Elektromagnet

Elektromagnet på en kran for å plukke opp skrapjern

En elektromagnet består av en spole der et magnetfelt opprettes som et resultat av en elektrisk strøm .

I spolen er det vanligvis en åpen jernkjerne som styrer og styrker magnetfeltet. Oppfinnelsen av elektromagneten ble oppnådd av engelskmannen William Sturgeon i 1826. Den elektromagnetiske effekten ble først demonstrert i 1820 av den danske fysikeren Hans Christian Ørsted .

Arbeidsprinsipp

Avbøyning av en kompassnål ved magnetfeltet til en spole

En strømførende leder forårsaker et magnetfelt i omgivelsene (oppdagelse av Hans Christian Ørsted 1820).

Retningen til magnetfeltlinjene til en enkelt sving av spolen kan bestemmes med korketrekkregelen , også kjent som høyre regel: Hvis lederen holdes på en slik måte at den spredte tommelen peker i retning fra pluss til minuspolen ( teknisk strømretning ), så indikerer fingrene retningen på magnetlinjens feltlinjer. Feltene til de enkelte svingene legger opp til et totalt felt som omgir det svingete tverrsnittet. Feltlinjene går akkurat som med en enkelt sving (alle strømretningene i svingene er i samme retning!) Og etterlater jernkjernen - der dannes den magnetiske nordpolen. Alle feltlinjer kommer inn i jernkjernen på den magnetiske sørpolen.

Magnetfeltlinjene er konsentrert inne i spolen. Den magnetiske flytdensiteten er høyest i midten av spolen. Utenfor spolen er magnetisk flytdensitet lavere; den avtar raskt med avstand, slik at elektromagneter bare har stor effekt på korte avstander.

Hvis arbeid skal utføres, må magnetfeltkretsen være ferromagnetisk og inhomogen, dvs. den må inneholde et avbrudd i jernkjernen, som skal reduseres av arbeidet.

Den Lenz 'lov fastslår i stoffet, at en kraft eller bevegelse er rettet slik at dens årsak - i dette tilfellet er strømflyten - motvirker. Følgelig prøver en magnetisk krets rundt en strømbærende spole å redusere magnetisk motstand og også å lukke luftspalter : Dette øker induktansen og en spenning induseres i spolen som har samme polaritet som forsyningsspenningen - strømmen avtar under bevege jerndelene i magnetkretsen mot hverandre.

Jerndeler av magnetkretsen består av et åk (fast del) og bevegelige deler som stag, hengslede armaturer eller jerndeler som skal transporteres (magnetkran).

teori

Magnetfeltet til hver strømførende leder er gitt av Biot-Savart-loven . For en lang elektromagnetisk spole av lengde l {måleenhet: m (meter)} og antall svinger n {uten måleenhet} gjennom hvilken en strøm I {måleenhet: A (ampere)} strømmer, magnetfeltet styrke H {enhet: A beregnes også / m} innvendig

eller magnetisk flytdensitet B {måleenhet: T ( Tesla )} til

.

Her μ 0 er det magnetiske feltet konstant og μ r er den relative permeabilitet av den plass som omsluttes av spolen. Per definisjon er μ r = 1 i et vakuum , og verdien av μ r er også veldig nær en i luft ; I ferromagnetiske materialer kan imidlertid μ r anta verdier mellom 4 og 15 000 til den materialavhengige magnetiske metningen er nådd.

Design og spesielle funksjoner

Elektromagnet med variabelt luftspalte for eksperimentelle bruksområder, med hvilke magnetiske flytdensiteter på opptil 2 Tesla kan genereres.

Trekk, hengslet anker og magneter

De brukes til aktivering (trekk-, trykk- og hengslede ankermagneter), som kobling eller for transport. De er forskjellige i ankerformen:

  • Trekk og skyv magneter har stangformede armaturer
  • Kontaktors driftsspoler har I- eller T-formede armaturer og et E-formet åk
  • Med den hengslede armatur (se også hengslet ankeret relé ) en vinklet ankerplaten dreier seg rundt en av kantene på åket
  • med koblingsmagneter ( magnetisk kobling ) er ankeret en plate
  • Holde og transportere magneter bruker de transporterte varene som "anker". Eksempler er også magnetiske separatorer og magnetiske kraner.

Magneter som drives med DC-spenning har en sterkt ikke-lineær kraftforskyvningsegenskap når ankeret nærmer seg åket. Når begge berører, er kraften størst. Med avstanden synker den nesten hyperbolisk . Årsaken er den økende magnetiske flytdensiteten når luftspalten avtar . Den lave kraften i begynnelsen av innstrammingen gjør dem uegnet for applikasjoner som krever mye kraft umiddelbart. Veiene ut er:

  • Overdreven spenning som påkledningshjelpemiddel
  • strukturell utforming av magnetpolene (armatur og åk):
    • Dreiing øker kraften selv med store slag
    • Proporsjonale solenoider (for eksempel for proporsjonale ventiler ) har en magnetisk shunt som blir effektiv når avstanden avtar

Det er annerledes med vekselspenning : Her forårsaker den reduserte induktansen med et stort luftspalte en økt strømstrøm ved stramming. AC-magneter (eller også relé- og kontaktorspoler ) har derfor stor kraft i begynnelsen av tiltrekningen.

Grunnleggende tidsskjema for trekkmagnet med skyggelagt stang (F ~ H²)

For å opprettholde kraften til vekselstrømsmagneter under nåværende nullkryssinger, brukes kortslutningsviklinger som i en skyggepolsmotor - disse genererer et faseforskyvet magnetfelt i en del av magnetkretsen. En annen mulighet er trefasemagneter , men disse krever tre separate ben på åk og anker.

Når strømmen er slått av, kan overspenninger oppstå gjennom selvinduksjon , som igjen forårsaker gnister eller buer . Disse kan ødelegge bryteren. Som et middel, beskyttende dioder benyttes for direkte strøm, varistorer for vekselstrøm, så vel som diskret antiserial slått Z-dioder (eller integrert strøm suppressor-dioder ), og - eller i kombinasjon med - Boucherot koblinger .

Relé, kontaktor

Elektromekaniske reléer er vanligvis konstruert med en hengslet ankermekanisme som aktiverer kontakten eller kontaktene via en spak. Reléer er bygget med DC- eller AC-spoler. En kontaktor bruker hovedsakelig stempel-elektromagneter for likestrøm eller vekselstrøm. Attraksjonskreftene for å få kontakten er mye større enn med reléer, og derfor er elektromagnetene større enn med reléer.

Moving coil magneter

Trekk magneter med stempel for likestrøm

Bevegelige spoler kan også bygges inn i trekk- og skyvmagneter. Et vanlig engelsk begrep er også talespole , fordi mikrofoner eller høyttalere er bygget med det. Enten er det også en parallellføring, eller så må brukeren sørge for at spolen styres i permanentmagneten av konstruksjonen selv. Med bevegelige spolemagneter , som med elektrodynamiske høyttalere, beveger en spole ( sylinderspole ) seg i luftspalten til en permanent magnet på grunn av Lorentz-kraften . Sammenlignet med designene beskrevet ovenfor, har de en nesten lineær kraft / forskyvningskarakteristikk (avhengig av de ikke-lineære grenseforholdene til den tekniske implementeringen). Den bevegelige massen er lav, så dynamikken er høy. Imidlertid er den oppnåelige kraften per masse lavere.

Magneter med magnetventil

I kontaktorer kreves det større krefter for å lukke kontaktene enn i reléer, og det er derfor elektromagneter brukes til dette, som trekker en jernkjerne inn i den faste spolen. Disse er bygget for både direkte- og vekselstrømsdrift.

Solenoider

Elektromagneter med og uten åk, men uten bevegelige anker eller lignende, blir vanligvis ikke referert til som elektromagneter. Relevante vilkår er solenoid ( sylinderspole ), Helmholtz-spole , avbøyningsmagnet , dipolmagnet .

Skiveviklinger

Skivevikling laget av en 16 T magnet for 20 kA, ca. 40 cm diameter, med et nedbrytingspunkt fra et sammenbrudd

Høy flytdensitet, selv uten superledningsevne, kan oppnås ved hjelp av magneter der hver spolevending består av en spalteskive laget av kobber . Jernkjerner kan ikke brukes fordi de var mettet ved 2 Tesla. Det sentrale hullet brukes til å holde prøven. Neste plate er elektrisk atskilt med et mellomliggende isolerende lag og danner dermed neste sving. Hullene som er laget radialt på utsiden (bildet til høyre) brukes til å huse monteringsbolter; i tillegg blir det laget mange små hull fordelt over overflaten, gjennom hvilken kjølevæske strømmer. På grunn av den kortere strømbanen på den mindre omkretsen inne, oppstår høyere elektriske strømtettheter der, så det er flere hull per område enn utenfor. Platene settes sammen for å danne en stabel med plater som er omtrent i samme høyde som den er bred. Slike magneter kalles også Bitter Magnet , den bitre disken . De ble oppfunnet i 1933 av den amerikanske fysikeren Francis Bitter .

Med skivediameter på ca. 40 cm, borediameter på ca. 5 cm, skivtykkelse ca. 2 mm, strøm opp til 20 kA, antall skiver på 250 og mye vannkjøling, z. B. oppnå flytdensitet på opptil 16 Tesla; med en borediameter på 3 cm opp til 19 Tesla. Kraftbehovet her når 5 MW (ca. 1 V per omdreining).

Slike magneter brukes til å holde fluktetthetsrekordene for kunstige kontinuerlige magnetfelt. Dette er 37,5 T i High Field Magnet Laboratory (HFML) i Nijmegen (32 mm boring). Slike flytdensiteter kan ikke oppnås med superledende magneter - overgangstemperaturen synker med feltet og superledningsevnen brytes ned ved den kritiske feltstyrken . Imidlertid er kombinerte systemer i drift (hybridmagneter) der en bitter magnet er plassert inne i en superledende magnet. I National High Magnetic Field Laboratory i Florida / USA, for tiden 45 T, oppnås det sterkeste kunstige kontinuerlige feltet i verden. For dette formålet er det en 33,5 Tesla skivemagnettspole (32 mm boring) i en 11,5 Tesla superledende magnet. Effektbehovet er 30 MW.

Pulsoperasjon

Takket være spolematerialets varmekapasitet kan man oppnå høye flytdensiteter i kort tid uten at varmeeffekten må kjøles ned umiddelbart ( integrert av den nåværende varmen over tid). Slike spoler må være mekanisk stabilisert for mekanisk stabilitet. For dette formålet, blant annet. Fiberkomposittmaterialer, spiraltråder laget av høyfaste materialer som kobberbelagt stål eller berylliumbronse, samt ytre bandasjer laget av stålbånd. Strømimpulsene leveres av kondensatorer . Pulsvarigheten skyldes varmekapasiteten og styrken og beløpet til noen få millisekunder. Se også Gauss rifle .

Slike gjenbrukbare pulsmagnetspoler, avkjølt med flytende nitrogen, kan implementeres for høyfeltundersøkelser opp til ca. 100 Tesla og er utviklet og testet ved Institute for High Field Magnetic Laboratory i Dresden .

Puls magnetiske spoler er også brukt for magnet forming , blant annet . Her er imidlertid feltene dempet svingninger med frekvenser i det tosifrede kHz-området, pulsvarigheten er mindre enn 100 µs.

I eksperimenter med magnetiske fluksdensiteter på noen få tusen Tesla for vitenskapelige formål, blir det ofte akseptert at spolene blir ødelagt mekanisk eller termisk ved hvert forsøk. En ytterligere økning i flytetettheten kan oppnås ved samtidig kompresjon av spolen eller feltet ved hjelp av eksplosive ladninger; Se også strømningskompresjonsgeneratoren eller i kapitlet om impulsteknologi fra Sakharov , oppfinneren av strømningskomprimeringsgeneratoren.

Egenskaper for aktiveringsmagneter

DC-solenoid AC solenoid
konstant høyt strømforbruk Nåværende forbruk er sterkt avhengig av ankerposisjon
lengre byttetid raskt bytte
Når du slår av, er det ofte nødvendig med beskyttelse av koblingselementet (for eksempel ved en frihjulsdiode ) Undertrykkelseselement (Boucherot-element) anbefales
stor frafallsforsinkelse med dreiing med fritt hjul lav frafallsforsinkelse
Restluftgap kreves som limbeskyttelse Skygget stang / kortslutningsvikling kreves for å unngå summende lyder
Koblingstid kan reduseres ved overspenning Koblingstid kan ikke påvirkes

applikasjoner

Statorviklinger av en elektrisk motor med en kjerne

1. Spole med ferromagnetisk kjerne (hovedsakelig laget av jern)

Spole uten kjerne med plass til fusjonsplasma ( W7-AS )

2. Spole uten ferromagnetisk kjernemateriale

Se også

litteratur

  • Klaus D. Linsmeier, Achim Greis: Elektromagnetiske aktuatorer. Fysiske prinsipper, design, applikasjoner. I: Die Bibliothek der Technik, bind 197. Verlag Moderne Industrie, ISBN 3-478-93224-6 .
  • Günter Springer: Elektroteknikk. 18. utgave, Verlag - Europa - Lehrmittel, Wuppertal 1989, ISBN 3-8085-3018-9 .
  • Horst Stöcker: Pocket book of physics. 4. utgave, Verlag Harry Deutsch, Frankfurt am Main 2000, ISBN 3-8171-1628-4 .
  • Den store teknologiboken. Forlag for kunnskap og utdanning, Bertelsmann GmbH forlagsgruppe, Gütersloh 1972.
  • Kallenbach, et al. (2008): Elektromagneter . 3. utgave, Vieweg + Teubner Verlag, Wiesbaden, ISBN 978-3-8351-0138-8 .
  • Greg Boebinger, Al Passner, Joze Bevk: Høytytende elektromagneter . Spectrum of Sciences, mars 1996, s. 58-63.

weblenker

Commons : Elektromagneter  - samling av bilder, videoer og lydfiler
Wiktionary: Elektromagnet  - forklaringer på betydninger, ordets opprinnelse, synonymer, oversettelser

Individuelle bevis

  1. ↑ http://www.ru.nl/hfml/facility/experimental/magnets/ Magnete des High Field Magnet Laboratory i Nijmegen, åpnet 16. september 2017.
  2. ↑ https://nationalmaglab.org/user-facilities/dc-field/instruments-dcfield/resistive-magnets/45-tesla-2 Tekniske data for 45-T magneten på nettstedet til Florida National High Field Laboratory, åpnet 16. september 2017.
  3. ↑ German A. Shneerson, Mikhail I. Dolotenko, Sergey I. Krivosheev: Strong and Super Strong Pulsed Magnetic Fields Generation , Walter de Gruyter GmbH & Co KG i 2014, 439 sider, side 177.
  4. ↑ R. Narewski, A. Langner; Fremgangsmåte for å skille veldig finkornede jernoksider fra oppvarmingsvannet til fjernvarmenett; i: VGB Kraftwerkstechnik , bind 76, 1996, utgave 9, s. 772-776
  5. ↑ http://www.spektrum.de/lexikon/physik/fanselau-spule/4728 Fanselau spole i fysikkleksikonet til spektrumforlaget
  6. ↑ http://www.geomagnetismus.net/spule.html historisk fan coil
  7. ↑ http://www.igep.tu-bs.de/institut/einrichtungen/magnetsrode/ Magnetsrode med Braunbek spiralsystem