Elektromagnet

Allikas: Vikipeedia
Lihtsaim elektromagnet, mis koosneb juhtmekeerdudest ja raudsüdamikust[1]

Elektromagnet on seadis magnetvälja tekitamiseks elektrivoolu abil, mis läbib juhtmekeerdudest koosnevat mähist. Elektromagneti avaldatav jõud on võrdeline keerdusid läbiva vooluga ja keerdude arvuga. Enamasti on elektromagnetil ferromagneetikust südamik. Südamik võib olla pulga-, U- (hobuseraua) või E-kujuline, moodustades avatud magnetahela.

Kraana küljes olev tööstuslik elektromagnet teraseromu külgetõmbamiseks ja teisaldamiseks

Olenevalt kasutuse eesmärgist eristatakse väljamagneteid ja jõumagneteid.[2]

Ajalugu[muuda | muuda lähteteksti]

1820. aastatel avastas Hans Christian Ørsted elektrivoolu omaduse tekitada magnetvälja. Esimene töötav magnet valmis 1824. aastal William Sturgeoni käe all.[5][6] See oli hobuserauakujuline rauddetail, mille ümber oli keritud 18 keerdu paljast (isoleerimata) vasktraati, kuna see oli ainus tol ajal käepärane juhtmematerjal. Kui vasktraadist juhiti läbi elektrivool, magneetus raudsüdamik ning tõmbas enda poole teisi rauast esemeid. Raud püsis magneetunud olekus seni, kuni vasktraadist mähise otste vahele rakendati pinget. Tolle aja kohta oli magnet üpris tugev: kaaludes ise 200 grammi, suutis ta tõsta kuni 4 kilogrammi.

Järgneval aastakümnel tuli Ameerika teadlane Joseph Henry välja elektromagnetiga, mille raudsüdamiku ümber keritud traat olid kaetud siidiga[7][8]. See võimaldas kasutada mitmekihilist mähist ja seega luua palju tugevamaid magneteid, mis suutsid tõsta juba 936 kilogrammi. Praktikas leidsid elektromagnetid kõigepealt rakendamist telegraafiaparaatides.

Harilik solenoid[muuda | muuda lähteteksti]

Kõige lihtsamaks elektromagnetiks võib pidada traadikeerdudest solenoidi, mille sees saab liikuda silindriline raudsüdamik. Kui solenoidi juhtida vool, siis tekkiv magnetväli paneb südamiku liikuma. Liikumine tekib vaid siis, kui südamik on väljaspool tasakaaluasendit. Tasakaaluasendi puhul seisab südamik täpselt solenoidi keskel.

Südamikule avaldub kõige suurem jõud, kui üks selle otspunktidest on solenoidi keskel. Siis mõjub südamikule jõud :[4]

,

kus on konstant, on südamiku ristlõike pindala, on solenoidi keerdude arv, on solenoidi läbiv vool ning on solenoidi pikkus.

Juhet läbiv vool (I) tekitab magnetvälja (B)

Füüsikaline sisu[muuda | muuda lähteteksti]

Lähtudes Ampère'i seadusest tekitab juhti läbiv elektrivool selle ümber magnetvälja. Magnetvälja tõhustamiseks keritakse juhe keerduddena üksteise kõrvale. Magnetvälja suuna saab leida parema käe reegliga[9][10]. Solenoidi sisse paigutatav ferromagneetiline südamik võib suurendada magnetinduktsiooni tuhandeid kordi.[1][3][11][12], tulenevalt raua suurest magnetiline läbitavusest[1][3].

Südamiku magnetilised omadused[muuda | muuda lähteteksti]

Solenoidi sees paiknev magneetik koosneb domeenidest (aladest), mis käituvad kui väiksed eraldiseisvad magnetid. Ilma välise magnetväljata on domeenide suund juhuslik ning nende magnetväljad töötavad üksteisele vastu. Juhtides elektrivoolu läbi solenoidi korrastab solenoidi magnetväli raudsüdamikus olevad domeenid, muutes need paralleelseks solenoidi magnetväljaga, niiviisi seda tugevdades. Läbijuhitava voolu suurenemisel tugevneb ka magnetväli võrdeliselt, kuid ainult teatud piirini, kuni hakkab mõju avaldama magnetiline küllastus (vt lähemalt Magnetiline hüsterees). Elektrivoolu katkestamisel lähevad domeenis lähteolekusse ning magnetväli kaob.

Mähise induktiivsuse mõju[muuda | muuda lähteteksti]

Elektromagnetit iseloomustab suur induktiivsus. Voolu sisselülitamisel toimub elektrienergia arvel mähise magnetvälja kiire ülesehitamine, millega võib kaasneda lühiajaline pingelangus, kui toitevõrk pole piisavalt võimas.

Kui elektromagneti mähisest vool välja lülitatakse, peab mähisesse salvestunud magnetvälja energia kiiresti vabanema. See saab toimuda elektrilahenduse kujul, mis võib avalduda sädemena või elektrikaarena lüliti kontaktide vahel. Seepärast ühendatakse kontaktidega rööbiti kondensaator, mis on suuteline mahutama pooli magnetväljast vabaneva energia ja hoiab niiviisi ära kontakte kahjustava lahenduse.

Viited[muuda | muuda lähteteksti]

  1. 1,0 1,1 1,2 Nave, Carl R. (2012). "Electromagnet". Hyperphysics. Dept. of Physics and Astronomy, Georgia State Univ. Vaadatud 2016-11-24. 
  2. ENE 2. köide, 1987, lk 523
  3. 3,0 3,1 3,2 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. 
  4. 4,0 4,1 Dawes, Chester L. (1967). "Electrical Engineering". peatükis Baumeister, Theodore. Standard Handbook for Mechanical Engineers (trükk: 7th). McGraw-Hill. p. 15–105. 
  5. 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. 
  6. Windelspecht, Michael. Groundbreaking Scientific Experiments, Inventions, and Discoveries of the 19th Century, xxii, Greenwood Publishing Group, 2003, ISBN 0-313-31969-3.
  7. Cavicchi, Elizabeth. "Series and Parallel Experimenting with Electromagnets" (PDF). Pavia Project Physics, Univ. of Pavia, Italy. Vaadatud 2016-11-24. 
  8. Sherman, Roger (2007). "Joseph Henry's contributions to the electromagnet and the electric motor". The Joseph Henry Papers. The Smithsonian Institution. Vaadatud 2016-11-24. 
  9. Millikin, Robert; Bishop, Edwin (1917). Elements of Electricity. Chicago: American Technical Society. p. 125. 
  10. Fleming, John Ambrose (1892). Short Lectures to Electrical Artisans, 4th Ed.. London: E.& F. N. Spon. pp. 38–40. 
  11. Gates, Earl (2013). Introduction to Basic Electricity and Electronics Technology. Cengage Learning. p. 184. ISBN 1133948510. 
  12. Shipman, James; Jerry, Wilson; Todd, Aaron (2009). Introduction to Physical Science (trükk: 12). Cengage Learning. pp. 205–206. ISBN 1111810281. 

Vaata ka[muuda | muuda lähteteksti]