Кіріспе

Электр тогымен жасалған магнит

[[File:Simple electromagnet2. gif|200px|thumb|Айналасына темір өзек оралған сымнан тұратын қарапайым электромагнит. Темір сияқты ферромагниттік материалдан жасалған өзек, жасалған магнит өрісін күшейтуге қызмет етеді. Оның алғашқы электромагниті ат тұмсығы пішіндес темірден жасалған, оған шамамен 18 айналым жалаңаш мыс сым оралған (оқшауланған сым сол кезде болған жоқ). Темірді орамдардан оқшаулау үшін лакталған. Ток катушка арқылы өткен кезде темір магниттеледі және басқа темір бөлшектерін тартады; ток тоқтағанда ол магниттелуін жоғалтады. Стерджен оның күшін көрсетті, оның салмағы жеті унция (шамамен 200 грамм) болса да, бір элементтік қуат көзінен ток өткенде тоғыз фунт (шамамен 4 килограмм) көтере алады. Дегенмен, Стердженнің магниттері әлсіз болды, себебі ол қолданған оқшауланбаған сымды тек өзекке бірінен-бірі қашық орналасқан бір қабатқа ғана орауға болады, бұл айналымдар санын шектейді. 1830 жылдан бастап АҚШ ғалымы Джозеф Генри электромагнитті жүйелі түрде жетілдіріп, танымал етті. Жібек жіппен оқшауланған сымды қолдана отырып, және Швейгердің гальванометр жасау үшін көп айналымды сымды пайдалануынан шабыт алып, ол өзекке бірнеше сым қабаттарын орауға қол жеткізді, мыңдаған айналымдардан тұратын қуатты магниттер жасады. Электромагниттердің алғашқы маңызды қолданылуы телеграф дауыстауыштарда болды. Ферромагниттік өзектердің қалай жұмыс істейтінін магниттік домендер теориясын алғаш рет 1906 жылы француз физигі Пьер Эрнест Вайс ұсынды, ал ферромагнетизмнің толық қазіргі кванттық-механикалық теориясын 1920 жылдары Вернер Гейзенберг, Лев Ландау, Феликс Блох және басқалар жасады.

Қарапайым электромагнит

Жалпы тартымдық электромагнит – біркелкі оралған соленоид пен поршеньнен тұрады. Соленоид – сымнан жасалған орам, ал поршень жұмсақ темірден жасалған. Соленоидқа ток жіберген кезде поршеньге күш әсер етеді және оны қозғалтуға мүмкіндік береді. Поршень оған әсер ететін күштер теңгерілгенде қозғалуын тоқтатады. Мысалы, поршень соленоидтың ортасында болғанда күштер теңдеседі. Максималды біркелкі тартым поршеньнің бір ұшы соленоидтың ортасында орналасқанда пайда болады. Күш F-тің жуықтамасы: Мысалы, 12 дюймдік ұзындықтағы (ℓ = 12 дюйм) орам, 1 шаршы дюйм көлденең қимасы бар (A = 1 дюйм²) ұзын поршень және 11 200 ампер-айналым (NI = 11 200 А-айналым) 8,75 фунт максималды тартым күшіне ие болды (бұл 1=C = 0,0094 psi-ға сәйкес келеді). Магниттік тоқтау соленоидқа енгізілген кезде максималды тартым күші артады. Тоқтау поршенді тартатын магнитке айналады; поршень алыс болғанда соленоидтың тартуына аз әсер етеді, бірақ олар жақын болғанда тартым күші күрт өседі. Тартым P-нің жуықтамасы: Мұнда ℓa – тоқтаудың және поршеньнің ұштары арасындағы қашықтық. Дюйм, фунт және ампер бірліктері үшін қосымша тұрақты C1 шамамен 2660-қа тең. Жақша ішіндегі екінші мүше тоқтаутан кем соленоид күшін білдіреді; ал бірінші мүше тоқтау мен поршень арасындағы тартым күшін көрсетеді. Негізгі конструкцияға бірнеше жақсартулар енгізілуі мүмкін. Тоқтаудың және поршеньнің ұштары көбінесе конустық пішіндес болады. Мысалы, поршеньдің ұшы сүйір болуы мүмкін және тоқтаудағы сәйкес тесікке сыяды. Бұл пішін соленоидтың тартым күшін ажырату функциясы бойынша біркелкі етеді. Тағы бір жақсарту – соленоидтың сыртында магниттік қайтару жолын қосу («темір қаптамалы соленоид»). Магниттік қайтару жолы, тоқтау сияқты, ауа саңылауы кішкентай болғанша аз әсер етеді.

Магниттік өзек

Төмендегі айнымалылардың анықтамасы үшін мақаланың соңындағы қосымшаны қараңыз. Егер орамның ішіне темір сияқты жұмсақ ферромагниттік (немесе ферримагниттік) материалдан жасалған "магниттік өзек" орналастырылса, одан әлдеқайда күшті магниттік өрістер туындауы мүмкін. Өзек, материалдың жоғары магниттік өткізгіштігі μ арқасында, магниттік өрісті тек орамның өрісінен мың есеге дейін арттыра алады. B өрісі ток күшінің артуымен бірге осы мәнге дейін жылдам өседі, бірақ осы мәннен асып кеткенде өріс тоқталып, орама арқылы қанша ток жіберілсе де, дерлік тұрақты болады. Бұл сызықтық емес теңдеу, себебі μ, B-ге байланысты өзгереді. Нақты шешім табу үшін, μ-нің B-дегі мәні өзек материалының гистерезис қисығынан алынуы керек. Қажетті салқындату жабдықтары мен криостат оларды қарапайым электромагниттерден әлдеқайда қымбат етеді. Дегенмен, жоғары қуатты қолдануларда бұл төменгі пайдалану шығындарымен өтелуі мүмкін, өйткені іске қосылғаннан кейін орамдарға қуат қажет емес, себебі энергия Омдық қыздыруға кетіп қалмайды. Олар бөлшектерді үдеткіштерінде және МРТ аппаратурасында қолданылады.

Ащы электромагниттер

Темір өзек пен суперөткізгіш электромагниттердің де олар тудыратын өрісте шектелуі бар. Сондықтан, адам жасаған ең күшті магнит өрістері 1933 жылы Фрэнсис Биттер ойлап тапқан, Биттер электромагниттері деп аталатын ауа өзексіз, суперөткізгіш емес электромагниттер арқылы жасалды. Сым орамаларының орнына, Биттер магниті өткізгіш дискілерден құралған соленоидтан тұрады, олар арқылы ток спираль тәрізді жолмен өтеді, ал ортасында ең жоғары өріс пайда болатын жер бос қалдырылған. Бұл конструкция B2-ге пропорционалды өсетін, өте күшті Лоренц күштеріне төтеп беруге қажетті механикалық беріктікке ие. Дискілерде салқындату суының өтуі үшін тесіктер жасалған, ол жоғары токтан пайда болатын жылуды сыртқа шығарады. 2017 жылғы мәлімет бойынша, тек резистивті магнит арқылы қол жеткізілген ең күшті үздіксіз өріс – 41,5 тесла, ол Флорида штатының Таллахасси қаласындағы Ұлттық жоғары магниттік өріс зертханасындағы Биттер электромагнитімен жасалды. Бұрынғы рекорд 37,5 Т құрады. Ең күшті үздіксіз магнит өрісі, 45 Т, электромагниттің ішіндегі магнит өрісін импульстік түрде қысу үшін жарылғыш заттарды пайдалану арқылы құрылды; мұндай құрылғылар жарылғыш сорғымен флюс қысылу генераторлары деп аталады. Имплозия магнит өрісін шамамен 1000 Т дейін қысады. Олар физика және материалтану зерттеулерінде жоғары магнит өрістерінде материалдардың қасиеттерін зерттеу үшін қолданылады.