Elektromagnet

Allikas: Vikipeedia
Lihtsaim elektromagnet, mis koosneb juhtmekeerdudest ja raudsüdamikust. Südamikuks kasutatakse ferromagneetilsit materjali nagu nt rauda, et paranda magnetilisi omadusi.[1]

Elektromagnet on magnet, mis vajab magnetvälja tekitamiseks ja säilitamiseks elektrivoolu. Elektrivool 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.

Elektromagneti tüüpilised kasutuskohad on elektromehaaniline relee ja kontaktor, suuri elektromagneteid kasutatakse kraanades rauaromu eraldamiseks ja teisaldamiseks[2]. Elektromagnetina võib käsitleda ka elektrimasina staatorit.

Ajalugu[muuda | muuda lähteteksti]

1820ndatel avastas Hans Christian Ørsted elektrivoolu omaduse tekitada magnetvälju. Töötava elektromagnetini läks mõnevõrra rohkem aega. Esimene töötav magnet valmis 1824. aastal William Sturgeoni käe all.[3][4] See oli hobuserauakujuline rauddetail, millele oli ümber keritud 18 ringi katmata vasktraati, kuna see oli ainus tol ajal käepärane vahend. Kui vasktraadist juhiti läbi elektrivool, magneteerus raudsüdamik ning tõmbas enda poole teisi rauast esemeid. Raud püsis magnetuurunud olekus seni, kuni vasktraadile rakendati pinget. Tolle aja kohta oli magnet üpris tugev, kaaludes ise 200 grammi, kuid suutis tõsta kuni 4 kilogrammi. Kuna puudus isoleeritud vasktraat, siis keerdude arv piirdus ühe kihiga ning osa potentsiaalist jäi kasutamata. Isolaatorite asemel kaeti raudsüdamik värnitsaga.

Järgneval aastakümnel tuli ameerika teadlane Joseph Henry välja elektromagnetiga, mille raudsüdamiku ümber keritud traadid olid kaetud siidiga[5][6]. See võimaldas luua juba palju suurema võimsusega magneteid, mis suutsid tõsta juba 936 kilogrammi. Esmased kasutusalad hõlmasid endas nõrkasid magneteid ja neid just telegraafi aparaatides.

Elektromagneti kasutusalad[muuda | muuda lähteteksti]

Tuntuimaks elektromagnetiks on tõstemagnet, mis on oma olemuselt mobiilne ning vägagi hädavajalik tänapäevases tööstusmaailmas. Lisaks tõstemagnetile on elektromagnetid kasutusel ka paljudes erinevates valdkondades.[7]

Harilik solenoid[muuda | muuda lähteteksti]

Kõige lihtsamaks elektromagnetiks võib pidada ühtlaselt ümber kolvi keritud traati, mida kutsutakse solenoidiks. Selle südamik (kolb) on üldjuhul valmistatud lõõmutatud rauast. Pingestades solenoidi, avaldub selle sees paiknevale kolvile jõud, mis paneb selle liikuma. Liikumine tekib vaid siis, kui solenoid on väljaspool tasakaaluasendit. Tasakaaluasendi puhul on kolb täpselt solenoidi keskel ning sellele mõjuvad jõud nullivad üksteist.

Kolvile avaldub kõige suurem jõud, kui üks selle otspunktidest on solenoidi keskel. Vastavas olukorras tekkiva jõu lahendus avaldub järgnevalt:[7]

,

kus on konstant, on kolvi ristläbilõike pindala, on solenoidi moodustava traadi keerdude arv, on pinge, mis läbib solenoidi ning on solenoidi pikkus.

Füüsikaline sisu[muuda | muuda lähteteksti]

Vooluga juhi tekitatud magnetilised jõujooned, mis kontsentreeruvad keskpunkti.
Juhet läbiv vool (I) tekitab magnetvälja (B), mis on orienteeritud vastavalt parema käe reeglile.

Lähtudes Ampère'i seadusest tekitab juhti läbiv elektrivool selle ümber magnetvälja (vt joonist). Magnetvälja tõhustamiseks keritakse juhe rõngakujuliselt ning tihedalt üksteise kõrvale. Kõikidest juhtmekeerdudest tulenev magnetväli kontsentreerub keskele.[2] Sellist rõngakujulistest keerdudest koosnevat seest õõnsat toru nimetatakse solenoidiks[1][2]. Magnetvälja suuna saab leida aga parema käe reegliga[8][9]. Magnetiliste omadust parandamiseks on soovitatav paigaldada solenoidi sisse ferromagneetiline materjal nagu näiteks raud. Kui parema käe sõrmed on kõverdatud voolu liikumise suunas, siis väljasirutatud pöial osutab suunda, kuhu poole on suunatud magnetväli solenoidi sees. Tänu sellele suurenevad elektromagneti magnetilised omadused tuhandeid kordi võrreldes ilma südamikuta solenoidiga.[1][2][10][11]. Seda nähtust kirjeldab materjali suur magnetiline läbitavus[1][2].

Ampère'i seadus[muuda | muuda lähteteksti]

Elektromagnetite magnetvälja kirjeldatakse üldjuhul Ampère'i seadusega:

,

millest järeldub, et magnetväli mööda kinnist pindintegraali on võrdne voolude summaga, mis kulgevad läbi ringi. Magnetvälja tugevuse arvutamiseks saab kasutada ka Biot-Savart'i seadust. Ferromagneetiliste materjalide magnetvälja täpse tugevuse arvutused on üldjuhul keerukad kahe faktori tõttu. Esiteks, kuna magentvälja tugevused kahe punkti vahel on suuresti muutuvad ning teiseks, kuna magnetväli B ja jõud F on mittelineearsed funktsioonid, mis sõltuvad voolutugevusest I, mis omakorda sõltub südamiku materjalist, millel on omakorda mittelineaarne sõltuvus B ja H vahel. Täpsete arvutuste läbiviimiseks kasutatakse üldjuhul arvutiprogramme, millel on võimalus modelleerida magnetvälju lõplike elementide metoodikal.

Magnetiliste omadustega südamik[muuda | muuda lähteteksti]

Solenoidi sees paiknev magnetiline sisu koosneb üldjuhul erinevatest domeenidest (aladest), mis käituvad omakorda kui väiksed eraldiseisvad magnetid. Enne solenoidi pingestamist on nende väikeste domeenide suund juhuslik ning nende magnetilised võimsused töötavad üksteisele vastu. Juhtides elektrivoolu läbi solenoidi korrastab solenoidi magnetväli raudsüdamikus olevad domeenid, muutes need paralleelseks solenoidi magnetväljaga ning tugevdades neid nii, et magnetväli levib ka väljaspoole solenoidi. Läbijuhtivate voolude suurenemisel tugevneb ka magnetväli. Piir, mille puhul voolu suurendamisega magnetilised omadused ei parane, nimetatakse küllastusmagneetumiseks ehk on saavutatud materjalidele omane piir. Elektrivoolu katkedes, ferromagneetiku omadustest lähtuvalt, taastub tema algne olek ning magnetilised omadused kaovad. Ferromagneetikust võib saada aja vältel ka paramagneetik, kuna kõik magnetilised domeenid ei pruugi suuta taastada oma esialgset olekut. Sellist nähtust nimetatakse magnetiliseks hüstereesiks.

Magnetväli elektrivoolu toimel[muuda | muuda lähteteksti]

Elektromagneti tekitatud magnetväli on võrdeline keerdude arvuga (N) ja vooluga (I), mis läbib keerde. Sellest tulenevalt tekib tegur NI, mille kaudu saab väljendada magnetilist jõudu. Teisisõnu nimetatakse seda ka Hopkinsoni seaduseks.

Magnetvälja tekitatud jõud[muuda | muuda lähteteksti]

Elektromagneti südamiku tekitatud jõud avaldub järgmiselt:

Jõu avaldis on tuletatud magnetväljas salvestatud energiast. Klassikalises mehaanikas avaldub energia jõu ja teepikkuse korrutisena.

Kõrvalmõjud[muuda | muuda lähteteksti]

Kõiksuguste magnetiliste nähtuste puhul esineb ka kõrvalmõjusid, mille põhjustajad on üldjuhul magnetid ise. Elektromagnetite puhul on kõrvalmõjud kõige suuremad.

Takistusest tulenev soojenemine[muuda | muuda lähteteksti]

Elektromagnetites, mille töös kasutatakse alalisvoolu, toimub elektrienergia muundumine soojusenergiaks ning see on ka ainus tarbija elektromagneti puhul, sest magneti mähis osutab elektrivoolule takistust. Suure võimsusega magnetite soojuseritus on niivõrd suur, et kasutatakse ka vedelikul põhinevaid jahutussüsteeme.

Kuna magnetväli on võrdeline teguriga NI, siis on võimalik valida keerdude arvu (N) mähisesse ja selle rakendatava voolu (I) nii, et soojakaod oleks madalaimad. Samas eralduvvõimsus suureneb ruutvõrdeliselt läbiva vooluga, kuid lineaarselt mähise keerdude arvuga. Elektromagneti võimsuse kadu, mis tuleneb soojenemisest, saab vähendada mähise traadi keermete arvu suurendamisega või siis suurema ristläbilõikepindalaga traadi kasutamisega. Jämedama traadi kasutamisel tuleks kindlasti jälgida traadi eritaksitust. Näiteks rakendades poole väiksemat voolu (I), kuid seejuures suurendades keerdude arvu kaks korda (või valida 2 korda suurema ristlõike pindalaga traat) väheneb ka võimsuse kadu poole võrra.

Induktiivvoolud[muuda | muuda lähteteksti]

Elektromagnetit iseloomustab suur induktiivsus ning elektromagnet peab vastu mähises esinevatele voolumuutustele. Igasugune järsk muutus mähist läbivas voolus tekitab pingekõikumisi nendes samades traadikeerdudes. Pingekõikumine tuleneb sellest, kui vool, mis läbib magnetit, suureneb (näiteks sisselülitamisel), tuleb vooluringist pärinev energia salvestada magnetväljana. Kui magnet välja lülitatakse, muundub magnetväli tagasi elektrienergiaks.

Mähist läbiva voolu katkestamisel on soovitatav kasutada kondensaatoriga lüliteid, kuna tavalised sisse-välja tüübiga lülitid tekitavad väljalülitamisel sädelust ning suuremate pingete korral ka kaarleeki. Kondensaatoriga aga salvestatakse osa pingest ajutiselt maha. Suurte magnetite puhul kasutatakse muudetava pingega jõuallikat, tänu millele väheneb ka impulsipinge teke.

Energiakaod[muuda | muuda lähteteksti]

Vahelduvvoolu magnetites, mis on kastutusel näiteks transformaatorites, mootorites ja generaatorites, pöördub magnetväli pidevalt. See tuleneb vahelduvvoolu olemusest, mis omakorda toob endaga kaasa energiakaod magnetsüdamikes ning kogu jõu eraldumise soojusena. Need kaod jagunevad omakorda kahte gruppi:

  • Pöörisvoolud – tulenevalt Faraday seadusest tekitab muutuv magnetväli enda ümber juhtides pöörisvoolusid. Nendes vooludes olev energia eraldub soojusena juhtide takistuse tõttu. Siit tekib ka energiakadu. Kuna magneti südamik on rauast, mis on hea juht, siis pöörisvoolud on suureks probleemiks.
  • Hüsterees – pidev magneetumuse pooluste vahetamine magnet domeenides põhjustab energiakao, mis on põhjustatud materjali koertsiivsusest. Selliseid kadusid nimetatakse hüstereesiks.

Vaata ka[muuda | muuda lähteteksti]

Viited[muuda | muuda lähteteksti]

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