Elektromagnetism är en av de grundläggande krafterna i universum som ansvarar för allt från elektriska och magnetiska fält till ljus. Ursprungligen trodde forskare att magnetism och elektricitet var separata krafter. Men i slutet av 1800-talet förändrades denna uppfattning, eftersom forskning visat på ett slutgiltigt sätt att positiva och negativa elektriska laddningar styrdes av en kraft (dvs. magnetism).
Sedan den tiden har forskare försökt testa och mäta elektromagnetiska fält och återskapa dem. Mot detta syfte skapade de elektromagneter, en enhet som använder elektrisk ström för att inducera ett magnetfält. Och sedan deras första uppfinning som ett vetenskapligt instrument har elektromagneter blivit ett regelbundet inslag i elektroniska apparater och industriella processer.
Elektromagneter skiljer sig från permanentmagneter genom att de endast visar en magnetisk attraktion mot andra metallföremål när en ström passeras genom dem. Detta ger många fördelar, genom att kraften i dess magnetiska dragning kan kontrolleras och slås på och av när som helst. Det är av den anledningen de används i stor utsträckning inom forskning och industri, varhelst magnetiska interaktioner krävs.
Elektromagnets historia:
Den första registrerade upptäckten av förhållandet mellan elektricitet och magnetism inträffade 1820, då den danska forskaren Hans Christian Orsted märkte att nålen på hans kompass pekade bort från magnetisk norr när ett närliggande batteri slogs på. Denna avböjning övertygade honom om att magnetfält strålar från alla sidor av en tråd som bär en elektrisk ström, precis som ljus och värme.
Strax därefter publicerade han sina fynd och visade matematiskt att en elektrisk ström producerar ett magnetfält när det rinner genom en tråd. Fyra år senare utvecklade den engelska forskaren William Sturgeon den första elektromagneten, som bestod av en hästskoformad järnbit lindad med koppartråd. När ström passerade genom ledningen, skulle den locka andra järnstycken, och när strömmen stoppades förlorade den magnetiseringen.
Även om Sturgeons elektromagnet är svag med moderna standarder, visar den deras potentiella användbarhet. Trots att den bara väger 200 gram (7 ounces) kunde den lyfta föremål som vägde ungefär 4 kg (9 pund) med endast strömmen för ett encelligt batteri. Som ett resultat började forskningen intensifieras till både elektromagneter och elektrodynamikens natur.
På 1930-talet gjorde den amerikanska forskaren Joseph Henry en serie förbättringar av designen av elektromagneten. Genom att använda isolerad tråd kunde han placera tusentals trådvarv på en enda kärna. Som ett resultat kunde en av hans elektromagneter ha upp till 936 kg vikt. Detta skulle ha en populariserande effekt på användningen av elektromagneter.
Typer av elektromagneter:
En elektrisk ström som strömmar i en tråd skapar ett magnetfält runt tråden på grund av Amperes lag. Denna lag säger att summan av längdelementen gånger magnetfältet i längdelementets riktning är lika med permeabiliteten gånger den elektriska strömmen som är innesluten i slingan för varje sluten slingbana.
För att koncentrera magnetfältet i en elektromagnet, lindas tråden in i en spole många gånger, vilket säkerställer att vridtråden är sida vid sida längs kanten. Det magnetiska fältet som genereras av trådvarv passerar genom spolens centrum och skapar ett starkt magnetfält där. Sidan på magneten som fältlinjerna kommer från definieras som den Nordpolen.
En trådspole som har formen av en spiral kallas en "solenoid". Emellertid kan mycket starkare magnetfält produceras om ett ferromagnetiskt material (dvs järn) placeras inuti spolen. Det här är vad som kallas en "ferromagnetisk kärna" (eller "järnkärnelektromagnet"), som kan generera ett magnetfält tusen gånger så mycket som en spolstyrka.
Sedan är det som kallas en "toirodal kärna", i vilken tråden är lindad runt en ferromagnetisk kärna i form av en sluten slinga (alias magnetisk krets). I detta fall har de magnetiska fälten formen av en sluten slinga och ger därmed mycket mindre "motstånd" mot magnetfältet än luft. Som ett resultat kan ett starkare fält erhållas om det mesta av magnetfältets väg är inom kärnan.
Och sedan finns det ”superledande” elektromagneter, som består av spiraltråd gjord av superledande material (som niob-titan eller magnesiumdiborid). Dessa ledningar hålls också vid kryogena temperaturer för att säkerställa att det elektriska motståndet är minimalt. Sådana elektromagneter kan leda mycket större strömmar än vanlig tråd, vilket skapar de starkaste magnetfälten för någon elektromagnet, samtidigt som de är billigare att använda på grund av att det inte finns någon energiförlust.
Moderna användningar för elektromagneter:
Idag finns det otaliga applikationer för elektromagneter, allt från stora industrimaskiner till småskaliga elektroniska komponenter. Dessutom används elektromagneter i stor utsträckning för att bedriva vetenskaplig forskning och experiment, särskilt där superledningsförmåga och snabb acceleration krävs.
När det gäller elektromagnetiska solenoider används de varhelst ett enhetligt (d.v.s. kontrollerat) magnetfält behövs. Detsamma gäller för järnkärnans elektromagnet, där en järn eller annan ferromagnetisk kärna kan sättas in eller tas bort för att förstärka magnetens fältstyrka. Som ett resultat finns magnetventiler vanligtvis i elektroniska paintball-markörer, pinballmaskiner, prickmatrisskrivare och bränsleinsprutare, där magnetism appliceras och kontrolleras för att säkerställa kontrollerad rörelse av specifika komponenter.
Med tanke på deras förmåga att generera mycket kraftfulla magnetfält, låg resistans och hög effektivitet, finns ofta ledande elektromagneter i vetenskaplig och medicinsk utrustning. Dessa inkluderar MRI-maskiner (Magnetic Resonance Imaging) på sjukhus och vetenskapliga instrument som NMR-spektrometrar, masspektrometrar och även partikelacceleratorer.
Elektromagneter används också i stor utsträckning när det gäller musikutrustning. Dessa inkluderar högtalare, hörlurar, elektriska klockor och magnetisk inspelnings- och datalagringsutrustning - till exempel bandspelare. Multimedia- och underhållningsindustrin förlitar sig på elektromagneter för att skapa enheter och komponenter, till exempel videobandspelare och hårddiskar.
Elektriska ställdon, som är motorer som ansvarar för att omvandla elektrisk energi till mekaniskt vridmoment, förlitar sig också på elektromagneter. Elektromagnetisk induktion är också de medel genom vilka krafttransformatorer fungerar, som ansvarar för att öka eller minska växelspänningens spänningar längs kraftledningarna.
Induktionsvärme, som används för matlagning, tillverkning och medicinsk behandling, förlitade sig också på elektromagneter, som omvandlar elektrisk ström till värmeenergi. Elektromagneter används också för industriella tillämpningar, till exempel magnetiska lyftare som använder magnetisk dragkraft för att lyfta tunga föremål eller magnetiska separatorer som ansvarar för att sortera ferromagnetiska metaller från skrotmetall.
Och sist, men säkert inte minst, är det tillämpningen av maglev-tåg. Förutom att använda elektromagnetisk kraft för att tillåta ett tåg att levitera över ett spår, är superledande elektromagneter också ansvariga för att accelerera tågen till hög hastighet.
Kort sagt, användningen av elektromagneter är praktiskt taget obegränsad, vilket driver allt från konsumentenheter och tung utrustning till masstransport. I framtiden kan de också vara ansvariga för rymden, där jonframdrivningssystem använder magnetiska fält för att påskynda laddade partiklar (dvs joner) och uppnå drivkraft.
Vi har skrivit många intressanta artiklar om elektromagneter här på Space Magazine. Här är vem som upptäckte elektricitet? Vad är magneter tillverkade av? Hur fungerar magneter ?, Jordens magnetfält och jonframdrivning.
För mer information, se till att kolla NASA: s pedagogiska resurser: Experimentera med elektromagneter och jordens roll som en elektromagnet och skapandet av Auroras, och NASA våglängds sida på elektromagneter.
How Stuff Works har också en fantastisk sida, med titeln "Introduktion till hur elektromagneter fungerar", och National High Magnetic Field laboratorium (MagLab) har några underbara artiklar om elektromagneter, hur man gör dem och hur de fungerar.
Du kan också kolla in Astronomy Cast. Avsnitt 103 handlar om elektromagnetiska krafter.
