kwestia konwencji. Odnalezionymi w Magnezji biegunami namagnesowano igłę, włożono ją w korek, umieszczono na powierzchni wody, a igła zawsze wskazywała biegun północny Ziemi. Tak naprawdę magnetyczna północ jest gdzieś w północnej Kanadzie, a magnetyczne południe może się przesuwać. Biegun magnetyczny, nie rzeczywisty, jest używany w celu nauki fizyki na wczesnym stadium.
Gwóźdź jest wykonany z żelaza. Żelazo łatwo ulega namagnesowaniu. Trzeba pamięć, że w żelazie znajdują się magnesy atomowe, które ustawiają się w grupach zwanych domenami. W nienamagnesowanym kawałku żelaza domeny magnetyczne są skierowane we wszystkich kierunkach i wzajemnie się znoszą. Kiedy pocieramy gwóźdź magnesem, staje się on namagnesowany. Dzieje się tak dlatego, że wszystkie maleńkie bieguny N sumują się na jednym końcu i wszystkie bieguny S sumują się na drugim końcu.
Jakie metale przyciąga magnes?
Nawet najsilniejszy magnes nie przyciągnie niektórych metali. Przez swoje właściwości są one na to odporne. Najbardziej sprawdzają się do tego materiały (metale) ferromagnetyczne. To z nich zwykle korzystamy tworząc magnesy stałe, do których wrócimy.
- nikiel
- kobalt
- gadolin,
- dysproz,
- stopy żelaza i niklu.
Metale diamagnetyczne nie przyciągają magnesu. Działają na nie odpychająco, choć nieznacznie. Przykłady to:
- miedź,
- złoto,
- srebro,
- ołów,
- bizmut,
- węgiel (niemetal).
Jaki magnes wybrać? Magnesy i ich klasyfikacja
Istnieją dwa ogólne rodzaje magnesów: magnesy stałe i elektromagnesy. Magnesy stałe zawierają kombinację metali: żelaza, kobaltu i niklu, które wytwarzają ciągłe pole magnetyczne. W rezultacie magnesy te będą zawsze przylegać do lodówki i trzymać pewnie laurkę od wnuczki w odpowiednim miejscu bez pilnowania. Elektromagnesy natomiast wytwarzają pole magnetyczne poprzez prąd elektryczny. To pole magnetyczne rozprasza się, gdy prąd przestaje płynąć.
Magnesów jest w bród, również w naszym magazynie. Przeglądając naszą ofertę i dokonując wyboru warto stosować się do pewnych wytycznych.
Magnes tradycyjny
Magnesy tradycyjne (trwałe) są zbudowane z materiałów wykazujących stałe, silne właściwości magnetyczne. Wykorzystuje się między innymi:
- magnesy neodymowe – najsilniejsze wśród magnesów. Powstają z neodymu (skąd nazwa), żelaza i boru.
- magnesy ferrytowe – cechuje je czarny kolor. Odporne na korozje, ale słabsze od neodymowych.
- magnesy alnico – ze stopów żelaza z dodatkiem glinu, niklu i kobaltu (skąd skrótowice takie jak Alniko; Alni).
- magnesy na bazie metali ziem rzadkich (na przykład samarowo-kobaltowe).
Magnesy trwałe stosuje się w wielu urządzeniach i przyrządach takich jak kompas, filtry oleju, separatory czy sprzęgła magnetyczne. Kształt magnesu i materiał wykonania mają wpływ na polaryzację i inne cechy użytkowe, dlatego przed wybraniem konkretnego modelu warto precyzyjnie określić swoje potrzeby. Zastosowań magnesów jest właściwie multum. Z mniej znanych – słyszeliście o magnesach żołądkowych dla bydła…?
Trzeba też pamiętać, że pierwsza wymieniona grupa, magnesy neodymowe, są naprawdę silne i poprzez swoje pole mogą uszkodzić różne przyrządy elektroniczne w pobliżu.
Elektromagnes
Elektromagnes jest rodzajem magnesu, w którym pole magnetyczne jest wytwarzane przez prąd elektryczny. Elektromagnesy zazwyczaj składają się z drutu zwiniętego w cewkę. Prąd płynący przez drut wytwarza pole magnetyczne, które jest skoncentrowane w otworze oznaczającym środek cewki. Pole magnetyczne zanika po wyłączeniu prądu. Zwoje drutu są często nawinięte wokół rdzenia magnetycznego wykonanego z materiału ferromagnetycznego lub ferrimagnetycznego, takiego jak żelazo; rdzeń magnetyczny koncentruje strumień magnetyczny i tworzy silniejszy magnes.
Główną zaletą elektromagnesu w porównaniu z magnesem stałym jest to, że pole magnetyczne może być szybko zmieniane poprzez kontrolowanie ilości prądu elektrycznego w uzwojeniu. Magnes stały nie potrzebuje zasilania, a elektromagnes wymaga ciągłego dostarczania prądu do utrzymania pola magnetycznego.
Elektromagnesy są szeroko stosowane jako elementy innych urządzeń elektrycznych, takich jak np.:
- silniki,
- generatory,
- przekaźniki,
- głośniki,
- dyski twarde,
- maszyny MRI,
- instrumenty naukowe takie jak sprzęt do separacji magnetycznej.
Naprawdę duże elektromagnesy jako jeden ze swoich parametrów podają udźwig – są stosowane w przemyśle do podnoszenia i przenoszenia ciężkich przedmiotów żelaznych, takich jak złom żelaza i stali.
Wśród elektromagnesów spotykamy też, dzieląc według pełnionej funkcji, elektromagnesy trzymające i pchające. Dostępne są w szerokim zakresie mocy i napięć pracy, co pozwala dopasować je do różnych urządzeń elektronicznych oraz określonych zastosowań. W ich przypadku podajemy napięcie zasilania, moc, pobór prądu i udźwig.
Magnes jako zamek elektryczny
Zamki magnetyczne mogą być włączane i wyłączane zdalnie poprzez regulację źródła zasilania. Są generalnie łatwiejsze do zainstalowania niż inne zamki, ponieważ nie ma żadnych wzajemnie połączonych części, zatem przy odrobinie chęci nie będzie potrzebny ani ślusarz, ani elektryk. Forsowanie łomem albo innym narzędziem fachu wątpliwego zwykle wyrządzi zamkowi magnetycznemu mniejszą krzywdę niż zamkom konwencjonalnym. Nie ma w nim ruchomych części, które mogłyby wówczas ulec uszkodzeniu. Wymagają one jednak stałego źródła zasilania. Zamek magnetyczny będzie odpowiedni zarówno dla drzwi wahadłowych do wewnątrz, jak i wahadłowych do zewnątrz.
Elektozaczepy i zamki elektromagnetyczne są nieodzownym elementem systemów kontroli dostępu i domofonów. To urządzenia elektromechaniczne, których zadaniem jest blokowanie drzwi w zabezpieczanych obiektach. Po podaniu odpowiedniego sygnału elektrycznego blokada wejścia zostaje zwolniona. Zamek elektromagnetyczny, zamek magnetyczny lub maglock to zatem urządzenie blokujące. Można je podzielić na te, które w razie przerwania zasilania zamykają drzwi lub cokolwiek, co mają za zadanie otwierać i zamykać, i te, które je otwierają.
To już kwestia preferencji i zastosowania – skoro pewne zamki magnetyczne odblokowują się natychmiast po odcięciu zasilania, to pozwala na szybkie zwolnienie w porównaniu z innymi zamkami bez “dobijania się” do pomieszczenia albo zawartości, do których w innym przypadku właśnie stracilibyśmy dostęp. I tak przycisk otwierania drzwi w domofonie załącza elektromagnes w elektromagnetycznym zaczepie. Siła dzisiejszych zamków magnetycznych jest porównywalna z siłą konwencjonalnych zamków drzwiowych, a ich eksploatacja jest tańśza od działania konwencjonalnych żarówek. Na montaż takiego rozwiązania możemy zdecydować się zarówno w przypadku zabezpieczenia np. szuflady przed dziećmi albo barku przed łasuchami, jak i przy konstruowaniu bardziej zaawansowanych systemów smart home.
Zawór elektromagnetyczny
Zawory elektromagnetyczne, solenoidy, to zawory sterowane elektromechanicznie. Różnią się charakterystyką prądu elektrycznego, który wykorzystują, siłą pola magnetycznego, które generują, mechanizmem, który wykorzystują do regulacji płynu oraz typem i charakterystyką płynu, który kontrolują. Mechanizm jest także różny od liniowego działania siłowników, siłowników z ramieniem przegubowym i siłowników wahliwych. Zawory elektromagnetyczne pozostają często stosowanymi elementami sterującymi w hydraulice.
Zawór może mieć konstrukcję dwuportową do regulacji przepływu lub trzy- lub więcej portową do przełączania przepływu między portami. Wiele zaworów elektromagnetycznych może być umieszczonych razem na rozdzielaczu. Ich zadaniem jest odcinanie, uwalnianie, dozowanie, dystrybucja lub mieszanie płynów. Cewki elektromagnetyczne charakteryzują się szybkim i bezpiecznym przełączaniem, wysoką niezawodnością, długą żywotnością, dobrą kompatybilnością medium z zastosowanymi materiałami, niską mocą sterowania i zwartą konstrukcją.
Niezależnie od tego, czy budujemy z Arduino albo Raspberry Pi imprezowy dozownik napoju, fontannę albo kran na fotokomórkę, przed zakupem i montażem musimy określić zastosowanie i to, w jakich warunkach będzie pracować urządzenie i jakie powinno posiadać cechy. Parametry pomogą przy wyborze magnesu. W przypadku zaworów elektromagnetycznych należy przyjrzeć się cechom takim jak:
- napięcie zasilania i pobór prądu,
- cechy przepływającej cieczy lub gazu (temperatura, lepkość, skład chemiczny, zakres ciśnień),
- czasy otwarcia i zamknięcia,
- pożądaną pozycję w spoczynku, to znaczy to, czy zawór ma pozostawać otwarty, czy zamknięty podczas niewykonywania pracy.
A w razie pytań – wiecie gdzie nas szukać.
