5.3 Электромагниты
Катушка со стальным разомкнутым магнитопроводом (сердечником) образует электромагнит (рис. 5.3).
Рис. 5.3. Схема простейшего электромагнита:
1 – катушка; 2 – магнитопровод; 3 – якорь
Ток I в катушке создает магнитный поток Ф магнитопровода. Этот поток замыкается через подвижную часть магнитопровода, которую называют якорем. Якорь намагничивается и притягивается к неподвижной части магнитопровода.
Если ток в катушке прерывается, якорь отпадает от магнитопровода под действием собственной тяжести или специальной возвратной пружины.
Якорь электромагнита, изображенного на рисунке 5.3, поворачивается на оси. В этом случае электромагнит называется электромагнитом клапанного типа. Существуют электромагниты прямоходовые (в которых якорь движется поступательно), со сложным движением якоря и др.
Школьный звонок и звонок телефона – это электромагнитные механизмы. Существуют электромагнитные тормоза, муфты и т.д. Точные электромагниты используют в измерительной технике. Очень сильные электромагниты применяют в физических экспериментах. Если в электромагните убрать якорь, то его можно применять для подъема ферромагнитных предметов. Такие электромагниты (их называют подъемными) работают на металлургических заводах, поднимают металлолом и др.
Важнейшей характеристикой электромагнита является сила тяги. Если зазор между сердечником и якорем невелик, то силу тяги F можно определить по формуле Максвелла:
,
(5.2)
где S – площадь поперечного сечения сердечника, точнее площадь полюса, т.е. окончания сердечника, взаимодействующего с якорем;
– магнитная
постоянная, равная
Если
площади сечения сердечника и полюса
одинаковы, то можно принять,
что
и
тогда:
(5.3)
где В – индукция магнитного поля в сердечнике.
Если зазор между полюсами сердечника и якоря соизмерим с линейными размерами полюсов, то сила тяги электромагнита определяется по формуле
,
(5.4)
где I – сила тока в обмотке электромагнита, А;
N – число витков обмотки.
Из (5.4) следует, что при малых зазорах сила тяги очень велика, но при увеличении зазора сила тяги F электромагнита резко уменьшается.
Для производственных механизмов такая зависимость силы тяги электромагнита и зазора нежелательна, и конструкторы электромагнитов применяют специальные меры для того, чтобы обеспечить постоянство силы тяги при изменении зазора.
Если обмотку электромагнита включить на переменный ток, то сила тяги также станет переменной и будет изменяться в больших пределах, а в момент, когда ток проходит через нуль и сила тяги равна нулю, якорь будет то притягиваться, то отпадать. Этот эффект используется в вибраторах.
Так как сила тяги пропорциональна квадрату тока, то частота вибрации якоря вдвое превышает частоту сети.