Elektromagnetisme er en af de grundlæggende kræfter i universet, der er ansvarlig for alt fra elektriske og magnetiske felter til lys. Oprindeligt troede forskere, at magnetisme og elektricitet var separate kræfter. Men i slutningen af det 19. århundrede ændrede denne opfattelse sig, da forskning endeligt viste, at positive og negative elektriske ladninger var styret af en styrke (dvs. magnetisme).
Siden den tid har forskere forsøgt at teste og måle elektromagnetiske felter og genskabe dem. Til dette formål skabte de elektromagneter, en enhed der bruger elektrisk strøm til at inducere et magnetfelt. Og siden deres oprindelige opfindelse som et videnskabeligt instrument, er elektromagneter blevet et regelmæssigt træk ved elektroniske enheder og industrielle processer.
Elektromagneter adskilles fra permanente magneter, idet de kun viser en magnetisk tiltrækning til andre metalliske genstande, når en strøm ledes gennem dem. Dette giver adskillige fordele, idet kraften i dens magnetiske tiltrækning kan styres og tændes og slukkes efter ønske. Det er af denne grund, at de bruges i vid udstrækning inden for forskning og industri, uanset hvor der kræves magnetiske interaktioner.
Elektromagnets historie:
Den første registrerede opdagelse af forholdet mellem elektricitet og magnetisme fandt sted i 1820, da den danske videnskabsmand Hans Christian Orsted bemærkede, at nålen på hans kompas pegede væk fra magnetisk nord, når et nærliggende batteri blev tændt. Denne afbøjning overbeviste ham om, at magnetiske felter stråler fra alle sider af en ledning, der bærer en elektrisk strøm, ligesom lys og varme gør.
Kort derefter offentliggjorde han sine fund og viste matematisk, at en elektrisk strøm producerer et magnetfelt, når det strømmer gennem en ledning. Fire år senere udviklede den engelske forsker William Sturgeon den første elektromagnet, der bestod af et hesteskoformet stykke jern indpakket med kobbertråd. Når strøm passerede gennem ledningen, ville den tiltrække andre jernstykker, og da strømmen blev stoppet, mistede den magnetisering.
Selvom Sturgeons elektromagnet er svag efter moderne standarder, demonstrerer det deres potentielle nyttighed. På trods af kun en vægt på 200 gram (7 ounces) kunne den løfte genstande, der vejer ca. 4 kg (9 pund) med kun strømmen til et enkeltcellebatteri. Som et resultat begyndte forskningen at intensiveres til både elektromagneter og arten af elektrodynamik.
I 1930'erne foretog den amerikanske videnskabsmand Joseph Henry en række forbedringer i designen af elektromagneten. Ved at bruge isoleret ledning var han i stand til at placere tusindvis af ledninger på en enkelt kerne. Som et resultat kunne en af hans elektromagneter bære så meget som 936 kg (2.063 lbs) vægt. Dette skulle have en populariserende virkning på brugen af elektromagneter.
Typer af elektromagneter:
En elektrisk strøm, der flyder i en ledning, skaber et magnetfelt omkring ledningen på grund af Ampere's lov. Denne lov hedder, at summen af længdeelementerne gange magnetfeltet i retningen af længdelementet for enhver lukket sløjfe er lig med permeabiliteten gange den elektriske strøm, der er lukket i løkken.
For at koncentrere magnetfeltet i en elektromagnet vikles ledningen mange gange ind i en spole for at sikre, at drejetråden ligger side om side langs kanten. Det magnetiske felt, der genereres af ledningerne, går gennem midten af spolen og skaber et stærkt magnetfelt der. Den side af magneten, som feltlinjerne kommer ud fra, defineres som den Nordpolen.
En trådspole, der har form af en helix, kaldes en "solenoid". Imidlertid kan meget stærkere magnetiske felter produceres, hvis et ferromagnetisk materiale (dvs. jern) anbringes inde i spolen. Dette kaldes en "ferromagnetisk kerne" (eller "jern-kerneelektromagnet"), der kan generere et magnetfelt tusind gange styrken af en spole alene.
Så er det, der er kendt som en "toirodal kerne", hvor ledningen er viklet rundt om en ferromagnetisk kerne, har form af en lukket sløjfe (alias magnetisk kredsløb). I dette tilfælde har de magnetiske felter form af en lukket sløjfe og giver således meget mindre "modstand" over magnetfeltet end luft. Som et resultat kan et stærkere felt opnås, hvis det meste af magnetfeltets bane er inden i kernen.
Og så er der "superledende" elektromagneter, der er sammensat af spiraltråd fremstillet af superledende materialer (såsom niobium-titan eller magnesiumdiborid). Disse ledninger holdes også ved kryogene temperaturer for at sikre, at den elektriske modstand er minimal. Sådanne elektromagneter kan lede meget større strømme end almindelig ledning, hvilket skaber de stærkeste magnetiske felter i enhver elektromagnet, samtidig med at de er billigere at betjene på grund af, at der ikke er energitab.
Moderne anvendelser til elektromagneter:
I dag findes der utallige applikationer til elektromagneter, der spænder fra store industrielle maskiner til små elektroniske komponenter. Derudover bruges elektromagneter i vid udstrækning med henblik på udførelse af videnskabelig forskning og eksperimenter, især hvor superledningsevne og hurtig acceleration kræves.
I tilfælde af elektromagnetiske solenoider anvendes de overalt, hvor et ensartet (dvs. styret) magnetfelt er nødvendigt. Det samme gælder for jern-kerneelektromagnet, hvor en jern eller anden ferromagnetisk kerne kan indsættes eller fjernes for at forstærke magnetens feltstyrke. Som et resultat findes magnetsmagneter ofte i elektroniske paintball-markører, pinball-maskiner, prikmatrixprintere og brændstofinjektorer, hvor magnetisme påføres og kontrolleres for at sikre den kontrollerede bevægelse af specifikke komponenter.
I betragtning af deres evne til at generere meget magtfulde magnetiske felter, lav modstand og høj effektivitet findes superledende elektromagneter ofte i videnskabeligt og medicinsk udstyr. Disse inkluderer MRI (Magnetic Resonance Imaging) maskiner på hospitaler og videnskabelige instrumenter som NMR-spektrometre, massespektrometre og også partikelacceleratorer.
Elektromagneter bruges også i vid udstrækning, når det kommer til musikudstyr. Disse inkluderer højttalere, øretelefoner, elektriske klokker og magnetisk indspilnings- og datalagringsudstyr - såsom båndoptagere. Multimedia- og underholdningsindustrien er afhængig af elektromagneter til at oprette enheder og komponenter, såsom videobåndoptagere, og harddiske.
Elektriske aktuatorer, der er motorer, der er ansvarlige for at konvertere elektrisk energi til mekanisk drejningsmoment, er også afhængige af elektromagneter. Elektromagnetisk induktion er også de midler, gennem hvilke krafttransformatorer fungerer, som er ansvarlige for at øge eller reducere spændingerne i vekselstrøm langs kraftledninger.
Induktionsopvarmning, der bruges til madlavning, fremstilling og medicinsk behandling, var også afhængig af elektromagneter, der omdanner elektrisk strøm til varmeenergi. Elektromagneter bruges også til industrielle anvendelser, såsom magnetiske løftere, der bruger magnetisk tiltrækning til at løfte tunge genstande eller magnetiske separatorer, der er ansvarlige for at sortere ferromagnetiske metaller fra skrotmetal.
Og sidst, men bestemt ikke mindst, er der anvendelsen af maglev-tog. Ud over at bruge elektromagnetisk kraft for at give et tog mulighed for at løfte over et spor, er superledende elektromagneter også ansvarlige for at fremskynde togene til høje hastigheder.
Kort sagt, brugen af elektromagneter er praktisk talt ubegrænset, hvilket tænker alt fra forbrugerenheder og tungt udstyr til massetransport. I fremtiden kan de også være ansvarlige for rumfart, hvor ionfremdrivningssystemer bruger magnetiske felter til at accelerere ladede partikler (dvs. ioner) og opnå tryk.
Vi har skrevet mange interessante artikler om elektromagneter her på Space Magazine. Her er hvem der opdagede elektricitet ?, Hvad er magneter lavet af ?, Hvordan fungerer magneter ?, Jordens magnetfelt og fremdrift af ion.
For mere information, skal du tjekke NASAs uddannelsesressourcer til at eksperimentere med elektromagneter og jordens rolle som en elektromagnet og oprettelsen af Auroras og NASA-bølgelængde's side om elektromagneter.
How Stuff Works har også en fantastisk side med titlen “Introduktion til, hvordan elektromagneter fungerer”, og det nationale højmagnetiske feltlaboratorium (MagLab) har nogle vidunderlige artikler om elektromagneter, hvordan man laver dem og hvordan de fungerer.
Du kan også tjekke Astronomy Cast. Afsnit 103 handler om elektromagnetiske kræfter.
