Elektromagnes – budowa, zasada działania i zastosowanie

Elektromagnes – budowa, zasada działania i zastosowanie

Elektromagnes wytwarza pole magnetyczne, gdy przepływa przez niego prąd elektryczny. Ma to wiele praktycznych zastosowań, np. w zamkach czy głośnikach, a nawet w sprzęcie medycznym.

Do budowy prostego elektromagnesu wystarczy choćby gwóźdź i krótki kawałek drutu. Jaka jest więc zasada działania elektromagnesów?

Czego dowiesz się z tego artykułu?

Z tego artykułu dowiesz się, czym jest oraz jak działa elektromagnes. Oprócz tego poznasz historię wynalezienia tego elementu i dowiesz się, jak można samodzielnie zbudować prosty elektromagnes.

Co więcej, poznasz liczne zastosowania dla tego typu elementów – od takich, z którymi spotykasz się prawie codziennie (np. wchodząc do budynku za pomocą domofonu), aż po bardziej zaawansowane (takie jak np. lewitacja magnetyczna czy wykonywanie skomplikowanych badań medycznych).

Czym jest (elektro)magnes?

Elektromagnes to elektryczny magnes lub inaczej – magnes sterowany elektrycznie. Aby omówić jego działanie, punktem wyjścia musi być klasyczny magnes trwały. Określenie „magnes” (nie mylić z pierwiastkiem magnez, który z magnetyzmem nie ma nic wspólnego) pochodzi od jednego ze starożytnych greckich miast o nazwie Magnezja, w pobliżu którego znajdowano dziwne kawałki skały (zwanej dziś magnetytem) przyciągające przedmioty z żelaza.

Przykładowe magnesy trwałe (neodymowe)

Przykładowe magnesy trwałe (neodymowe)

Czym są materiały ferromagnetyczne?

Dziś oprócz żelaza i magnetytu znamy znacznie więcej materiałów, które w pewnych warunkach mają właściwości magnesu. Są to tzw. materiały ferromagnetyczne, a określenie to pochodzi od łacińskiej nazwy żelaza (łac. ferrum). Oprócz żelaza (Fe) najbardziej znanymi materiałami ferromagnetycznymi są nikiel (Ni) i kobalt (Co), a także mnóstwo stopów i spieków metali oraz tlenków metali.

Czym jest elektromagnes?

Elektromagnes to proste urządzenie wytwarzające pole magnetyczne tylko wtedy, gdy płynie przez nie prąd elektryczny. Parametry takiego elektromagnesu wyznaczamy m.in. przez wielkość i kierunek prądu – im prąd jest większy, tym pole magnetyczne będzie silniejsze. Kierunek przepływu prądu wpływa na biegunowość elektromagnesu.

Elektromagnes a solenoid

Niektórzy (opierając się na literaturze anglojęzycznej) traktują elektromagnes i solenoid jako jedno i to samo. Owszem, elektromagnes może być solenoidem, ale solenoid to jedynie nazwa specjalnego rodzaju cewki, której długość jest znacznie większa od jej średnicy. Wiele elektromagnesów nie jest więc solenoidami.

Przykładowy solenoid – cewka o specyficznym kształcie

Przykładowy solenoid – cewka o specyficznym kształcie

Jak działa elektromagnes?

Jak już wiemy, elektromagnes wytwarza pole magnetyczne podczas przepływu prądu elektrycznego. Co ciekawe, niewielkie pole magnetyczne wytwarza każdy najzwyklejszy przewód, przez który płynie prąd elektryczny. Silniejsze pole magnetyczne zostanie wytworzone, gdy taki przewód zostanie zwinięty w pętlę – zwój. Poniższy rysunek pokazuje, dlaczego zwinięcie w pętlę zwiększa siłę pola magnetycznego wewnątrz tej pętli.

Zwinięcie przewodu w pętlę zwiększa siłę pola magnetycznego

Zwinięcie przewodu w pętlę zwiększa siłę pola magnetycznego

Pole magnetyczne będzie jeszcze silniejsze, gdy takich zwojów będzie więcej – im więcej, tym lepiej. „Siła elektromagnesu” jest więc proporcjonalna do liczby zwojów i do płynącego prądu. A ponadto wytwarzane pole magnetyczne może być dużo silniejsze, jeżeli dodatkowo zostanie zastosowany rdzeń z materiału ferromagnetycznego.

Od razu uściślijmy: rdzeń w elektromagnesie nie jest magnesem trwałym (wyjątek to elektromagnesy polaryzowane i bistabilne), ale musi być wykonany z materiału ferromagnetycznego, który staje się silnym magnesem, gdy przez owinięte na nim uzwojenia popłynie prąd.

Nawet małe dławiki podczas pracy stają się (słabymi) elektromagnesami

Nawet małe dławiki podczas pracy stają się (słabymi) elektromagnesami

W nielicznych zastosowaniach stosuje się elektromagnesy bez rdzenia. Większość elektromagnesów ma jakiegoś rodzaju rdzeń z materiału ferromagnetycznego. Takim rdzeniem może być nawet najzwyklejszy stalowy gwóźdź – właśnie w taki sposób można zbudować samodzielnie prosty elektromagnes (o bardzo kiepskich parametrach).

Przykładowy elektromagnes DIY (wystarczy gwóźdź z wieloma zwojami zwykłego przewodu lub drutu z izolacją)

Przykładowy elektromagnes DIY (wystarczy gwóźdź z wieloma zwojami zwykłego przewodu lub drutu z izolacją)

Do czego służy elektromagnes?

Najogólniej pisząc, elektromagnesy służą do wytworzenia pola magnetycznego (często bardzo silnego). Jednak przeważnie nie chodzi o samo pole magnetyczne, tylko o wytworzenie siły przyciągania lub (znacznie rzadziej) odpychania. Zastosowań tych jest bardzo dużo – z niektórych na pewno mało kto zdaje sobie sprawę, stąd sekcja ta będzie wyjątkowo obszerna.

Elektromagnesy w zamkach, dźwigach, dzwonkach i TV

Osobom starszym słowo „elektromagnes” może kojarzyć się głównie z klasycznym dzwonkiem do drzwi, w którym elektromagnes rzeczywiście odgrywa kluczową rolę. Jednak nawet im elektromagnes zapewne mniej kojarzy się z dawnymi telewizorami i ich lampą kineskopową – obraz na ekranie powstawał właśnie wskutek działania elektromagnesów, nazywanych cewkami odchylającymi.

Zasada działania dzwonka elektromagnetycznego: elektromagnes (E) przyciąga element uderzający (A) w gong (B), następuje przerwanie obwodu (T) i cykl rozpoczyna się od nowa

Zasada działania dzwonka elektromagnetycznego: elektromagnes (E) przyciąga element uderzający (A) w gong (B), następuje przerwanie obwodu (T) i cykl rozpoczyna się od nowa

Dla wielu osób elektromagnes to ten mały element montowany w futrynach, który pozwala otworzyć drzwi i furtki za pomocą domofonu. Chodzi tu o brzęczący mechanizm, który pod wpływem sygnału elektrycznego zwalnia zaczep zamka. Spotyka się też duże elektromagnesy, które blokują drzwi poprzez przyciąganie całego skrzydła (taki magnes widoczny jest na jednej z początkowych fotografii).

Dla innych elektromagnes to element wyposażenia składnicy złomu. Rzeczywiście, elektromagnesy są wykorzystywane właśnie w dźwigach elektromagnetycznych do przenoszenia przedmiotów ferromagnetycznych, w praktyce stalowych. Najbardziej kojarzymy takie dźwigi ze złomowiskiem, ale dźwigi elektromagnetyczne pracują też w hutach żelaza, portach i wielu halach produkcyjnych.

Elektromagnesy w przekaźnikach

Wszyscy elektronicy (i nie tylko) powinni kojarzyć elektromagnesy z klasycznymi przekaźnikami – nadal niezmiernie popularnymi i użytecznymi elementami elektronicznymi, które mogą bezpiecznie sterować przepływem dużych prądów.

Elektromagnes wewnątrz przekaźnika, który pod wpływem przepływu prądu przyciąga kotwicę (na zdjęciu: pionowy srebrny element po lewej stronie) i umożliwia przepływ prądu

Elektromagnes wewnątrz przekaźnika, który pod wpływem przepływu prądu przyciąga kotwicę (na zdjęciu: pionowy srebrny element po lewej stronie) i umożliwia przepływ prądu

Jest mnóstwo rodzajów klasycznych przekaźników, w których kluczowy element to elektromagnes przyciągający tzw. kotwicę, związaną z systemem styków i powodującą ich przełączenie. 

Elektromagnesy w głośnikach

Raczej mało kto od razu kojarzy elektromagnes z głośnikiem, a można powiedzieć, że każdy głośnik jest właściwie specyficzną odmianą elektromagnesu, w którym uzwojenie połączone z membraną powoduje jej przyciąganie i odpychanie pod wpływem płynącego prądu zmiennego.

Główną częścią większości głośników są właśnie elektromagnesy

Główną częścią większości głośników są właśnie elektromagnesy

Ciekawostka: dzisiejsze głośniki mają silny magnes trwały, a cewka robocza wytwarza przemienne pole magnetyczne, oddziałujące z polem tego magnesu trwałego. Sto lat temu, gdy zaczynała się epoka radia, nie znano jeszcze silnych magnesów trwałych, dlatego stare głośniki zamiast magnesu miały drugą cewkę, tworzącą elektromagnes wytwarzający silne stałe pole magnetyczne pod wpływem płynącego tam prądu stałego (były to tzw. głośniki ze wzbudzeniem).

Elektromagnesy w zaworach i siłownikach

W tym artykule zajmujemy się elektromagnesami prądu stałego, ale od razu warto też wspomnieć, że istnieją również elektromagnesy prądu zmiennego. Można je spotkać np. w systemach do nawadniania, w których mały elektromagnes umożliwia pracę zaworu 4-calowego (średnica rury 10 cm).

Przykładowy zawór elektromagnetyczny (zdjęcie: Aliexpress)

Przykładowy zawór elektromagnetyczny (zdjęcie: Aliexpress)

W większości zaworów pracują właśnie elektromagnesy prądu zmiennego (24 V), ale w niektórych – tzw. elektromagnesy bistabilne. Jednak w przemyśle elektromagnesy stosuje się nie tylko w rozmaitych zaworach, ale także np. w roli siłowników o krótkim skoku.

PCB z siłownikiem elektromagnetycznym (autor zdjęcia: Raimond Spekking, CC BY-SA 4.0)

PCB z siłownikiem elektromagnetycznym (autor zdjęcia: Raimond Spekking, CC BY-SA 4.0)

Lewitacja magnetyczna

Lewitacja to unoszenie się przedmiotów wbrew grawitacji. Pomijając pokazy iluzjonistyczne, lewitację można wywołać na różne sposoby, m.in. właśnie za pomocą elektromagnesów. Mówimy wtedy o lewitacji magnetycznej, którą określa się w skrócie jako Maglev.

Lewitacja magnetyczna wykorzystywana jest m.in. do ulepszania właściwości najszybszych pociągów. Obecnie najwięcej pociągów bez kół, które nie jadą po szynach, tylko unoszą się na wytworzonej przez elektromagnesy poduszce magnetycznej, znajdziemy w Chinach.

Pociąg korzystający z technologii lewitacji magnetycznej, który wyjeżdża z lotniska w Szanghaju

Pociąg korzystający z technologii lewitacji magnetycznej, który wyjeżdża z lotniska w Szanghaju

Lewitacja magnetyczna jest też stosowana w mniejszej skali. W sieci znaleźć można liczne gadżety do postawienia na biurku, które korzystają z tego efektu – lampki z lewitującą żarówką lub zawieszony w powietrzu miniaturowy globus są dostępne na rynku już od dawna. Możliwe jest również wykonanie własnego gadżetu tego typu – jak np. ta lewitująca doniczka:

Magnetycznie lewitująca doniczka DIY
Magnetycznie lewitująca doniczka DIY

Do tej pory Arduino w połączeniu z doniczką najczęściej było kojarzone z automatycznym podlewaniem roślin. Pora na znacznie bardziej... Czytaj dalej »

Elektromagnesy w akceleratorach cząstek

Potężne elektromagnesy wykorzystywane są do wytwarzania bardzo silnych pól magnetycznych do celów naukowych, np. w rozmaitych akceleratorach cząstek, w tym w słynnym Wielkim Zderzaczu Hadronów (LHC) w CERN pod Genewą, oraz do celów wojskowych, także jako rodzaj broni.

Elektromagnesy w transformatorach i silnikach?

Niewiele osób skojarzy też elektromagnes z transformatorem… A tymczasem każdy transformator użyty w zasilaczu podczas pracy staje się bardzo silnym elektromagnesem. Dzieje się tak, ponieważ w trakcie przepływu prądu wytwarza bardzo silne pole magnetyczne (niektóre transformatory właśnie dlatego wyraźnie „buczą”). Analogicznie w trakcie pracy magnesami stają się cewki w przetwornicach indukcyjnych. Nie dostrzegamy tego, bo wytworzone pole skupia się wewnątrz rdzenia, a celem nie jest wytworzenie siły przyciągania, a jedynie wytworzenie (zmiennego) pola magnetycznego, niezbędnego do skutecznego działania transformatora czy cewki (dławika) przetwornicy.

Transformator – budowa, zasada działania i zastosowanie
Transformator – budowa, zasada działania i zastosowanie

Transformator to element elektroniczny, który przekształca energię. W praktyce kojarzy się go np. z zasilaczami, w których pozwala zmniejszyć... Czytaj dalej »

Każde uzwojenie, w którym płynie prąd, staje się elektromagnesem, więc mamy je też we wszystkich silnikach prądu stałego i zmiennego. Elektromagnesami są także głowice w magnetofonach, napędach dyskietek i starszych dyskach twardych – w nowych dyskach wykorzystuje się tzw. gigantyczny magnetoopór (ang. giant magneto-resistance, GMR).

Elektromagnesy w medycynie

Rozmaite elektromagnesy stosowane są też w medycynie. Poniższa fotografia pokazuje przyrząd z 1915 roku, który był używany do wyciągania z oka opiłków stalowych.

Przykładowe urządzenia do wyciągania opiłków z oka

Przykładowe urządzenia do wyciągania opiłków z oka

Silne elektromagnesy potrzebne są w cenionych dziś urządzeniach do rezonansu magnetycznego (nie mylić z tomografią komputerową). Stosowane są tam także tzw. magnesy nadprzewodnikowe.

Dziś w różnych dziedzinach nauki wykorzystuje się rozmaite rodzaje tomografii, czyli wykonywania przekrojów, w których uzyskuje się wyniki w postaci „plasterków”. Spory problem w tym, że potocznie określenie „tomografia komputerowa” oznacza uzyskanie – w postaci „plasterków” – wyników badań serii prześwietleń z wykorzystaniem promieni X – promieni Roentgena.

A to z elektromagnesami nie ma nic wspólnego. Łatwo się pomylić, gdyż jeszcze dokładniejsze wyniki można uzyskać przy wykorzystaniu (jądrowego) rezonansu magnetycznego (ang. magnetic resonance imaging, MRI) – wykorzystuje się w nim bardzo silne elektromagnesy, a wynikiem badania też są obrazy w postaci „plasterków”.

Przykładowy pokolorowany przekrój mózgu człowieka uzyskany dzięki MRI

Przykładowy pokolorowany przekrój mózgu człowieka uzyskany dzięki MRI

W przypadku rezonansu magnetycznego (MRI) potrzebne jest silne i równomierne pole magnetyczne, które trzeba wytworzyć w ciele człowieka. Właśnie dlatego aparaty do obrazowania za pomocą rezonansu magnetycznego mają kształt rury, w którą wsuwany jest pacjent.

Podczas wytwarzania tych silnych pól magnetycznych powstają dziwne odgłosy, dlatego dla wielu pacjentów badanie MRI jest silnie nieprzyjemnym przeżyciem klaustrofobicznym. Istnieją też bardziej przyjazne dla pacjenta aparaty MRI, w których rura jest krótsza, oraz aparaty MRI tzw. otwarte, w których pole magnetyczne jest zwykle słabsze, ale komfort badania pacjenta – dużo wyższy.

Historia elektromagnesu

Od starożytności znano tajemnicze właściwości magnetytu (magnesu trwałego), a mianowicie zdolność przyciągania przedmiotów żelaznych. Z czasem okazało się, że Ziemia jest też ogromnym magnesem, i stworzono kompas – magnes trwały (igła magnetyczna) pokazywał kierunek północny i południowy (w przybliżeniu, bo bieguny magnetyczne Ziemi nie pokrywają się dokładnie z biegunami geograficznymi).

W roku 1820 Hans Christian Ørsted zauważył, że przy przepływie prądu przez przewód elektryczny nieco odchyla się igła znajdującego się w pobliżu kompasu. Zwykły prosty przewód elektryczny przy przepływie przez niego prądu wytworzył słabe pole magnetyczne, które odchyliło igłę kompasu – był to zatem pierwszy, bardzo słaby elektromagnes. Potem owinięto kompas licznymi zwojami drutu, co zwiększyło czułość reakcji kompasu.

Za wynalazcę elektromagnesu uważany jest William Sturgeon, który w latach 1824–1825 stworzył pierwszy praktycznie użyteczny elektromagnes. Urządzenie to składało się tylko z 18 zwojów nieizolowanego drutu na izolowanym rdzeniu (izolowanych drutów wtedy jeszcze nie było). Ten prosty elektromagnes był w stanie utrzymać większy ciężar, niż ważyły jego rdzeń i uzwojenie.

Szybko poprawiono konstrukcję elektromagnesu, zwiększając liczbę zwojów i ulepszając rdzeń. Przykładowo upamiętniony w nazwie jednostki indukcyjności Joseph Henry już około roku 1930 demonstrował elektromagnesy zdolne utrzymać ciężar kilkuset kilogramów.

Podsumowanie – co warto zapamiętać?

Elektromagnes to element, który wytwarza pole magnetyczne, gdy przepływa przez niego prąd. Jest on zbudowany po prostu z dużej liczby zwojów przewodu/drutu, który (najczęściej) nawijany jest na rdzeń wykonany z materiału ferromagnetycznego. Elektromagnesy mają wiele zastosowań – od podnoszenia ciężkich przedmiotów, przez kontrolowanie dostępu do budynków, aż po medycynę.

Czy wpis był pomocny? Oceń go:

Średnia ocena 5 / 5. Głosów łącznie: 49

Nikt jeszcze nie głosował, bądź pierwszy!

Artykuł nie był pomocny? Jak możemy go poprawić? Wpisz swoje sugestie poniżej. Jeśli masz pytanie to zadaj je w komentarzu - ten formularz jest anonimowy, nie będziemy mogli Ci odpowiedzieć!

Każdy hobbysta może bez problemu wykorzystać (a nawet zbudować od zera) elektromagnes w swoim projekcie. Wcześniej warto jednak zapoznać się z najważniejszymi parametrami użytkowymi oraz naukowymi/teoretycznymi, którymi producenci opisują gotowe elektromagnesy. Więcej informacji na ten temat znajduje się w oddzielnym artykule, który omawia parametry elektromagnesów.

Parametry elektromagnesów – natężenie pola, indukcja
Parametry elektromagnesów – natężenie pola, indukcja

Intuicyjnie czujemy, że elektromagnesy używane w dzwonkach są słabsze od tych montowanych w urządzeniach do rezonansu magnetycznego. Jak opisuje... Czytaj dalej »

Piotr Górecki

O autorze: Piotr Górecki

PG
Popularyzator elektroniki, konstruktor z ponad 30-letnim doświadczeniem, autor książek i tysięcy artykułów omawiających różne aspekty elektroniki.

elektromagnes, teoria, transformator

Trwa ładowanie komentarzy...