Elektromagnetismus je jednou ze základních sil vesmíru, která je zodpovědná za vše od elektrických a magnetických polí po světlo. Původně se vědci domnívali, že magnetismus a elektřina jsou samostatné síly. Ale koncem 19. století se tento názor změnil, protože výzkum přesvědčivě ukázal, že kladné a záporné elektrické náboje jsou řízeny jednou silou (tj. magnetismem).
Od té doby se vědci snažili testovat a měřit elektromagnetická pole a znovu je vytvářet. Za tímto účelem vytvořili elektromagnety, zařízení, které využívá elektrický proud k indukci magnetického pole. A od svého prvního vynálezu jako vědeckého nástroje se elektromagnety staly běžnou součástí elektronických zařízení a průmyslových procesů.
Elektromagnety se liší od permanentních magnetů v tom, že vykazují magnetickou přitažlivost k jiným kovovým předmětům pouze tehdy, když jimi prochází proud. To představuje četné výhody v tom, že sílu jeho magnetické přitažlivosti lze ovládat a libovolně zapínat a vypínat. Z tohoto důvodu jsou široce používány ve výzkumu a průmyslu, všude tam, kde jsou vyžadovány magnetické interakce.
Historie elektromagnetů:
K prvnímu zaznamenanému objevu vztahu mezi elektřinou a magnetismem došlo v roce 1820, kdy si dánský vědec Hans Christian Orsted všiml, že střelka na jeho kompasu ukazuje od magnetického severu, když byla zapnuta nedaleká baterie. Toto vychýlení ho přesvědčilo, že magnetická pole vyzařují ze všech stran drátu přenášejícího elektrický proud, stejně jako světlo a teplo.
Ilustrace Sturgeonova elektromagnetu (1924) a jednoho z Henryho vylepšených návrhů (30. léta 19. století). Kredit: Smithsonian/ Scientific American
Krátce poté publikoval svá zjištění, která matematicky ukázala, že elektrický proud vytváří magnetické pole, když prochází drátem. O čtyři roky později anglický vědec William Sturgeon vyvinul první elektromagnet, který se skládal z kusu železa ve tvaru podkovy omotaného měděným drátem. Když proud procházel drátem, přitahoval by další kusy železa, a když byl proud zastaven, ztratil magnetizaci.
Přestože je Sturgeonův elektromagnet podle moderních standardů slabý, ukazuje jejich potenciální užitečnost. Přestože váží pouhých 200 gramů (7 uncí), dokázal zvednout předměty o hmotnosti přibližně 4 kg (9 liber) pouze s proudem jednočlánkové baterie. Výsledkem bylo, že výzkum začal zintenzivňovat jak elektromagnety, tak povahu elektrodynamiky.
Ve třicátých letech minulého století provedl americký vědec Joseph Henry řadu vylepšení konstrukce elektromagnetu. Použitím izolovaného drátu dokázal umístit tisíce závitů drátu na jediné jádro. Výsledkem bylo, že jeden z jeho elektromagnetů unesl až 936 kg (2 063 liber) hmotnosti. To mělo mít popularizační účinek na používání elektromagnetů.
Druhy elektromagnetů:
Elektrický proud protékající drátem vytváří kolem drátu magnetické pole podle Amperova zákona. Tento zákon uvádí, že pro jakoukoli cestu s uzavřenou smyčkou se součet délkových prvků krát magnetické pole ve směru délkového prvku rovná permeabilitě krát elektrický proud uzavřený ve smyčce.
Svinutá spirála drátu (aka. solenoid) vytváří magnetické pole ve svém středu. Kredit: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
Pro soustředění magnetického pole v elektromagnetu je drát mnohokrát navinut do cívky, což zajišťuje, že závity drátu jsou vedle sebe podél okraje. Magnetické pole generované závity drátu prochází středem cívky a vytváří zde silné magnetické pole. Strana magnetu, ze které siločáry vycházejí, je definována jakoSeverní pól.
Cívka drátu, která má tvar šroubovice, se nazývá „solenoid“. Mnohem silnější magnetická pole však lze vytvořit, pokud je uvnitř cívky umístěn feromagnetický materiál (tj. železo). Tomu se říká „feromagnetické jádro“ (nebo „elektromagnet se železným jádrem“), které může generovat magnetické pole tisíckrát silnější než samotná cívka.
Pak je to, co je známé jako „toirodální jádro“, ve kterém je drát navinutý kolem feromagnetického jádra a má formu uzavřené smyčky (aka. magnetický obvod). V tomto případě mají magnetická pole podobu uzavřené smyčky, takže magnetickému poli kladou mnohem menší „odpor“ než vzduch. V důsledku toho lze získat silnější pole, pokud je většina dráhy magnetického pole uvnitř jádra.
Železné jádro má za následek výrazné znásobení magnetického pole solenoidu ve srovnání s elektromagnetem vzduchového jádra vlevo. Kredit: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
A pak jsou tu „supravodivé“ elektromagnety, které jsou složeny ze stočeného drátu vyrobeného ze supravodivých materiálů (jako je niob-titan nebo diborid hořečnatý). Tyto dráty jsou také udržovány při kryogenních teplotách, aby byl zajištěn minimální elektrický odpor. Takové elektromagnety mohou vést mnohem větší proudy než běžný drát, čímž vytvářejí nejsilnější magnetická pole ze všech elektromagnetů, přičemž jsou také levnější na provoz, protože nedochází k žádné ztrátě energie.
Moderní použití elektromagnetů:
Dnes existuje nespočet aplikací pro elektromagnety, od velkých průmyslových strojů až po elektronické součástky malého rozsahu. Kromě toho se elektromagnety široce používají pro provádění vědeckého výzkumu a experimentů, zejména tam, kde je vyžadována supravodivost a rychlé zrychlení.
V případě elektromagnetických solenoidů se používají všude tam, kde je potřeba rovnoměrné (tj. řízené) magnetické pole. Totéž platí pro elektromagnet se železným jádrem, kde lze vložit nebo vyjmout železné nebo jiné feromagnetické jádro, aby se zesílila síla pole magnetu. V důsledku toho lze solenoidové magnety běžně nalézt v elektronických paintballových značkovačích, pinballových automatech, jehličkových tiskárnách a vstřikovačích paliva, kde je magnetismus aplikován a řízen, aby zajistil řízený pohyb konkrétních součástí.
Vzhledem k jejich schopnosti generovat velmi silná magnetická pole, nízkému odporu a vysoké účinnosti se supravodivé elektromagnety často nacházejí ve vědeckých a lékařských zařízeních. Patří mezi ně přístroje pro zobrazování magnetickou rezonancí (MRI) v nemocnicích a vědecké přístroje, jako jsou spektrometry nukleární magnetické rezonance (NMR), hmotnostní spektrometry a také urychlovače částic.
Průřez velkým hadronovým urychlovačem (LHC) v CERN, který se při srážkách spoléhá na výkonné urychlovače částic. Kredit: CERN
Elektromagnety jsou také široce používány, pokud jde o hudební zařízení. Patří mezi ně reproduktory, sluchátka, elektrické zvonky a zařízení pro magnetický záznam a ukládání dat – jako jsou magnetofony. Multimediální a zábavní průmysl se při vytváření zařízení a komponentů, jako jsou videorekordéry a pevné disky, spoléhá na elektromagnety.
Elektrické pohony, což jsou motory odpovědné za přeměnu elektrické energie na mechanický točivý moment, také spoléhají na elektromagnety. Elektromagnetická indukce je také prostředkem, pomocí kterého fungují výkonové transformátory, které jsou zodpovědné za zvýšení nebo snížení napětí střídavého proudu podél elektrického vedení.
Indukční ohřev, který se používá pro vaření, výrobu a lékařské ošetření, také spoléhal na elektromagnety, které přeměňují elektrický proud na tepelnou energii. Elektromagnety se také používají pro průmyslové aplikace, jako jsou magnetické zvedáky, které využívají magnetickou přitažlivost ke zvedání těžkých předmětů nebo magnetické separátory, které jsou zodpovědné za třídění feromagnetických kovů z kovového odpadu.
A v neposlední řadě je tu aplikace maglev vlaků. Kromě použití elektromagnetické síly, která umožňuje vlaku levitovat nad kolejí, jsou supravodivé elektromagnety také zodpovědné za zrychlení vlaků na vysoké rychlosti.
Stručně řečeno, použití elektromagnetů je prakticky neomezené a pohání vše od spotřebních zařízení a těžkého vybavení až po hromadnou dopravu. V budoucnu mohou být zodpovědní i za cestování vesmírem, kde iontové pohonné systémy pomocí magnetických polí urychlit nabité částice (tj. ionty) a dosáhnout tahu.
Napsali jsme mnoho zajímavých článků o elektromagnetech zde na Universe Today. Zde je Kdo objevil elektřinu? , Z čeho jsou magnety vyrobeny? , Jak magnety fungují? , Magnetické pole Země , a Iontový pohon .
Pro více informací se nezapomeňte podívat na vzdělávací zdroje NASA Experimentování s elektromagnety a Role Země jako elektromagnetu a vytvoření polární záře a na stránce Wavelength NASA Elektromagnety .
How Stuff Works má také skvělou stránku s názvem „ Úvod do fungování elektromagnetů ', a Národní laboratoř vysokého magnetického pole (MagLab) má několik úžasných článků o elektromagnetech, jak je vyrobit a jak fungují.
Můžete se také podívat na Astronomy Cast. Epizoda 103 je o elektromagnetických silách.