Elektromanyetik

Bir elektromıknatıs , bir elektrik akımı ile beslendiğinde bir manyetik alan üretir : elektrik enerjisini manyetik enerjiye dönüştürür. Manyetik alan çizgilerini kanalize eden manyetik çekirdek adı verilen yumuşak bir ferromanyetik malzemeden yapılmış bir bobin ve bir kutup parçasından oluşur . Elektromıknatıslar endüstride yaygın olarak kullanılmaktadır.

Tarih

Danimarkalı Hans Christian Ørsted , 1820'de elektrik akımlarının manyetik alanlar oluşturduğunu keşfetti. İngiliz William Sturgeon , elektromıknatısı 1824'te icat etti. İlk elektromıknatısı, yaklaşık 18 tur yalıtılmamış bakır tel ile çevrili at nalı şeklindeki bir demir parçasından oluşuyordu ( Yalıtımlı tel henüz mevcut değildi). Demir, bakır bobinden yalıtmak için verniklendi. Bobinden bir akım geçtiğinde, demir manyetik hale gelir ve diğer demir parçalarını çeker. Güç kapatıldığında, bu etki kayboldu. Sturgeon, yalnızca 200 gram (7 ons ) ağırlığında olmasına rağmen , tek bir pilden akım uygulandığında elektromıknatısının yaklaşık 4 kilogram (9 pound ) kaldırabildiğini gösterdi . Bununla birlikte, Sturgeon'un elektromıknatısları aslında zayıftı çünkü yalıtılmamış tel manyetik çekirdeğin etrafına yalnızca tek bir katman halinde sarılabilir, bu da dönüş sayısını sınırlar ve verniği yok eden yüksek akım ve yüksek ısı yayılımını içerir.

1830'dan itibaren Amerikalı fizikçi Joseph Henry elektromıknatısı geliştirdi ve popüler hale getirdi. İpek iplikle izole edilmiş tel kullanarak ve Johann Schweigger'in galvanometresi için birden fazla tel dönüşü kullanmasından ilham alarak , kalplerin etrafına birkaç kat tel sarmayı başardı ve biri tutabilen binlerce tel ile güçlü mıknatıslar yarattı. 936 kilogram (2.063 pound). Elektromıknatıslar , XIX E. Yüzyılda elektrik telgraf teknolojisinde ilk kez büyük bir uygulamaya sahipti ve gaz kabarcıklarının emisyonunun elektrokimyası ile kodun okunmasından bir elektroteknik okumaya geçişi mümkün kıldı. mekanik çizici ve sesli bir gösterge.

Ferromanyetik çekirdeklerin davranışını tanımlayan manyetik alan teorisi, 1906'da Fransız Pierre Weiss tarafından önerildi .

Operasyon ve geometriler

Elektromıknatısın çekirdeği olarak bir ferromanyetik malzeme kullanılır. Bobinden bir akım geçerse, ferromanyetik çekirdek, bobin tarafından üretilen manyetik alan tarafından manyetize edilir. Bu iki manyetik alanın süperpozisyonu sayesinde, kalbin varlığı, bobin tarafından üretilen manyetik indüksiyonu arttırmayı mümkün kılar. Çeşitli şekillerde elektromıknatıslar vardır:

Bar: Manyetik kalp basit bir demir çubuktur
Torroid: Manyetik kalp halka şeklindedir.
Hava boşluklu devre: Manyetik çekirdek, hava boşluğu adı verilen küçük bir açıklığa sahip dikdörtgen şeklindedir .

oluşturulan manyetik alan

Bu bölümde sadece "hava boşluklu devre" tipi bir elektromıknatıs durumu ile ilgileneceğiz.

Sabit bölüm elektromıknatıs

Sabit kesitli bir elektromıknatıs tarafından üretilen manyetik alanın ifadesini belirlemek için , Ampère teoreminin yanı sıra belirli manyetik özellikler kullanılır: manyetik indüksiyon akışı sabittir; B'nin normal bileşeni bir yüzey boyunca süreklidir (B int = B ext )

Aşağıdaki miktarlar tanımlanmıştır:

B: manyetik indüksiyon ( T ) H: manyetik alan ( A / m ) N: sarımın dönüş sayısı I: sargıdan geçen elektrik akımı ( A ) L c : manyetik çekirdeğin toplam uzunluğu ( m ) L e : hava boşluğunun genişliği ( m ) μ r : çekirdeği oluşturan malzemenin bağıl manyetik geçirgenliği

Maddede, manyetik alana uygulanan Ampère teoremini kullanırız : ${\ vec {H}}$

${\ displaystyle \ int {\ vec {H}}. \, \ matematik {d} {\ vec {l}} = NI \ Rightarrow H_ {c} .L_ {c} + H_ {e} .L_ {e} = NI}$

Normal bileşeninin sürekliliği şunları yazmaya izin verir: ${\ vec {B}}$

${\ displaystyle H_ {c} = {\ frac {H_ {e}} {\ mu _ {r}}}}$

Daha sonra manyetik alanın ifadesini elde ederiz:

${\ displaystyle H_ {e} = {\ frac {NI} {{\ frac {L_ {c}} {\ mu _ {r}}} + L_ {e}}}}$

Bobinin konumunun manyetik alan üzerinde hiçbir etkisi olmadığı, sadece dönüş sayısı ve bunlardan geçen akımın denklemde yer aldığı not edilecektir.

Hava boşluğunda geometrinin etkisi

Bir elektromıknatısın geometrisi, özellikleri üzerinde bir etkiye sahip olabilir.

Hava boşluğu seviyesinde farklı bir bölüme sahip bir elektromıknatıs olması durumunda

${\ displaystyle \ int {\ vec {B}}. \, \ matematik {d} {\ vec {S}} = {\ vec {0}} \ Rightarrow {\ vec {B}} _ {c} .S_ {c} + {\ vec {B}} _ {e} .S_ {e} = {\ vec {0}} \ Sağ Ok B_ {c} = {\ frac {S_ {e}} {S_ {c}} } .B_ {e}}$

Sonra Ampère teoremi sayesinde manyetik alan için ifadeyi buluruz : ${\ vec {H}}$

${\ displaystyle H_ {e} = {\ frac {NI} {{\ frac {S_ {e}} {S_ {c}}}. {\ frac {L_ {c}} {\ mu _ {r}}} + L_ {e}}}}$

Önceki diyagramda olduğu gibi hava boşluğu seviyesinde daha küçük bir bölümle, oluşturulan alan bu nedenle daha büyük olacaktır.

ortaya çıkan kuvvet

Manyetik alana maruz kalan bir ferromanyetik malzeme, alan yönünde yönlendirilmiş bir kuvvete maruz kalır. Bu kuvvetin hesaplanması, alan çizgilerinin karmaşıklığı nedeniyle genellikle oldukça zordur. Bu nedenle, basit bir denkleme ulaşmak için bazı yaklaşımlar yapmak gereklidir:

Malzemenin geçirgenliği yüksektir : µ r >> µ 0
Manyetik alanın akışı, manyetik çekirdek tarafından mükemmel bir şekilde kanalize edilir.

Elektromıknatısın uyguladığı maksimum kuvvet aşağıdaki formülle verilir:

${\ displaystyle F = {\ frac {B ^ {2} A} {2 \ mu _ {0}}}}$

F: Uygulanan kuvvet ( J/cm ) B: Manyetik indüksiyon ( Wb / cm 2 ) A: Manyetik çekirdek bölümü ( cm 2 ) µ 0 : Vakumun manyetik geçirgenliği ( kg m s -2 A -2 )

Yaygın olarak kullanılan birimlere geri dönersek: F ( kg f ), B ( T ), A ( cm 2 ), şunu elde ederiz:

${\ displaystyle F = A \ kez \ sol ({\ frac {B} {5 \ kez 10 ^ {7}}} \ sağ) ^ {2}}$

Hava boşluğunu dikkate alırsak:

${\ displaystyle F = {\ frac {A \ kez \ sol ({\ frac {B} {5 \ kez 10 ^ {7}}} \ sağ) ^ {2}} {1+ \ alpha \ kez L}} }$

L ile, hava boşluğunun uzunluğu ve α düzeltme katsayısı (≈3 ila 5)

Örnek: B = 1 T için:

${\ displaystyle P = {\ frac {F} {A}} = {\ frac {B ^ {2}} {2 \ mu _ {0}}} =}$ 398 kPa

B = 2T için:

${\ görüntü stili P =}$ 1.592 kPa

Daha sezgisel bir birime sahip olmak için 1 teslalık bir alanı 4 atmosferlik bir basınca indirebiliriz .

Kapalı bir manyetik devre için, alanı Ampère teoremi sayesinde elde edilen ifadeyle değiştirerek şunları buluruz: ${B}$

${\ displaystyle F = {\ frac {\ mu ^ {2} N ^ {2} I ^ {2} A} {2 \ mu _ {0} L ^ {2}}}}$

Bu nedenle, güçlü bir elektromıknatıs oluşturmak için geniş bir alana sahip kısa bir manyetik devre kullanmak daha iyidir. Bununla birlikte, manyetik kuvvet, ferromanyetik malzemeler için yaklaşık 2 Tesla'ya karşılık gelen doygunluk manyetizasyonu ile sınırlı kalır. Yükleri kaldırmak için kullanılan elektromıknatıslar, bu boşlukta oluşturulan güçlü manyetik alan sayesinde, nesnenin tutulabileceği manyetik kısmının geçmesine izin veren küçük bir açıklığa sahip kapalı bir devrede çalışır. Bu geometri, 25 tonun üzerindeki konteynerleri kaldırmak için kullanılır.

Kullanım kısıtlamaları

Joule etkisi ile ısı dağılımı

Bir DC elektromıknatısı tarafından tüketilen güç, yalnızca bobinin direncinden kaynaklanır, bobin ısı şeklinde dağılır. Bu nedenle bazı büyük elektromıknatıslar, aşırı ısınmayı önlemek için bobinlerin etrafında bir soğutma devresi gerektirir. Manyetik alan, bobinin dönüş sayısı ve akım: B≈NI ile orantılı olduğundan, NI çarpımını sabit tutmak için N dönüş sayısı artırılarak akım I azaltılabilir.

Güç P = RI dağıldıkça 2 akımın karesi ile artar, dağıtılan güç ya da direncini azaltmak için daha kalın tel kullanılarak sargısı içinden akımı I azaltılması ve orantılı döner K sayısı arttırılarak azaltılabilir.

Örneğin, I'i 2'ye bölmek ve N'yi ikiye katlamak, harcanan gücün 2'ye bölünmesini sağlar.

Ancak, dönüş sayısını artırmanın bir sınırı vardır. Gerçekten de, dönüş sayısını arttırırsak, elektromıknatıstaki bobinin kapladığı alanı arttırırız. Boşluk kalmadığında, tellerin çapının küçültülmesi anlamına gelir. Ancak telin çapının küçülmesi direnci arttırır.

Bu nedenle, büyük elektromıknatıslarda, bakırdan daha pahalı iletkenler kullanılarak azaltılamayan bir omik kayıp vardır, bu olağandışı durumlarda kullanılır.

Endüklenen voltaj tepe noktası

Bir elektromıknatısın, dönüşler boyunca akımın değişmesine direnen belirli bir endüktansı vardır. Akımdaki her ani değişiklik, bobinde büyük voltaj yükselmelerine neden olur. Bu nedenle, mıknatıstan geçen akım arttığında (ateşleme sırasında), devrenin enerjisi manyetik alanda depolanmalıdır. Elektromıknatıs kapatıldığında, bu enerji devreye geri döner.

Bobindeki akımı kontrol etmek için basit bir anahtar kullanılırsa, anahtarda ve devrede önemli hasarlar meydana gelebilir. Aslında, elektromıknatıs durduğunda, manyetik alanın enerjisi kendiliğinden devreye geri döner ve anahtar seviyesinde güçlü bir voltaj zirvesine ve bir elektrik arkına neden olur. Bu nedenle, küçük elektromıknatıslar için, akımı geçici olarak depolayarak arkları azaltmak için anahtarların seviyesinde kapasitörler kullanılır.

Devreye geri dönen enerji ısı dağılımı ile kaybolana kadar bobinden geçen akıma bir akış yönü empoze ederek voltaj yükselmelerini önlemek için bir diyot daha sistematik olarak kullanılır.

Büyük elektromıknatıslar, akımda bir rampa şeklinde küçük değişiklikler yaparak bu voltaj tepelerini önlemek için genellikle mikrodenetleyiciler tarafından kontrol edilen değişken bir akımla beslenir. Büyük bir elektromıknatısta devreye geri dönen tüm enerjiyi telafi etmek birkaç dakika sürebilir.

Uygulamalar

Elektromıknatıs genellikle bir elektrik tertibatının (elektrik motoru , jeneratör , radyo , televizyon , teyp , video kaydedici , sabit disk , elektron mikroskobu , çeşitli makineler) bir parçasıdır . Motorlarda ve jeneratörlerde, kontrol edilebilir bir elektromanyetik alan (indüktör) veya bir elektrik akımı toplayıcı (armatür) oluşturmak için kullanılır.

Kullanım örnekleri:

Elektromıknatıs tek başına kullanıldığında kontrollü bir mıknatısa benzetilebilir. Gönderilen elektrik akımına bağlı olarak mıknatıs aktif olabilir veya olmayabilir. Böylece günlük konfordan güvenlik sistemlerine kadar çeşitli uygulamaları kapsayan birçok cihaz yapılabilir.

- Bir kapının elektrik çarpması: elektromıknatıs, elektrik akımı onu beslediği sürece kapıyı kapalı tutar. Bir kod veya verici kullanmak, gücü keserek kapıyı serbest bırakır. Kalıcı bir mıknatıs kullanan manyetik kilitler de vardır . Bu durumda akım sadece emitör kullanıldığında aktiftir ve Daimi Mıknatısın manyetik alanını bozar .
- Metal bir çubuğu titretmek, örneğin bir zili çalmak için.
- Bazı kapı kilitleri elektromıknatıs emanetidir, çekim gücü 6000 ulaşabilir N . Bu tür bir cihaz, belirli binalarda yangın kapılarını açık tutar, yangın durumunda onları serbest bırakır, bu cihaza yanlış şekilde vantuz denir .
Elektromanyetik röle , kesici , kontaktör , bir elektromıknatıs tarafından ferromanyetik bir kütle çekim dayanmaktadır. Bu kütle, elektrik kontaklarının hareketini kontrol eder.
Birçok elektromekanik otomasyonda, nispeten kısa doğrusal hareketler (5 santimetreden daha az), elektromıknatısın özel bir uygulaması olan bir dalgıç çekirdekli bir elektromıknatısa emanet edilir.
Motor yapmak için: stator (burada elektromıknatıs), şanzıman şaftını çalıştıran manyetik alan sayesinde bir rotoru döndürür.
Enjektörler ve yakıt ( benzin ve dizel güncel otomobil yüklü) motorlar elektromıknatıs tarafından kontrol edilir elektronik hesap makinesi yönetimi arasında motor . Bilgisayar yakıt enjekte etmek istediğinde enjektöre elektrik akımı verir, enjeksiyon deliğini kapatan iğne geriye doğru hareket ederek basınçlı yakıtın motora girmesini sağlar. Akım kaybolduğunda iğne bir yay ile değiştirilir .
Metal kütlelerin kaldırılması ve metal atıkların ayrıştırılması, güçlü ve büyük elektromıknatıslara emanet edilmiştir.
Manyetik kaydedicilerde ( teyp , video teyp , manyetik iz ), elektromıknatıs, bilgi ortamının metal parçacıklarını manyetize etmek için kullanılır. Birlikte manyetik ortam (bant veya disk) bir önüne geçer manyetik kafa kontrollü bir hızda, bir kaynaktan bir elektrik akımı (görüntü) bu şekilde transfer kafasına geçer kaydedilecek bilgi manyetik formunda uygulanabilir. Okuma için ortam , manyetik alanın varyasyonlarının bir elektrik akımını indüklediği manyetik kafanın önünde tekrar kayar , bu akım güçlendirilir ve orijinal biçiminde geri yüklenecek şekilde uyarlanır.
Ses üretimi, elektromıknatıs olan , motor ve hoparlörler : Bir membran , bir daimi mıknatısın manyetik alan içine daldırılmış olan bir bobin tarafından harekete geçirilir. Zar , bobini besleyen sinyal oranında titreşir .
Elektromıknatıslar, fizik araştırmaları için ( LHC gibi) parçacık hızlandırıcılarda ( senkrotronlar , siklotronlar , vb .) kullanılır.

In süreci için havaya yükselme Almanca, TRANSRAPID veya Japon trende, Maglev , elektro havalanma için kullanılmaktadır tahrik ve açısal dönme. Geleneksel elektromıknatıslarla elektromanyetik levitasyon (veya EMS) ilkesini kullanır .
İçinde manyetik yataklar , elektro bir yüzer yaparak bir rotor yukarıda tutulması için kullanılan manyetik alan temas olmadan dönmesini sağlamak için.

deneyimler

4.5 voltluk bir alkalin pile devreyi birkaç saniye (en fazla 5 saniye aksi halde pil çabuk boşalır) bağlayarak bir cıvata veya vida etrafına iki metre elektrik teli sararak kendinize küçük bir elektromıknatıs yapmanız mümkündür. Ampère'in deneylerini yeniden üreten bu elektromıknatıs çivileri, pulları, ataçları çekebilir.

Notlar ve referanslar

(fr) Bu makale kısmen veya tamamen Wikipedia makalesinden alınmıştır İngilizce başlıklı " Elektromıknatıs " ( yazarların listesini görmek ) .

(in) W. Sturgeon , " Geliştirilmiş Elektro Manyetik Aparat " , Çev. Royal Society of Arts, Üreticiler ve Ticaret , Londra, cilt. 43,1825, s. 37-52atıf TJE Miller , Anahtarlamalı Relüktans Makineleri elektronik Kontrolü , Newnes2001, 7 s. ( ISBN 0-7506-5073-7 , çevrimiçi okuyun )
(içinde) Windelspecht, Michael. 19. Yüzyılın Çığır Açan Bilimsel Deneyleri, Buluşları ve Keşifleri , xxii, Greenwood Publishing Group, 2003, ( ISBN 0-313-31969-3 ) .
(içinde) Elizabeth Cavicchi , " Elektromıknatıslarla Seriler ve Paralel Deneyler " [PDF] , Pavia Project Physics, Univ. Pavia, İtalya (erişim tarihi 22 Ağustos 2015 )
(in) Roger Sherman , " Joseph Henry'nin elektromıknatısa ve elektrik motoruna katkıları " , The Joseph Henry Papers , The Smithsonian Institution,2007( 27 Ağustos 2008'de erişildi )
(in) Schweigger Multiply (galvanometre için orijinal adı) - 1820
(zh) " Bir elektromıknatısın çekici kuvvetinin hesaplanması " , Baidu.com'da ( 11 Nisan 2017'de erişildi )
" Kapıdaki manyetik kilit (37 fotoğraf): Anahtarlarda ve raflarda kilit seçimi. Cam kapak üzerindeki cihaz kart ile nasıl açılır? » , decorexpro.com'da ( 22 Nisan 2020'de erişildi )

Şuna da bakın:

bibliyografya

Etienne Trémolet de Lacheisserie, Manyetizma: II Malzemeler ve Uygulamalar , EDP Bilimi, Grenoble bilimleri, 2000
Bertran Nogadère, “Mıknatıslar nelerden yapılmıştır? ", France Inter'de Program Les p'tits tekneleri ,21 Nisan 2013

Dış bağlantılar

Kontaktör elektromıknatısları, sitelec.org sitesinde
Mıknatıstan elektromıknatısa.