Электромагнит - устройство, создающее магнитное поле при прохождении электрического тока. Обычно электромагнит состоит из обмотки и ферромагнитного сердечника, который приобретает свойства магнита при прохождении по обмотке тока (рис.1.). В электромагнитах, предназначенных, прежде всего, для создания механического усилия также присутствует якорь (подвижная часть магнитопровода), передающий усилие.

Обмотки электромагнитов изготовляют из изолированного алюминиевого или медного провода, хотя есть и сверхпроводящие электромагниты. Магнитопроводы изготовляют из магнитно-мягких материалов - обычно из электротехнической или качественной конструкционной стали, литой стали и чугуна, железоникелевых и железокобальтовых сплавов. Для снижения потерь на вихревые токи (токи Фуко) магнитопроводы выполняют из набора листов.

Электромагнит применяется во многих электротехнических приборах. Он представляет собой катушку из проволоки, намотанной на железный сердечник, форма которого может быть различной. Железный сердечник является одной частью магнитопровода, а другой частью, с помощью которой замыкается путь магнитных силовых линий, служит якорь. Магнитная цепь характеризуется величиной магнитной индукции — В, которая зависит от . напряженности поля и магнитной проницаемости материала. Именно поэтому сердечники электромагнитов делают из железа, обладающего высокой магнитной проницаемостью.

При конструировании электромагнитов весьма желательно получить большой силовой поток. Добиться этого можно, если уменьшить магнитное сопротивление. Для этого надо выбрать магнитопровод с наименьшей длиной пути силовых линий и с наибольшим поперечным сечением, а в качестве материала — железоматериал с большой магнитной проницаемостью.

Другой путь увеличения силового потока путем увеличения ампервитков не является приемлемым, так как в целях экономии проволоки и питания следует стремиться к уменьшению ампервитков.

Обычно расчеты электромагнитов делаются по специальным графикам. В целях упрощения в расчетах мы будем также пользоваться некоторыми выводами из графиков.

Предположим, требуется определить ампервитки и силовой поток замкнутого железного магнитопровода и сделанного из железа самого низкого качества.

Рассматривая график намагничивания железа, нетрудно убедиться, что наиболее выгодной является магнитная индукция в пределах от 10 000 до 14 000 силовых линий на 1 см², что соответствует от 2 до 7 ампервиткам на 1 см. Для намотки катушек с наименьшим числом витков и более экономичных в смысле питания для расчетов надо принимать именно эту величину (10 000 силовых линий на 1 см² при 2 ампервитках на 1 см длины). В этом случае расчет может быть произведен следующим образом.

Так, при длине магнитопровода равной 20 см + 10 см = 30 см, потребуется 2X30=60 ампервитков.

Для двухполюсного магнита этот, результат следует удвоить. Следовательно, Р=24,8 кг 25 кг. При определении подъемной силы необходимо помнить, что она зависит не только от длины магнитопровода, но, и от площади соприкосновения якоря и сердечника. Поэтому якорь должен точно прилегать к полюсным наконечникам, иначе даже малейшие воздушные прослойки вызовут сильное уменьшение подъемной силы.

Далее производится расчет катушки электромагнита. В нашем примере подъемная сила в 25 кг обеспечивается 60 ампер-витками.

Очевидно, этого можно добиться либо путем использования большого тока при малом количестве витков катушки, например 2 А и 30 витков, либо путем увеличения числа витков катушки при уменьшении, тока, например 0,25 а и 240 витков. Таким образом, чтобы электромагнит имел подъемную силу в 25 кг, на его сердечник можно намотать, и 30 витков и 240 витков, но при этом изменить величину питающего тока. Конечно, можно выбрать и другое свотно-шение.

Однако изменение величины тока в больших пределах не всегда возможно, так как оно обязательно потребует изменения диаметра применяемой проволоки. Так,' при кратковременной работе (несколько минут) для проводов диаметром до 1. мм допустимую плотность тока, при которой не происходит сильного перегревания провода, можно принять равной 5 А/мм2. В нашем примере проволока должна быть следующего сечения: для тока в 2 А - 0,4 мм², а для тока в 0,25 А - 0,05 мм²,

Воспользовавшись таблицей (см. приложение), найдем, что диаметр проволоки будет 0,7 мм или 0,2 мм.

Каким же из этих проводов следует производить обмотку?

С одной стороны, выбор диаметра провода может определяться имеющимся у руководителя ассортиментом проволоки, с другой — возможностями источников питания как по току, так и по напряжению. Действительно, две катушки, одна из которых изготовлена из толстой проволоки в 0,7 мм и с небольшим числом витков — 30, а другая — из проволоки в 0,2 мм и числом витков 240, будут иметь резко различное сопротивление.

Таким образом, для питания первой катушки достаточно одного элемента или аккумулятора, причем для понижения напряжения приходится включать реостат; для питания второй катушки необходимо взять два элемента, соединяя их последовательно. Ясно, что во втором случае имеется меньше потерь электроэнергии и обмотка получается более выгодной.

Анализ полученных результатов позволяет сделать еще такой вывод: диаметр проволоки подбирается так, чтобы питание катушки можно было производить только от одного элемента (или аккумулятора) без каких-либо реостатов, где энергия тратится непроизвольно. Нетрудно заметить, что при диаметре проволоки приблизительно 0,4 мм и силе тока около 0,4 а нужное напряжение для питания катушки составит 1,3 -1,4 В, то есть как раз напряжение одного элемента. Таков элементарный расчет электромагнитов.

Конструируй электромагниты, надо не только производить указанный расчет, но н уметь выбрать материал для сердечника, его форму, продумать технологию изготовления. Удовлетворительными материалами для изготовления сердечников в кружках являются прутковое железо (круглое и полосовое) и различные железные изделия: болты, проволока, гвозди, шурупы и т. д.

Чтобы избежать больших потерь на токах Фуко, сердечники для приборов переменного тока необходимо собирать из изолированных друг от друга тонких листов железа или проволоки. Для придания железу «мягкости» его необходимо подвергать отжигу.

Большое значение имеет и правильный выбор формы сердечника. Наиболее рациональные из них кольцевые и П-образные.

Наиболее широкая и важная область применения электромагнитов — электрические машины и аппараты, входящие в системы промышленной автоматики, в аппаратуру регулирования, защиты электротехнических установок. В составе различных механизмов электромагниты используются в качестве привода для осуществления необходимого поступательного перемещения (поворота) рабочих органов машин или для создания удерживающей силы. Примером таких электромагнит могут служить электромагниты грузоподъёмных машин (рис.1), электромагниты муфт сцепления и тормозов, электромагниты, применяемые в различных пускателях, контакторах, выключателях, электроизмерительных приборах и т. п. В связи с широтой применения конструктивное исполнение, размеры, потребляемая мощность электромагнитов находятся и широких пределах.

Электромагниты различают также по ряду других признаков: по способу включения обмоток - с параллельными и последовательными обмотками; по характеру работы - работающие в длительном, прерывистом и кратковременном режимах; по скорости действия - быстродействующие и замедленного действия и т. д.

Электромагниты используются также в различных реле, где необходимо током совершать механические действия, а также в микрофонах и наушниках для создания колебаний мембран передающих речь.

Соленоид (от греч. solen — трубка, eidos — вид), — катушка провода, намотанного на цилиндрическую поверхность.

Если длина соленоида намного больше его диаметра, то при протекании тока по обмотке внутри катушки создаётся магнитное поле, направленное вдоль оси, которое однородно и по величине равно

где μ₀ — магнитная проницаемость вакуума, n — число витков на единицу длины, I — ток в обмотке. Индуктивность соленоида выражается следующим образом:

где V — объём соленоида.

Катушка индуктивности это пассивный элемент электической цепи создающий интуктивное сопротивление (рис.1).

Катушка интуктивности запасает энергию в виде магнитного поля, которое возникает при прохождении через нее электрического тока. Она обычно выполняется в виде нескольких витков проводящего материала. Витки могут быть навиты на магнитный сердечник, в этом случае катушку называют катушкой индуктивности с ферромагнитным или стальным (железным) сердечником. Большие катушки индуктивности, используемые на низкой частоте могут иметь до нескольких тысяч витков провода и железный сердечник. Однако даже прямой кусок провода может также обладать значительным индуктивным сопротивлением.

Идеальный индуктивный элемент (рис.2) обладает только индуктивностью и не имет емкости или сопротивления, а также не вызывает потерь энергии. Реальный индуктивный элемент является комбинацией индуктивности, небольшого количества сопротивления (за счет сопротивления самого проводника) и ёмкости. При некоторой частоте (обычно бельшей чем частота работы цепи) реальные катушки индуктивности редут себя как резонансные цепи благодаря их собственной емкости. Помимо потерь энергии связанных с наличием небольшого сопротивления проводника из которого изготовлена катушка, могут также возникать потери связанные с наличием гистерезиса сердечника катушки, а на высоких частотах возникает нелинейность характеристики.