A mágnesesség, amelynek alapjait a tapasztalatokból ismerjük, miszerint a mágnesek egymásra, de például vastárgyakra is erőt gyakorolnak, rendkívül sokrétű jelenség. Az azonos pólusok taszítják, míg az ellentétes pólusok vonzzák egymást. Ennek egyik leggrandiózusabb példája maga a Föld, amely egy hatalmas mágnesként viselkedik. Egyik pólusa az északi, másik a déli sarok közelében található, és ezen jelenség alapján áll be egy szabadon mozgó iránytű észak-déli irányba. Az iránytű azon pólusát, amely egyensúlyi helyzetben észak felé mutat, északi pólusnak nevezzük. Ebből az is következik, hogy az Északi sarkon a Föld déli mágneses pólusa található.
A mágnesek jellegzetes tulajdonsága, hogy bármilyen kicsi részre vágva őket, soha nem állítható elő monopólus. Ha a mágnest kettévágjuk, továbbra is két dipólust kapunk. A mágnes és a vasreszelék közötti kölcsönhatást az anyag egy sajátos formája, a mágneses mező közvetíti. A XIX. század elején a tudósok számára úgy tűnt, hogy a mágnesesség korlátozottabb jelenség, mint az elektromosság. Kísérleteik azt bizonyították, hogy dörzsöléssel minden test elektromos állapotba hozható, de nem minden test mágnesezhető. Például a vasat lehet mágnesezni, de a rezet nem. Azonban az iránytű elhelyezése egy rézdrót alatt rávilágított, hogy nem is a réznek van szerepe a mágnesességben, hanem a rézdrótban mozgó töltéseknek, azaz az elektromos áramnak.
A Mágneses Mezől és Annak Vizsgálata
A mágneses mező vizsgálatára alkalmas minden olyan eszköz, amely kölcsönhatásba lép a mágneses mezővel. Így például egy kisméretű iránytű is, amelynek pólusaira mágneses mezőben erő hat. A különböző pólusra ható erők egyenlő nagyságúak, de ellentétes irányúak. Az így fellépő erőpár hatására az iránytű elfordul. Azonban fennáll annak a veszélye, hogy ha egy kis méretű iránytűt erősebb külső mágneses térbe teszünk, az iránytű átmágneseződik. Ezért célszerűbb a mágneses mezőt olyan eszközzel vizsgálni, amely az iránytűhöz hasonlóan kölcsönhatásba lép a mágneses mezővel, de a mező hatására nem változtatja meg állapotát.
Erre a célra kiválóan alkalmas a magnetométer, amely egy „N” menetű kis méretű lapos tekercs, melynek párhuzamos száraiban ellentétes irányú az áram. A mágneses indukciót a mező minden pontjában elhelyezett, kicsiny magnetométer segítségével határozhatjuk meg. Minden más esetben a magnetométerre forgatónyomaték hat. Ezt a szorzatot mágneses nyomatéknak nevezzük. A mágneses indukció vektor nagyságát a magnetométerre ható maximális forgatónyomaték és a mágneses nyomaték hányadosa adja. Fontos megjegyezni, hogy ha a magnetométer síkja nem párhuzamos a mágneses indukció vektorokkal, akkor forgatónyomaték számításánál a B vektornak csak a felület irányába eső komponensét kell figyelembe venni.
Mágneses Indukcióvonalak és A Szolenoid Mezeje
A mágneses mező szemléltetésére szolgálnak a mágneses indukcióvonalak. Hosszú egyenes áramjárta vezető körül a mágneses indukcióvonalak zárt koncentrikus körök. Ez a jelenség örvényes mezőre utal, ami az indukcióvonalak elhelyezkedéséből is látszik. Örvényes mezőben a zárt görbe mentén végzett munka összege nem nulla. Ez egy nem konzervatív mező, mert a mezőben két pont között végzett munka függ a pálya hosszától, nemcsak a két pont helyzetétől. A mágneses mezőben is igaz a szuperpozíció elve. Ha több áram hozza létre a mágneses mezőt, akkor az áramokat gondolatban körbevehetjük egy zárt görbével.
Az áramjárta tekercs, vagy szolenoid, mágneses terének jelentős része a tekercs belsejében van, azon kívül elhanyagolható. A tekercsben kialakuló mágneses mező közel homogén. Az áramjárta körtekercs által gerjesztett mágneses mező jelentős része a tekercsen belül helyezkedik el. A gerjesztő hatás nagysága (H) a körtekercsben közel állandó. A mágneses mező irányát a jobbkéz-szabállyal könnyen meghatározhatjuk: úgy fogjuk meg a körvezetőt a jobb kezünkkel, hogy behajlított négy ujjunk az áram irányába mutasson. Ilyenkor a kinyújtott hüvelykujjunk mutat az indukció irányába.
Az erőhatás akkor a legnagyobb, ha a vezető és a mágneses indukció egymásra merőlegesek. Nem tapasztalunk erőhatást, ha az áram iránya és a mágneses indukció iránya megegyezik. Az erőhatás nagyságát könnyen meghatározhatjuk, ha mágneses mezőbe gondolatban egy egymenetes magnetométert helyezünk úgy, hogy síkja párhuzamos legyen a mágneses indukcióval. Az erőpár forgatónyomatékát kétféleképpen is leírhatjuk. Ha az áramvezető és a mágneses mező egymással α szöget zár be, akkor a mágneses indukciónak csak a vezetőre merőleges komponensét kell figyelembe venni.
A mágneses mezőnek az áramvezetőre gyakorolt hatásából következik, hogy két párhuzamos áramvezető bármelyikére erőt fejt ki a másik mágneses mezeje. Vezessük le a kölcsönhatást feltételezve, hogy az első áram által keltett mágneses mezőben helyezkedik el a második áramvezető. Az áramvezetők mágneses kölcsönhatásának törvényét Ampere fedezte fel 1820-ban.
A Lorentz-erő és a Mágneses Mezők Jelentősége
A mágneses mezőben lévő áramvezetőre ható erőből a Lorentz-erő könnyen meghatározható, hiszen ott is töltések mozdulnak el mágneses mezőben. Ha egy töltés egyenletes körmozgást végezne, akkor a sebesség komponensre, amely nem befolyásolja mágneses mezőben a töltés mozgását. A Napból és a kozmikus térségből folytonosan nagy sebességű töltött részecskék érik el a földi légkört. A sarki légkörben a folyamatos ütközések következtében elvesztik energiájukat, miközben a levegő molekuláit gerjesztik. A Föld mágnesességének tehát nagy szerepe van a kozmikus sugárzás megfékezésében, és így a földi élet védelmében.
A technológia számos területén is kihasználják a mágneses mezőket. Katódsugárcsövekben, így a TV képcsövében is mágneses mező segítségével térítik el a gyorsan mozgó elektronokat, és ennek következtében rajzolódik ki a kép. Az elektronmikroszkópban mágneses lencsék térítik el a gyorsan mozgó elektronokat. Így jön létre az az interferencia kép, amelyből lehet következtetni a tárgyra. Tömegspektroszkópoknál gyakran elterjedt eljárás, hogy mágneses mező segítségével választják külön a különböző tömegű és töltésű részecskéket. 2007-re készült el a Genf melletti CERN-ben az LHC, azaz a nagy hadron ütköztető, ahol 7 TeV energiájú protonnyalábokat kívánnak ütköztetni, szintén a mágneses mezők precíz szabályozásával.
Lorentz-erő
Anyagok Mágneses Viselkedése
Ha egy „N” menetű tekercset egyik meneténél széthúzunk úgy, hogy a tekercs belsejében magnetométert tudjunk elhelyezni, majd légüres térben megmérjük, hogy mekkora lesz a maximális forgatónyomaték, ebből kiszámítható, hogy vákuumban adott gerjesztés mellett mekkora a mágneses indukció. Ha nem változtatjuk a gerjesztő hatás erősségét, de a tekercs belsejében különböző minőségű anyagokat helyezünk, akkor a maximális forgatónyomaték megváltozik.
Ez a változás rendkívül drámai lehet. Ha a tekercsbe vasat, kobaltot, vagy nikkelt teszünk, akkor a mágneses indukció 200-106 szeresére nő. Ezeket az anyagokat ferromágneses anyagoknak nevezzük, és mágneses mezőbe helyezve mágneseződnek, majd a mágneses mező megszűnése után is megőrzik mágneses tulajdonságaikat. Amper az anyagok mágneses viselkedését azzal magyarázta, hogy az elektronok mozgásából adódóan az anyag belsejében apró köráramok vannak. Magasabb hőmérsékleten a ferromágneses anyagok elveszítik mágneses tulajdonságaikat. Ilyenkor a hőmozgás következtében megszűnik a rendezettség, és ez okozza a mágneses tér elvesztését.
Más anyagoknál eltérő a viselkedés. Ha a tekercsbe alumíniumot, vagy mangánt teszünk, akkor a mágneses indukció alig növekszik. Ezek a paramágneses anyagok. Ha a tekercsbe rezet, vagy aranyat teszünk, akkor a mágneses indukció kis mértékben csökken. Ezek a diamágneses anyagok.
Mágneses Histerézis és Elektromágnesek
A ferromágneses anyagok mágneses viselkedését a hiszterézis görbével lehet jellemezni. Az OA szakaszon, ha növeljük a gerjesztő hatás erősségét (H), kezdetben a mágneses indukció (B) vele egyenes arányban növekszik. Egy idő után az áramerősséget hiába növeljük a tekercsben, az indukció nem változik. Ennek az az oka, hogy a Weis-féle tartományok ilyenkor már beálltak a tér irányába, azaz a telítés jelensége lép fel. Ha csökkentjük az áramerősséget, akkor csökken a „B” és csökken a „H” is, de nem az eredeti úton. Nulla térerősség esetén is mérünk mágneses indukciót (remanens mágneses indukció). Ez még mindig a Weis-féle tartományok rendezettségéből adódik. Ha ellentétes irányba növeljük az áramerősséget, lesz egy olyan érték, amikor a „B” éppen nulla lesz (C pont), ez a koercitív erő.
A lágy vasmagot tartalmazó tekercset elektromágnesnek nevezzük. Ez az eszköz nagy erőhatás kifejtésére szolgál, és nagy előnyt jelent, hogy az áram kikapcsolásával az emelőerő bármikor megszüntethető. A kialakuló mágneses tér kölcsönhatásba lép az állandó mágnes terével. Az elektromos csengő lényege egy elektromágneses áramszaggató.
A hangszóró tekercsének vasmagja mágnesezett lágyvas. A hang rezgéseit elektromos rezgéssé alakítják. Így a hangáramnak megfelelően változik a tekercsben folyó áramerősség, aminek következtében a tekercs mágneses tere is. A tekercs közelében lévő membrán a mágneses vonzóerő hatására rezgésbe jön, létrehozva a hangot. Ha egy tekercsre feszültséget kapcsolunk, akkor a tekercs meneteiben folyó áram a tekercs környezetében és belsejében mágneses teret hoz létre. Ennek a mágneses térnek ugyanúgy, mint az állandó mágnesnek, vannak pólusai.
A tekercs pólusait az ún. jobbkéz-szabály alkalmazásával tudjuk meghatározni: Tegyük a jobb kezünket a tekercsre úgy, hogy ujjaink a menetekben folyó áram irányába mutassanak. Ezek után a kifeszített hüvelykujjunk az északi pólust mutatja. Olyan többmenetes tekercs, amelynél a menetek száma és a tekercs geometriai méretei egymással arányosak, szolenoidnak nevezhető.
Mágnesszelepek és Elektromágneses Tekercsek
A mágnesszelep egy elektronikus alkatrész, amely fokozott elektromágneses tekercsfunkcióval és szívóerővel rendelkezik. Az elektromágneses tekercs feszültség alá helyezése után melegíthető vagy mágnesezhető. Fontos különbséget tenni az egyenáramú mágnesszelep és az elektromágneses tekercs jellemzői, valamint alkalmazásuk funkciója között.
Tervezési különbség
Az elektromágneses tekercset a megadott számú kapura tekercselik a beállított követelményeknek megfelelően, a mágnestekercs köré tekerik, és zománcozott huzallal tekercselve használható. A mágnestekercs hozzáadásának célja, hogy egy mágneses magot helyezzen el a közepén, ami növelheti a mágneses erőt, és húzó- és nyomóerőt generál. Például egy egyszerű tekercs által generált erő viszonylag kicsi. Ezzel szemben a mágnesszelep kialakítása szerint az elektromágneses tekercsre egy szénacél házat építenek be, hogy nagyobb erőt hozzanak létre, és a tekercs futási pályája is megváltoztatható a mágnesszelep kialakításában.
Méretbeli eltérések
Az elektromágneses tekercseket általában indukciós tekercsként tervezik, amelyeket vezérlőpanelekre vagy mikroméretű eszközökre szerelnek fel. Például a vezérlőpanelen lévő alkatrész indításához egy érintkezőkapcsolóra van szükség, amely néhány milliméter méretű lehet. Természetesen a létrehozott erő is nagyon kicsi. Alkalmas elektronikus vezérlőtermékekhez, például mobiltelefonokhoz, számítógépekhez, robotokhoz és más precíziós műszerekhez. A tekercsek kialakítása folyamatosan fejlődik és folyamatosan elősegíti a termékfejlesztést.
A mágnesszelepek elektronikus alkatrészek. A nehéz körülmények, például a csapágyak és a vasmagok hozzáadása miatt a mini egyenáramú mágnesszelepek tervezésekor a hossza nem lehet kevesebb, mint 10 mm. A mágnesszelep löketét, erejét és frekvenciáját a teljes tervezés során figyelembe veszik. Ha a mágnesszelep túl kicsi, az elektromágnes tervezési előnye csekély.
Az elektromágnesek és a tekercsek teljesítménye eltérő
Az elektromágneses tekercsek tervezése főként apró mintákon alapul. Amíg a szükséges követelmények teljesítése érdekében elindítható, a precíziós tervezési kritériumok szerint tervezik. Üzemeltetés közben is meg tud felelni a követelményeknek. A mágnesszelep kialakítását az elektromágnes tekercsének menetszáma, lökete, ereje és bekapcsolási frekvenciája határozza meg. Bizonyos követelmények teljesülése esetén az elektromágnes a megfelelő paramétereken belül kiválasztható a megfelelő méret.
Tesztelési adatok
Ha a mágnesszelep mérete 15x10x8 mm, akkor az általa generált löket 1 mm, és bekapcsoláskor 35 gramm húzó-nyomó erőt tud elérni. De az elektromágneses tekercs mérete 10x8 mm, és az általa generált erő körülbelül 15 gramm, ami hosszú távú kapcsolást és 0 mm-es löketet tesz lehetővé. Az elektromágneses tekercs hőelvezetése gyenge, és élettartama a környezeti tényezők miatt instabil lesz. Főleg bizonyos precíziós műszerek fejlesztésére alkalmas. Ha nagyméretű berendezéseken és nagy meghajtókon használják, a tekercs hátrányai jelentősen megnőnek. Maga a tekercs nincs stabilizálva, beszerelve és rögzítve. Külső erő hatására könnyen fizikai károsodást okozhat a tekercsben, ami rendellenességeket okozhat.
A mágnesszelep kialakítása nemcsak védőburkolatot biztosít az elektromágnes tekercséhez, hanem a házburkolat hozzáadásakor az elektromágnes északi és déli pólusait is hozzáadja, így a mágneses vezetőhüvellyel ellátott elektromágnes által generált szívóerő jobb. Az elektromágneses erő egy felugró erő nagytól kicsiig. A mágnesszelep házzal rendelkezik, amely korlátozza a vasmag működési löketét. A létrehozott erő és löket pontosan szabályozható, így a berendezés által igényelt teljesítmény pontosan kiszámítható. Az elektromágneses tekercs nem tudja kielégíteni a precíz erő jellemzőit.
Mágnesszelep jellemzői
- Szabályozható mágnesesség: A mágnesesség megléte vagy hiánya az áram be- és kikapcsolásával szabályozható. A mágnesesség bekapcsolt állapotban van, kikapcsolt állapotban pedig eltűnik. Például egy elektromágneses daru bekapcsolt állapotban nehéz tárgyakat, például acélt tud felemelni, a nehéz tárgyak pedig kikapcsolt állapotban esnek le.
- Állítható mágnesesség: A mágnesesség erősségét az áram nagysága és a tekercsmenetek száma szabályozza. Minél nagyobb az áram és minél több menet van, annál erősebb a mágnesesség. Például reléknél a relék érintkezése és kioldása az áram nagyságának és a tekercsmenetek számának változtatásával szabályozható.
- A mágneses pólus iránya megváltoztatható: a mágneses pólus iránya az áram irányának változtatásával vagy a mágneses tekercselési módszerrel módosítható.
- Erősebb erő: Az egyszerű elektromágneses tekercsekhez képest az elektromágnesek a vasmagnak és a járomnak köszönhetően nagyobb erőt tudnak létrehozni, ami kielégítheti a különféle berendezések, például a nagy emelőberendezések nagyobb erő iránti igényeit.
- Pontos és szabályozható löket és erő: A járom korlátozza a vasmag működési löketét, így a létrehozott erő és löket rendkívül szabályozható és pontos, ami megkönnyíti a berendezés által megkövetelt erő pontos kiszámítását.
Elektromágneses tekercsek jellemzői
- Egyszerű szerkezet: Általában huzaltekercses, viszonylag egyszerű szerkezettel és alacsony gyártási költséggel. A tekercselési menetek száma, alakja és mérete rugalmasan kialakítható a különböző igényeknek megfelelően.
- Mágneses mező generálása: Bekapcsolás után mágneses mező keletkezik körülötte, amely különféle mágneses mezőt igénylő alkalmazásokhoz használható, például elektromágneses indukcióhoz, elektromágneses fűtéshez, vezeték nélküli töltéshez stb.
- Nagy pontosság: egyes precíziós műszerekben, például hallókészülékek mikrotekercseiben, számítógépes merevlemezek induktivitási tekercseiben stb. található elektromágneses tekercsek nagy pontosságúak és nagy stabilitásúak, és megfelelnek a csúcskategóriás berendezések elektromágneses teljesítményre vonatkozó magas követelményeinek.
- Gyenge hőelvezetés: A viszonylag zárt szerkezet miatt a hőelvezetési teljesítmény gyenge. Hosszabb ideig tartó bekapcsolás vagy nagy teljesítményen történő működés esetén a hő könnyen felhalmozódik, ami befolyásolja a teljesítményt és az élettartamot.
- Kis erő: Egy egyszerű elektromágneses tekercs által létrehozott erő kisebb, mint egy elektromágnesé, és alkalmas olyan elektronikus vezérlőtermékekhez, amelyek csak kis erőket igényelnek, például egyes mobiltelefon- és számítógépes alkalmazásokhoz.
Lorentz-erő
Példa: Szolenoid a toroidtekercsben
Egy konkrét példa a szolenoid és annak mágneses terének vizsgálatára a KöMaL P. 4800. feladatából ered. Egy R középkörsugarú, N1 menetszámú toroidtekercsben I1 erősségű áram folyik. A toroid forgásszimmetria-tengelyében egy r sugarú, ℓ hosszú (ℓ≫R), N2 menetű szolenoidot helyeztünk el. A szolenoid a benne folyó áram miatt a belsejében erős (N2-vel arányos) mágneses teret hoz létre, de kívül sem nulla ez a tér.
A szolenoidon kívül egyrészt a véges tekercshossz miatti (a tekercs tengelyével majdnem párhuzamos) szórt tér jelenik meg, másrészt a tekercs tengelye irányában folyó áramnak is van (az áramot „körülölelő”) mágneses tere. A szolenoidból kiáramló mágneses tér nagysága áthalad a toroidon, és ha elég erős, akkor a feladat ábráján látható tekercselési irányok mellett éppen kiolthatja a toroid saját mágneses terének a középkör érintőjének irányába mutató komponensét. (A szolenoid hossztengelyével majdnem párhuzamos szórt mágneses tér természetesen nem válhat nullává, hiszen a toroid mágneses indukciójának nem volt ilyen irányú komponense.)
A részleges kioltás feltétele: B1=B2, vagyis I2=N1I1=150 A. Ekkora áramerősségnek megfelelő B2 mágneses indukció a szolenoid belsejében ΔΦ=B2r^2π mágneses fluxust jelent. Az elektromos térerősség pedig az a) esetben Ea=U/(2Rπ)=0,75·10^-3 V/m lesz. Ahhoz, hogy a toroid mágneses terének érintő irányú komponense az eredeti érték ellenkezőjére változzék, a szolenoid áramát (és ezzel együtt a mágneses terét és a gerjesztett elektromos teret is) kétszeresére kell növelni. Ilyenkor az elektromos térerősség a toroid középköre mentén Eb=2Ea= 1,5·10^-3 V/m lesz.