전자석 전류로부터 자기장을 생성하는 장치이다. 전류가 멈 추면 자기장도 사라집니다. 1820 년에 전류가 주변 환경에서 자기장을 생성한다는 사실이 발견되었습니다. 4 년 후 최초의 전자석이 발명되고 건설되었습니다.
첫 번째 전자석은 절연 바니시로 칠한 철제 말굽으로 구성되었으며 전기 절연이없는 구리선 18 바퀴가 그 위에 감겨졌습니다.
그림 1. 전자석. 출처 : pixabay
현대 전자석은 최종 용도에 따라 다양한 모양을 가질 수 있습니다. 그리고 그것은 철심이 아닌 바니시로 절연 된 케이블입니다. 철심의 가장 일반적인 모양은 절연 된 구리선이 감겨있는 원통형입니다.
권선만으로 자기장을 생성하는 전자석을 만들 수 있지만 철심은 자기장의 강도를 배가시킵니다.
전류가 전자석의 권선을 통과하면 철심이 자화됩니다. 즉, 재료의 고유 자기 모멘트가 정렬 및 추가되어 전체 자기장을 강화합니다.
이와 같은 자성은 적어도 기원전 600 년 이후로 알려 졌는데, 그리스의 Miletus의 Thales가 자석에 대해 자세히 이야기했을 때입니다. 철 광물 인 자철광은 자연적이고 영구적으로 자성을 생성합니다.
전자석의 장점
전자석의 확실한 장점은 전류를 제어하여 자기장을 설정, 증가, 감소 또는 제거 할 수 있다는 것입니다. 영구 자석을 만들 때 전자석이 필요합니다.
이제 왜 이런 일이 발생합니까? 대답은 자기가 전기와 마찬가지로 물질에 내재적이지만 두 현상 모두 특정 조건에서만 나타납니다.
그러나 자기장의 근원은 전 하나 전류를 이동시키는 것이라고 할 수 있습니다. 물질 내부, 원자 및 분자 수준에서 이러한 전류가 생성되어 서로를 상쇄하는 모든 방향으로 자기장을 생성합니다. 이것이 재료가 일반적으로 자성을 나타내지 않는 이유입니다.
이를 설명하는 가장 좋은 방법은 작은 자석 (자기 모멘트)이 모든 방향을 가리키는 물질 내부에 들어있어 거시적 효과가 상쇄된다고 생각하는 것입니다.
강자성 물질에서 자기 모멘트는 자구라고 불리는 영역을 정렬하고 형성 할 수 있습니다. 외부 필드가 적용되면 이러한 도메인이 정렬됩니다.
외부 필드가 제거되면 이러한 도메인은 원래 임의 위치로 돌아 가지 않고 부분적으로 정렬 된 상태로 유지됩니다. 이런 식으로 재료는 자화되어 영구 자석을 형성합니다.
전자석의 구성 및 부품
전자석은 다음으로 구성됩니다.
-니스로 절연 된 케이블 권선.
-철심 (선택 사항).
-전류 소스는 직접 또는 교류 일 수 있습니다.
그림 2. 전자석의 일부. 출처 : 자체 제작.
권선은 자기장을 생성하는 전류가 통과하여 스프링 형태로 감겨지는 도체입니다.
권선에서 회전 또는 회전은 일반적으로 매우 가깝습니다. 그렇기 때문에 권선이 만들어지는 전선에 전기 절연이 있어야 특수 바니시로 달성되는 것이 매우 중요합니다. 니스 칠의 목적은 턴이 그룹화되어 서로 닿더라도 전기적으로 절연 된 상태로 유지되고 전류가 나선형 경로를 계속 유지하는 것입니다.
권선 컨덕터가 두꺼울수록 케이블이 더 많은 전류를 견딜 수 있지만 감을 수있는 총 권선 수는 제한됩니다. 이러한 이유로 많은 전자석 코일이 얇은 와이어를 사용합니다.
생성되는 자기장은 권선 도체를 통과하는 전류에 비례하고 또한 권선 밀도에 비례합니다. 이것은 단위 길이 당 더 많은 회전이 배치 될수록 필드의 강도가 더 커짐을 의미합니다.
권선 회전이 더 빡빡할수록 주어진 길이에 맞는 숫자가 많아 져 밀도와 결과 필드가 증가합니다. 이것이 전자석이 플라스틱이나 다른 재료 대신 바니시로 절연 된 케이블을 사용하는 또 다른 이유입니다.
솔레노이드
그림 2에 표시된 것과 같은 솔레노이드 또는 원통형 전자석에서 자기장의 강도는 다음 관계로 주어집니다.
B = μ⋅n⋅I
B는 자기장 (또는 자기 유도)이며, 국제 시스템 단위로 Tesla로 측정되며, μ는 코어의 자기 투자율, n은 미터당 회전 수 또는 회전 수, 마지막으로 전류 I입니다. 암페어 (A)로 측정되는 권선을 통해 순환합니다.
철심의 투자율은 합금에 따라 다르며 일반적으로 공기 투과율의 200 ~ 5000 배입니다. 결과적인 장에는 철심이없는 전자석의 장과 관련하여 동일한 계수가 곱해집니다. 공기의 투과성은 진공의 투과성과 거의 동일하며 μ 0 = 1.26 × 10 -6 T * m / A입니다.
어떻게 작동합니까?
전자석의 작동을 이해하려면 자기의 물리학을 이해해야합니다.
전류 I를 전달하는 간단한 직선 와이어로 시작하겠습니다.이 전류는 와이어 주위에 자기장 B를 생성합니다.
그림 3. 직선 와이어에 의해 생성 된 자기장. 출처 : Wikimedia Commons
직선 와이어 주변의 자기장 라인은 리드 와이어 주변의 동심원입니다. 필드 라인은 오른손 규칙을 준수합니다. 즉, 오른손 엄지가 전류 방향을 가리키면 오른손의 다른 네 손가락이 자기장 라인의 순환 방향을 나타냅니다.
직선의 자기장
거리 r에서 직선 와이어로 인한 자기장은 다음과 같습니다.
케이블을 구부려서 원이나 고리를 형성 한 다음 케이블 내부의 자기장 선이 모두 같은 방향을 가리키며 추가 및 강화되었다고 가정합니다. 루프 또는 원의 안쪽 부분에서 필드 라인이 분리되고 약 해지는 바깥 부분보다 필드가 더 강합니다.
그림 4. 원의 와이어에 의해 생성 된 자기장. 출처 : Wikimedia Commons
루프 중앙의 자기장
전류 I를 전달하는 반경 a 루프의 중심에서 발생하는 자기장은 다음과 같습니다.
케이블을 구부릴 때마다 2, 3, 4, … 그리고 여러 번 회전하면 효과가 배가됩니다. 케이블을 아주 가깝게 회전하는 스프링 형태로 감 으면 스프링 내부의 자기장은 균일하고 매우 강하지 만 외부에서는 거의 0입니다.
케이블을 길이 1cm, 지름 1cm의 나선형으로 30 바퀴 감았다고 가정합니다. 이것은 미터당 3000 회전의 밀도를 제공합니다.
이상적인 솔레노이드 자기장
이상적인 솔레노이드에서 내부 자기장은 다음과 같이 제공됩니다.
요약하면 1 암페어의 전류를 전달하는 케이블에 대한 계산과 다른 구성에서 항상 케이블에서 0.5cm 떨어진 마이크로 테슬라로 자기장을 계산합니다.
- 직선 케이블 : 40 마이크로 테슬라.
- 직경 1cm의 원형 케이블 : 125 마이크로 테슬라.
- 1cm에서 300 회전의 나선형 : 3770 마이크로 테슬라 = 0.003770 테슬라.
그러나 우리가 100의 상대 유전율을 가진 철심을 나선형에 더하면 필드는 100 배, 즉 0.37 Tesla가됩니다.
솔레노이드 형태의 전자석이 단면 A의 철심 부분에 가하는 힘을 계산할 수도 있습니다.
1.6 Tesla의 포화 자기장을 가정하면 전자석이 발휘하는 철심 영역의 평방 미터 섹션 당 힘은 10 ^ 5 킬로그램 힘에 해당하는 10 ^ 6 뉴턴, 즉 당 0.1 톤입니다. 단면의 평방 미터.
이것은 1.6 Tesla의 포화 장을 가진 전자석이 1 cm 2 단면 의 철심에 10 kg의 힘을가한다는 것을 의미합니다 .
전자석 응용
전자석은 많은 장치 및 장치의 일부입니다. 예를 들어 다음과 같은 내부에 있습니다.
-전기 모터.
-발전기 및 발전기.
-스피커.
-전기 기계식 릴레이 또는 스위치.
-전기 벨.
-유량 제어용 솔레노이드 밸브.
-컴퓨터 하드 드라이브.
-고철 리프팅 크레인.
-도시 폐기물의 금속 분리기.
-기차 및 트럭 용 전기 브레이크.
-핵 자기 공명 영상 기계.
그리고 더 많은 장치.
참고 문헌
- García, F. 자기장. 출처 : www.sc.ehu.es
- Tagueña, J. 및 Martina, E. 자기. 나침반에서 회전까지. 출처 : Bibliotecadigital.ilce.edu.mx.
- 시어스, 제만 스키. 2016. 현대 물리학과 대학 물리학. 14 일. Ed. Volume 2. 921-954.
- Wikipedia. 전자석. 출처 : wikipedia.com
- Wikipedia. 전자석. 출처 : wikipedia.com
- Wikipedia. 자화. 출처 : wikipedia.com