Elektromagnete funktionieren genauso gut wie Permanentmagnete. Tatsächlich sind sie sogar noch nützlicher, da Sie sie ein- und ausschalten können. Elektromagnete finden Sie in Festplatten, Lautsprechern und sogar in anspruchsvollen Geräten wie MRT-Geräten und dem Large Hadron Collider des CERN in Genf, Schweiz. Sie brauchen offensichtlich einen stärkeren Elektromagneten für einen Teilchenbeschleuniger als für einen Lautsprecher. Wie also machen Wissenschaftler Magnete stark genug, um einen Elektronenstrahl zu fokussieren? Die Antwort ist etwas komplizierter, als sie einfach größer zu machen, obwohl das ein Teil davon ist. Wichtig sind die verwendeten Materialien, die angelegte Spannung und die Umgebungstemperatur.
TL; DR (zu lang; nicht gelesen)
Um die Stärke eines Elektromagneten zu erhöhen, können Sie die Stromstärke erhöhen, und es gibt mehrere Möglichkeiten, dies zu tun. Sie können auch die Windungszahl erhöhen, die Umgebungstemperatur senken oder Ihren nichtmagnetischen Kern durch ein ferromagnetisches Material ersetzen.
Es dreht sich alles um elektromagnetische Induktion
Der dänische Wissenschaftler Hans Christian Orsted war der erste, der bemerkte, dass ein Strom, der durch einen Draht fließt, einen nahegelegenen Kompass beeinflussen kann. Mit anderen Worten, es erzeugt ein Magnetfeld. Wenn Sie den Draht um einen Kern wickeln und einen sogenannten Solenoid bilden, nehmen die Enden des Kerns entgegengesetzte Polaritäten an, genau wie bei einem Permanentmagneten. Die Feldstärke hängt von der Stromstärke, der Windungszahl und dem Kernmaterial ab. Dies ist alles, was Sie sich merken müssen, wenn Sie den Magneten stärker machen möchten.
Stromstärke erhöhen
Nach dem Gesetz von Ampère ist das Magnetfeld um einen stromdurchflossenen Draht direkt proportional zur Stromstärke. Mit anderen Worten, erhöhen Sie die Stromstärke und Sie erhöhen das Magnetfeld, und es gibt mehr als eine Möglichkeit, dies zu tun:
- Erhöhen Sie die Spannung: Das Ohmsche Gesetz sagt Ihnen, dass Strom proportional zur Spannung ist. Wenn Sie also Ihren Elektromagneten mit einer 6-Volt-Batterie betreiben, wechseln Sie zu einer 12-Volt-Batterie. Sie können die Spannung jedoch nicht unbegrenzt erhöhen, da der Drahtwiderstand mit der Temperatur steigt, bis ein Grenzstrom erreicht wird. Das bringt Sie zur nächsten Option.
- Senken Sie die Drahtstärke: Der Drahtwiderstand nimmt mit zunehmender Querschnittsfläche ab, daher den Drahtquerschnitt reduzieren. Denken Sie daran, dass eine Verringerung der Dicke gleichbedeutend mit einer Erhöhung der Drahtstärke ist. Wenn Sie Ihr Magnetventil mit 16-Gauge-Draht umwickelt haben, ersetzen Sie es durch 14-Gauge, und der Magnet wird stärker.
- Senken Sie die Temperatur: Der Widerstand steigt mit der Temperatur, also wenn Sie Ihren Magneten unter dem Gefrierpunkt halten können Temperaturen, es wird stärker sein als eine bei Raumtemperatur, obwohl der Unterschied wahrscheinlich nicht viel sein. Bei extrem niedrigen Temperaturen verschwindet der Widerstand jedoch fast und die Drähte werden supraleitend. Diese Tatsache ermöglicht es Wissenschaftlern, überaus starke Magnete zu entwickeln, wie die am CERN.
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Verwenden Sie Drähte mit hoher Leitfähigkeit: Sie können den Strom auch erhöhen, indem Sie zu einem Draht mit einer höheren Leitfähigkeit aufrüsten. Kupferdraht ist wahrscheinlich der leitfähigste Draht, den Sie verwenden können, aber Silberdraht ist noch leitfähiger. Wechseln Sie zu Silberdraht, wenn Sie es sich leisten können, und Sie haben einen stärkeren Magneten.
Erhöhen Sie die Anzahl der Wicklungen
Die Stärke eines Elektromagneten, auch als magnetomotorische Kraft (mmf) bekannt, ist nicht nur direkt proportional zum Strom (I), sondern auch zur Anzahl der Windungen (n) um den Elektromagneten. Die Erhöhung der Windungszahl ist wahrscheinlich der einfachste Weg, die Stärke eines Elektromagneten zu erhöhen. Da mmf = nI, verdoppelt die Verdopplung der Windungszahl die Stärke des Magneten. Es ist in Ordnung, die Drähte in Schichten um den Magnetkern zu wickeln. Das Magnetfeld bleibt unbeeinflusst, wenn Drähte miteinander in Kontakt sind.
Verwenden Sie einen ferromagnetischen Kern
Wenn Sie möchten, können Sie einen Elektromagneten herstellen, indem Sie Drähte um eine gebrauchte Papierhandtuchrolle wickeln, aber wenn Sie einen starken Magneten wünschen, wickeln Sie sie stattdessen um einen Eisenkern. Eisen ist ein magnetisches Material und wird beim Einschalten des Stroms magnetisiert. Dies gibt Ihnen praktisch zwei Magnete zum Preis von einem. Stahl enthält Eisen und verhält sich daher genauso, wenn auch nicht so stark. Zwei andere ferromagnetische Metalle, denen Sie begegnen könnten, sind Nickel und Kobalt.