Jak zvýšit sílu elektromagnetu

Elektromagnety fungují stejně dobře jako permanentní magnety. Ve skutečnosti jsou ještě užitečnější, protože je můžete zapnout a vypnout. Elektromagnety najdete na pevných discích, reproduktorech a dokonce i v sofistikovaných zařízeních, jako jsou stroje MRI a Large Hadron Collider společnosti CERN v Ženevě ve Švýcarsku. Zjevně potřebujete silnější elektromagnet pro urychlovač částic než pro reproduktor, tak jak vědci dělají magnety dostatečně silné, aby zaostřily paprsek elektronů? Odpověď je trochu komplikovanější, než je jednoduše zvětšit, i když k tomu patří. Materiály, které používáte, použité napětí a okolní teplota jsou důležité.

TL; DR (příliš dlouhý; Nečetl)

Chcete-li zvýšit sílu elektromagnetu, můžete zvýšit proud síly a existuje několik způsobů, jak to udělat. Můžete také zvýšit počet vinutí, snížit teplotu okolí nebo nahradit nemagnetické jádro feromagnetickým materiálem.

Dánský vědec Hans Christian Orsted si jako první všiml, že proud protékající drátem může ovlivnit blízký kompas. Jinými slovy, generuje magnetické pole. Pokud navinete drát kolem jádra a vytvoříte takzvaný solenoid, konce jádra budou mít opačnou polaritu, stejně jako permanentní magnet. Síla pole závisí na velikosti proudu, počtu vinutí a materiálu jádra. To je vše, co si musíte zapamatovat, pokud chcete magnet posílit.

Podle Ampèrova zákona je magnetické pole kolem vodiče nesoucího proud přímo úměrné síle proudu. Jinými slovy, zvyšte sílu proudu a zvětšete magnetické pole a existuje více než jeden způsob, jak to udělat:

• Zvyšte napětí: Ohmův zákon vám říká, že proud je úměrný napětí, takže pokud používáte elektromagnet na 6voltové baterii, přepněte na 12voltovou. Nemůžete však neustále zvyšovat napětí, protože odpor drátu se zvyšuje s teplotou, dokud není dosaženo omezujícího proudu. Tím se dostanete k další možnosti.

• Snižte měřidlo drátu: Odpor drátu klesá se zvětšující se průřezovou plochou, proto snižte průřez drátu. Pamatujte, že zmenšení rozchodu je synonymem pro zvýšení tloušťky drátu. Pokud jste obalili solenoid vodičem o rozměru 16, nahraďte jej vodičem o rozměru 14 a magnet bude silnější.

• Snižte teplotu: Odpor se zvyšuje s teplotou, takže pokud dokážete udržet magnet pod bodem mrazu teplotách, bude silnější než jedna při pokojové teplotě, i když rozdíl pravděpodobně nebude být hodně. Při extrémně nízkých teplotách však odpor téměř zmizí a dráty se stávají supravodivými. Tato skutečnost umožňuje vědcům navrhnout uber výkonné magnety, jako jsou ty v CERNu.

• Použijte vodič s vysokou vodivostí: Proud můžete také zvýšit upgradem na vodič s vyšší vodivostí. Měděný drát je pravděpodobně nejvodivější vodič, který můžete použít, ale stříbrný drát je ještě vodivější. Přepněte na stříbrný drát, pokud si to můžete dovolit, a budete mít silnější magnet.
  

Síla elektromagnetu, známá také jako jeho magnetomotorická síla (mmf), je přímo úměrná nejen proudu (I), ale také počtu vinutí (n) kolem solenoidu. Zvyšování počtu vinutí je pravděpodobně nejjednodušší způsob, jak zvýšit sílu elektromagnetu. Jelikož mmf = nI, zdvojnásobení počtu vinutí zdvojnásobuje sílu magnetu. Je v pořádku zabalit vodiče ve vrstvách kolem jádra solenoidu. Při vzájemném kontaktu vodičů není magnetické pole ovlivněno.

Pokud chcete, můžete vyrobit elektromagnet ovinutím drátů kolem použité role papírových ručníků, ale pokud chcete silný magnet, namotejte je kolem železného jádra. Železo je magnetický materiál a magnetizuje se, když zapnete proud. Získáte tak ve skutečnosti dva magnety za cenu jednoho. Ocel obsahuje železo, takže se bude chovat stejně, i když ne tak silně. Dva další feromagnetické kovy, se kterými se můžete setkat, jsou nikl a kobalt.