Elektromagnet

Elektromagnet on seadis magnetvälja tekitamiseks elektrivoolu abil, mis läbib juhtmekeerdudest koosnevat mähist. Elektromagneti avaldatav jõud on võrdeline keerdusid läbiva vooluga ja keerdude arvuga. Enamasti on elektromagnetil ferromagneetikust südamik. Südamik võib olla pulga-, U- (hobuseraua) või E-kujuline, moodustades avatud magnetahela. Olenevalt kasutuse eesmärgist eristatakse väljamagneteid ja jõumagneteid. Väljamagnetite peamine tunnussuurus on tekitatav magnetinduktsioon (teslades). Nende ehitus oleneb magneeditava ruumiosa kujust ja mõõtmetest. Väljaelektromagneteid kasutatakse näiteks magnetresonantstomograafias, osakestekiirendites ja termotuumareaktorites. Jõumagneteid iseloomustatakse liikumapaneva jõuga, nt tõstejõuga (njuutonites); neil magneteil võib olla liikuv ferromagnetiline osa – ankur, mis ühendatakse täiturmehhanismiga. Nende elektromagnetite tüüpilised kasutuskohad on elektromehaanilised releed, kaitselülitid, magnetpidurid ja -sidurid. Suuri elektromagneteid (mille tõstejõudu mõõdetakse meganjuutonites) kasutatakse ferromagnetiliste esemete eraldamiseks ja teisaldamiseks. Elektromagnetina võib käsitada ka näiteks elektrimasina staatorit. 1820. aastatel avastas Hans Christian Ørsted elektrivoolu omaduse tekitada magnetvälja. Esimene töötav magnet valmis 1824. aastal William Sturgeoni käe all. See oli hobuserauakujuline rauddetail, mille ümber oli keritud 18 keerdu paljast (isoleerimata) vasktraati, kuna see oli ainus tol ajal käepärane juhtmematerjal. Kui vasktraadist juhiti läbi elektrivool, magneetus raudsüdamik ning tõmbas enda poole teisi rauast esemeid. Raud püsis magneetunud olekus seni, kuni vasktraadist mähise otste vahele rakendati pinget. Tolle aja kohta oli magnet üpris tugev: kaaludes ise 200 grammi, suutis ta tõsta kuni 4 kilogrammi. Järgneval aastakümnel tuli Ameerika teadlane Joseph Henry välja elektromagnetiga, mille raudsüdamiku ümber keritud traat olid kaetud siidiga. See võimaldas kasutada mitmekihilist mähist ja seega luua palju tugevamaid magneteid, mis suutsid tõsta juba 936 kilogrammi. Praktikas leidsid elektromagnetid kõigepealt rakendamist telegraafiaparaatides. Kõige lihtsamaks elektromagnetiks võib pidada traadikeerdudest solenoidi, mille sees saab liikuda silindriline raudsüdamik. Kui solenoidi juhtida vool, siis tekkiv magnetväli paneb südamiku liikuma. Liikumine tekib vaid siis, kui südamik on väljaspool tasakaaluasendit. Tasakaaluasendi puhul seisab südamik täpselt solenoidi keskel. Südamikule avaldub kõige suurem jõud, kui üks selle otspunktidest on solenoidi keskel. Siis mõjub südamikule jõud F {\displaystyle F} : F = c S w I / l {\displaystyle F=cSwI/l} , kus c {\displaystyle c} on konstant, S {\displaystyle S} on südamiku ristlõike pindala, w {\displaystyle w} on solenoidi keerdude arv, I {\displaystyle I} on solenoidi läbiv vool ning l {\displaystyle l} on solenoidi pikkus. Lähtudes Ampère'i seadusest tekitab juhti läbiv elektrivool selle ümber magnetvälja. Magnetvälja tõhustamiseks keritakse juhe keerduddena üksteise kõrvale. Magnetvälja suuna saab leida parema käe reegliga. Solenoidi sisse paigutatav ferromagnetiline südamik võib suurendada magnetinduktsiooni tuhandeid kordi., tulenevalt raua suurest magnetiline läbitavusest. Solenoidi sees paiknev magneetik koosneb domeenidest (aladest), mis käituvad kui väiksed eraldiseisvad magnetid. Ilma välise magnetväljata on domeenide suund juhuslik ning nende magnetväljad töötavad üksteisele vastu. Juhtides elektrivoolu läbi solenoidi korrastab solenoidi magnetväli raudsüdamikus olevad domeenid, muutes need paralleelseks solenoidi magnetväljaga, niiviisi seda tugevdades. Läbijuhitava voolu suurenemisel tugevneb ka magnetväli võrdeliselt, kuid ainult teatud piirini, kuni hakkab mõju avaldama magnetiline küllastus (vt lähemalt Magnetiline hüsterees). Elektrivoolu katkestamisel lähevad domeenid lähteolekusse ning magnetväli kaob. Elektromagnetit iseloomustab suur induktiivsus. Voolu sisselülitamisel toimub elektrienergia arvel mähise magnetvälja kiire ülesehitamine, millega võib kaasneda lühiajaline pingelangus, kui toitevõrk pole piisavalt võimas. Kui elektromagneti mähisest vool välja lülitatakse, peab mähisesse salvestunud magnetvälja energia kiiresti vabanema. See saab toimuda elektrilahenduse kujul, mis võib avalduda sädemena või elektrikaarena lüliti kontaktide vahel. Seepärast ühendatakse kontaktidega rööbiti kondensaator, mis on suuteline mahutama pooli magnetväljast vabaneva energia ja hoiab niiviisi ära kontakte kahjustava lahenduse. Magnet Induktiivpool Nave, Carl R. (2012). "Electromagnet". Hyperphysics. Dept. of Physics and Astronomy, Georgia State Univ. Vaadatud 24.11.2016. ENE 2. köide, 1987, lk 523 Merzouki, Rochdi; Samantaray, Arun Kumar; Pathak, Pushparaj Mani (2012). Intelligent Mechatronic Systems: Modeling, Control and Diagnosis. Springer Science & Business Media. Lk 403–405. ISBN 144714628X. Dawes, Chester L. (1967). "Electrical Engineering". Baumeister, Theodore (toim). Standard Handbook for Mechanical Engineers (7th ed.). McGraw-Hill. P. 15–105. Sturgeon, W. (1825). "Improved Electro Magnetic Apparatus". Trans. Royal Society of Arts, Manufactures, & Commerce. London. 43: 37–52. cited in Miller, T.J.E (2001). Electronic Control of Switched Reluctance Machines. Newnes. Lk 7. ISBN 0-7506-5073-7. Windelspecht, Michael. Groundbreaking Scientific Experiments, Inventions, and Discoveries of the 19th Century, xxii, Greenwood Publishing Group, 2003, ISBN 0-313-31969-3. Cavicchi, Elizabeth. "Series and Parallel Experimenting with Electromagnets" (PDF). Pavia Project Physics, Univ. of Pavia, Italy. Vaadatud 24.11.2016. {{cite journal}}: viitemall journal nõuab parameetrit |journal= (juhend) Sherman, Roger (2007). "Joseph Henry's contributions to the electromagnet and the electric motor". The Joseph Henry Papers. The Smithsonian Institution. Vaadatud 24.11.2016. Millikin, Robert; Bishop, Edwin (1917). Elements of Electricity. Chicago: American Technical Society. Lk 125. Fleming, John Ambrose (1892). Short Lectures to Electrical Artisans, 4th Ed. London: E.& F. N. Spon. Lk 38–40. Gates, Earl (2013). Introduction to Basic Electricity and Electronics Technology. Cengage Learning. Lk 184. ISBN 1133948510. Shipman, James; Jerry, Wilson; Todd, Aaron (2009). Introduction to Physical Science (12 ed.). Cengage Learning. Lk 205–206. ISBN 1111810281.