Электромагниты являются неотъемлемой частью электрических машин, многих устройств промышленной автоматики, аппаратуры регулирования и защиты разнообразных электротехнических установок.
Развивающейся областью применения электромагнитов является медицинская аппаратура. Наконец, гигантские электромагниты для ускорения элементарных частиц применяются в синхрофазотронах.
Вес электромагнитов колеблется от долей грамма до сотен тонн, а потребляемая при их работе электрическая мощность – от милливатт до десятков тысяч киловатт.
Особой областью применения электромагнитов являются электромагнитные механизмы. В них электромагниты используются в качестве привода для осуществления необходимого поступательного перемещения рабочего органа или поворота его в пределах ограниченного угла, или для создания удерживающей силы.
Примером подобных электромагнитов являются тяговые электромагниты, предназначенные для совершения определенной работы при перемещении тех или иных рабочих органов; электромагнитные замки; электромагнитные муфты сцепления и торможения и тормозные электромагниты; электромагниты, приводящие в действие контактные устройства в реле, контакторах, пускателях, автоматических выключателях; подъемные электромагниты, электромагниты вибраторов и т.п.
В ряде устройств наряду с электромагнитами или взамен их используются постоянные магниты (например, магнитные плиты металлорежущих станков, тормозные устройства, магнитные замки и т.п.).
2.6 Примеры использования электромагнитов
Электромагнитные подъемные краны. На заводах применяются электромагнитные подъемные краны, которые могут переносить огромные грузы без их крепления. Здесь используются электромагниты. Пока в обмотке электромагнита есть ток, ни одна железное тело не упадет с него. Но если ток в обмотке почему-либо прервется, авария неизбежна. И такие случаи бывали.
Чтобы избежать повторения подобных несчастных случаев, а также с целью сэкономить потребление электрической энергии, при электромагнитах стали устраивать особые приспособления.
После того как переносимые предметы подняты магнитом, сбоку опускаются и плотно закрываются прочные стальные подхватки, которые затем сами поддерживают груз, ток же во время транспортировки прерывается.
В морских портах для перегрузки металлолома используются, наверное, самые мощные круглые грузоподъемные электромагниты. Их масса достигает 10 тонн, грузоподъемность до 64 тонн, а отрывное усилие до 128 тонн.
В зависимости от назначения электромагниты могут весить от долей грамма до сотен тонн и потреблять электрическую мощность – от долей ватта до десятков мегаватт.
Электрический звонок
Рисунок 2.12 – Принципиальная электрическая схема звонка
Школьный звонок, квартирный звонок имеют подобную электрическую схему.
После подсоединения контактов 1 и 2 в соответствии с рисунком 2.12 к выходу источника тока по замкнутой цепи начинает протекать электрический ток (часть якоря Я выполняет роль проводника в этой электрической цепи, именно через якорь течет электрический ток и только первоначальное положение якоря создает замкнутую электрическую цепь). Вокруг электромагнита Э возникает магнитное поле и притягивает к себе железный якорь Я. Электрическая цепь размыкается и магнитное поле пропадает. Якорь возвращается в первоначальное положение, ударяясь своим другим концом о металлическую чашку (слышен звук удара). При возвращении якоря в первоначальное положение цепь опять замыкается, и по ней снова начинает течь электрический ток. Опять образуется вокруг электромагнита магнитное поле, и все начинается поновой.
Автопогрузчик с магнитным ковшом. Обычный автопогрузчик для сбора металлолома оборудован электромагнитом. Разбросанные по земле железные тела сами притягиваются внутрь ковша, облегчая погрузку и перенос груза.
Очистка крови с помощью электромагнита. Очень перспективный метод очистки крови при серьезных заражениях крови, которые не поддаются медикаментозной очистке, разработан медиками. Создан безвредный для организма солевой раствор, содержащий мельчайшие железные шарики, покрытые реагентом. Реагент способен «прилипать» к определенному виду вредных микробов, которые появляются в крови человека при болезнях. Раствор вводится в организм человека, а затем кровь с раствором пропускается через электромагнитную установку, которая «отлавливает» и удаляет из крови железные частицы с налипшими на них бактериями.
3. Катушка индуктивности
3.1 Физическая природа индуктивности
Катушки индуктивности обладают свойством оказывать реактивное сопротивление переменному току при незначительном сопротивлении постоянному току. Совместно с конденсаторами они используются для создания фильтров, осуществляющих частотную селекцию электрических сигналов, а так же для создания элементов задержки сигналов и запоминающих элементов, осуществления связи между цепями через магнитный поток и т.д.
В отличие от резисторов и конденсаторов они не являются стандартизованными изделиями, а изготавливаются для конкретных целей и имеют такие параметры, которые необходимы для осуществления тех или иных преобразований электрических сигналов, токов и напряжений.
Функционирование катушек индуктивности основано на взаимодействии тока и магнитного потока. Известно, что при изменении магнитного потока Ф в проводнике, находящемся в магнитном поле, возникает ЭДС, определяемая скоростью изменения магнитного потока
(3.1)
Поэтому при подключении к проводнику источника постоянного напряжения ток в нем устанавливается не сразу, так как в момент включения изменяется магнитный поток и в проводе индуцируется ЭДС, препятствующая нарастанию тока, а спустя некоторое время, когда магнитный поток перестает изменяться.
Если же к проводнику подключен источник переменного напряжения, то ток и магнитный поток будут изменяться непрерывно и наводимая в проводнике ЭДС будет препятствовать протеканию переменного тока, что эквивалентно увеличению сопротивления проводника.
Чем выше частота изменения напряжения, приложенного к проводнику, тем больше величина ЭДС, наводимая в нем, следовательно, тем больше сопротивление, оказываемое проводником протекающему току. Это сопротивление XL не связано с потерями энергии, поэтому является реактивным. При изменении тока по синусоидальному закону наводимая ЭДС будет равна
(3.2)
Она пропорциональна частоте w, а коэффициентом пропорциональности является индуктивность L. Следовательно, индуктивность характеризует способность проводника оказывать сопротивление переменному току. Величина этого сопротивления ХL=wL
Индуктивность короткого проводника (мкГн) определяется его размерами:
(3.3)
где l – длина провода в см,
d – диаметр провода в см.
Если провод намотан на каркас, то образуется катушка индуктивности. В этом случае магнитный поток концентрируется и величина индуктивности возрастает.
3.2 Общие сведения о катушках индуктивности
Катушка индуктивности представляет собой свёрнутый в спираль изолированный проводник, обладающий значительной индуктивностью при относительно малой ёмкости и малом активном сопротивлении.
Катушка индуктивности состоит из одножильного, реже многожильного, изолированного провода, намотанного на каркас из диэлектрика цилиндрической, тороидальной или прямоугольной формы в соответствии с рисунком 3.1, существуют также бескаркасные катушки индуктивности.
Намотка бывает однослойная (рядовая и с шагом) и многослойная (рядовая, внавал, универсальная).
Для увеличения индуктивности применяют сердечники из ферромагнитных материалов: электротехнической стали, пермаллоя, карбонильного железа, ферритов. Сердечники используют также для изменения индуктивности резонансных контуров в небольших пределах.
Значение индуктивности катушки индуктивности пропорционально линейным размерам катушки, квадрату числа витков намотки и магнитной проницаемости сердечника и изменяется от десятых долей мкгн до десятков гн.
К основным параметрам катушки индуктивности относятся сопротивление потерь, добротность, температурный коэффициент индуктивности, собственная ёмкость.
Катушки индуктивности широко применяют в качестве элементов фильтров и колебательных контуров, в трансформаторах, в качестве дросселей, в реле, магнитных усилителях, электромагнитах и др.
Рисунок 3.1 – Катушки индуктивности:
а) цилиндрическая однослойная;
б) тороидальная многослойная;
в) с цилиндрическим сердечником;
г) с П-образным сердечником;
д) образцовая индуктивность на керамическом тороиде;
1 – намотка (провод);
2 – каркас;
3 – сердечник;
h – длина намотки;
d – внутренний диаметр намотки;
D – наружный диаметр намотки.
3.3 Соленоид
Соленоид – катушка индуктивности, выполненная в виде намотанного на цилиндрический каркас изолированного проводника, по которому течет электрический ток. Соленоид представляет собой систему круговых токов одинакового радиуса, имеющих общую ось в соответствии с рисунком 3.2-а.
Рисунок 3.2 – Соленоид и его магнитное поле
Если мысленно разрезать витки соленоида поперек, обозначить направление тока в них, как было указано выше, и определить направление магнитных индукционных линий по «правилу буравчика», то магнитное поле всего соленоида будет иметь такой вид, как показано на рисунке 3.2-б.
На оси бесконечно длинного соленоида, на каждой единице длины которого намотано n0 витков, напряженность поля определяется формулой:
Н = In0 (3.4)
В том месте, где магнитные линии входят в соленоид, образуется южный полюс, где они выходят – северный полюс.
Для определения полюсов соленоида пользуются «правилом буравчика», применяя его следующим образом: если расположить буравчик вдоль оси соленоида и вращать его по направлению тока в витках соленоида, то поступательное движение буравчика покажет направление магнитного поля в соответствии с рисунком 3.3.
Рисунок 3.3 – Применение правила буравчика
Соленоид, внутри которого находится стальной (железный) сердечник в соответствии с рисунком 3.4, называется электромагнитом. Магнитное поле у электромагнита сильнее, чем у соленоида, так как кусок стали, вложенный в соленоид, намагничивается и результирующее магнитное поле усиливается.
Полюсы у электромагнита можно определить, так же как и у соленоида, по «правилу буравчика».
Рисунок 3.4 – Полюса соленоида
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8
