Av S. Hussain Ather, uppdaterad 24 mars 2022

RZ/iStock/GettyImages

Introduktion

Elektromagnetiska fenomen är en del av modern teknik – från batteriet i din smartphone till satellitkommunikationssystem. Genom att använda samma principer kan du konstruera en liten elektromagnetisk fältgenerator (EMF) med vardagliga material som koppartråd, en järnspik och en enkel strömkälla.

Material som behövs

• 1–2 fot isolerad koppartråd (≈30 cm, 0,5 mm diameter)
• 1 standardjärnspik (≈10 cm lång)
• Isolerade ledningar för anslutningar
• Variabel strömförsörjning eller 9V batteri
• Gemmer eller en liten kompass (valfritt)
• Icke-ledande bas (trä eller betong)

Steg-för-steg-konstruktion

1. Placera järnspiken på den icke-ledande ytan.
2. Vila koppartråden hårt runt spiken, lämna cirka 5 cm tråd fri i varje ände. Fler varv ökar fältstyrkan.
3. Fäst de fria ändarna av spolen vid ändarna av de isolerade ledningarna.
4. Anslut en isolerad ledning till den positiva polen på strömförsörjningen och den andra till den negativa polen.
5. Placera gem nära nageln för att observera den magnetiska attraktionen.
6. Slå på strömförsörjningen och öka gradvis spänningen. När strömmen stiger bör gemen riktas in längs spolens axel.
7. För en visuell bekräftelse, placera en kompass mellan spolen och strömkällan; nålen kommer att rotera mot spolens axel när strömmen flyter.

Fysiken bakom generatorn

När elektrisk ström flyter genom kopparspolen skapar den ett cirkulärt magnetfält som beskrivs av högerhandsregeln:peka med tummen i riktning mot konventionell ström och fingrarna rullar runt fältlinjerna. Spolens geometri koncentrerar fältet inom järnkärnan och förvandlar det till en elektromagnet.

Till skillnad från permanentmagneter kräver elektromagneter en kontinuerlig ström för att behålla sitt fält. Denna kontrollerbarhet gör dem oumbärliga i modern teknik.

Beräkna magnetfältet

Magnetfältet inuti en solenoid ges av:

B =μ₀nL

där B är fältet i Tesla, μ₀=1,257×10⁻⁶T·m/A är permeabiliteten för fritt utrymme, n är antalet varv per längdenhet och L är längden på kärnan. Använder Ampères lag:

B =μ₀I/L

där I är strömmen i ampere. Dessa ekvationer antar en tätt lindad spole och en enhetlig kärna.

Alternativa mönster

För tillämpningar som kräver kompakthet och effektivitet föredras toroidformade (munkformade) elektromagneter. Fältet inuti en toroid är:

B =μ₀nI/(2πr)

där r är medelradien. Toroidformade kärnor begränsar det magnetiska flödet, vilket minskar läckage och energiförluster – vilket gör dem idealiska för transformatorer och induktorer.

Vanliga tillämpningar av elektromagneter

Elektromagneter finns överallt:från industriella lyftkranar och magnetiska separatorer till medicinsk bildbehandling (MRI) och partikelacceleratorer. De driver också vardagliga enheter som högtalare, hörlurar och induktionshällar. Inom transporter är maglev-tåg beroende av supraledande elektromagneter för att sväva och driva fordonet.

Säkerhetsöverväganden

Koppla alltid bort strömkällan innan du konfigurerar om spolen. Överdriven ström kan värma tråden och kärnan, vilket kan orsaka brännskador eller brand. Använd en strömkälla med strömbegränsande funktioner för att undvika överströmsförhållanden.