Większość z Was zapewne miała okazję korzystać z magnesów. Już jako dzieci używaliśmy ich do zabawy, przesuwaliśmy z nimi żelazne opiłki, łączyliśmy je, obserwowaliśmy, jak nawzajem odpychają się po zestawieniu dwóch jednoimiennych biegunów albo przykładaliśmy je do lodówki.
Nawet jeśli nie znamy naukowych prawideł, to niemal instynktownie potrafimy opisać jak działają magnesy. Dziecięce zabawy pokazały nam możliwości, jakie niesie za sobą wykorzystanie pola magnetycznego, choć w znacznie mniejszej skali i z dość skromnymi wartościami fizycznymi w tle – o których najpewniej nawet nie mieliśmy wtedy pojęcia. Siła magnetyzmu, mimo iż na co dzień nie zaprzątamy sobie nią głowy, może być bardzo przydatna, a dzięki powstaniu elektromagnesów ludzkości udało się ją opanować i wykorzystywać w urządzeniach elektrycznych – przemysłowych, medycznych i tych, z których korzystamy na co dzień. W dzisiejszym artykule Botland Blog przyglądamy się temu, czym dokładnie jest elektromagnes, w jaki sposób za jakiego pomocą można kontrolować siłę pola elektromagnetycznego oraz czym różni się od zwykłego magnesu.
Czym jest magnes? Materiały ferromagnetyczne
Kiedy mówimy o magnesach, wyobrażamy sobie kawałek twardego materiału, zazwyczaj o prostokątnym lub okrągłym kształcie, który ma zdolność przyciągania innych magnesów oraz metali takich jak żelazo, kobalt czy nikiel. Taki rodzaj magnesu to magnes trwały. Jest wykonany z materiału ferromagnetycznego. Wśród najbardziej znanych ferromagnetyków znajdują się minerały o wysokiej zawartości żelaza takie jak magnetyt, jednak wykorzystuje się również stopy i związki chemiczne metali przejściowych oraz metale ziem rzadkich takich jak gadolin, terb czy holm.
Materiały ferromagnetyczne posiadają zdolność wytwarzania pola magnetycznego w swojej przestrzeni. Siła i natężenie pola zależne jest od rodzaju materiału oraz jego rozmiaru. W przypadku magnesów trwałych parametry pola magnetycznego nie zmieniają się w czasie, a magnesy te są permanentnie namagnesowane i stale wytwarzają pole, które nie wymaga zewnętrznego źródła zasilania. Magnesy trwałe znalazły zastosowania w wielu urządzeniach takich jak:
- Silniki i generatory zapewniające stałe pole magnetyczne, które pomaga w generowaniu energii elektrycznej.
- Separatory magnetyczne, których głównym zadaniem jest oddzielanie materiałów żelaznych od materiałów nieżelaznych.
- Dyski twarde, dyskietki i taśmy magnetyczne, gdzie służą do przechowywania danych poprzez kodowanie informacji w polu magnetycznym.
- Urządzenia MRI, w których wytwarzają silne pole magnetyczne, dzięki któremu możemy tworzyć szczegółowe obrazy wewnętrznych struktur organizmu.
- Głośniki do tworzenia pola magnetycznego, które oddziałuje z prądem elektrycznym w cewce drutu i wytwarza fale dźwiękowe.
Mimo szerokiej gamy zalet magnesy trwałe mają również pewne ograniczenia. Stałe natężenie pola magnetycznego uniemożliwia jego regulację, a ich efektywność zależna jest od temperatury i warunków pracy. Problemy te może rozwiązać zastosowanie magnesu elektromagnetycznego. Ten rodzaj magnesu ma bardziej złożoną budowę i składa się z kilku części.
Magnes elektromagnetyczny – budowa i zalety
Elektromagnes w odróżnieniu od magnesu trwałego wytwarza pole magnetyczne tylko wtedy, gdy dostarczony jest do niego prąd elektryczny. Główny element takiego urządzenia to rdzeń wykonany z miękkiego, ferromagnetycznego materiału – wykazuje on właściwości magnetyczne, kiedy znajdzie się w zewnętrznym polu magnetycznym, natomiast po usunięciu zewnętrznego pola wykazuje jedynie szczątkowy poziom namagnesowania. Na rdzeń nawija się następnie metalowy drut tworząc cewkę. Kiedy przez drut przepływa prąd elektryczny, wytwarzane jest pole magnetyczne, a materiał w rdzeniu wzmacnia wytworzone pole poprzez zapewnienie dużo silniejszego strumienia magnetycznego.
Natężenie pola magnetycznego można regulować za pomocą ilości uzwojeń, materiału z którego wykonany został rdzeń lub poprzez zmianę prądu w cewce. Poprzez zmianę tych czynników można odpowiednio dobierać siłę elektromagnesu. Oprócz natężenia pola magnetycznego możliwa jest również zmiana biegunów pola poprzez zmianę kierunku przepływu ładunków elektrycznych. Pole magnetyczne może również zostać całkowicie wyłączone poprzez odłączenie źródła zasilania.
Elektromagnes dawniej i dziś. Historia i zastosowania
Nakreślenie historii elektromagnesu pomaga nieco lepiej uzmysłowić sobie to, w jaki sposób działa. Pierwszy elektromagnes został stworzony w 1824 roku przez brytyjskiego inżyniera Williama Sturgeona. Powstał z kawałka żelaza w kształcie podkowy owiniętego w 18 zwojów miedzianego drutu. Kiedy przez cewkę przepuszczono ładunek elektryczny, żelazo uległo namagnesowaniu i zaczęło przyciągać inne kawałki żelaza. Ważący zaledwie 200 g magnes potrafił podnieść masę o wadze 4 kg.
Pracę nad elektromagnesem kontynuował amerykański naukowiec Joseph Henry, który użył jedwabnej nici do izolacji drutu na cewce oraz zwiększył ilość uzwojeń. Stworzony przez niego magnes mógł utrzymać aż 936 kg. W 1831 roku Henry zbudował pierwsze praktyczne urządzenie elektromagnetyczne, które wykorzystał do przesyłania sygnałów na niewielką odległość. Później opracował pierwszy dzwonek elektryczny, który wykorzystywał elektromagnes do wytwarzania dźwięku po przepuszczeniu przez niego prądu.
Dziś elektromagnesy znajdują szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach, od nauki i medycyny, aż po przemysł oraz przedmioty codziennego użytku. Elektromagnes może na przykład wymienić magnes trwały we wspomnianych wcześniej urządzeniach takich jak silniki i generatory elektryczne, separatory czy urządzenia MRI. Elektromagnesy są także idealnym komponentem magnetycznych zamków i systemów zabezpieczeń. Zamki magnetyczne tworzą silne pole, które uniemożliwia otwarcie drzwi lub okien i dopiero odpowiedni sygnał elektryczny pozwala magnes wyłączyć. Jedno z bardziej zaawansowanych zastosowań elektromagnesów to wytwarzanie pola magnetycznego w akceleratorze cząstek, dzięki czemu zachowują one odpowiedni tor podczas przyspieszania. Elektromagnesy znajdziemy w kolei magnetycznej, gdzie wytwarzają pole magnetyczne unoszące i napędzające pociągi bez dotykania torów – skoro tarcie jest zmniejszone, to zwiększona jest prędkość.
Elektromagnes czy magnes – który lepszy?
Zarówno magnes klasyczny, jak i elektromagnes mają swoje mocne i słabe strony. Wybór powinien być podyktowany wymaganiami zadania, które w założeniu magnes ma dla nas wykonywać. Magnesy trwałe są zazwyczaj bardziej wytrzymałe od elektromagnesów i nie wymagają źródła zasilania. Nie doświadczają strat energii spowodowanych oporem elektrycznym, wobec czego są bardziej wydajne. Uniemożliwiają jednak dokładną regulację natężenia pola magnetycznego i warto pamiętać, że ich wydajność zależy w dużej mierze od temperatury i warunków pracy. Magnesy elektromagnetyczne (elektromagnesy) pozwalają z kolei na duży stopień regulacji pola magnetycznego, mogą zostać zaprojektowane do konkretnych zastosowań oraz posiadają niestandardowe kształty i rozmiary. Minus takiego rozwiązania to wyższe – choć zwykle nieznacznie. Jest tak, ponieważ podczas użytkowania elektromagnesy nierzadko doznają uszkodzeń, w wyniku których stają się zwyczajnie mniej wytrzymałe.
Zależnie od planowanego wykorzystania warto postawić na elektromagnesy trzymające lub elektromagnesy pchające (mocujące) dostępne w szerokim zakresie mocy i napięć pracy, co pozwala dopasować je do różnych urządzeń elektronicznych, na przykład w zastosowaniach RFID – choć tę coraz popularniejszą technologię znajdziesz w Botland raczej w postaci gotowych modułów i tagów. Przy wyborze elektromagnesu zwróć uwagę na parametry takie jak:
- napięcie zasilania,
- moc,
- pobór prądu,
- udźwig,
- rodzaj zastosowanych przewodów,
- sposób montażu,
- wymiary i masa.
