Elektromagnesy i ich zastosowanie
Elektromagnesy
Elektromagnes jest to zwojnica (inaczej solenoid lub potocznie cewka) z rdzeniem w środku wykonanym z ferromagnetyka, w której płynie prąd. Rdzeniem jest na ogół stal miękka czyli niehartowana. Szybko się ona magnesuje, a po ustąpieniu zewnętrznego pola magnetycznego szybko się rozmagnesowuje. W elektromagnesach prądu przemiennego (natężenie i napięcie zmienia się sinusoidalnie) rdzenie wykonuje się z blach poprzedzielanych izolacją w celu zmniejszenia strat energii powodowanych prądami wirowymi.
Pierwszy elektromagnes zbudował Wiliam Sturgeon w 1823 roku. Zwinął on wokół żelaznej sztabki izolowany drut miedziany. W czasie przepływu prądu układ ten stawał się silnym magnesem. Od tamtej pory elektromagnes znalazł mnóstwo zastosowań praktycznych.
Pole magnetyczne wytwarzane przez elektromagnes wzrasta po zwiększeniu liczby zwojów lub natężenia przepływającego prądu przy stałej długości zwojnicy. Im więcej cewka ma zwojów oraz im większy przepływa przez nią prąd, tym silniejsze jest pole magnetyczne elektromagnesu.
Obecnie najsilniejsze elektromagnesy buduje się przy użyciu cewek nadprzewodzących. Są one wykonane z materiałów zwanych nadprzewodnikami, nie wykazujących żadnego oporu elektrycznego w bardzo niskich temperaturach (poniżej -200oC). Fizycy szukają tanich nadprzewodników wysokotemperaturowych co rozpowszechni silne elektromagnesy nadprzewodzące.
Niektóre zastosowania elektromagnesu
Elektromagnesy znajdują się w prądnicach czyli urządzeniach do wytwarzania prądu elektrycznego i silnikach elektrycznych stosowanych w najróżnorodniejszych urządzeniach.
Elektromagnesy znajdują się w automatycznych bezpiecznikach domowej instalacji elektrycznej i wyłącznikach nadmiarowych w elektrycznych stacjach zasilających. Przy zbyt dużym prądzie wytworzone pole magnetyczne przerywa jego przepływ.
W telewizorach odchylają one wiązki elektronów, które padają na ekran i tworzą obraz telewizyjny. W telefonie elektromagnes porusza membraną słuchawki, dzięki czemu powstaje słyszany przez nas dźwięk. W głośniku zmienny sygnał elektryczny pochodzący ze wzmacniacza dociera do elektromagnesu, który na przemian przyciąga i odpycha magnes z membraną co powoduje drgania i wytwarzanie dźwięku.
Elektromagnesy wchodzą w skład głowic zapisujących i odczytujących informacje na magnetycznych nośnikach: taśmach magnetofonowych, dyskach twardych komputerów i dyskietkach. Dyski twarde mają postać sztywnych krążków składających się z podłoża z metalu lub szkła (dlatego nazywane są "twardymi"), na których jest osadzona warstwa materiału magnetycznego, będąca nośnikiem informacji. W początkowym okresie ich rozwoju warstwę magnetyczną tworzyły drobne granulki tlenku żelazowego (Fe2O3), podobnie jak w taśmach magnetycznych. Z czasem materiał granulowany ustąpił miejsca cienkim warstwom stopów metali (lub ich strukturom wielowarstwowym), w których głównym składnikiem jest zwykle kobalt. Warstwy te pokrywają całą czynną powierzchnię dysku. Dzięki swym lepszym właściwościom magnetycznym warstwy pozwalają osiągać znacznie większe gęstości zapisu informacji. Informacja jest zapisywana na dysku przez głowicę, która wytwarza impulsy pola magnetycznego w postaci ciągów, odpowiadających reprezentacji binarnej zapisywanych informacji. Odczytuje ta sama głowica, w której wskutek ruchu dysku jest indukowane napięcie w postaci podobnego ciągu impulsów. Ten sposób odczytywania informacji jest nazywany indukcyjnym. Jego wadą jest konieczność stosowania różnych gęstości zapisu - tym mniejszych, im bliżej środka dysku.
W dzwonku elektrycznym po włączeniu prądu elektromagnes przyciąga młoteczek do dzwonka. Ruch młoteczka przerywa obwód elektryczny i sprężynujący młoteczek powraca do poprzedniej pozycji. Wówczas prąd zaczyna znowu płynąć i sytuacja się powtarza. dzwonek dzwoni tak długo, aż prąd zostanie wyłączony.
Potężne elektromagnesy są często używane w składnicach złomu. Po wyłączeniu prądu pole znika i wtedy unoszony ładunek spada. Podobnie w stoczniach służą do transportu blach stalowych, a w halach produkcyjnych utrzymują ciężkie części stalowe obróbce mechanicznej.
Potężne elektromagnesy wykorzystane są w akceleratorach czyli urządzeniach do przyspieszania naładowanych cząstek. Umożliwiają one badanie zderzeń cząstek, wytwarzanie nowych cząstek elementarnych, poznawanie nowo odkrytych obiektów i testowanie nowych teorii. Największym ośrodkiem badawczym fizyki cząstek elementarnych na świecie jest Europejskie Laboratorium Fizyki Cząstek Elementarnych, w którym największy akcelerator zbudowany z nadprzewodzących elektromagnesów ma obwód 27 kilometrów.
Elektromagnesy nadprzewodzące mają również ogromne zastosowanie w medycynie. Są istotną częścią komputerowych tomografów, które dzięki wykorzystaniu magnetycznego rezonansu jądrowego pozwalają uzyskać bezdotykowo obrazy wnętrza ludzkiego ciała. Badanie tomograficzne polega na umieszczeniu pacjenta w nadprzewodzącej cewce i włączeniu silnego pola magnetycznego. W stronę badanego obrazu ciała kierowane są następne sygnały radiowe. Jądra atomów z tego obszaru ciała wytwarzają słabe sygnały elektromagnetyczne, wykrywane przez system detekcyjny. Komputer zbiera te sygnały i na ich podstawie tworzy obraz wnętrza organizmu.