Elektromagnet
Mis on elektromagnet?
Elektromagnet on elektritoitel töötav magnet. See peab töötama vooluga. Elektromagneti tugevust saab voolu abil reguleerida. Kui vool välja lülitada, kaob ka magnetväli. Seetõttu kasutatakse tehnikas sageli elektromagneteid, mitte püsimagneteid, sest reguleeritavad magnetväljad pakuvad eeliseid. Kõige lihtsamal juhul toimib voolu läbiv traadipool elektromagnetina.Sisukord
Elektromagnetide tööpõhimõte
Elektromagnet on seade, mis tekitab ühendamisel vooluallikaga magnetvälja. Enamasti on see voolu juhtiv spiraalselt keritud juht, millel on ferromagnetiline poolisüdamik. Magnetvälja põhjustavad juhtmes liikuva voolu laengud.Tänapäevase arusaama järgi on laengukandjate liikumine ainus viis magnetvälja tekitamiseks. Nii kirjeldavad seda ka füüsiku James Clerk Maxwelli sõnastatud Maxwelli võrrandid, mis on elektrodünaamika põhivõrrandid. Maxwelli võrrandid kirjeldavad täpselt magnet- ja elektriväljade suurust sõltuvalt vooludest ja laengutest. Rohkem magnetite ajaloost saate lugeda meie nõuandeartiklist.
Põhimõtteliselt eksisteerivad vaid laenguliikumisest tekitatud magnetväljad. Sealjuures tekib alati magnetväli, millel on põhjapoolus ja lõunapoolus. Magnetväljal ei ole allikaid samas mõttes, nagu elektriväljal on laenguallikad.
Esimene füüsik, kes äratas tähelepanu magnetilistele jõududele voolu läbivas juhis, tõlgendas neid õigesti ja pani oma avastuse kirja, oli Hans Christian Oersted. Oersted jälgis 1820. aastal voolu läbiva juhtme läheduses kompassinõela hälvet.
Ka püsimagnetite magnetilised jõud on põhjustatud mateerias toimuvast mikroskoopilisest laenguliikumisest. Nii liiguvad elektronid aatomites suure kiirusega. Elektronidel on seejuures ka iseloomulik elektronispinn. Mõlemad tekitavad magnetmomendi ja seeläbi magnetilisi jõude.
Väga suurte vooludega suurtel poolidel on seni tekitatud üldse suurimad magnetväljad. Magnetväli H spiraalpooli keskel, mille pikkus on l ja raadius R, on võrdeline pooli vooluga I, see on võrdeline pooli pöörete arvuga n ning on väga pikkade poolide korral pöördvõrdeline pooli pikkusega l ja väga lühikeste poolide korral pöördvõrdeline pooli raadiusega R. Voolu läbiva silinderpooli telje suunalise magnetvälja H valem on:
\(H = \frac{n\cdot{I}}{\sqrt{l^2+4\cdot{R^2}}}\)
Eriti tugev on seega väikese läbimõõdu ja väga suure pöördete arvuga pooli magnetväli, kui sellest juhitakse läbi väga suur vool.
Eriti suurte magnetväljade tekitamiseks kasutatakse tänapäeval ülijuhtivaid suuri pöördete arvuga pooli. Ülijuhid on materjalid, millel puudub elektritakistus, s.t. nad juhivad voolu hõõrdumiseta. Seetõttu võib ülijuhis voolata väga suur vool. Pooli ristlõikepinna ja seega läbimõõdu vähendamiseks on kõrgete magnetväljade alusuuringute katsetes ülijuhitavaid poole lõhatud pooli ümber paigutatud lõhkelaenguga. Seejuures väheneb ülijuhitava pooli läbimõõt järsult ning magnetväli kasvab lühiajaliselt tugevasti, isegi kui see kohejärel kokku variseb, kuna pool hävib. Lõhkamine surus justkui magneti jõujooned kokku.
Selle meetodiga on juba tekitatud magnetvälju tugevusega mitu 10 000 teslat. Veel suuremad magnetväljad eksisteerivad maailmaruumis neutrontähtede pinnal.
Vasakpoolsel illustratsioonil on kujutatud vooluga I läbitava juhi magnetvälja H lõiku.
Keskel on näidatud välja joonte kulg, kui juht on painutatud silmuseks.
Kui ferromagnetilise südamiku ümber keritakse palju juhtsilmuseid (pöördeid) (paremal) ja juhile rakendatakse pinge U, siis hakkab vool I voolama ja tekib magnetväli H, mis on ferromagnetilise südamiku ning suure pöördete arvu tõttu tunduvalt tugevam kui üksiku juhtsilmuse magnetväli.
See ehitus vastab klassikalisele elektromagnetile.
Magnetvälja kuju on siiski sarnane juhtsilmuse omaga ja identne pulgakujulise püsimagneti omaga.
Selguse huvides on parempoolse pooli puhul väljajooned vaid visandlikult märgitud.
Need on palju tihedamad kui üksikul juhtsilmusel ning kulgevad põhjanavast (siin pooli alumine külg) lõunapooluse suunas (siin pooli ülemine külg) ja sulguvad elektromagneti siseosas.
Põhja- ja lõunapoolust saab ümber polaarsustada, vahetades toiteallika klemmid ja pöörates seeläbi voolu suuna vastupidiseks.
Ferromagnetilises materjalis eksisteerivad elementaarsed magnetilised polarisatsioonid,
mis joondavad end välises magnetväljas ja võivad seda tugevdada kuni tuhandekordselt.
Seetõttu kasutatakse ferromagnetilisi materjale elektromagnetites mähisesüdamikena.
Lihtsaimas variandis keritakse lihtsalt juhe ümber ferromagnetilisest materjalist silindri (nt raua).
Lihtsa katse saab igaüks kodus läbi viia. Selleks tuleb vaid vasktraat ümber pliiatsi keerata. Kui nüüd vasktraadi otsad ühendada vastavalt patarei pluss- ja miinuspoolusega, hakkab juhtmes vool liikuma ning tekib elektromagnet. Sellega saab näiteks kompassinõela kõrvale kallutada.
Kui vasktraat keerata pliiatsi asemel ümber rauasilindri, nt naela, on magnetväli oluliselt tugevam. Seda võimendab ferromagnetiline südamik teguriga μ, s.o magnetiline permeaablus. Raua korral võib μ olla suurem kui 1 000.
Elektromagnetite tehnilised rakendused
Elektromagneteid kasutatakse tänapäeval muu hulgas generaatorites ja elektrimootorites, neid leidub releedes ning need on eeldus paljudele elektroonikakomponentidele raadio- ja televisioonitehnikas. Tavalised trafod koosnevad näiteks vastastikku paiknevatest, erineva pöördearvuga mähistest.Trafos, mis sisaldab kahte mähist, indutseerib ühe mähise magnetväli pinget vastasasuvas mähises. Selle pinge suurus sõltub mõlema mähise pöördearvu suhtest. Nii on võimalik pingeid tõsta või langetada ilma, et (välja arvatud soojuskadudena) palju võimsust kaotsi läheks.
Kui soovite ise lihtsalt elektrimootori ehitada, leiate rohkem teavet järgmisest kliendiprojektist:
Kuidas seevastu liikumisest elektrit toota (generaator), on kirjas järgmistes kliendiprojektides:
Autor:
Dr. Franz-Josef Schmitt
Dr. Franz-Josef Schmitt on füüsik ja Martin Lutheri nimelise Halle-Wittenbergi ülikooli füüsika edasijõudnute praktikumi teaduslik juht. Aastatel 2011–2019 töötas ta Tehnikaülikoolis ning juhtis mitmeid õppeprojekte ja keemia projektlaborit. Tema teadustöö keskmes on ajalahutusega fluorestsents-spektroskoopia bioloogiliselt aktiivsetel makromolekulidel. Lisaks on ta Sensoik Technologies GmbH tegevjuht.
Dr. Franz-Josef Schmitt
Dr. Franz-Josef Schmitt on füüsik ja Martin Lutheri nimelise Halle-Wittenbergi ülikooli füüsika edasijõudnute praktikumi teaduslik juht. Aastatel 2011–2019 töötas ta Tehnikaülikoolis ning juhtis mitmeid õppeprojekte ja keemia projektlaborit. Tema teadustöö keskmes on ajalahutusega fluorestsents-spektroskoopia bioloogiliselt aktiivsetel makromolekulidel. Lisaks on ta Sensoik Technologies GmbH tegevjuht.
Kogu kompendiumi sisu (tekstid, fotod, illustratsioonid jms) autoriõigus kuulub autorile Franz-Josef Schmittile. Teose ainuõigused kuuluvad Webcraft GmbH-le (kui supermagnete.ee haldajale). Ilma Webcraft GmbH-i selgesõnalise loata ei tohi sisu kopeerida ega muul viisil kasutada.
© 2008–2026 Webcraft GmbH
© 2008–2026 Webcraft GmbH
