NAM CHÂM ĐIỆN: THÀNH PHẦN, CÁC BỘ PHẬN, CÁCH HOẠT ĐỘNG VÀ ỨNG DỤNG - VẬT LÝ - 2025

Nam châm điện là một thiết bị tạo ra từ tính từ dòng điện. Nếu dòng điện không còn thì từ trường cũng biến mất. Năm 1820, người ta phát hiện ra rằng dòng điện tạo ra từ trường trong môi trường của nó. Bốn năm sau, nam châm điện đầu tiên được phát minh và chế tạo.

Nam châm điện đầu tiên bao gồm một móng ngựa bằng sắt được sơn dầu bóng cách điện, và mười tám vòng dây đồng không cách điện được quấn trên đó.

Hình 1. Nam châm điện. Nguồn: pixabay

Nam châm điện hiện đại có thể có nhiều hình dạng khác nhau tùy thuộc vào mục đích sử dụng cuối cùng sẽ được trao cho chúng; và nó là sợi cáp được cách điện bằng vecni chứ không phải lõi sắt. Hình dạng phổ biến nhất của lõi sắt là hình trụ, trên đó quấn dây đồng cách điện.

Bạn có thể chế tạo một nam châm điện chỉ với cuộn dây tạo ra từ trường, nhưng lõi sắt nhân lên cường độ của trường.

Khi dòng điện chạy qua cuộn dây của nam châm điện thì lõi sắt bị nhiễm từ. Đó là, mômen từ nội tại của vật liệu sắp xếp và cộng thêm, làm tăng cường từ trường tổng.

Từ tính như vậy đã được biết đến ít nhất là từ năm 600 trước Công nguyên, khi Thales of Miletus của Hy Lạp nói chi tiết về nam châm. Magnetite, một khoáng chất sắt, tạo ra từ tính một cách tự nhiên và lâu dài.

Ưu điểm của nam châm điện

Một ưu điểm chắc chắn của nam châm điện là từ trường có thể được thiết lập, tăng, giảm hoặc loại bỏ bằng cách điều khiển dòng điện. Khi chế tạo nam châm vĩnh cửu, nam châm điện là cần thiết.

Tại sao điều này lại xảy ra? Câu trả lời là từ tính là bản chất đối với vật chất cũng như đối với điện, nhưng cả hai hiện tượng chỉ biểu hiện trong những điều kiện nhất định.

Tuy nhiên, có thể nói rằng nguồn của từ trường là các điện tích hoặc dòng điện chuyển động. Bên trong vật chất, ở cấp độ nguyên tử và phân tử, những dòng điện này được tạo ra tạo ra từ trường theo mọi hướng triệt tiêu lẫn nhau. Đây là lý do tại sao vật liệu thường không thể hiện từ tính.

Cách tốt nhất để giải thích nó là nghĩ rằng các nam châm nhỏ (mômen từ) được đặt bên trong vật chất hướng theo mọi hướng, vì vậy hiệu ứng vĩ mô của chúng bị hủy bỏ.

Trong vật liệu sắt từ, mômen từ có thể sắp xếp và tạo thành các vùng gọi là miền từ. Khi một trường bên ngoài được áp dụng, các miền này sẽ căn chỉnh.

Khi trường bên ngoài bị loại bỏ, các miền này không trở lại vị trí ngẫu nhiên ban đầu của chúng mà vẫn được căn chỉnh một phần. Bằng cách này, vật liệu trở nên từ hóa và tạo thành nam châm vĩnh cửu.

Thành phần và các bộ phận của nam châm điện

Một nam châm điện được tạo thành từ:

- Một cuộn cáp được cách điện bằng dầu bóng.

- Một lõi sắt (tùy chọn).

- Nguồn dòng điện, có thể là dòng điện một chiều hoặc xoay chiều.

Hình 2. Các bộ phận của nam châm điện. Nguồn: tự làm.

Dây quấn là vật dẫn mà dòng điện tạo ra từ trường chạy qua và được quấn dưới dạng lò xo.

Trong cuộn dây, các ngã rẽ thường rất gần nhau. Đó là lý do tại sao điều cực kỳ quan trọng là dây dẫn mà cuộn dây được tạo ra phải có cách điện, được làm bằng một lớp sơn bóng đặc biệt. Mục đích của việc đánh vecni là ngay cả khi các vòng xoắn được nhóm lại với nhau và chạm vào nhau, chúng vẫn bị cô lập về điện và dòng điện tiếp tục theo đường xoắn ốc của nó.

Dây quấn càng dày thì cáp càng chịu được nhiều dòng điện, nhưng giới hạn tổng số vòng có thể quấn. Đó là vì lý do này mà nhiều cuộn dây nam châm điện sử dụng một dây mỏng.

Từ trường được tạo ra sẽ tỷ lệ với dòng điện đi qua dây dẫn cuộn dây và cũng tỷ lệ với mật độ của vòng dây. Điều này có nghĩa là càng đặt nhiều vòng quay trên một đơn vị độ dài thì cường độ của trường càng lớn.

Các vòng dây quấn càng chặt thì số lượng sẽ phù hợp với một chiều dài nhất định càng lớn, làm tăng mật độ của chúng và do đó tạo ra trường. Đây là một lý do khác tại sao nam châm điện sử dụng cáp được cách điện bằng vecni thay vì nhựa hoặc vật liệu khác, điều này sẽ làm tăng thêm độ dày.

Solenoid

Trong một nam châm điện hình trụ hoặc hình trụ như hình 2, cường độ của từ trường sẽ được cho bởi mối quan hệ sau:

B = μ⋅n⋅I

Trong đó B là từ trường (hoặc cảm ứng từ), theo đơn vị của hệ thống quốc tế được đo bằng Tesla, μ là độ từ thẩm của lõi, n là mật độ vòng hoặc số vòng trên mét và cuối cùng là dòng điện I. quay qua cuộn dây được đo bằng ampe (A).

Độ từ thẩm của lõi sắt phụ thuộc vào hợp kim của nó và thường từ 200 đến 5000 lần độ từ thẩm của không khí. Trường kết quả được nhân với cùng hệ số này so với trường của nam châm điện không có lõi sắt. Độ từ thông của không khí xấp xỉ bằng độ thoáng của chân không, là μ ₀ = 1,26 × 10 ^-6 T * m / A.

Làm thế nào nó hoạt động?

Để hiểu hoạt động của nam châm điện, cần phải hiểu vật lý của từ tính.

Hãy bắt đầu với một dây dẫn thẳng đơn giản mang dòng điện I, dòng điện này tạo ra từ trường B xung quanh dây dẫn.

Hình 3. Từ trường do một dây dẫn thẳng tạo ra. Nguồn: Wikimedia Commons

Đường sức từ xung quanh dây dẫn thẳng là những đường tròn đồng tâm quanh dây dẫn. Đường sức tuân theo quy tắc bàn tay phải, nghĩa là nếu ngón cái của bàn tay phải hướng về chiều dòng điện thì bốn ngón còn lại của bàn tay phải sẽ chỉ chiều lưu thông của đường sức từ.

Từ trường của một dây dẫn thẳng

Từ trường của một dây dẫn thẳng cách nó một khoảng r là:

Giả sử chúng ta uốn dây cáp để nó tạo thành một vòng tròn hoặc một vòng lặp, khi đó các đường sức từ ở bên trong của nó kết hợp với nhau hướng tất cả theo cùng một hướng, tăng thêm và tăng cường. Ở phần bên trong của vòng lặp hoặc vòng tròn, trường có cường độ cao hơn phần ngoài, nơi các đường trường tách ra và yếu đi.

Hình 4. Từ trường do một sợi dây tạo ra trong một đường tròn. Nguồn: Wikimedia Commons

Từ trường ở tâm của một vòng lặp

Từ trường tạo thành tại tâm của một vòng dây bán kính a mang dòng điện I là:

Hiệu quả sẽ nhân lên nếu mỗi lần chúng ta uốn dây cáp để nó có hai, ba, bốn, … và nhiều vòng. Khi chúng ta cuộn dây cáp dưới dạng một lò xo với các cuộn dây rất gần nhau, từ trường bên trong lò xo là đều và rất cường độ, trong khi ở bên ngoài nó thực tế bằng không.

Giả sử chúng ta cuộn dây cáp theo hình xoắn ốc gồm 30 vòng, dài 1 cm và đường kính 1 cm. Điều này cho mật độ số lượt là 3000 lượt mỗi mét.

Từ trường điện từ lý tưởng

Trong một điện từ lý tưởng, từ trường bên trong nó được cho bởi:

Tóm lại, các tính toán của chúng tôi đối với cáp mang dòng điện 1 ampe và tính toán từ trường trong bản đồ vi mô, luôn cách cáp 0,5 cm ở các cấu hình khác nhau:

1. Cáp thẳng: 40 microteslas.
2. Cáp hình tròn đường kính 1 cm: 125 microteslas.
3. Xoắn ốc 300 vòng trong 1 cm: 3770 microteslas = 0,003770 Tesla.

Nhưng nếu chúng ta thêm vào vòng xoắn một lõi sắt có hệ số cho phép tương đối là 100, thì trường sẽ được nhân lên 100 lần, tức là 0,37 Tesla.

Cũng có thể tính được lực mà nam châm điện ở dạng điện từ tác dụng lên một đoạn lõi sắt có tiết diện A:

Giả sử từ trường bão hòa là 1,6 Tesla, lực trên một mét vuông diện tích lõi sắt do nam châm điện tác dụng sẽ là 10 ^ 6 Newton tương đương với lực 10 ^ 5 Kilôgam, tức là 0,1 tấn mỗi mét vuông của tiết diện.

Điều này có nghĩa là một nam châm điện có trường bão hòa 1,6 Tesla tác dụng một lực 10 kg lên lõi sắt có tiết diện 1 cm ² .

Ứng dụng nam châm điện

Nam châm điện là một phần của nhiều tiện ích và thiết bị. Ví dụ, chúng hiện diện bên trong:

- Xe máy điện.

- Máy phát điện và máy phát điện.

- Diễn giả.

- Rơle hoặc công tắc cơ điện.

- Chuông điện.

- Van điện từ để kiểm soát dòng chảy.

- Ổ cứng máy tính.

- Cần trục nâng hạ kim loại phế liệu.

- Máy tách kim loại khỏi rác thải đô thị.

- Phanh điện cho xe lửa và xe tải.

- Máy chụp cộng hưởng từ hạt nhân.

Và nhiều thiết bị khác.

Người giới thiệu

1. García, F. Từ trường. Khôi phục từ: www.sc.ehu.es
2. Tagueña, J. và Martina, E. Từ tính. Từ la bàn đến con quay. Được khôi phục từ: Bibliotecadigital.ilce.edu.mx.
3. Sears, Zemansky. 2016. Vật lý Đại học với Vật lý hiện đại. Ngày 14. Ed. Tập 2. 921-954.
4. Wikipedia. Nam châm điện. Khôi phục từ: wikipedia.com
5. Wikipedia. Nam châm điện. Khôi phục từ: wikipedia.com
6. Wikipedia. Từ hóa. Khôi phục từ: wikipedia.com