Un electromagnet simplu poate fi creat prin înfășurarea unei bobine de sârmă în jurul unui miez de fier moale, cum ar fi un cui mare.

Un conductor drept care transportă curent produce un câmp magnetic circular în jurul său, în toate punctele de-a lungul lungimii sale și că direcția de rotație a acestui câmp magnetic depinde de direcția de curgere a curentului prin conductor (regula mâinii stângi).

Am văzut că dacă îndoim conductorul într-o singură buclă, curentul va curge în direcții opuse prin buclă, producând un câmp în sens orar și un câmp în sens invers unul lângă celălalt. Electromagnetul utilizează acest principiu, prin care mai multe bucle individuale îmbinate magnetic împreună produc o singură bobină.

Electromagneții sunt, în principiu, bobine de sârmă care se comportă ca magneți bară cu un pol nord și unul sud distincte, atunci când un curent electric trece prin bobină. Câmpul magnetic static produs de fiecare buclă individuală de bobină este însumat cu vecinul său, cu câmpul magnetic combinat, concentrat în centrul bobinei, mai mare ca al buclei de sârmă singulară. Câmpul magnetic static rezultat, cu un pol nord la un capăt și un pol sud la celălalt, este uniform și cu mult mai puternic în centrul bobinei decât în ​​exterior.

Linii de forță în jurul unui electromagnet

Câmpul magnetic pe care acesta îl produce se întinde într-o formă de magnet bară care dă un pol nord și unul sud distincte, fluxul fiind proporțional cu cantitatea de curent care curge prin bobină. Dacă straturile suplimentare de sârmă sunt înfășurate pe aceeași bobină cu același curent de curgere, intensitatea câmpului magnetic va fi mărită.

Din acest motiv se poate observa că cantitatea de flux disponibilă în orice circuit magnetic dat este direct proporțională cu curentul care trece prin el și cu numărul de spire de sârmă din bobină. Această relație se numește forța magnetomotoare sau mmf și este definită ca:

Forța magnetomotoare (m.m.f.) = I x N amperi spire

Forța magnetomotoare este exprimată ca un curent I ce curge printr-o bobină de N spire. Intensitatea câmpului magnetic al unui electromagnet este, prin urmare, determinată de amperii spire ale bobinei. Cu cât mai multe spire ale sârmei în bobină, cu atât mai mare va fi intensitatea (forța) câmpului magnetic.

Intensitatea magnetică a electromagnetului

Acum știm că unde doi conductori adiacenți poartă curent, câmpurile magnetice sunt configurate în funcție de direcția fluxului de curent. Interacțiunea rezultată a celor două câmpuri este astfel încât o forță mecanică apare între cei doi conductori.

Când curentul curge în aceeași direcție (de aceeași parte a bobinei), câmpul dintre cele două conductori este slab, provocând o forță de atracție, după cum se arată mai sus. De asemenea, atunci când curentul curge în direcții opuse, câmpul dintre ele devine intensificat și conductoarele sunt respinse.

Intensitatea acestui câmp în jurul conductorului este proporțională cu distanța de la el, cel mai puternic punct fiind lângă conductor și, progresiv depărtându-se, din ce în ce mai slab față de conductor. În cazul unui singur conductor drept, curentul care curge și distanța de la el sunt factori care guvernează intensitatea câmpului.

Prin urmare, formula pentru calcularea „intensității câmpului magnetic“ H numită uneori „Forța de magnetizare“ unui lung conductor drept, care transportă curent electric, este derivată din curentul care trece prin el și distanța de la el.

Intensitatea câmpului magnetic pentru electromagneți

unde:

H - este intensitatea câmpului magnetic în amperi-spire/metru, AN/m
N - este numărul de spire ale bobinei
I - curentul care trece prin bobină în amperi, A
L - lungimea bobinei în metri, m

Atunci, pentru a rezuma, forța sau intensitatea unui câmp magnetic al bobinelor depinde de următorii factori.

• Numărul de spire de sârmă din bobină.

• Cantitatea de curent care curge prin bobină.

• Tipul de material al miezului.

Forța câmpului magnetic al electromagnetului depinde de tipul de material de miez utilizat, deoarece scopul principal al miezului este concentrarea fluxului magnetic într-o cale bine definită și previzibilă. Până în prezent, au fost luate în considerare numai bobine cu miez de aer, dar introducerea altor materiale în miez (centrul bobinei) are un efect foarte mare de control asupra forței câmpului magnetic.

Dacă materialul este nemagnetic, de exemplu lemnul, în scopuri de calcul, poate fi considerat spațiu liber deoarece are valori foarte scăzute ale permeabilității. Dar, dacă materialul miezului este fabricat dintr-un material feromagnetic, cum ar fi fier, nichel, cobalt sau orice amestec al aliajelor lor, se va observa o diferență considerabilă a densității de flux în jurul bobinei.

Materialele feromagnetice sunt cele care pot fi magnetizate și sunt, de obicei, fabricate din fier moale, oțel sau diverse aliaje de nichel. Introducerea acestui tip de material într-un circuit magnetic are efectul concentrării fluxului magnetic care îl face mai concentrat și dens și amplifică câmpul magnetic creat de curent în bobină.

Permeabilitatea electromagneților

Dacă în electromagnet se folosesc miezuri de diferite materiale cu aceleași dimensiuni fizice, forța magnetului va varia în raport cu materialul miezului utilizat. Această variație a forței magnetice se datorează numărului de linii de flux care trec prin miezul central. Dacă materialul magnetic are o permeabilitate mare, atunci liniile de flux pot fi ușor create și trec prin miezul central și permeabilitatea (μ) este o măsură a ușurinței prin care miezul poate fi magnetizat.

Constanta numerică dată pentru permeabilitatea unui vid este dată de: μo= 4.π.10^-7 H/m cu permeabilitatea relativă a spațiului liber (vid), în general, dată ca valoare unu. Această valoare este utilizată ca referință în toate calculele referitoare la permeabilitate și toate materialele au propriile valori specifice de permeabilitate.

Problema utilizării doar a permeabilității diferitelor miezuri de fier, oțel sau aliaj este că calculele implicate pot deveni foarte mari, astfel că este mai convenabil să se definească materialele prin permeabilitatea lor relativă.

Permeabilitatea relativă, simbolul μr este produsul lui μ (permeabilitatea absolută) și μo permeabilitatea spațiului liber și este dată de:

Permeabilitate relativă

Materialele care au o permeabilitate ușor mai mică decât cea a spațiului liber (vid) și au o susceptibilitate slabă, negativă la câmpurile magnetice, sunt diamagnetice, cum ar fi: apa, cuprul, argintul și aurul. Acele materiale cu o permeabilitate ușor mai mare decât cea a spațiului liber și ele însele sunt doar ușor atrase de un câmp magnetic, sunt considerate a fi paramagnetice în natură, cum ar fi: gaze, magneziu și tantal.

Electromagnet. Exemplul nr. 1

Permeabilitatea absolută a unui miez de fier moale este de 80 milihenri/m (80.10^-3). Calculați valoarea permeabilității relative echivalentă.

Atunci când materialele feromagnetice sunt utilizate în miez, utilizarea permeabilității relative pentru a defini intensitatea câmpului oferă o idee mai bună asupra forței câmpului magnetic pentru diferitele tipuri de materiale utilizate. De exemplu, un vid și un aer au o permeabilitate relativă unu și pentru un miez de fier este de aproximativ 500, deci putem spune că forța câmpului unui miez de fier este de 500 de ori mai mare decât o bobină de aer echivalentă și această relație este mult mai ușor de înțeles decât 0,628 × 10^-3 H/m, (500.4.π.10^-7).

În timp ce aerul poate avea o permeabilitate de doar unu, unele materiale de ferită și permalloy pot avea o permeabilitate de 10.000 sau mai mult. Dar, există limite pentru cantitatea de intensitate a câmpului magnetic care poate fi obținută de la o singură bobină deoarece miezul devine puternic saturat, pe măsură ce fluxul magnetic crește și acest lucru este privit în următorul tutorial despre curbele B-H și histerezis.