Sådan fungerer elektromagneter

Hvad gør en ødelæggende gård, en rockkoncert og din hoveddør har det tilfælles? De bruger hver især elektromagneter , enheder, der skaber et magnetfelt ved anvendelse af elektricitet. Wreckings værfter anvender ekstremt kraftfulde elektromagneter til at flytte tunge stykker metalskrot eller endda hele biler fra et sted til et andet. Dit yndlingsband bruger elektromagneter til at forstærke lyden, der kommer ud af dets højttalere. Og når nogen ringer på din dørklokke, en lillebitte elektromagnet trækker en metalklapper mod en klokke.

Mekanisk, en elektromagnet er ret simpel. Den består af en længde af ledende ledninger, normalt kobber, viklet rundt om et stykke metal. Ligesom Frankensteins monster, dette virker som lidt mere end en løs samling af dele, indtil elektricitet kommer ind i billedet. Men du behøver ikke vente på en storm for at bringe en elektromagnet til live. En strøm indføres, enten fra et batteri eller en anden kilde til elektricitet, og flyder gennem tråden. Dette skaber et magnetfelt omkring den snoede ledning, magnetisere metallet som om det var en permanent magnet. Elektromagneter er nyttige, fordi du kan tænde og slukke magneten ved at fuldføre eller afbryde kredsløbet, henholdsvis.

Inden vi går for meget længere, vi bør diskutere, hvordan elektromagneter adskiller sig fra dine løbende "permanente" magneter, som dem, der holder din Popsicle -kunst i køleskabet. Som du ved, magneter har to poler, "nord" og "syd, "og tiltrække ting lavet af stål, jern eller en kombination deraf. Ligesom poler afviser og modsætninger tiltrækker (ah, skæringspunktet mellem romantik og fysik). For eksempel, hvis du har to stangmagneter med enderne markeret "nord" og "syd" "nordenden af ​​den ene magnet vil tiltrække den anden ende af den anden. På den anden side, nordenden af ​​den ene magnet vil frastøde den nordlige ende af den anden (og på samme måde syd vil afvise syd). En elektromagnet er på samme måde, bortset fra at det er "midlertidigt" - magnetfeltet eksisterer kun, når der strømmer elektrisk strøm.

Dørklokken er et godt eksempel på, hvordan elektromagneter kan bruges i applikationer, hvor permanente magneter bare ikke giver mening. Når en gæst trykker på knappen på din hoveddør, det elektroniske kredsløb inde i dørklokken lukker en elektrisk sløjfe, hvilket betyder, at kredsløbet er afsluttet og "tændt". Det lukkede kredsløb tillader strøm at strømme, skaber et magnetfelt og får klappen til at blive magnetiseret. Hardwareen til de fleste traditionelle dørklokker består af en metalklokke og metalklap, der, når det magnetiske træk får dem til at hænge sammen, du hører klokken indeni. Klokken ringer, gæsten slipper knappen, kredsløbet åbner, og dørklokken stopper sin infernale ringning. Denne on-demand magnetisme er det, der gør elektromagneten så nyttig.

I denne artikel, vi vil kigge nærmere på elektromagneter og opdage, hvordan disse enheder tager en ret cool videnskab og anvender den på dimser rundt omkring os, der gør vores liv lettere.

1. Historien om elektromagneter
2. Elektromagnets stikkende kraft
3. Sæt 'Electro' i 'Elektromagnet'
4. Elektromagneter rundt omkring os
5. DIY elektromagneter og eksperimenter at prøve

Historien om elektromagneter

Forholdet mellem elektricitet og magnetisme blev ikke undersøgt grundigt før 1873, da fysiker James Maxwell observerede interaktionen mellem positive og negative elektriske ladninger [kilde:Mahon]. Gennem fortsat eksperimentering, Maxwell fastslog, at disse ladninger tiltrækker eller afviser hinanden baseret på deres orientering. Han var også den første til at opdage, at magneter har poler, eller individuelle punkter, hvor afgiften er fokuseret. Og, vigtigt for elektromagnetisme, Maxwell observerede, at når en strøm passerer gennem en ledning, det genererer et magnetfelt omkring tråden.

Maxwells arbejde var ansvarlig for mange af de videnskabelige principper på arbejdet, men han var ikke den første videnskabsmand til at eksperimentere med elektricitet og magnetisme. Næsten 50 år tidligere fandt Hans Christian Oersted ud af, at et kompas, han brugte, reagerede, da et batteri i hans laboratorium blev tændt og slukket [kilde:Gregory]. Dette ville kun ske, hvis der var et magnetfelt til stede for at forstyrre nålen på kompasset, så udledte han, at der blev genereret et magnetfelt fra den strøm, der strømmer fra batteriet. Men Oersted tyngede mod kemi og overlod forskning i elektricitet og magnetisme til andre [kilde:Mahon].

Elektromagnetismens oldefar er Michael Faraday , en kemiker og fysiker, der arkitekterede mange af de teorier, der senere blev bygget på af Maxwell. En grund til at Faraday er så meget mere fremtrædende i historien end Maxwell eller Oersted skyldes sandsynligvis, at han er en så produktiv forsker og opfinder. Han er bredt indvarslet som en pioner inden for elektromagnetisme, men han krediteres også for at have opdaget elektromagnetisk induktion, som vi vil diskutere senere, når vi udforsker nogle virkelige applikationer. Faraday opfandt også elmotoren, og udover hans indflydelsesrige arbejde inden for fysik, han var også den allerførste person, der blev udnævnt til den prestigefyldte stilling som Fullerian Professor of Chemistry ved Royal Institution of Great Britain. Ikke for lurvet.

Så hvad afslørede disse mænds arbejde? I det næste afsnit, Vi ser på, hvordan elektromagneter fungerer.

Elektromagnets stikkende kraft

Som vi nævnte i indledningen, grundlæggende elektromagneter er ikke så komplicerede; du kan selv konstruere en simpel ved hjælp af materialer, du sandsynligvis har liggende rundt i huset. En ledende ledning, normalt isoleret kobber, er viklet omkring en metalstang. Tråden bliver varm at røre ved, hvorfor isolering er vigtig. Stangen, som ledningen er pakket ind på, kaldes a magnetventil , og det resulterende magnetfelt stråler væk fra dette punkt. Magnetens styrke er direkte relateret til det antal gange, wiren spoler rundt om stangen. For et stærkere magnetfelt, tråden skal pakkes mere tæt ind.

OKAY, der er lidt mere til det end det. Jo strammere ledningen vikles rundt om stangen, eller kerne, jo flere sløjfer strømmen laver omkring den, øge styrken af ​​magnetfeltet. Ud over hvor tæt ledningen er viklet, materialet, der bruges til kernen, kan også styre magnetens styrke. For eksempel, jern er et ferromagnetisk metal, hvilket betyder, at den er meget gennemtrængelig [kilde:Boston University]. Permeabilitet er en anden måde at beskrive, hvor godt materialet kan understøtte et magnetfelt. Jo mere ledende et bestemt materiale er for et magnetfelt, jo højere dens permeabilitet.

Alt betyder noget, herunder jernstangen på en elektromagnet, er sammensat af atomer. Inden magnetventilen elektrificeres, atomerne i metalkernen er arrangeret tilfældigt, ikke peger i nogen bestemt retning. Når strømmen indføres, magnetfeltet trænger ind i stangen og justerer atomerne igen. Med disse atomer i bevægelse, og alle i samme retning, magnetfeltet vokser. Atomenes tilpasning, små områder med magnetiserede atomer kaldet domæner , stiger og falder med strømniveauet, så ved at kontrollere strømmen af ​​elektricitet, du kan styre magnetens styrke. Der kommer et mætningspunkt, når alle domæner er på linje, hvilket betyder, at tilføjelse af yderligere strøm ikke vil resultere i øget magnetisme.

Ved at styre strømmen, du kan i det væsentlige tænde og slukke magneten. Når strømmen er slukket, atomer vender tilbage til deres naturlige, tilfældig tilstand, og stangen mister sin magnetisme (teknisk set den bevarer nogle magnetiske egenskaber, men ikke meget og ikke særlig længe).

Med en løbende-i-møllen permanent magnet, som dem, der holder familiehundens billede ved køleskabet, atomer er altid justeret, og magnetens styrke er konstant. Vidste du, at du kan fjerne en permanent magnets klæbeevne ved at tabe den? Virkningen kan faktisk få atomerne til at falde ud af justering. De kan magnetiseres igen ved at gnide en magnet på den.

Elektriciteten til at drive en elektromagnet skal komme et sted fra, ret? I det næste afsnit, Vi vil undersøge nogle af måderne, hvorpå disse magneter får deres saft.

Sæt 'Electro' i 'Elektromagnet'

Da der kræves en elektrisk strøm for at drive en elektromagnet, hvor kommer det fra? Det hurtige svar er, at alt, der producerer en strøm, kan drive en elektromagnet. Fra de små AA -batterier, der bruges i fjernsynets fjernbetjening til store, industrielle kraftværker, der trækker elektricitet direkte fra et net, hvis den lagrer og overfører elektroner, så kan den drive en elektromagnet.

Lad os starte med et kig på, hvordan husholdningsbatterier fungerer. De fleste batterier har to let identificerbare poler, et positivt og et negativt. Når batteriet ikke er i brug, elektroner samler sig ved den negative pol. Når batterierne indsættes i en enhed, de to poler kommer i kontakt med sensorerne i enheden, lukke kredsløbet og lade elektroner flyde frit mellem polerne. I tilfælde af din fjernbetjening, enheden er designet med en belastning , eller udgangspunkt, for energien, der er lagret i batteriet [kilde:Grossman]. Belastningen bruger energien til at betjene fjernbetjeningen. Hvis du blot skulle tilslutte en ledning direkte til hver ende af et batteri uden belastning, energien ville hurtigt løbe ud af batteriet.

Mens dette sker, de bevægelige elektroner skaber også et magnetfelt. Hvis du tager batterierne ud af fjernbetjeningen, det vil sandsynligvis beholde en lille magnetisk ladning. Du kunne ikke hente en bil med din fjernbetjening, men måske nogle små jernspåner eller endda en papirclips.

I den anden ende af spektret er jorden selv. Ved den definition, vi diskuterede tidligere, en elektromagnet dannes, når elektriske strømme flyder omkring en eller anden ferromagnetisk kerne. Jordens kerne er jern, og vi ved, at den har en nordpol og en sydpol. Disse er ikke kun geografiske betegnelser, men egentlige modsatrettede magnetiske poler. Dynamo -effekten , et fænomen, der skaber massive elektriske strømme i jernet takket være bevægelsen af ​​flydende jern hen over den ydre kerne, skaber en elektrisk strøm. Denne strøm genererer en magnetisk ladning, og denne naturlige magnetisme på jorden er det, der får et kompas til at fungere. Et kompas peger altid nordpå, fordi metalnålen tiltrækkes af nordpolens træk.

Klart, der er en bred vifte af elektromagnetiske applikationer mellem små, hjemmelavede videnskabelige eksperimenter og Jorden selv. Så, hvor dukker disse enheder op i den virkelige verden? I det næste afsnit, Vi tager et kig på, hvordan vores hverdag påvirkes af elektromagnetisme.

Elektromagneter rundt omkring os

Mange elektromagneter har en fordel i forhold til permanente magneter, fordi de let kan tændes og slukkes, og stigende eller faldende mængden af ​​elektricitet, der strømmer rundt om kernen, kan styre deres styrke.

Moderne teknologi er stærkt afhængig af elektromagneter til at gemme information ved hjælp af magnetiske optageenheder. Når du gemmer data på en traditionel computerharddisk, for eksempel, lille bitte, magnetiserede metalstykker er integreret på en disk i et mønster, der er specifikt for den gemte information. Disse data startede livet som binært digitalt computersprog (0s og 1s). Når du henter disse oplysninger, mønsteret konverteres til det originale binære mønster og oversættes til en brugbar form. Så hvad gør dette til en elektromagnet? Strømmen, der løber gennem computerens kredsløb, magnetiserer de små metalstykker. Dette er det samme princip, der bruges i båndoptagere, Videobåndoptagere og andre båndbaserede medier (og ja, nogle af jer ejer stadig tapedæk og videobåndoptagere). Dette er grunden til, at magneter undertiden kan ødelægge minderne om disse enheder.

Du kan bruge elektromagnetisme hver dag, hvis du oplader en telefon eller tablet trådløst. Opladningspladen skaber et magnetfelt. Din telefon har en antenne, der synkroniseres med opladeren, lader en strøm flyde. Som du måske forestiller dig, de elektromagnetiske spoler inde i enheder som disse er små, men større spoler kan oplade større enheder såsom elbiler.

Elektromagneter banede også vejen for virkelig at udnytte potentialet i elektricitet i første omgang. I elektriske apparater, motoren bevæger sig, fordi strømmen fra din stikkontakt producerer et magnetfelt. Det er ikke selve elektriciteten, der driver motoren, men ladningen skabt af magneten. Magnetens kraft skaber rotationsbevægelse, hvilket betyder, at de roterer omkring et fast punkt, ligner den måde, hvorpå et dæk roterer omkring en aksel.

Så, hvorfor ikke springe denne proces over og bare bruge stikkontakten til at drive motoren i første omgang? Fordi den strøm, der kræves for at drive et apparat, er ret stor. Har du nogensinde bemærket, hvordan tænding af et stort apparat som f.eks. Et fjernsyn eller en vaskemaskine nogle gange kan få lysene i dit hjem til at blinke? Dette skyldes, at apparatet i første omgang trækker meget energi, men den store mængde er kun nødvendig for at få motoren i gang. Når det sker, denne cyklus af elektromagnetisk induktion overtager.

Fra husholdningsapparater, vi bevæger os op til nogle af de mest komplekse maskiner, der nogensinde er bygget for at se, hvordan elektromagneter bruges til at låse op for universets oprindelse. Partikelacceleratorer er maskiner, der driver ladede partikler mod hinanden ved utroligt høje hastigheder for at observere, hvad der sker, når de kolliderer. Disse bjælker af subatomære partikler er meget præcise, og at kontrollere deres bane er kritisk, så de ikke går ud af kurs og beskadiger maskineriet. Det er her elektromagneter kommer ind. Magneterne er placeret langs stien til de kolliderende bjælker, og deres magnetisme bruges faktisk til at kontrollere deres hastighed og bane [kilde:NOVA Teachers].

Ikke et dårligt CV for vores ven elektromagneten, hva '? Fra noget du kan oprette i din garage til at betjene de værktøjer, forskere og ingeniører bruger til at dechiffrere universets oprindelse, elektromagneter har en temmelig vigtig rolle i verden omkring os.

Klar til at prøve nogle egne elektromagnetiske eksperimenter? Læs med for nogle sjove ideer.

DIY elektromagneter og eksperimenter at prøve

Elektromagneter er lette at lave; bare et par stykker hardware og en strømforsyning får dig på vej. Først, skal du bruge følgende ting:

• et jernsøm, mindst 15 centimeter i længden
• en længde på 22-gauge isoleret kobbertråd
• et D-cellebatteri

Når du har disse varer, fjern isoleringen fra hver ende af kobbertråden, lige nok til at give en god forbindelse med batteriet. Sæt ledningen rundt om sømmet; jo strammere du kan pakke den ind, jo kraftigere vil magnetfeltet være. Endelig, tilslut batteriet ved at fastgøre den ene ende af ledningen til den positive terminal og en til den negative terminal (det er ligegyldigt, hvilken ende af ledningen der bliver parret med hvilken terminal). Presto! En fungerende elektromagnet [kilde:Jefferson Lab].

Kan du ikke få nok af praktiske elektromagnetiske eksperimenter? Vi har flere ideer, du kan prøve:

• Hvad er magnetisk kraften i en enkelt spole viklet omkring et søm? Af 10 omdrejninger af ledning? På 100 omgange? Eksperimenter med forskellige svingninger og se, hvad der sker. En måde at måle og sammenligne en magnet "styrke" på er at se, hvor mange hæfteklammer den kan samle op.
• Hvad er forskellen mellem et jern og en aluminiumkerne til magneten? For eksempel, rull lidt aluminiumsfolie tæt sammen og brug den som kerne til din magnet i stedet for sømmet. Hvad der sker? Hvad hvis du bruger en plastkerne, som en pen?
• Hvad med solenoider? En solenoid er en anden form for elektromagnet. Det er et elektromagnetisk rør, der generelt bruges til at flytte et stykke metal lineært. Find et sugerør eller en gammel pen (fjern blækrøret). Find også et lille søm (eller en rettet papirclips), der let glider inde i røret. Vikl 100 omdrejninger af ledning rundt om røret. Placer søm eller papirclips i den ene ende af spolen, og tilslut derefter spolen til batteriet. Læg mærke til hvordan neglen bevæger sig? Solenoider bruges alle mulige steder, især låse. Hvis din bil har strømlåse, de kan fungere ved hjælp af en magnetventil. En anden almindelig ting at gøre med en magnetventil er at udskifte sømmet med et tyndt, cylindrisk permanent magnet. Derefter kan du flytte magneten ind og ud ved at ændre magnetfeltets retning i solenoiden. (Vær forsigtig, hvis du prøver at placere en magnet i din solenoid, som magneten kan skyde ud.)
• Hvordan ved jeg, at der virkelig er et magnetfelt? Du kan se på en lednings magnetfelt ved hjælp af jernfilter. Køb nogle jernspåner eller find dine egne jernspåner ved at køre en magnet gennem legeplads eller strandsand. Læg en let støvning af ark på et ark papir, og læg papiret over en magnet. Tryk let på papiret, og filerne stemmer overens med magnetfeltet, så du kan se dens form!

Oprindeligt udgivet:1. apr. 2000

Ofte stillede spørgsmål om elektromagnet

Hvordan dannes en elektromagnet?

Hvad er en elektromagnet, og hvordan fungerer den?

Hvad er de vigtigste egenskaber ved elektromagneter?

Masser mere information

relaterede artikler

• Sådan fungerer Faraday -burene
• Sådan fungerer atomerne
• Sådan fungerer kompasser
• Sådan fungerer Maglev -tog
• Sådan fungerer elmotorer
• Hvordan elektromagnetisk fremdrift vil fungere
• Sådan laver du en elektromagnet

Kilder

• "Elektromagneter." Encyclopædia Britannica Online. 22. august kl. 2021. http://www.britannica.com/EBchecked/topic/183188/electromagnet
• "Ferromagneter." Boston University. 22. august kl. 2021. http://physics.bu.edu/~duffy/py106/MagMaterials.html
• Gagnon, Steve. Jefferson Lab Resources. "Hvad er en elektromagnet?" https://education.jlab.org/qa/electromagnet.html
• Gregory, Frederick. "Oersted og opdagelsen af ​​elektromagnetisme" episoder i romantisk videnskab. Institut for Historie, University of Florida, 1998.
• Grossman, Lisa. "Tube fuld af plasma skaber soludbrud i laboratoriet." Kablet blad. 31. august kl. 2010. (22. august, 2021) http://www.wired.com/wiredscience/2010/08/solar-eruption-in-a-tube/
• Mansfield. A.N. "Elektromagneter - deres design og konstruktion." Groft udkast til tryk. Juli, 2007.
• Mearian, Lucas. "Trådløs opladning forklaret:Hvad er det, og hvordan fungerer det?" Populær videnskab. 28. marts 2018. (22. august, 2021) https://www.computerworld.com/article/3235176/wireless-charging-explained-what-is-it-and-how-does-it-work.html
• NOVA Lærere. "NOVA ScienceNOW:CERN." August 2007. (22. august, 2021) http://www.pbs.org/wgbh/nova/teachers/viewing/3410_02_nsn.html
• Underhill, Charles Reginald. "Solenoider, Elektromagneter og elektromagnetiske viklinger. "Nabu Press. 20. marts, 2010.