Elektromagnet

Rozbalit box

Obsah boxu

Elektromagnet je zařízení, které vytváří magnetické pole pomocí elektrického proudu. Na rozdíl od permanentních magnetů je magnetické pole elektromagnetu dočasné a lze jej zapnout, vypnout nebo změnit jeho sílu a směr regulací proudu. Tento jev je základem mnoha moderních technologií a zařízení, od jednoduchých zvonků až po složité systémy magnetické rezonance v medicíně a vysokorychlostní vlaky Maglev. Elektromagnetismus je jedním ze čtyř základních základních interakcí v přírodě a hraje klíčovou roli ve fyzice a inženýrství.

⏳ Historie

Koncept propojení elektřiny a magnetismu má dlouhou historii, ale skutečný objev elektromagnetu se datuje do počátku 19. století. V roce 1820 dánský fyzik Hans Christian Ørsted náhodně zjistil, že elektrický proud procházející vodičem vytváří magnetické pole, které ovlivňuje střelku kompasu. Tento objev položil základy pro novou oblast elektrodynamiky. O pět let později, v roce 1825, anglický vynálezce a vědec William Sturgeon vytvořil první praktický elektromagnet. Jeho zařízení se skládalo z kusu železného jádra ve tvaru podkovy, kolem kterého bylo navinuto 18 závitů holého měděného drátu. Když jím procházel proud z baterie, dokázal zvednout závaží o hmotnosti 4 kg, přestože sám vážil pouhých 200 gramů. Sturgeonův vynález prokázal významný potenciál elektromagnetů pro praktické aplikace. Další vývoj přinesl Joseph Henry, který v roce 1831 nezávisle vyvinul silnější elektromagnety s izolovaným drátem, což umožnilo navinout více závitů a dosáhnout silnějších magnetických polí. Henryho práce vedla k významnému pokroku v oblasti telegrafie a dalších elektrických zařízení.

⚙️ Princip činnosti

Princip činnosti elektromagnetu je založen na Ampérově zákonu a Biotově–Savartově zákonu, které popisují vztah mezi elektrickým proudem a magnetickým polem. Když elektrický proud prochází cívkou (solenoidem), vytváří se kolem ní magnetické pole. Směr magnetického pole je určen pravidlem pravé ruky. Síla tohoto pole je přímo úměrná velikosti proudu a počtu závitů cívky. Pro zvýšení síly magnetického pole se do středu cívky často vkládá feromagnetické jádro, například z železa nebo oceli. Feromagnetické materiály mají schopnost značně zesílit vnější magnetické pole díky uspořádání svých magnetických domén. Jádro se dočasně zmagnetizuje a stane se silným magnetem, dokud proud protéká cívkou. Po vypnutí proudu se magnetické pole jádra většinou ztratí, i když v některých materiálech může zůstat zbytková remanentní magnetizace.

🏗️ Konstrukce a komponenty

Typický elektromagnet se skládá z několika klíčových komponent:

Cívka (solenoid): Je to vodič (obvykle měděný drát), který je navinut do spirály. Počet závitů a jejich hustota výrazně ovlivňují sílu vytvářeného magnetického pole. Izolace drátu je klíčová pro zabránění zkratu mezi závity.
Jádro: Obvykle je vyrobeno z feromagnetického materiálu, jako je měkké železo, křemíková ocel nebo speciální slitiny. Jádro soustřeďuje a zesiluje magnetické pole generované cívkou. Tvar jádra (např. tyč, podkova, prstenec) závisí na konkrétní aplikaci.
Zdroj elektrického proudu: Poskytuje elektrický proud potřebný k vytvoření magnetického pole. Může to být baterie, akumulátor nebo elektrická síť s vhodným napájením.
Spínač nebo regulátor: Umožňuje zapínat, vypínat nebo regulovat velikost proudu, a tím i sílu magnetického pole.
Chlazení: U silných elektromagnetů, kde dochází k významným energetickým ztrátám ve formě tepla (Jouleovo teplo), je nezbytné účinné chlazení, často pomocí vody, kapalný dusík nebo kapalné helium.

🧪 Vlastnosti a faktory ovlivňující sílu

Síla magnetického pole (a tedy i magnetická síla) elektromagnetu závisí na několika klíčových faktorech:

Proud: Čím větší proud protéká cívkou, tím silnější je magnetické pole.
Počet závitů cívky: Více závitů na jednotku délky (hustota závitů) vede k silnějšímu magnetickému poli.
Typ jádra: Použití feromagnetického jádra (s vysokou permeabilitou) výrazně zesiluje magnetické pole ve srovnání s jádrem vzduchovým.
Geometrie cívky a jádra: Tvar cívky (např. délka, průměr) a tvar jádra ovlivňují rozložení a intenzitu magnetického pole.
Teplota: Se zvyšující se teplotou se může elektrický odpor vodiče zvyšovat, což snižuje proud a tím i sílu magnetického pole, pokud není proud regulován. U feromagnetických materiálů existuje také Curieova teplota, nad kterou ztrácejí své feromagnetické vlastnosti.
Magnetická saturace: Feromagnetické jádro má limit, kolik magnetického pole může zesílit. Po dosažení saturace další zvyšování proudu již nevede k proporcionálnímu zvýšení magnetického pole jádra.

💡 Typy elektromagnetů

Existuje mnoho typů elektromagnetů, navržených pro různé aplikace:

Relé: Elektromagnetické spínače, které používají malé elektrické proudy k ovládání větších proudů.
Solenoidy: Lineární akční členy, které převádějí elektrickou energii na lineární pohyb, často používané v ventilech a zámcích.
Zvedací magnety: Velké a silné elektromagnety používané v průmyslu k zvedání a přemisťování těžkých feromagnetických předmětů, jako je šrot.
Elektromagnety pro vědecký výzkum: Používají se v zařízeních, jako jsou urychlovače částic, tokamaky pro výzkum jaderné fúze a systémy pro magnetickou rezonanci (MRI).
Supervodivé elektromagnety: Využívají supravodivé materiály chlazené na velmi nízké teploty (např. kapalné helium), aby se eliminoval elektrický odpor a umožnilo se protékat extrémně silným proudům bez ztrát, což vede k mimořádně silným magnetickým polím. Tyto magnety jsou klíčové pro MRI, NMR a některé typy Maglev vlaků.
Pulsní elektromagnety: Generují krátké, ale extrémně silné magnetické pulsy, které se používají ve výzkumu materiálů nebo pro formování kovů.
Elektromagnety s pohyblivým jádrem: Jsou základem elektromotorů a generátorů, kde interakce mezi magnetickým polem a proudem vytváří rotační pohyb.

🔌 Použití a aplikace

Elektromagnety jsou nepostradatelné v mnoha oblastech moderního života a průmyslu.

Elektrické stroje: Jsou srdcem elektromotorů, generátorů a transformátorů, které tvoří základ moderní elektrické sítě a pohonu.
Doprava: Používají se ve vlacích Maglev, které se vznášejí nad kolejemi díky silným elektromagnetickým polím, což umožňuje dosahovat vysokých rychlostí s minimálním třením. Také v brzdových systémech a spínačích v automobilech.
Medicína: Klíčové pro magnetickou rezonanci (MRI), která vytváří detailní snímky vnitřních orgánů bez použití ionizujícího záření. Dále se využívají v transkraniální magnetické stimulaci (TMS) a pro cílené dodávání léků.
Průmysl: Zvedací magnety pro manipulaci s kovovým šrotem a těžkými břemeny. Elektromagnetické ventily a relé jsou všudypřítomné v automatizačních systémech.
Komunikace: Používají se ve sluchátkách, reproduktorech a mikrofonech k převodu elektrických signálů na zvuk a naopak.
Bezpečnost: Elektromagnetické zámky a zabezpečovací systémy.
Vědecký výzkum: V urychlovačích částic pro řízení dráhy nabitých částic, v tokamacích pro udržení plazmatu a v zařízeních pro výzkum silných magnetických polí.

🌍 Zajímavosti a rekordy

Nejsilnější stacionární (nepulzní) magnetické pole na světě bylo dosaženo v National High Magnetic Field Laboratory (MagLab) na Florida State University v roce 2018, kde hybridní magnet 36T dosáhl magnetické indukce 45,5 T. V roce 2024 byl v MagLabu překonán tento rekord s novým 32T supravodivým magnetem, který dosáhl 32 T pouze supravodivými cívkami, což je významný krok k ještě silnějším polím bez pulzů.
Nejsilnější magnetické pole vůbec, byť jen na krátký okamžik (milisekundy), bylo dosaženo v Tokijské univerzitě s pulzním magnetem, který generoval pole o síle přes 1200 T v roce 2018.
První komerční vlak Maglev, který přepravoval cestující, byla Birmingham Maglev na letišti v Birminghamu ve Spojeném království, spuštěná v roce 1984. Dnes jsou nejznámější a nejrychlejší systémy Maglev v provozu v Šanghaji (Transrapid) a v Japonsku (Chūō Shinkansen).
Elektromagnety hrají klíčovou roli v detektorech kovů, které se používají na letištích, pro bezpečnostní kontroly a pro hledání pokladů.

🧐 Pro laiky

Představte si, že máte normální magnet, který drží na ledničce. Ten je pořád magnetický. Elektromagnet je ale chytrý magnet, který si můžete "zapnout" a "vypnout" jako světlo. Funguje to tak, že vezmete drát a namotáte ho do spirály, jako pružinu. Když tímto drátem pustíte elektřinu, stane se z té spirály magnet. Čím víc elektřiny pustíte, tím silnější magnet bude. A když elektřinu vypnete, magnetická síla zmizí.

Aby byl tento "drátěný magnet" ještě silnější, strčíte dovnitř kousek železa. To železo pak pomůže magnetickou sílu ještě víc zesílit. Takže máte magnet, který můžete ovládat! To se hodí třeba u jeřábů na šrotišti – jeřáb si zapne magnet, zvedne hromadu železa, přesune ji a pak magnet vypne a železo pustí. Nebo ve zvonku – když stisknete tlačítko, elektřina zapne malý elektromagnet, ten přitáhne kladívko, které udeří do zvonku, a pak se vypne. Je to jako kouzlo, ale je to čistá fyzika!