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直流電磁鐵的深度研究

作者:創(chuàng)始人 日期:2023-10-20 人氣:42537

電磁鐵

由由線圈包圍的磁性材料的磁芯組成的裝置,電流通過線圈使磁芯磁化。電磁鐵用于需要可控磁體的地方,如在磁通量變化、反轉(zhuǎn)或開關的裝置中。

利用磁路的概念,將電磁鐵的工程設計系統(tǒng)化。在磁路中,磁動勢F或Fm被定義為線圈的安培匝數(shù),線圈產(chǎn)生磁場從而在電路中產(chǎn)生磁通量。因此,如果每米n匝的線圈攜帶電流i安培,線圈內(nèi)部的磁場是每米ni安培,它產(chǎn)生的磁動勢是零安培匝,其中l(wèi)是線圈的長度。更方便的是,磁動勢是Ni,其中N是線圈中的總匝數(shù)。磁路中的磁通量密度B與電路中的電流密度B是等效的。在磁路中,與電流等效的磁場是總通量,用希臘字母phi表示,?,由BA給出,其中A是磁路的橫截面積。在電路中,電動勢(E)與電路中的電流i的關系是:E=Ri,其中R是電路的電阻。在磁路中F=r?,其中r為磁路的磁阻,等效于電路中的電阻。磁阻是磁路長度l除以磁導率乘以橫截面積A得到的;因此,r=l/μa,即希臘字母mu,μ,表示形成磁路的介質(zhì)的磁導率。磁阻的單位是安培匝數(shù)/韋伯。這些概念可以用來計算磁路的磁阻,從而計算通過線圈所需要的電流,以迫使所需的磁通通過該電路。

然而,在這種類型的計算中涉及的幾個假設,使它最多只能作為設計的近似指導??纱沤橘|(zhì)對磁場的影響可以被看作是把磁力線擠進它自己。相反,從高滲透性區(qū)域傳遞到低滲透性區(qū)域的力線傾向于散開,這種情況將發(fā)生在氣隙。因此,與單位面積上力線數(shù)量成正比的通量密度,將因間隙兩側(cè)的力線凸起或邊緣而在氣隙中減少。間隔越長,這種效果越明顯;粗略的修正可以考慮到邊緣效應。

也假定磁場完全局限在線圈內(nèi)。事實上,總有一定量的漏磁,表現(xiàn)為圍繞在線圈外面的磁力線,它對鐵芯的磁化沒有貢獻。磁芯的磁導率較高時,漏磁一般較小。

在實踐中,磁性材料的磁導率是其磁通密度的函數(shù)。因此,只有在實際的磁化曲線,或者更有用的是μ對B的圖是可用的情況下,才能對實際材料進行計算。

最后,設計假設磁芯沒有磁化到飽和。如果是這樣,在這種設計中,無論線圈通過多少電流,磁通密度都不能增加。在接下來關于特定設備的幾節(jié)中,將進一步擴展這些概念。

圖一

螺線管

螺線管通常是一個長線圈,電流通過它流過,建立磁場。更狹義地說,這個名字指的是一種機電裝置,它在通電時產(chǎn)生機械運動。在其最簡單的形式,它由一個鐵框包圍線圈和一個圓柱柱塞在線圈內(nèi)移動,如圖1所示。對于交流電電源,堅固框架中的鐵損耗限制了效率,采用了疊層框架,疊層框架由一堆切割成適當形狀的薄鐵片組成,并在每個鐵片之間堆疊一層絕緣清漆。當線圈通電時,柱塞通過它和框架之間的磁力吸引移動到線圈中,直到它與框架接觸。

交流螺線管往往在完全開啟的位置比直流電單元更強大。這是因為初始電流高,因為線圈的電感,是由柱塞和框架之間的空氣間隙降低。當電磁閥關閉時,這個氣隙減小,線圈的電感增加,通過它的交流電下降。如果交流螺線管在開路位置,線圈很可能燒壞。

當電磁閥完全打開時,它有一個很大的氣隙,在給定的磁動勢下,這個氣隙的高磁阻使磁路中的磁通保持較低,柱塞上的力也相應較低。當柱塞關閉時,磁阻下降,磁通增加,因此力逐漸增加。螺線管的制造商提供力-行程曲線,以便用戶可以根據(jù)其目的選擇適當?shù)膯挝?。曲線可以通過彈簧加載柱塞進行修改,以便整個沖程提供的力可以與特定的機械負載相匹配。


圖二

繼電器

繼電器是一種應用電磁原理來打開和關閉光電流電路的裝置。應用于大電流電路中的相同裝置被稱為接觸器或斷路器。

由于所需的機械移動量一般較小,電磁柱塞通常是靜止的,部分機座鉸接以給予必要的運動。這種安排如圖2所示。當線圈通電時,框架的鉸接部分被線圈中的固體鐵芯所吸引;這種吸引力將聯(lián)系人推到了一起。當通電電流被移開時,鉸鏈部分被觸點的彈性強迫回到開啟位置。


圖三

隨著晶體管開關電路的出現(xiàn),它使用的功率非常低,需要一種可靠地工作在功率為100到300毫瓦的繼電器,而傳統(tǒng)繼電器的功率為4毫瓦。圖3所示的簧片繼電器或簧片開關滿足了這一需求。它由兩個50-50鎳鐵合金的扁平葉片組成,它們之間有一個間隙重疊在一起。當沿著葉片的長度施加磁場時,重疊部分會感應到相反的磁極,它們被吸引在一起,產(chǎn)生電接觸。在去除磁場時,接觸刀片的彈性打開接觸。每個刀片的重疊區(qū)域都鍍上金,以保證良好的電接觸,封閉的玻璃膠囊內(nèi)充滿干燥的氮氣,以防止腐蝕。操作該器件所需的磁場是重疊量的函數(shù),并且存在與最小操作電流所需對應的最佳重疊。

目前電話設備中使用的簧片開關是由高達50伏的直流電流操作的。通常,簧片閉合時58安培匝,釋放時15安培匝,保持電流為27安培匝。觸點閉合可以在2毫秒內(nèi)提供穩(wěn)定的觸點電阻,在100微秒內(nèi)釋放,并且具有超過5000萬次操作的壽命。使用35000轉(zhuǎn)線圈線圈電阻通常是18,600歐姆,因此在50伏的電流是2.7毫安。最小工作條件僅需要1.7毫安,因此該繼電器可以在較低的電壓下工作。

通過使用小型的外部永磁體,簧片開關可以制成閉鎖繼電器,當激勵場被移除時保持閉合。它們也可以設計為三個葉片,以提供轉(zhuǎn)換接觸。

大型電磁鐵設計

幾乎每一個科學研究實驗室遲早都會發(fā)現(xiàn),它需要一種產(chǎn)生大磁場的設備。許多先進技術同樣需要大型電磁鐵。例如,回旋加速器是一種用于科學研究的設備,在該設備中,帶電的亞原子粒子被恒定磁場中的交變電場加速。它使用一個大磁鐵來產(chǎn)生中等強度的磁場,但磁極直徑可能有幾米。一些工業(yè)使用巨大的、高功率的電磁鐵來提升物體。


圖四

前面討論了大型電磁鐵的基本設計原則。困難出現(xiàn)在試圖估計跨越氣隙的邊緣通量和線圈周圍的泄漏通量的大小。通過使用錐形的核心和極帽,它們的影響被最小化;典型的實驗室磁體如圖4所示。由于軟鐵在2.16韋伯每平方公尺飽和,空氣間隙中的磁通密度一般限制在鐵質(zhì)磁體的2.1韋伯每平方公尺范圍內(nèi)。

當設計用于起重或承載時,電磁鐵可能需要有一個單獨的暴露極面,以便承載負載,因此電磁鐵將具有條形磁鐵的形狀。然后設計由退磁場主導。經(jīng)過適當設計的磁鐵可以舉起自身重量的許多倍,在煉鋼廠和廢品處理場普遍使用。

主應用程序

電磁鐵有各種各樣的用途。下面總結(jié)幾個主要應用領域(通信、研究、電氣工業(yè)和磁記錄)中一些重要器件的工作原理。

現(xiàn)代電話系統(tǒng)基于簧片繼電器,以及用于復雜布線的固態(tài)電路。電話接收器基本上是一個帶有u形線圈的電磁鐵,u的每條腿上都繞著線圈。電信號通過線圈時,會引起離u兩端有一小段距離的軟鐵振膜的磁力吸引。振膜的偏轉(zhuǎn)量與線圈中電流的大小成比例,并在來回移動時產(chǎn)生聲波。磁性材料的改進增加了電話接收器的靈敏度,但基本設計仍未改變。

揚聲器的功能與電話聽筒的耳機相同,但需要排開更大體積的空氣。膜片包括一個大面積的柔性錐,在其頂端的一個小環(huán)上攜帶一圈細金屬絲。這個環(huán)位于一個強大的圓柱狀永久磁鐵的兩極之間。音頻電流通過線圈導致隔膜偏轉(zhuǎn),如在耳機中。由于永磁體材料的改進,現(xiàn)代揚聲器比以前的揚聲器更加靈敏和高效。間隙內(nèi)的通量密度越大,繁殖的敏感性和保真度就越高;現(xiàn)代揚聲器使用的磁通密度高達每平方公尺一韋伯。通常使用合金磁體。

磁場提供了一個強有力的研究工具,沒有它,現(xiàn)代物理學很難發(fā)展到現(xiàn)在的程度。應用的一個主要領域是磁場和帶電亞原子粒子的相互作用。一個移動的帶電荷的粒子,如電子,可以看作是一種電流,并且像帶電流的導線一樣,在磁場中受到一種力。力的方向垂直于粒子的運動方向,也垂直于磁場,因此粒子偏離了原來的路徑。這一原理可以用來將電子流聚焦成一束窄電子束,并通過創(chuàng)造合適的磁場來偏轉(zhuǎn)電子束,磁場可以來自永磁體,也可以來自電磁鐵。每個電視接收器都包含這樣的聚焦和偏轉(zhuǎn)系統(tǒng),用電子束掃描電視管的表面。

在科學應用中,同樣的原理也用于電子顯微鏡,在電子顯微鏡中,電子束通過一系列磁性“透鏡”,就像在傳統(tǒng)顯微鏡中光通過玻璃透鏡一樣。

如上所述,回旋加速器利用磁場使帶電粒子執(zhí)行圓形路徑。在每一次繞圓周運動時,它們都被加速,最終獲得巨大的動能(運動能量)?;匦铀倨饕恢笔呛搜芯亢头派湫酝凰厣a(chǎn)的重要工具。

同樣的原理也可用于質(zhì)譜儀的材料分析。在磁場中移動的帶電粒子的實際偏轉(zhuǎn)是由它的電荷、質(zhì)量和速度決定的。在質(zhì)譜儀中,被研究的物質(zhì)是以被固定電場加速的電離粒子氣體的形式存在的。在通過磁場時,粒子的偏轉(zhuǎn)量是由它們的質(zhì)量決定的,前提是它們都攜帶相同的電荷。通過記錄粒子到達固定目標的位置,可以推導出粒子的質(zhì)量。

電力工業(yè)是以磁場的產(chǎn)生和利用為基礎的。所述電動馬達基于在載流導體上產(chǎn)生的力;這種發(fā)電機是基于在磁場中運動的導體產(chǎn)生感應電流的反向效應。一般來說,在電機和發(fā)電機的磁路中需要高通量密度,這一要求導致使用軟鐵或硅鐵電磁鐵作為它們中的磁場源。然而,隨著現(xiàn)代永磁體材料的出現(xiàn),由永磁體提供領域的小型直流電動機正在尋找廣泛的應用,特別是在玩具行業(yè)(見magnet)。

磁記錄的原理是通過要記錄的信號使材料產(chǎn)生永久磁化。感應的磁化強度必須與信號的振幅成正比,并且當信號去除時必須保持在材料中。因此,磁性材料需要具有高磁導率,以便它在小磁場中容易磁化;高剩余磁化強度,使所存儲的信息可輕松“讀取”;而且強制力度不能太高(但也不能太低),這樣存儲的信息可以毫不費力地被刪除。

最常見的磁記錄器使用磁帶。它以恒定的速度靠近一個記錄磁頭,該磁頭可能由一個u形磁軛組成,每個臂上繞有線圈。由于線圈中的電流根據(jù)要記錄的音頻信號而變化,因此在磁帶中感應到不同的磁化強度。為了回放記錄的信息,磁帶通過線圈或靠近線圈,這樣磁帶的磁通量就會切斷線圈的電線,并在線圈中感應出音頻電流。通過帶高頻信號的記錄磁頭,磁帶可以被擦除,這種高頻信號具有使磁帶消磁的效果。

計算機信息對于磁存儲來說是一種特別簡單的形式,因為它由一系列具有標準振幅的電脈沖組成。這種磁帶的材料要求不像錄音那樣嚴格,重要的特點是磁帶不能自發(fā)消磁。許多計算機已經(jīng)用在記錄磁頭下旋轉(zhuǎn)的合金磁碟代替了磁帶存儲。信息可以以比在磁帶中更高的密度存儲(單位面積的比特數(shù)),并且通過在磁盤上沿徑向遍歷讀取頭,可以使存取信息的速度更快。

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