Введение

Магнит, созданный электрическим током.

[[File:Simple electromagnet2. gif|200px|thumb|Простой электромагнит, состоящий из катушки проволоки, обернутой вокруг железного сердечника. Сердечник из ферромагнитного материала, такого как железо, служит для усиления создаваемого магнитного поля. Его первый электромагнит представлял собой подковообразный кусок железа, обмотанный примерно 18 витками голой медной проволоки (изолированной проволоки тогда не существовало). Железо было покрыто лаком для изоляции от обмоток. При прохождении тока через катушку железо намагничивалось и притягивало другие куски железа; при прекращении тока оно теряло намагниченность. Стерджен продемонстрировал его мощность, показав, что, несмотря на вес всего в семь унций (около 200 граммов), он мог поднимать девять фунтов (около 4 килограммов) при подаче тока от одного элемента питания. Однако магниты Стерджена были слабыми, поскольку неизолированная проволока, которую он использовал, позволяла наматывать только один слой вокруг сердечника, ограничивая количество витков. Начиная с 1830 года, американский ученый Джозеф Генри систематически улучшал и популяризировал электромагнит. Используя проволоку, изолированную шелковой нитью, и вдохновленный использованием Швайгером нескольких витков проволоки для создания гальванометра, он смог наматывать несколько слоев проволоки на сердечники, создавая мощные магниты с тысячами витков проволоки, включая один, способный поддерживать… Первым крупным применением электромагнитов стали телеграфные звуковые сигнализаторы. Теория магнитных доменов, объясняющая принцип работы ферромагнитных сердечников, была впервые предложена в 1906 году французским физиком Пьером Эрнестом Вайсом, а детальная современная квантово-механическая теория ферромагнетизма была разработана в 1920-х годах Вернером Гейзенбергом, Львом Ландау, Феликсом Блохом и другими.

Простой соленоид

Общий тяговой электромагнит представляет собой равномерно намотанный соленоид и сердечник. Соленоид – это катушка из проволоки, а сердечник изготавливается из материала, такого как мягкое железо. Подача тока на соленоид создает силу, действующую на сердечник, и может привести его в движение. Сердечник перестает двигаться, когда силы, действующие на него, уравновешиваются. Например, силы уравновешиваются, когда сердечник находится в центре соленоида. Максимальное равномерное усилие притяжения достигается, когда один конец сердечника находится в середине соленоида. Приближенное выражение для силы F: Например, катушка длиной 12 дюймов (l = 12 дюймов) с длинным сердечником площадью поперечного сечения 1 квадратный дюйм (A = 1 дюйм²) и 11 200 ампер-витков (NI = 11 200 А·витков) имела максимальное усилие притяжения 8,75 фунтов (что соответствует C = 0,0094 psi). Максимальное усилие притяжения увеличивается при введении магнитного упора в соленоид. Упор становится магнитом, который притягивает сердечник; он мало влияет на усилие соленоида, когда сердечник находится далеко, но резко увеличивает усилие, когда они сближаются. Приближенное значение усилия притяжения P:

Здесь la – расстояние между концом упора и концом сердечника. Дополнительная константа C1 для единиц измерения дюймов, фунтов и ампер для тонких соленоидов составляет около 2660. Второй член в скобках представляет ту же силу, что и упор минус соленоид, указанные выше; первый член представляет собой силу притяжения между упором и сердечником. В базовую конструкцию можно внести некоторые улучшения. Концы упора и сердечника часто имеют коническую форму. Например, сердечник может иметь заостренный конец, который входит в соответствующее углубление в упоре. Такая форма делает усилие притяжения соленоида более равномерным в зависимости от расстояния между ними. Другое улучшение заключается в добавлении магнитного возвратного пути вокруг внешней стороны соленоида (так называемый "бронированный соленоид"). Магнитный возвратный путь, как и упор, оказывает незначительное влияние, пока воздушный зазор не станет малым.

Магнитное ядро

Определения переменных приведены в рамке в конце статьи. Гораздо более сильные магнитные поля можно получить, если внутри катушки поместить "магнитный сердечник" из мягкого ферромагнитного (или ферримагнитного) материала, например, железа. Сердечник может увеличить магнитное поле в тысячи раз по сравнению с полем, создаваемым одной лишь катушкой, благодаря высокой магнитной проницаемости μ материала. Напряженность магнитного поля B быстро возрастает с увеличением тока до определенного значения, но после достижения этого значения поле перестает расти и становится практически постоянным, независимо от величины тока, протекающего через обмотки. Это нелинейное уравнение, поскольку μ зависит от B. Для точного решения необходимо получить значение μ, соответствующее конкретному значению B, из кривой гистерезиса материала сердечника. Необходимое холодильное оборудование и криостат делают их значительно дороже обычных электромагнитов. Однако в мощных приложениях это может быть компенсировано более низкими эксплуатационными расходами, поскольку после запуска для обмоток не требуется электроэнергия, так как нет потерь энергии на джоулево тепло. Они используются в ускорителях частиц и аппаратах магнитно-резонансной томографии (МРТ).

Горькие электромагниты

И железное ядро, и сверхпроводящие электромагниты имеют ограничения по создаваемому ими магнитному полю. Поэтому самые мощные магнитные поля, созданные человеком, были получены с помощью воздушных не сверхпроводящих электромагнитов конструкции, изобретенной Фрэнсисом Биттером в 1933 году, называемых электромагнитами Биттера. Вместо проволочных обмоток электромагнит Биттера состоит из соленоида, собранного из стопки проводящих дисков, расположенных таким образом, что ток движется по спирали через них, с отверстием в центре, где создается максимальное поле. Эта конструкция обладает достаточной механической прочностью, чтобы выдерживать экстремальные силы Лоренца, которые возрастают пропорционально B в квадрате. В дисках просверлены отверстия для прохождения охлаждающей воды, отводящей тепло, выделяемое высоким током. Самое сильное устойчивое магнитное поле, достигнутое исключительно с помощью резистивного магнита, составляет 41,5 тесла по состоянию на 2017 год и было получено на электромагните Биттера в Национальной лаборатории высоких магнитных полей в Таллахасси, штат Флорида. Предыдущий рекорд составлял 37,5 Т. Самое сильное устойчивое магнитное поле в целом, 45 Т, было создано с использованием взрывчатых веществ для сжатия магнитного поля внутри импульсного электромагнита; такие устройства называются генераторами сжатия магнитного потока с взрывным приводом. Имплозия сжимает магнитное поле до значений около 1000 Т. Они применяются в физических и материаловедческих исследованиях для изучения свойств материалов в условиях высоких магнитных полей.