UN elettromagnete È un dispositivo che produce magnetismo dalla corrente elettrica. Se la corrente elettrica cessa, anche il campo magnetico scompare. Nel 1820 si scoprì che una corrente elettrica produce un campo magnetico nei suoi dintorni. Quattro anni dopo fu inventato e costruito il primo elettromagnete.
Il primo elettromagnete consisteva in un ferro di cavallo di ferro dipinto con vernice isolante e attorno ad esso erano avvolte diciotto spire di filo di rame senza isolamento elettrico..
I moderni elettromagneti possono avere varie forme a seconda dell'uso finale che ne verrà dato; ed è il cavo che è isolato con vernice e non il nucleo di ferro. La forma più comune del nucleo in ferro è quella cilindrica, su cui è avvolto il filo di rame isolato.
Un elettromagnete può essere realizzato con il solo avvolgimento che produce un campo magnetico, ma il nucleo di ferro moltiplica l'intensità del campo.
Quando la corrente elettrica passa attraverso l'avvolgimento di un elettromagnete, il nucleo di ferro si magnetizza. Cioè, i momenti magnetici intrinseci del materiale si allineano e si sommano, intensificando il campo magnetico totale..
Il magnetismo in quanto tale è noto almeno dal 600 a.C., quando il greco Talete di Mileto parla in dettaglio del magnete. La magnetite, un minerale di ferro, produce magnetismo in modo naturale e permanente.
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Un indubbio vantaggio degli elettromagneti è che il campo magnetico può essere stabilito, aumentato, diminuito o rimosso controllando la corrente elettrica. Quando si producono magneti permanenti, sono necessari elettromagneti.
Perché sta succedendo questo? La risposta è che il magnetismo è intrinseco alla materia come lo è all'elettricità, ma entrambi i fenomeni si manifestano solo in determinate condizioni..
Tuttavia, si può dire che la sorgente del campo magnetico sia cariche elettriche in movimento o corrente elettrica. All'interno della materia, a livello atomico e molecolare, si producono queste correnti che producono campi magnetici in tutte le direzioni che si annullano a vicenda. Questo è il motivo per cui i materiali normalmente non mostrano magnetismo..
Il modo migliore per spiegarlo è pensare che all'interno della materia ci sono piccoli magneti (momenti magnetici) che puntano in tutte le direzioni, quindi il loro effetto macroscopico viene annullato..
Nei materiali ferromagnetici, i momenti magnetici possono allinearsi e formare regioni chiamate domini magnetici. Quando viene applicato un campo esterno, questi domini si allineano.
Quando il campo esterno viene rimosso, questi domini non tornano alla loro posizione casuale originale, ma rimangono parzialmente allineati. In questo modo il materiale si magnetizza e forma un magnete permanente..
Un elettromagnete è composto da:
- Un avvolgimento di cavo isolato con vernice.
- Un nucleo di ferro (opzionale).
- Una sorgente di corrente, che può essere diretta o alternata.
L'avvolgimento è il conduttore attraverso il quale passa la corrente che produce il campo magnetico e viene avvolta sotto forma di molla.
Nell'avvolgimento, le spire o le spire sono generalmente molto ravvicinate. Ecco perché è estremamente importante che il filo con cui è realizzato l'avvolgimento abbia un isolamento elettrico, che si ottiene con una verniciatura speciale. Lo scopo della verniciatura è che anche quando le bobine sono raggruppate e si toccano, rimangono elettricamente isolate e la corrente continua il suo corso a spirale.
Più spesso è il conduttore dell'avvolgimento, maggiore è la corrente che il cavo sopporterà, ma limita il numero totale di spire che possono essere avvolte. È per questo motivo che molte bobine elettromagnetiche utilizzano un filo sottile.
Il campo magnetico prodotto sarà proporzionale alla corrente che attraversa il conduttore dell'avvolgimento e anche proporzionale alla densità delle spire. Ciò significa che più giri per unità di lunghezza vengono piazzati, maggiore è l'intensità del campo..
Più strette sono le spire dell'avvolgimento, maggiore è il numero che si adatterà a una data lunghezza, aumentando la loro densità e quindi il campo risultante. Questo è un altro motivo per cui gli elettromagneti utilizzano cavi isolati con vernice invece di plastica o altro materiale, che aggiungerebbe spessore.
In un elettromagnete a solenoide o cilindrico come quello mostrato in figura 2, l'intensità del campo magnetico sarà data dalla seguente relazione:
B = μ⋅n⋅I
Dove B è il campo magnetico (o induzione magnetica), che nelle unità del sistema internazionale si misura in Tesla, μ è la permeabilità magnetica del nucleo, n è la densità di spire o il numero di spire per metro e infine la corrente I circolante attraverso l'avvolgimento che si misura in ampere (A).
La permeabilità magnetica del nucleo di ferro dipende dalla sua lega ed è solitamente compresa tra 200 e 5000 volte la permeabilità all'aria. Il campo risultante viene moltiplicato per questo stesso fattore rispetto a quello di un elettromagnete senza nucleo in ferro. La permeabilità all'aria è approssimativamente uguale a quella del vuoto, che è μ0= 1,26 × 10-6 T * m / A.
Per comprendere il funzionamento di un elettromagnete è necessario comprendere la fisica del magnetismo.
Cominciamo con un semplice filo dritto che trasporta una corrente I, questa corrente produce un campo magnetico B attorno al filo.
Le linee del campo magnetico attorno al filo diritto sono cerchi concentrici attorno al filo conduttore. Le linee di campo rispettano la regola della mano destra, cioè, se il pollice della mano destra punta nella direzione della corrente, le altre quattro dita della mano destra indicheranno la direzione di circolazione delle linee del campo magnetico..
Il campo magnetico dovuto ad un filo rettilineo distante r da esso è:
Supponiamo di piegare il filo in modo che formi un cerchio o un anello, quindi le linee del campo magnetico al suo interno si uniscono puntando tutte nella stessa direzione, aggiungendosi e rafforzandosi. Dentro il ciclo continuo o cerchio il campo è più intenso che nella parte esterna, dove le linee di campo si separano e si indeboliscono.
Il campo magnetico risultante al centro di un anello di raggio per che trasporta una corrente I è:
L'effetto si moltiplica se ogni volta pieghiamo il cavo in modo che abbia due, tre, quattro, ... e molte spire. Quando avvolgiamo il cavo sotto forma di molla con spire molto ravvicinate, il campo magnetico all'interno della molla è uniforme e molto intenso, mentre all'esterno è praticamente nullo..
Supponiamo di avvolgere il cavo in una spirale di 30 giri in 1 cm di lunghezza e 1 cm di diametro. Ciò fornisce una densità di giri di 3000 giri al metro.
In un solenoide ideale il campo magnetico al suo interno è dato da:
Riassumendo, i nostri calcoli per un cavo che trasporta 1 ampere di corrente e calcolando il campo magnetico in microtesla, sempre a 0,5 cm di distanza dal cavo in diverse configurazioni:
Ma se aggiungiamo alla spirale un nucleo di ferro con permittività relativa di 100, il campo viene moltiplicato 100 volte, ovvero 0,37 Tesla.
È anche possibile calcolare la forza che l'elettromagnete solenoidale esercita su una sezione del nucleo in ferro di sezione PER:
Ipotizzando un campo magnetico di saturazione di 1,6 Tesla, la forza per metro quadrato di area del nucleo di ferro esercitata dall'elettromagnete sarà 10 ^ 6 Newton equivalente a 10 ^ 5 Chilogrammi di forza, ovvero 0,1 tonnellate per metro quadrato di sezione.
Ciò significa che un elettromagnete con un campo di saturazione di 1,6 Tesla esercita una forza di 10 kg su un nucleo di ferro di 1 cm.Due sezione trasversale.
Gli elettromagneti fanno parte di molti gadget e dispositivi. Ad esempio, sono presenti all'interno:
- Motori elettrici.
- Alternatori e dinamo.
- Altoparlanti.
- Relè o interruttori elettromeccanici.
- Campanelli elettrici.
- Elettrovalvole per controllo flusso.
- Dischi rigidi del computer.
- Gru di sollevamento per rottami metallici.
- Separatori di metalli dai rifiuti urbani.
- Freni elettrici di treni e camion.
- Macchine per imaging a risonanza magnetica nucleare.
E molti altri dispositivi.
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