Hur man ökar styrkan hos en elektromagnet

Elektromagneter fungerar lika bra som permanentmagneter. Faktum är att de är ännu mer användbara eftersom du kan slå på och av dem. Du hittar elektromagneter i hårddiskar, högtalare och till och med i sofistikerad utrustning som MR-maskiner och CERN: s Large Hadron Collider i Genève, Schweiz. Du behöver självklart en starkare elektromagnet för en partikelkolliderare än vad du gör för en högtalare, så hur gör forskare magneter tillräckligt kraftfulla för att fokusera en elektronstråle? Svaret är lite mer komplicerat än att bara göra dem större, även om det är en del av det. Materialen du använder, spänningen du använder och den omgivande temperaturen är alla viktiga.

TL; DR (för lång; Läste inte)

För att öka styrkan hos en elektromagnet kan du öka styrka nuvarande, och det finns flera sätt att göra det. Du kan också öka antalet lindningar, sänka omgivningstemperaturen eller ersätta din icke-magnetiska kärna med ett ferromagnetiskt material.

Den danska forskaren Hans Christian Orsted var den första personen som märkte att en ström som går genom en tråd kan påverka en närliggande kompass. Med andra ord genererar det ett magnetfält. Om du lindar tråden runt en kärna och bildar det som kallas en solenoid, kommer kärnans ändar att ta motsatta polariteter, precis som en permanent magnet. Fältets styrka beror på strömens storlek, antalet lindningar och kärnmaterialet. Det här är allt du behöver komma ihåg om du vill göra magneten starkare.

Enligt Ampères lag är magnetfältet runt en strömbärande tråd direkt proportionell mot strömens styrka. Med andra ord, öka strömstyrkan och öka magnetfältet, och det finns mer än ett sätt att göra detta:

• Öka spänningen: Ohms lag säger att strömmen är proportionell mot spänningen, så om du kör din elektromagnet på ett 6-volts batteri, byt till en 12-volts. Du kan inte fortsätta öka spänningen på obestämd tid, eftersom trådmotståndet ökar med temperaturen tills en begränsande ström uppnås. Det tar dig till nästa alternativ.

• Sänk trådmätaren: Trådmotståndet minskar med ökande tvärsnittsarea, så minska trådmätaren. Tänk på att minskning av mätaren är synonymt med att öka trådtjockleken. Om du har lindat din solenoid med 16-gauge-kabel, byt ut den mot 14-gauge, så blir magneten starkare.

• Sänk temperaturen: Motståndet ökar med temperaturen, så om du kan hålla magneten under fryspunkten temperaturer, kommer den att vara starkare än en vid rumstemperatur, även om skillnaden förmodligen inte gör det vara mycket. Vid extremt låga temperaturer försvinner emellertid motståndet nästan och ledningarna blir superledande. Detta faktum gör det möjligt för forskare att designa uber-kraftfulla magneter, som de på CERN.

• Använd ledning med hög konduktivitet: Du kan också öka strömmen genom att uppgradera till en ledare med högre konduktivitet. Koppartråd är förmodligen den mest ledande tråden du kan använda, men silvertråd är ännu mer ledande. Byt till silvertråd, om du har råd, har du en starkare magnet.
  

Styrkan hos en elektromagnet, även känd som dess magnetkraft (mmf), är direkt proportionell mot inte bara strömmen (I) utan också antalet lindningar (n) runt solenoiden. Att öka antalet lindningar är förmodligen det enklaste sättet att öka styrkan hos en elektromagnet. Eftersom mmf = nI, fördubblar antalet lindningar fördubblar magneten. Det går bra att linda ledningarna i lager runt magnetkärnan. Magnetfältet påverkas inte när ledningar är i kontakt med varandra.

Om du vill kan du skapa en elektromagnet genom att linda ledningar runt en begagnad pappershandduksrulle, men om du vill ha en stark magnet, vik dem runt en järnkärna istället. Järn är ett magnetiskt material och det magnetiseras när du slår på strömmen. Detta ger dig i själva verket två magneter till priset av en. Stål innehåller järn, så det kommer att fungera på samma sätt, men inte lika starkt. Två andra ferromagnetiska metaller som du kan stöta på är nickel och kobolt.