電磁石は電流からの磁気を生成する装置です。電流が止まると、磁場も消えます。1820年、電流がその環境に磁場を生成することが発見されました。4年後、最初の電磁石が発明され、製造されました。
最初の電磁石は、絶縁ワニスが塗られた鉄の蹄鉄で構成され、電気絶縁なしの銅線が18ターン巻かれました。
図1.電磁石。ソース：pixabay
現代の電磁石は、それらに与えられる予定の最終用途に応じて、さまざまな形状を持つことができます。ワニスで絶縁されているのは鉄芯ではなくケーブルです。鉄心の最も一般的な形状は円筒形で、その上に絶縁銅線が巻かれています。
巻線だけで磁場を生成する電磁石を作成できますが、鉄心は磁場の強度を増大させます。
電磁石の巻線に電流が流れると、鉄心が磁化されます。つまり、材料の固有の磁気モーメントが整列して追加され、全磁場が強化されます。
このような磁性は、少なくとも紀元前600年、ミレトスのギリシャのタレスが磁石について詳細に語ったときから知られています。鉄鉱物であるマグネタイトは、自然にそして永久に磁性を生み出します。
電磁石の利点
電磁石の疑いのない利点は、電流を制御することによって磁場を確立、増加、減少、または除去できることです。永久磁石を作るには電磁石が必要です。
なぜこれが起こっているのですか？答えは、磁性は電気と同じように物質に固有のものですが、どちらの現象も特定の条件下でのみ現れるということです。
ただし、磁場の発生源は移動する電荷や電流であると言えます。物質の内部では、原子レベルおよび分子レベルで、これらの電流が生成され、互いに打ち消し合うすべての方向の磁場を生成します。これが、通常、材料が磁性を示さない理由です。
それを説明する最良の方法は、小さな磁石（磁気モーメント）がすべての方向を指す物質の内部に収納されていると考えることです。
強磁性材料では、磁気モーメントが整列して、磁区と呼ばれる領域を形成します。外部フィールドが適用されると、これらのドメインが整列します。
外部フィールドが削除されると、これらのドメインは元のランダムな位置には戻りませんが、部分的に整列したままになります。このようにして、材料は磁化され、永久磁石を形成します。
電磁石の構成と部品
電磁石は以下で構成されています。
-ワニスで絶縁されたケーブルの巻き線。
-鉄芯（オプション）。
-電流源。直接または交互にできます。
図2.電磁石の部品。出典：自作。
巻線は、磁場を生成する電流が通過する導体であり、ばねの形で巻かれます。
巻線では、1つまたは複数のターンは通常非常に接近しています。そのため、巻線を構成するワイヤに電気絶縁性を持たせることが非常に重要です。これは、特殊なワニスで実現されています。ニスを塗る目的は、ターンがグループ化されて互いに接触している場合でも、電気的に絶縁されたままであり、電流がらせん状に進むことです。
巻線導体が厚いほど、ケーブルはより多くの電流に耐えますが、巻くことができる総巻き数が制限されます。このため、多くの電磁石コイルは細い線を使用しています。
生成される磁場は、巻線導体を通過する電流に比例し、ターンの密度にも比例します。つまり、配置される単位長さあたりのターン数が多いほど、フィールドの強度が大きくなります。
巻線の巻きが密であればあるほど、指定された長さに収まる数が多くなり、密度が高くなるため、結果として電界が増加します。これは、電磁石がプラスチックや他の材料の代わりにワニスで絶縁されたケーブルを使用するもう1つの理由であり、厚みを増します。
ソレノイド
図2に示すようなソレノイドまたは円筒形の電磁石では、磁場の強度は次の関係によって与えられます。
B =μ⋅n⋅I
ここで、Bは磁場（または磁気誘導）であり、国際システムの単位でテスラで測定されます。μはコアの透磁率、nは1メートルあたりの巻き数または巻き数、そして最後に電流Iアンペア（A）で測定される巻線を循環します。
鉄心の透磁率はその合金に依存し、通常、空気の透磁率の200〜5000倍です。結果として得られるフィールドは、鉄心のない電磁石のフィールドと同じ係数で乗算されます。空気の透磁率はμである真空のものにほぼ等しい0 = 1.26×10 -6 T * M / A.
それはどのように機能しますか？
電磁石の動作を理解するには、磁性の物理を理解する必要があります。
電流Iを運ぶ単純な直線のワイヤーから始めましょう。この電流はワイヤーの周りに磁場Bを生成します。
図3.直線ワイヤによって生成される磁場。出典：ウィキメディア・コモンズ
直線の周りの磁力線は、リード線の周りの同心円です。磁力線は右手の法則に準拠しています。つまり、右手の親指が電流の方向を指している場合、右手のその他の4本の指は磁力線の循環の方向を示します。
直線ワイヤーの磁場
それから距離rにある直線ワイヤによる磁場は次のとおりです。
ワイヤーが円またはループを形成するようにワイヤーを曲げると、ワイヤーの内側の磁力線が集まり、すべて同じ方向を指し、追加および強化されます。ループまたは円の内側の部分では、外側の部分よりも電界が強くなり、磁力線が分離して弱くなります。
図4.円形のワイヤーによって生成される磁場。出典：ウィキメディア・コモンズ
ループの中心にある磁場
電流Iを運ぶ半径aのループの中心に結果として生じる磁場は、次のとおりです。
ケーブルを曲げるたびに効果が倍増し、ケーブルが2、3、4、…、そして多くのターンを持つようになります。ケーブルを非常に近い巻き数のばねの形で巻くと、ばねの内側の磁場は均一で非常に強くなりますが、外側の磁場は実質的にゼロです。
ケーブルを長さ1 cm、直径1 cmで30ターンのらせん状に巻くとします。これにより、1メートルあたり3000ターンのターン密度が得られます。
理想的なソレノイド磁場
理想的なソレノイドでは、内部の磁場は次のように与えられます。
要約すると、1アンペアの電流を伝送するケーブルの計算と、さまざまな構成のケーブルから常に0.5 cm離れたマイクロテスラの磁場を計算します。
- ストレートケーブル：40マイクロテスラ。
- 直径1 cmの円形のケーブル：125マイクロテスラ。
- 1 cmで300回転のらせん：3770マイクロテスラ= 0.003770テスラ。
しかし、比誘電率が100の鉄心をスパイラルに追加すると、磁場は100倍になり、0.37テスラになります。
ソレノイド形状の電磁石が断面Aの鉄心の断面に及ぼす力を計算することもできます。
1.6テスラの飽和磁場を想定すると、電磁石によって加えられる鉄心領域の平方メートルあたりの力は、10 ^ 5キログラムの力に相当する10 ^ 6ニュートン、つまり0.1トン/断面の平方メートル。
これは、飽和磁場が1.6テスラの電磁石が、断面積が1 cm 2の鉄心に10 kgの力を及ぼすことを意味します。
電磁石アプリケーション
電磁石は多くのガジェットやデバイスの一部です。たとえば、それらは内部にあります：
-電気モーター。
-オルタネーターとダイナモ。
-スピーカー。
-電気機械式リレーまたはスイッチ。
-電気ベル。
-流量制御用の電磁弁。
-コンピュータのハードドライブ。
-金属くずを持ち上げるスクラップ。
-都市廃棄物からの金属セパレーター。
-電車やトラック用の電気ブレーキ。
-核磁気共鳴画像装置。
そして、より多くのデバイス。
参考文献
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