Hvordan Elektromagneter Arbejder

{h1}

Elektromagneter findes i motorer, bånddæk, harddiske, videobåndoptagere og tonsvis af andre enheder. Find ud af, hvad der gør en elektromagnet 'elektro' og lære at lave en hjemme.

-Hvad har en ødelæggende gård, en rockekonsert og din hoveddør fælles? De bruger hver elektromagneter, enheder, der skaber et magnetfelt gennem anvendelse af elektricitet. Wrecking yards anvender ekstremt kraftfulde elektromagneter til at flytte tunge skrotplader eller endda hele biler fra et sted til et andet. Dit yndlingsbånd bruger elektromagneter til at forstærke lyden, der kommer ud af højttalerne. Og når nogen ringer din dørklokke, trækker en lille elektromagnet en metalklap mod en klokke.

Mekanisk er en elektromagnet ret simpelt. Den består af en ledende ledning, som regel kobber, viklet rundt om et metalstykke. Ligesom Frankensteins monster virker dette som lidt mere end en løs samling af dele, indtil strømmen kommer ind i billedet. Men du behøver ikke at vente på en storm for at bringe en elektromagnet til live. En strøm indføres, enten fra et batteri eller en anden strømkilde, og strømmer gennem ledningen. Dette skaber et magnetfelt omkring den spolede tråd, der magnetiserer metallet som om det var en permanent magnet. Elektromagneter er nyttige, fordi du kan tænde og slukke for magnet ved at afslutte eller afbryde kredsløbet.

Før vi går for meget længere, skal vi diskutere, hvordan elektromagneterne adskiller sig fra dine løbende magneter, som dem, der holder din Popsicle-kunst til køleskabet. Som du ved, har magneter to poler, "nord" og "syd" og tiltrækker ting fremstillet af stål, jern eller en kombination heraf. Ligesom polerne afstødes og modsætninger tiltrækker (ah, skæringspunktet mellem romantik og fysik). For eksempel, hvis du har to barmagneter med deres ender markeret "nord" og "syd", vil den nordlige ende af en magnet tiltrække den anden ende af den anden. På den anden side vil den nordlige ende af en magnet afvise den anden ende af den anden ende (og på samme måde vil sydpå afvise syd). En elektromagnet er på samme måde, medmindre det er "midlertidigt" - magnetfeltet eksisterer kun, når elektrisk strøm strømmer.

Dørklokken er et godt eksempel på, hvordan elektromagneter kan bruges i applikationer, hvor permanente magneter bare ikke ville give mening. Når en gæst trykker på knappen på din hoveddør, lukker det elektroniske kredsløb inde i dørklokken en elektrisk sløjfe, hvilket betyder, at kredsløbet er afsluttet og "tændt". Det lukkede kredsløb tillader elektricitet at strømme, skaber et magnetfelt og forårsager klapperen at blive magnetiseret. De fleste dørklokkes hardware består af en metalklokke og metalklap, som når de magnetiske ladninger får dem til at klamme sammen, hører du klokken inde og du kan svare på døren. Klokken ringer, gæsten udsender knappen, kredsløbet åbner og dørklokken stopper sin infernalske ringing. Denne on-demand magnetisme er, hvad der gør elektromagneten så nyttig.

I denne artikel vil vi se nærmere på elektromagneter og finde ud af, hvordan disse enheder tager nogle temmelig seje videnskaber og anvende det på gizmos rundt om os, der gør vores liv lettere.

Elektromagneternes historie

Se, Michael's magnet - elektro, det vil sige.

Se, Michael's magnet - elektro, det vil sige.

Forholdet mellem elektricitet og magnetisme blev ikke grundigt undersøgt indtil 1873, da fysiker James maxwell observeret interaktionen mellem positive og negative elektriske ladninger [kilde: Mahon]. Gennem fortsatte eksperimenter fastslog Maxwell, at disse afgifter kan tiltrække eller afvise hinanden på baggrund af deres orientering. Han var også den første til at opdage, at magneter har poler eller individuelle punkter, hvor opladningen er fokuseret. Og vigtig for elektromagnetisme bemærkede Maxwell, at når en strøm passerer gennem en ledning, genererer den et magnetfelt rundt om ledningen.

Maxwells arbejde var ansvarlig for mange af de videnskabelige principper på arbejdspladsen, men han var ikke den første videnskabsmand til at eksperimentere med elektricitet og magnetisme. Næsten 50 år tidligere fandt Hans Christian Oersted, at et kompas han 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 kompassens nål, så han udledte, at et magnetfelt blev dannet af den strøm, der strømmer fra batteriet. Men Oersted graviterede sig mod kemiområdet og efterlod forskningen om elektricitet og magnetisme til andre [kilde: Mahon].

Granddaddy af elektromagnetisme er Michael Faraday, en kemiker og fysiker, der opbyggede mange af de teorier, der senere blev bygget af Maxwell. En grund Faraday er så meget mere fremtrædende i historien end Maxwell eller Oersted skyldes sandsynligvis, at han er sådan en produktiv forsker og opfinder. Han er bredt kendt som pioner inden for elektromagnetisme, men han er også krediteret med at opdage elektromagnetisk induktion, som vi vil diskutere senere, når vi udforsker nogle virkelige applikationer. Faraday opfandt også elmotoren, og foruden hans indflydelsesrige arbejde i fysik var han også den allerførste person, der blev udnævnt til den prestigefyldte position af fulderiske professor i kemi ved Royal Institution of Britain. Ikke for lurvet.

Så hvad afdækkede disse mænds arbejde? I næste afsnit ser vi på, hvordan elektromagneter fungerer.

Den stikkende kraft af elektromagneter

En simpel elektromagnet

En simpel elektromagnet

Som vi nævnte i indledningen, er grundlæggende elektromagneter ikke alt det komplicerede; Du kan konstruere en simpel version af dig selv ved hjælp af materialer, du sandsynligvis har lyst rundt i huset. En ledende tråd, som regel isoleret kobber, vikles rundt om en metalstang. Ledningen bliver varm, og hvorfor isolering er vigtig. Stangen, hvorpå tråden er viklet, hedder a solenoide, og det resulterende magnetfelt udstråler væk fra dette punkt. Magnetens styrke er direkte relateret til antallet af gange, spolen spoler rundt om stangen. For et stærkere magnetfelt skal tråden være tættere indpakket.

OK, der er lidt mere til det end det. Jo strammere tråden er viklet rundt om stangen eller kernen, jo flere sløjfer strømmen gør rundt om det, hvilket øger styrken af ​​magnetfeltet. Ud over hvor tæt tråden er såret, kan materialet der bruges til kernen også styre magnetens styrke. For eksempel er jern en a ferromagnetisk metal, hvilket betyder, at det er meget gennemtrængeligt [kilde: Boston University]. permeabilitet er en anden måde at beskrive, hvor godt materialet kan understøtte et magnetfelt. Jo mere ledende et bestemt materiale er til et magnetfelt, desto højere er dets permeabilitet.

Alt stof, herunder en elektromagnets jernstang, består af atomer. Inden solenoiden elektrificeres, er atomerne i metalkernen arrangeret tilfældigt og ikke peger i en bestemt retning. Når strømmen indføres, trænger magnetfeltet i stangen og tilpasser atomerne. Med disse atomer i bevægelse og i samme retning vokser magnetfeltet. Opstillingen af ​​atomerne, små regioner af magnetiserede atomer kaldes domæner, stiger og falder med niveauet af strømmen, så ved at styre strømmen af ​​elektricitet kan du styre magnetens styrke. Der kommer en mætningspunkt, når alle domæner er i justering, hvilket betyder at tilføje yderligere strøm ikke vil resultere i øget magnetisme.

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

Med en permanent magnet, som holder familien hundens billede til køleskabet, er atomer altid justeret og magnetens styrke er konstant. Vidste du, at du kan fjerne den faste kraft af en permanent magnet ved at tabe den? Virkningen kan faktisk forårsage atomer falder uden for justering. De kan magnetiseres igen ved at gnide en magnet på den.

Strømmen til magten en elektromagnet skal komme fra et sted, ikke? I det næste afsnit vil vi undersøge nogle af de måder, hvorpå disse magneter får deres saft.

Sætte "Electro" i "Electromagnet"

Sådan ser magnetfelterne ud i en grundelektromagnet.

Sådan ser magnetfelterne ud i en grundelektromagnet.

Da en elektrisk strøm er påkrævet for at betjene en elektromagnet, hvor kommer den fra? Det hurtige svar er, at alt, der producerer en strøm, kan strømme en elektromagnet. Fra de små AA-batterier, der bruges i fjernsynet til store industrielle kraftværker, der trækker elektricitet direkte fra et gitter, hvis det opbevarer og overfører elektroner, kan det danne en elektromagnet.

Lad os begynde med et kig på, hvordan husholdningsbatterier fungerer. De fleste batterier har to let identificerbare poler, en positiv og en negativ. Når batteriet ikke er i brug, samler elektroner på den negative pol. Når batterierne sættes i en enhed, kommer de to poler i kontakt med sensorerne i enheden, lukker kredsløbet og tillader elektroner at strømme frit mellem polerne. For din fjernbetjening er enheden designet med a belastning, eller udgangspunkt, for den energi, der er opbevaret i batteriet [kilde: Grossman]. Lasten sætter energien til at bruge fjernbetjeningen. Hvis du blot skulle forbinde en ledning direkte til hver ende af et batteri uden belastning, vil strømmen hurtigt aftappe fra batteriet.

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

På den anden ende af spektret er Jorden selv. Ved den definition, vi diskuterede tidligere, oprettes en elektromagnet, når elektriske strømme flyder rundt omkring en ferromagnetisk kerne. Jordens kerne er jern, og vi ved, at den har en nordpole og en sydpole. Disse er ikke blot geografiske betegnelser, men også modstående magnetiske poler. Dynamo effekten, et fænomen, der skaber massive elektriske strømme i jernet takket være flytningen af ​​flydende jern over den ydre kerne, skaber en elektrisk strøm. Denne strøm genererer en magnetisk ladning, og denne naturlige magnetisme på jorden er, hvad der gør et kompasarbejde. Et kompas peker altid nordpå, fordi metalnålen er tiltrukket af træk af nordpolen.

Det er klart, at der er en bred vifte af elektromagnetapplikationer mellem små, hjemmelavede videnskabsforsøg og selve Jorden. Så hvor kommer disse enheder op i den virkelige verden? I næste afsnit tager vi et kig på, hvordan vores hverdag er påvirket af elektromagnetisme.

Elektromagneter Alle omkring os

Ingeniører installerer en gigantisk magnet inde i Large Hadron Collider, en enorm partikelaccelerator.

Ingeniører installerer en gigantisk magnet inde i Large Hadron Collider, en enorm partikelaccelerator.

Mange elektromagneter har en fordel i forhold til permanente magneter, fordi de let kan tændes og slukkes, og at øge eller mindske mængden af ​​elektricitet, som 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 til harddisken i din computer, er f.eks. Små magnetiserede metalstykker indlejret 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, konverteres mønsteret til det originale binære mønster og oversættes til en brugbar form. Så hvad gør dette til en elektromagnet? Den strøm, der løber gennem computerens kredsløb, magnetiserer de små bit metal. Dette er den samme hovedstol, der bruges i båndoptagere, videobåndoptagere og andre båndbaserede medier (og ja, nogle af jer ejer stadig bånddæk og videobåndoptagere). Derfor kan magneter undertiden ødelægge minderne om disse enheder.

Elektromagneterne banede også vejen for virkelig at udnytte elpotentialet i første omgang. I elektriske apparater bevæger motoren, fordi strømmen, som strømmer fra din stikkontakt, frembringer et magnetfelt. Det er ikke selve strømmen, der driver motoren, men ladningen skabt af magneten. Magnetens kraft skaber rotationsbevægelse, hvilket betyder, at de drejer rundt om et fast punkt, svarende til, hvordan et dæk roterer rundt om en aksel.

Så hvorfor ikke springe denne proces og bare bruge stikkontakten til at drive motoren i første omgang? Fordi strømmen, der kræves for at drive et apparat, er ret stort. Har du nogensinde bemærket, hvordan du tænder på et stort apparat som et fjernsyn eller en vaskemaskine, kan nogle gange få lysene i dit hjem til at flimre? Dette skyldes, at apparatet i starten trækker meget energi, men det store beløb er kun nødvendigt for at få motoren startet. Når det sker, denne cyklus af elektromagnetisk induktion overtager.

Fra husholdningsapparater flytter vi 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 fremdriver ladede partikler mod hinanden med utrolig høje hastigheder for at observere, hvad der sker, når de kolliderer. Disse stråler af subatomære partikler er meget præcise, og styring af deres bane er kritisk, så de ikke går naturligvis og beskadiger maskinen. Det er her, hvor elektromagneterne kommer ind. Magneterne er placeret langs vejen for de kolliderende bjælker, og deres magnetisme er faktisk brugt til at styre deres fart og bane [kilde: NOVA-lærere].

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

Klar til at prøve nogle egne elektromagnetiske eksperimenter? Klik over til næste side for nogle sjove ideer.

DIY-elektromagneter og forsøg til at forsøge

Elektromagneter er nemme at lave; bare et par stykker hardware og en strømforsyning får dig på vej. Først skal du have følgende elementer: -

  • en jernspiker, mindst 6 inches (15 centimeter) i længden
  • en længde på 22 gauge isoleret kobbertråd
  • et D-celle batteri

Når du har disse varer, skal du fjerne isoleringen fra hver ende af kobbertråd, lige nok til at give en god forbindelse til batteriet. Sæt ledningen rundt om neglen; Jo strammere du kan pakke det, desto stærkere er magnetfeltet. Slut tilslut batteriet ved at fastgøre den ene ende af ledningen til den positive terminal og den ene til den negative terminal (det er ligegyldigt, hvilken ende af ledningen der er parret med hvilken terminal). Presto! En arbejdende elektromagnet [kilde: Jefferson Lab].

Kan ikke få nok af praktisk elektromagnetiske eksperimenter? Vi har flere ideer til at prøve:

  • Hvad er magnetisk magt af en enkelt spole viklet rundt om et søm? Af 10 omdrejninger af ledninger? Af 100 drejninger? Eksperimenter med forskellige antal omgange og se hvad der sker. En måde at måle og sammenligne magnetens "styrke" er at se, hvor mange hæfteklammer det kan hente.
  • Hvad er forskellen mellem en jern og en aluminiumkerne for magneten? For eksempel rulle lidt aluminiumsfolie tæt op og brug den som kerne for din magnet i stedet for neglen. Hvad der sker? Hvad hvis du bruger en plastik kerne, som en pen?
  • Hvad med solenoider? En magnet, husker du, er en anden form for elektromagnet. Det er et elektromagnetisk rør, der sædvanligvis bruges til at bevæge et stykke metal lineært. Find et drikestrå eller en gammel pen (fjern blækrøret). Find også en lille søm (eller et rettet papirclips), der nemt glider inden i røret. Wrap 100 omdrejninger af ledninger rundt om røret. Placér søm eller papirclips i den ene ende af spolen, og tilslut derefter spolen til batteriet. Bemærk hvordan neglen bevæger sig? Solenoider anvendes på alle mulige steder, især låse. Hvis din bil har strømlås, kan de fungere med en magnetventil. En anden fælles ting at gøre med en magnetventil er at erstatte neglen med en tynd, cylindrisk permanent magnet. Så kan du flytte magneten ind og ud ved at ændre retningen af ​​magnetfeltet i magnetventilen. (Vær forsigtig, hvis du forsøger at placere en magnet i din magnet, da magneten kan skyde ud.)
  • Hvordan ved jeg, at der virkelig er et magnetfelt? Du kan se på en tråds magnetfelt ved hjælp af strygning. Køb nogle strygninger, eller find dine egne strygninger ved at køre en magnet gennem legeplads eller strand.Sæt et let afstødning af ark på et ark papir og læg papiret over en magnet. Tryk let på papiret, og arkiverne stemmer overens med magnetfeltet, så du kan se dens form!

For mere om elektromagneter og relaterede emner, se de elektrificerende links på næste side.


Video Supplement: Magnetisme og elektromagnetisme.




DA.WordsSideKick.com
All Rights Reserved!
Reproduktion Af Materialer Tilladt Kun Prostanovkoy Aktivt Link Til Webstedet DA.WordsSideKick.com

© 2005–2019 DA.WordsSideKick.com