Elektromagnetické pole

Elektromagnetické pole je fyzikálne pole, ktoré zodpovedá miere pôsobenia elektromagnetickej sily v priestore a skladá sa z magnetického poľa a poľa elektrického, ktoré sú vzájomne prepojené. Elektrický prúd vytvára magnetické pole v tej oblasti nabitého telesa, ktorá má vplyv na pohyb telies v okolí nabitého telesa. Vo vodiči, ktorý sa pohybuje v magnetickom poli sa indukuje elektrické napätie a tým sa vodič (preteká cez neho prúd) môže pohybovať v magnetickom poli = pôsobí naň určitá sila.

Elektrické pole nemožno oddeliť s poľom magnetickým, pretože spolu súvisia a teda hovoríme o elektromagnetickom poli.

Maxwellove rovnice (v roku 1873 ich publikoval teoretický fyzik James Clerk Maxwell) sú základom opisu elektromagnetického poľa, sú to prírodné zákony, ktoré nie je potrebné odvádzať z iných zákonov a dajú sa od nich odvodiť ďalšie rovnice elektromagnetického poľa.

 

Magnetické pole toroidu

Toroid je cievka, ktorej rovnaké závity sú navinuté na prstenci a môžeme si ho  predstaviť ako solenoid, stočený do tvaru prstenca. Je to zvláštny prípad cievky bez magnetických pólov. Jeho indukčné čiary prebiehajú len vo vnútri prstenca ako sústredné kružnice a vytvorené magnetické pole takmer homogénne.

 

Obr.1 Aplikácia Ampérovho zákona pre toroid

 

Elektromagnetizmus

Elektrický náboj je najzákladnejším objektom elektromagnetizmu. Elektrický náboj (ak ho berieme ako základný pojem pre opis elektromagnetizmu) je natoľko principiálnym, že môžeme hovoriť už iba o jeho vlastnostiach.

Medzi základné vlastnosti elektrického náboja patria nasledujúce tvrdenia:

  • v prírode sa vyskytujú dva druhy elektrického náboja, kladné (označené znamienkom +) a záporné (označené znamienkom –),
  • elektrické náboje navzájom na seba pôsobia odpudzujúco (náboje s rovnakým znamienkom sa odpudzujú) alebo príťažlivo (náboje s opačným znamienkom sa priťahujú),
  • platí zákon zachovania elektrického náboja (znamená, že náboj vesmíru je konštantný),
  • elektrické náboje vyskytujúce sa v prírode sú celočíselnými násobkami základného kvanta elektrického náboja s absolútnou hodnotou e = 1,602 176 462 . 10-19 C.

Elektromagnetizmus, ako časť fyziky, ktorá skúma súvislosti medzi elektrickými a magnetickými javmi neexistovala. Do konca 18. storočia boli elektrická a magnetická energia študované samostatne, pretože medzi javmi neboli spozorované žiadne vzájomné účinky. Na vybudovaní teórie elektromagnetizmu sa podieľali rôzni významní matematici, avšak až James Clerk Maxwell vytvoril priekopnícku teóriu elektromagnetizmu a sformuloval štyri zákony elektromagnetizmu = Maxwellove rovnice.

 

Elektromagnetická indukcia

Michael Faraday (1791 – 1867) sa venoval elektromagnetizmu a z poznatkov Hansa Christiana Oersteda a Andrého Marie Ampére, ktorí svojimi pokusmi dokázali, že prítomnosť magnetického poľa spôsobuje tok elektrického prúdu (usmernený pohyb elektrického náboja) logicky predpokladal, že táto analógia platí aj opačne, teda, že zdrojom elektrického prúdu môže byť magnetické pole. Úvaha bola základom mnohých pokusov.

Obr. 2 Vznik indukovaného elektrického prúdu

(cievka spojená s galvanometrom)

 

Elektromagnetická indukcia je jav, pri ktorom vo vodiči dochádza ku vzniku indukovaného elektromotorického napätia a indukovaného prúdu v dôsledku časovej zmeny magnetického indukčného toku.

Zmena magnetickej indukcie toku môže nastať: 

  • zmenou magnetickej indukcie,
  • zmenou obsahu plochy,
  • zmenou uhla medzi normálou plochy a indukčnými čiarami.

 

Elektromagnet

Elektromagnet je elektromechanické zariadenie meniace elektrickú energiu na prácu = mechanickú energiu, teda vyvádza určitú silu. Je súčasťou všetkých spínacích, istiacich a ochranných prístrojov. Ak ide o časté spínanie a malé zdvihy, práve elektromagnet je vhodný k ovládaniu týchto spínacích strojov.

 

Využitie elektromagnetov

Využitie elektromagnetu je hlavne pre vyvíjanie menších síl (súvisí to s rozšírením v stykačoch) ale tiež, ak ide o aplikácie v ťažkom priemysle alebo elektrických strojoch. Doba zdvihu kotvy elektromagnetu je malá, tým pádom je malá aj  veľkosť vykonanej práce a preto nie je podstatná veľkosť energie ale jej ťahová sila, ktorá pôsobí počas doby zdvihu.

Statická ťahová charakteristika je závislosť ťahovej sily od zdvihu kotvy, ktorá vyjadruje vlastnosti jednosmerných alebo striedavých elektromagnetov. Doba príťahu kotvy je tiež dôležitým parametrom. Pri napájaní elektromagnetu jednosmerným prúdom sa v ustálenom stave nemení prúd, ani napätie cievky a jeden elektrický parameter budiaceho vinutia ostáva vždy konštantný. Od tvaru elektromagnetov, veľkosti vzduchovej medzery a druhu napájania = tvar statickej ťahovej charakteristiky.

 

Rozdelenie elektromagnetov

Elektromagnety môžeme rozdeliť:

Podľa prúdu Podľa použitia
  • elektromagnety na jednosmerný prúd,
  • elektromagnety na striedavý jednofázový prúd,
  • elektromagnety na striedavý trojfázový prúd.
  • pohybové elektromagnety – mechanická sila sa koná pohybom kotvy (spínacie prístroje, brzdy, ventily…),
  • prídržné elektromagnety – pridržiavajú feromagnetický materiál (upínacie, triediace valcové, bremenové…),
  • špeciálne elektromagnety (elektromagnetické spojky…).

 

Princíp činnosti elektromagnetov

Elektrický prúd, ktorý je zdrojom magnetického poľa prechádza budiacou cievkou a závitmi, kde vytvára magnetické napätie, ktoré pretláča magnetickým obvodom magnetický tok = vzniká magnetické pole s určitou magnetickou intenzitou a určitým magnetickým tokom.

Magnetický tok je priamoúmerný pretekanému prúdu, z čoho vyplýva, že magnetické pole bude tým silnejšie, čím väčší bude prúd alebo čím väčší bude počet závitov budiacej cievky. Na kotvu elektromagnetu pôsobí magnetické pole a vyvíja určitú príťahovú silu pôsobiacu na kotvu (feromagnetický materiál). Ak je prerušený prúd magnetického poľa a tým vyvíjaná sila, kotva odpadne do pôvodnej polohy.

 

Konštrukcia elektromagnetov

Elektromagnet má jednoduchú konštrukciu, ktorú tvorí budiaca cievka, pohyblivá kotva a pevné feromagnetické jadro.

Obr. 3 Konštrukčné časti elektromagnetu

 

Budiaca cievka – môže mať jednovrstvové alebo viacvrstvové vinutie. Počet a tvar vzduchových medzier je závislý na tvare magnetického obvodu a cievke. Kotva, umiestnená vo vnútri cievky môže byť priťahovaná na dosadaciu plochu alebo ju elektromagnet môže priťahovať k cievke budiacej. Magnetický obvod sa realizuje s ohľadom na hospodárnosť prevádzky pri prijateľných rozmeroch a hmotnosti tak, aby väčšinou (príp. úplne) prechádzal magnetický tok feromagnetikom, ktoré má veľmi vysokú magnetickú vodivosť. Jednotlivé typy elektromagnetov (snaha, aby tok vzduchu bol iba v pracovnej medzere elektromagnetu) majú rôzne statické ťahové charakteristiky, na ktorých základe sa potom vyberá správny typ elektromagnetu pre danú aplikáciu.

Jadro a kotva sú zväčša tvorené v jednosmerných (zloženie magnetického obvodu býva aj z viacerých plechov) elektromagnetoch- plynným feromagnetickým materiálom, pri striedavých elektromagnetoch – izolované transformátorové plechy z feromagnetika (z dôvodu zmenšenia strát vírivými prúdmi pri striedavom magnetovaní). Liatina a oceľ (magneticky tvrdé materiály) sa neodporúčajú, kvôli ich zvyškovému magnetizmu, ktorý pretrváva aj po prerušení elektrického prúdu.

Na prácu elektromagnetu pôsobia vírivé prúdy, ktoré zmenšujú rýchlosť jeho príťahu.

 

Jednosmerné elektromagnety

Jednosmerný elektromagnet (označenie DC) je tvorený magnetickým obvodom z feromagnetického materiálu (majú síce vysokú vodivosť a umožňujú vytvoriť silné magnetické pole, avšak priechodnosť je závislá na magnetickej indukcii), pohybovej kotvy a budiacej cievky, ktorá je napájaná jednosmerným prúdom.

Jadro jednosmerného elektromagnetu býva vyrobené z plného materiálu.

 

Výhody 

jednosmerného elektromagnetu

Nevýhody 

jednosmerného elektromagnetu

    • jednoduchá konštrukcia,
    • tichý chod,
    • z hľadiska prúdových pomerov a ich vplyvov na silové pomery, rozmery a využitie magnetického obvodu,
  • kotva nemusí dosadať do koncovej polohy,
  • hustota spínania je obmedzená iba rýchlosťou príťahu a odpadnutia kotvy.
  • pomalší príťah,
  • odpadnutie kotvy,
  • menšia ťahová sila oproti striedavým elektromagnetom,
  • trvalý (maximálny) prúd počas celej doby príťahu.

 

Striedavé elektromagnety

Budiaca cievka striedavých elektromagnetov (označenie AC) je napájaná zo zdroja striedavého prúdu. Prúd je určený rezistanciou a vlastnou indukčnosťou cievky, pričom indukčnosť je závislá na polohe kotvy.

Hustota spínania je obmedzená hustotou príťahu a odpadnutia kotvy a tiež maximálnym dovoleným oteplením. Ich silové pomery závisia aj na stupni nasýtenia jadra.

 

Výhody 

striedavého elektromagnetu

Nevýhody 

striedavého elektromagnetu

  • rýchlejší príťah kotvy.
  • magnetický obvod, ktorý sa skladá z elektrotechnických plechov,
  • kotva musí dosadať do koncovej polohy, aby nevznikli vibrácie,
  • vplyvom chvenia plechov dochádza k bručaniu,
  • pri priťahovaní kotvy vznikajú rázy vplyvom toho, že priťahovaný prúd je mnohonásobne väčší než prúd menovitý.

 

Použitá literatúra:

  1. Adamovic Andrej, Bc., Analýza a optimalizácia vlastností elektromagnetu, Žilinská univerzita v Žiline, Elektrotechnická fakulta
  2. Varga Radovan, Bc., Prípravok pre demonštrovanie účinkov elektromagnetickej indukcie, Technická univerzita v Košiciach, Fakulta elektrotechniky a informatiky
  3. https://sk.wikipedia.org/wiki/Elektromagnetick%C3%A1_indukcia
  4. https://sk.wikipedia.org/wiki/Elektromagnet
  5. https://moodle.uiam.sk/pluginfile.php/7056/mod_resource/content/0/Kapitola_6/Kap6fA4str85-101.pdf
  6. http://domes.spssbrno.cz/web/DUMy/ELE/VY_32_INOVACE_44-14.pdf
  7. https://moodle.uiam.sk/pluginfile.php/7063/mod_resource/content/0/Kapitola_7/Kap7fA4str102-109.pdf