Behöver du reda ut skrot? Elektromagneter till undsättning! Här, en elektromagnet används för att plocka upp några av de cirka 3, 500 konfiskerade vapen för att smälta ner. David McNew/Getty Images Vad gör en vrakgård, en rockkonsert och din ytterdörr har gemensamt? De använder var och en elektromagneter , enheter som skapar ett magnetfält genom applicering av elektricitet. Wreckings yards använder extremt kraftfulla elektromagneter för att flytta tunga bitar av metallskrot eller till och med hela bilar från en plats till en annan. Ditt favoritband använder elektromagneter för att förstärka ljudet från högtalarna. Och när någon ringer på din dörrklocka, en liten elektromagnet drar en metallklaff mot en klocka.
Mekaniskt, en elektromagnet är ganska enkel. Den består av en längd ledande tråd, vanligtvis koppar, lindad runt en metallbit. Som Frankensteins monster, det här verkar som lite mer än en lös samling delar tills elektricitet kommer in i bilden. Men du behöver inte vänta på en storm för att väcka en elektromagnet till liv. En ström introduceras, antingen från ett batteri eller en annan elkälla, och rinner genom tråden. Detta skapar ett magnetfält runt den lindade tråden, magnetisera metallen som om den vore en permanent magnet. Elektromagneter är användbara eftersom du kan slå på och av magneten genom att slutföra eller avbryta kretsen, respektive.
Innan vi går för mycket längre, vi bör diskutera hur elektromagneter skiljer sig från dina "permanenta" magneter, som de som håller din Popsicle -konst i kylen. Som du vet, magneter har två poler, "norr" och "söder", "och locka saker gjorda av stål, järn eller någon kombination därav. Som poler stöter bort och motsatser lockar (ah, skärningspunkten mellan romantik och fysik). Till exempel, om du har två stångmagneter med ändarna markerade "norr" och "söder" "norra änden av en magnet kommer att locka södra änden av den andra. Å andra sidan, norra änden av en magnet kommer att stöta bort den norra änden av den andra (och på samma sätt söder kommer att stöta söderut). En elektromagnet är på samma sätt, förutom att det är "tillfälligt" - magnetfältet existerar bara när elektrisk ström flödar.
Dörrklockan är ett bra exempel på hur elektromagneter kan användas i applikationer där permanenta magneter bara inte skulle vara meningsfulla. När en gäst trycker på knappen på din ytterdörr, den elektroniska kretsen inuti dörrklockan stänger en elektrisk slinga, vilket betyder att kretsen är klar och "påslagen". Den slutna kretsen tillåter elektricitet att flöda, skapa ett magnetfält och få klaffen att magnetiseras. Hårdvaran i de flesta traditionella dörrklockor består av en metallklocka och en metallklaff som, när den magnetiska dragningen får dem att hänga ihop, du hör klockan inuti. Klockan ringer, gästen släpper knappen, kretsen öppnas och dörrklockan stoppar dess infernala ringning. Denna on-demand magnetism är det som gör elektromagneten så användbar.
I den här artikeln, Vi kommer att titta närmare på elektromagneter och upptäcka hur dessa enheter tar en ganska cool vetenskap och tillämpar den på gizmos runt omkring oss som gör våra liv enklare.
Innehåll
Den stora hästsko -elektromagneten som används av den engelska fysikern och kemisten Michael Faraday, omkring 1830. Stringer/ Hulton Archive/ Getty Images Förhållandet mellan elektricitet och magnetism studerades inte noggrant förrän 1873 när fysiker James Maxwell observerade interaktionen mellan positiva och negativa elektriska laddningar [källa:Mahon]. Genom fortsatta experiment, Maxwell bestämde att dessa laddningar lockar eller stöter bort varandra baserat på deras orientering. Han var också den första som upptäckte att magneter har poler, eller enskilda punkter där avgiften är fokuserad. Och, viktigt för elektromagnetism, Maxwell observerade att när en ström passerar genom en tråd, det genererar ett magnetfält runt tråden.
Maxwells arbete var ansvarig för många av de vetenskapliga principerna i arbetet, men han var inte den första forskaren som experimenterade med elektricitet och magnetism. Nästan 50 år tidigare fann Hans Christian Oersted att en kompass han använde reagerade när ett batteri i hans labb slogs på och av [källa:Gregory]. Detta skulle bara hända om det fanns ett magnetfält närvarande för att störa nålen på kompassen, så drog han slutsatsen att ett magnetfält genererades från den elektricitet som flödade från batteriet. Men Oersted drog mot kemifältet och lämnade forskningen om elektricitet och magnetism till andra [källa:Mahon].
Elektromagnetismens farfar är Michael Faraday , en kemist och fysiker som arkitekterade många av de teorier som senare byggdes på av Maxwell. En anledning till att Faraday är så mycket mer framträdande i historien än Maxwell eller Oersted beror förmodligen på att han är en så produktiv forskare och uppfinnare. Han kallas allmänt som en pionjär inom elektromagnetism, men han krediteras också för att ha upptäckt elektromagnetisk induktion, som vi kommer att diskutera senare när vi utforskar några verkliga applikationer. Faraday uppfann också elmotorn, och förutom hans inflytelserika arbete inom fysik, han var också den allra första personen som utsågs till den prestigefyllda positionen som Fullerian professor i kemi vid Royal Institution of Great Britain. Inte så pjåkigt.
Så vad avslöjade dessa mäns arbete? I nästa avsnitt, vi ska titta på hur elektromagneter fungerar.
Detta diagram visar en enkel elektromagnet. Hur saker fungerar Som vi nämnde i inledningen, grundläggande elektromagneter är inte så komplicerade; du kan konstruera en enkel själv med hjälp av material som du förmodligen har i huset. En ledande tråd, vanligtvis isolerad koppar, lindas runt en metallstav. Tråden blir varm vid beröring, varför isolering är viktigt. Stången på vilken tråden är inlindad kallas a magnetventil , och det resulterande magnetfältet strålar bort från denna punkt. Magnetens styrka är direkt relaterad till hur många gånger tråden rullar runt stången. För ett starkare magnetfält, tråden bör vara tätare insvept.
OK, det är lite mer än så. Ju tätare tråden lindas runt stången, eller kärna, ju fler slingor strömmen gör runt den, öka styrkan hos magnetfältet. Förutom hur tätt tråden är lindad, materialet som används för kärnan kan också styra magnetens styrka. Till exempel, järn är en ferromagnetisk metall, vilket betyder att den är mycket permeabel [källa:Boston University]. Permeabilitet är ett annat sätt att beskriva hur väl materialet kan stödja ett magnetfält. Ju mer ledande ett visst material är för ett magnetfält, desto högre är dess permeabilitet.
Allt spelar roll, inklusive järnstången på en elektromagnet, består av atomer. Innan solenoiden elektrifieras, atomerna i metallkärnan är ordnade slumpmässigt, inte pekar i någon särskild riktning. När strömmen introduceras, magnetfältet tränger in i stången och justerar atomerna igen. Med dessa atomer i rörelse, och alla i samma riktning, magnetfältet växer. Atomernas inriktning, små områden med magnetiserade atomer kallade domäner , ökar och minskar med strömnivån, så genom att kontrollera flödet av el, du kan styra magnetens styrka. Det kommer en mättnadspunkt när alla domäner är i linje, vilket innebär att tillsättning av ytterligare ström inte kommer att leda till ökad magnetism.
Genom att styra strömmen, du kan i princip slå på och stänga av magneten. När strömmen stängs av, atomerna återgår till sin naturliga, slumpmässigt tillstånd och stången förlorar sin magnetism (tekniskt sett den behåller vissa magnetiska egenskaper men inte mycket och inte särskilt länge).
Med en permanent magnet, som de som håller familjehundens bild vid kylskåpet, atomerna är alltid inriktade och magnetens styrka är konstant. Visste du att du kan ta bort den permanenta magnetens klämkraft genom att släppa den? Påverkan kan faktiskt få atomerna att falla ur linje. De kan magnetiseras igen genom att gnugga en magnet på den.
Elektriciteten för att driva en elektromagnet måste komma någonstans, höger? I nästa avsnitt, vi ska utforska några av de sätt på vilka dessa magneter får sin saft.
Så här ser magnetfälten ut i en grundläggande elektromagnet. Hemera/Thinkstock Eftersom en elektrisk ström krävs för att driva en elektromagnet, var kommer det ifrån? Det snabba svaret är att allt som producerar en ström kan driva en elektromagnet. Från de små AA -batterierna som används i din TV -fjärrkontroll till stora, industrikraftverk som drar el direkt från ett nät, om den lagrar och överför elektroner, då kan den driva en elektromagnet.
Låt oss börja med en titt på hur hushållsbatterier fungerar. De flesta batterier har två lätt identifierbara poler, ett positivt och ett negativt. När batteriet inte används, elektroner samlas vid den negativa polen. När batterierna sätts in i en enhet, de två polerna kommer i kontakt med sensorerna i enheten, stänga kretsen och låta elektroner flöda fritt mellan polerna. När det gäller din fjärrkontroll, enheten är utformad med en ladda , eller utgångspunkt, för energin som lagras i batteriet [källa:Grossman]. Lasten ger energi att använda fjärrkontrollen. Om du helt enkelt skulle ansluta en kabel direkt till varje ände av ett batteri utan belastning, energin skulle snabbt rinna ur batteriet.
Medan detta händer, de rörliga elektronerna skapar också ett magnetfält. Om du tar ur batterierna från fjärrkontrollen, det kommer sannolikt att behålla en liten magnetisk laddning. Du kunde inte hämta en bil med fjärrkontrollen, men kanske några små järnspån eller till och med ett gem.
I andra änden av spektrumet är jorden själv. Enligt definitionen som vi diskuterade tidigare, en elektromagnet skapas när elektriska strömmar flyter runt någon ferromagnetisk kärna. Jordens kärna är järn, och vi vet att den har en nordpol och en sydpol. Det här är inte bara geografiska beteckningar utan faktiska motsatta magnetpoler. Dynamoeffekten , ett fenomen som skapar massiva elektriska strömmar i järnet tack vare rörelsen av flytande järn över ytterkärnan, skapar en elektrisk ström. Denna ström genererar en magnetisk laddning, och denna naturliga magnetism på jorden är det som får en kompass att fungera. En kompass pekar alltid norrut eftersom metallnålen lockas till dragningen av Nordpolen.
Klart, det finns ett brett spektrum av elektromagnetiska applikationer mellan små, hemlagade vetenskapliga experiment och jorden själv. Så, var dyker dessa enheter upp i den verkliga världen? I nästa avsnitt, Vi ska titta på hur våra vardagsliv påverkas av elektromagnetism.
Elektromagneten i Large Hadron Collider (LHC) är formad som en gigantisk käke. Den består av två 27-ton (24-metriska ton) spolar, installerad i en 1, 450 ton (1, 315 ton) bygel. Francis DEMANGE/Getty Images Många elektromagneter har en fördel jämfört med permanenta magneter eftersom de enkelt kan slås på och av, och öka eller minska mängden elektricitet som flyter runt kärnan kan styra deras styrka.
Modern teknik förlitar sig starkt på elektromagneter för att lagra information med hjälp av magnetiska inspelningsenheter. När du sparar data på en traditionell datorhårddisk, till exempel, mycket liten, magnetiserade metallbitar är inbäddade på en skiva i ett mönster som är specifikt för den sparade informationen. Dessa data började livet som binärt digitalt datorspråk (0s och 1s). När du hämtar denna information, mönstret konverteras till det ursprungliga binära mönstret och översätts till en användbar form. Så vad gör detta till en elektromagnet? Strömmen som går genom datorns kretsar magnetiserar de små metallbitarna. Detta är samma princip som används i bandspelare, Videobandspelare och andra bandbaserade media (och ja, några av er äger fortfarande banddäck och videobandspelare). Det är därför som magneter ibland kan orsaka kaos på minnena från dessa enheter.
Du kan använda elektromagnetism varje dag om du laddar en telefon eller surfplatta trådlöst. Laddplattan skapar ett magnetfält. Din telefon har en antenn som synkroniseras med laddaren, låter en ström flöda. Som ni kanske föreställer er, de elektromagnetiska spolarna inuti enheter som dessa är små, men större spolar kan ladda större enheter som elbilar.
Elektromagneter banade också vägen för att verkligen utnyttja potentialen för el i första hand. I elektriska apparater, motorn rör sig eftersom strömmen från ditt vägguttag ger ett magnetfält. Det är inte själva elen som driver motorn, men laddningen skapad av magneten. Magnetens kraft skapar rotationsrörelser, vilket betyder att de roterar runt en fast punkt, liknande hur ett däck roterar runt en axel.
Så, varför inte hoppa över denna process och bara använda uttaget för att driva motorn i första hand? Eftersom strömmen som krävs för att driva en apparat är ganska stor. Har du någonsin märkt hur det kan bli så att lamporna i ditt hem flimrar när du sätter på en stor apparat som en tv eller en tvättmaskin? Detta beror på att apparaten från början drar mycket energi, men den stora mängden behövs bara för att få igång motorn. När det händer, denna cykel av elektromagnetisk induktion tar över.
Från hushållsapparater, vi går upp till några av de mest komplexa maskiner som någonsin byggts för att se hur elektromagneter används för att låsa upp universums ursprung. Partikelacceleratorer är maskiner som driver laddade partiklar mot varandra i otroligt höga hastigheter för att observera vad som händer när de kolliderar. Dessa strålar av subatomära partiklar är mycket exakta och kontrollen av deras bana är kritisk så att de inte går ur kurs och skadar maskinen. Det är här elektromagneter kommer in. Magneterna är placerade längs banan för de kolliderande strålarna, och deras magnetism används faktiskt för att styra deras hastighet och bana [källa:NOVA Teachers].
Inte ett dåligt CV för vår vän elektromagneten, va? Från något du kan skapa i ditt garage till att använda verktygen som forskare och ingenjörer använder för att dechiffrera universums ursprung, elektromagneter har en ganska viktig roll i världen omkring oss.
Klar att testa några egna elektromagnetiska experiment? Läs vidare för några roliga idéer.
Elektromagneter är enkla att göra; bara några hårdvaror och en strömförsörjning får dig på väg. Först, du behöver följande saker:
När du väl har dessa föremål, ta bort isoleringen från varje ände av koppartråden, precis tillräckligt för att ge en bra anslutning till batteriet. Linda tråden runt spiken; ju hårdare du kan slå in den, desto kraftigare blir magnetfältet. Till sist, anslut batteriet genom att fästa ena änden av kabeln till den positiva terminalen och en till den negativa terminalen (det spelar ingen roll vilken ände av tråden som paras med vilken terminal). Presto! En fungerande elektromagnet [källa:Jefferson Lab].
Kan du inte få nog av praktiska elektromagnetiska experiment? Vi har några fler idéer för dig att prova:
Ursprungligen publicerat:1 apr. 2000
