Ο μαγνητισμός γύρω μας - Εφαρμογές

Οι εναλλάκτες είναι αποδοτικοί επειδή παρέχουν ενέργεια μόνο όταν χρειάζεται. Ο εναλλάκτης μπορεί να ανάβει και να σβήνει καθώς η μπαταρία πρέπει να επαναφορτιστεί. Εξαιτίας αυτού, το αυτοκίνητό σας δεν "πεθαίνει" όταν λειτουργεί για μεγάλο χρονικό διάστημα. Ένας τρόπος για να διαπιστώσετε εάν ο εναλλάκτης είναι κακός, είναι εάν η μπαταρία του αυτοκινήτου σας "πεθάνει" όταν εξακολουθεί να λειτουργεί. Αυτό το ζήτημα θα σήμαινε ότι ο εναλλάκτης δεν παρέχει φόρτιση στην μπαταρία. Συνολικά, οι εναλλάκτες είναι μια βελτιωμένη έκδοση μιας γεννήτριας που μπορεί να ελαχιστοποιήσει την απαιτούμενη ισχύ και έτσι υπάρχει λιγότερη σπατάλη ενέργειας. Το κύριο πράγμα που πρέπει να γνωρίζετε για έναν εναλλάκτη είναι ότι δεν μπορεί να φορτίσει μια πλήρως αποφορτισμένη μπαταρία. Αυτό μπορεί να προκαλέσει πυρκαγιές και περαιτέρω ζημιές.

Στην τελευταία περίπτωση, ένας μόνιμος μαγνήτης μπορεί να εγκατασταθεί στο πλαίσιο ενός παραθύρου ή μιας πόρτας και ένα κομμάτι μαγνητισμένου υλικού στο ίδιο το παράθυρο ή την πόρτα. Μόλις ενεργοποιηθεί ο συναγερμός, θα ανταποκριθεί σε οποιαδήποτε αλλαγή στο μαγνητικό πεδίο - δηλαδή όταν κάποιος ανοίξει την πόρτα ή το παράθυρο, σπάζοντας έτσι τη σύνδεση μεταξύ μαγνήτη και μετάλλου. Παρόλο που οι συναγερμοί διαρρήξεων μπορεί να ποικίλουν σε πολυπλοκότητα, και πράγματι μπορεί να υπάρχουν πολύ πιο προηγμένα συστήματα που χρησιμοποιούν μικροκύματα ή υπέρυθρες ακτίνες, η εφαρμογή μαγνητισμού στην ασφάλεια στο σπίτι είναι ένα απλό ζήτημα ανταπόκρισης στις αλλαγές στο μαγνητικό πεδίο. Από αυτή την άποψη, η αρχή που διέπει τα μαγνητόμετρα που χρησιμοποιούνται στα σημεία ελέγχου ασφαλείας είναι ακόμη πιο απλή. Είτε σε αεροδρόμιο είτε στην είσοδο κάποιου άλλου χώρου υψηλής ασφάλειας, είτε φορητό είτε ακίνητο, ένα μαγνητόμετρο απλώς ανιχνεύει την παρουσία μαγνητικών μετάλλων. Δεδομένου ότι η συντριπτική πλειοψηφία των πυροβόλων όπλων, μαχαιριών και άλλων όπλων είναι κατασκευασμένα από σίδηρο ή χάλυβα, αυτό παρέχει ένα αρκετά αποτελεσματικό μέσο ανίχνευσης.

Αλλά όταν βγάζετε το κάλυμμα και βλέπετε τι συμβαίνει, τα συμβατικά κουδούνια είναι ένα από τα πιο ψυχρά μηχανήματα, ακριβώς λόγω της απλότητάς τους. Τα κουδούνια των θυρών θέτουν τη βασική αρχή του ηλεκτρομαγνητισμού να λειτουργεί με αξιοσημείωτους, καινοτόμους τρόπους. Εξετάζοντας μερικά τυπικά κουδούνια μπορούμε να δούμε πώς αυτές οι συσκευές μετατρέπουν το ηλεκτρικό ρεύμα σε βουητά, τραγούδια και κουδουνίσματα.

Οι ηλεκτροκινητήρες μπορούν να ταξινομηθούν με βάση στοιχεία όπως ο τύπος πηγής ενέργειας, η εσωτερική κατασκευή, η εφαρμογή και ο τύπος εξόδου κίνησης. Εκτός από τους τύπους εναλλασσόμενου ρεύματος έναντι συνεχούς ρεύματος, οι κινητήρες μπορεί να είναι με ψήκτρες ή χωρίς ψήκτρες, μπορεί να είναι διαφόρων φάσεων (βλέπε μονοφασικό, διφασικό ή τριφασικό) και μπορεί να είναι είτε αερόψυκτοι είτε υδρόψυκτοι. Οι κινητήρες γενικής χρήσης με τυπικές διαστάσεις και χαρακτηριστικά παρέχουν αρκετή μηχανική ισχύ για βιομηχανική χρήση. Οι μεγαλύτεροι ηλεκτρικοί κινητήρες χρησιμοποιούνται για την προώθηση πλοίων, τη συμπίεση αγωγών και τις εφαρμογές αντλητικής αποθήκευσης με ονομαστική απόδοση που φτάνει τα 100 μεγαβάτ. Οι ηλεκτροκινητήρες βρίσκονται σε βιομηχανικούς ανεμιστήρες, φυσητήρες και αντλίες, εργαλειομηχανές, οικιακές συσκευές, ηλεκτρικά εργαλεία και μονάδες δίσκου. Μικροί κινητήρες μπορεί να βρεθούν σε ηλεκτρικά ρολόγια.

Σε ορισμένες εφαρμογές, οι ηλεκτροκινητήρες μπορούν να χρησιμοποιηθούν αντίστροφα ως γεννήτριες για την ανάκτηση ενέργειας που διαφορετικά θα μπορούσε να χαθεί ως θερμότητα και τριβή.

Οι ηλεκτρικοί κινητήρες παράγουν γραμμική ή περιστροφική δύναμη (ροπή) που προορίζεται να ωθήσει κάποιον εξωτερικό μηχανισμό, όπως ανεμιστήρα ή ανελκυστήρα. Ένας ηλεκτροκινητήρας είναι γενικά σχεδιασμένος για συνεχή περιστροφή ή για γραμμική κίνηση σε σημαντική απόσταση σε σύγκριση με το μέγεθός του. Τα μαγνητικά σωληνοειδή παράγουν σημαντική μηχανική δύναμη, αλλά σε απόσταση λειτουργίας συγκρίσιμη με το μέγεθός τους. Μετατροπείς όπως μεγάφωνα και μικρόφωνα μετατρέπονται μεταξύ ηλεκτρικού ρεύματος και μηχανικής δύναμης για την αναπαραγωγή σημάτων όπως η ομιλία. Σε σύγκριση με τους κοινούς κινητήρες εσωτερικής καύσης (ICE), οι ηλεκτροκινητήρες είναι ελαφρείς, σωματικά μικρότεροι, παρέχουν περισσότερη ισχύ, είναι μηχανικά απλούστεροι και φθηνότεροι στην κατασκευή, ενώ παρέχουν άμεση και σταθερή ροπή σε οποιαδήποτε ταχύτητα, με μεγαλύτερη απόκριση, υψηλότερη συνολική απόδοση και χαμηλότερη παραγωγή θερμότητας. Ωστόσο, οι ηλεκτροκινητήρες δεν είναι τόσο βολικοί ή κοινοί όσο οι IES σε κινητές εφαρμογές (δηλαδή αυτοκίνητα και λεωφορεία) καθώς απαιτούν μια μεγάλη και ακριβή μπαταρία, ενώ οι IES απαιτούν μια σχετικά μικρή δεξαμενή καυσίμων.

Πρώιμοι κινητήρες

Οι πρώτοι ηλεκτροκινητήρες ήταν απλές ηλεκτροστατικές συσκευές που περιγράφονται σε πειράματα του Σκωτσέζου μοναχού Andrew Gordon και του Αμερικανού πειραματιστή Benjamin Franklin τη δεκαετία του 1740. Η θεωρητική αρχή πίσω τους, ο νόμος του Coulomb, ανακαλύφθηκε αλλά δεν δημοσιεύτηκε, από τον Henry Cavendish το 1771. Αυτός ο νόμος ανακαλύφθηκε ανεξάρτητα από τον Charles-Augustin de Coulomb το 1785, ο οποίος τον δημοσίευσε έτσι ώστε να είναι πλέον γνωστός με το όνομά του. Η εφεύρεση της ηλεκτροχημικής μπαταρίας από τον Alessandro Volta το 1799 κατέστησε δυνατή την παραγωγή επίμονων ηλεκτρικών ρευμάτων. Μετά την ανακάλυψη της αλληλεπίδρασης μεταξύ ενός τέτοιου ρεύματος και ενός μαγνητικού πεδίου, δηλαδή της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης από τον Hans Christian Ørsted το 1820, σύντομα επιτελέσθηκε μεγάλη πρόοδος. Χρειάστηκαν μόνο λίγες εβδομάδες για τον André-Marie Ampère για να αναπτύξει την πρώτη διατύπωση της ηλεκτρομαγνητικής αλληλεπίδρασης και να παρουσιάσει τον νόμο δύναμης του Ampère, που περιέγραφε την παραγωγή μηχανικής δύναμης από την αλληλεπίδραση ηλεκτρικού ρεύματος και μαγνητικού πεδίου. Η πρώτη επίδειξη του αποτελέσματος με περιστροφική κίνηση έγινε από τον Μάικλ Φαραντέι το 1821. Ένα σύρμα που κρέμεται ελεύθερα βυθίστηκε σε μια λίμνη υδραργύρου, πάνω στην οποία τοποθετήθηκε ένας μόνιμος μαγνήτης (ΡΜ). Όταν ένα ρεύμα διερχόταν από το σύρμα, το σύρμα περιστρεφόταν γύρω από τον μαγνήτη, δείχνοντας ότι το ρεύμα προκάλεσε ένα στενό κυκλικό μαγνητικό πεδίο γύρω από το σύρμα. Αυτός ο κινητήρας αποδεικνύεται συχνά σε πειράματα φυσικής, υποκαθιστώντας τον (τοξικό) υδράργυρο με άλμη. Ο τροχός του Barlow ήταν μια πρώιμη βελτίωση αυτής της επίδειξης Faraday,

Το 1827, ο Ούγγρος φυσικός Ányos Jedlik άρχισε να πειραματίζεται με ηλεκτρομαγνητικά πηνία. Αφού ο Jedlik έλυσε τα τεχνικά προβλήματα της συνεχούς περιστροφής με την εφεύρεση του μεταγωγέα, αποκάλεσε τις πρώτες του συσκευές "ηλεκτρομαγνητικούς αυτόματους στροφείς". Αν και χρησιμοποιήθηκαν μόνο για διδασκαλία, το 1828 ο Jedlik έδειξε την πρώτη συσκευή που περιείχε τα τρία κύρια συστατικά των πρακτικών κινητήρων DC: τον στάτορα, τον ρότορα και τον μεταγωγέα. Η συσκευή δεν χρησιμοποιούσε μόνιμους μαγνήτες, καθώς τα μαγνητικά πεδία τόσο των στατικών όσο και των περιστρεφόμενων εξαρτημάτων παράγονταν αποκλειστικά από τα ρεύματα που ρέουν μέσω των περιελίξεων τους.

Μηχανικός έλεγχος

Οι κινητήρες DC μπορούν να λειτουργούν σε μεταβλητές ταχύτητες ρυθμίζοντας την τάση DC που εφαρμόζεται στους ακροδέκτες ή χρησιμοποιώντας διαμόρφωση πλάτους παλμού (PWM).

Οι κινητήρες εναλλασσόμενου ρεύματος που λειτουργούν με σταθερή ταχύτητα τροφοδοτούνται γενικά απευθείας από το δίκτυο ή μέσω μαλακών εκκινητών κινητήρα.

Οι κινητήρες εναλλασσόμενου ρεύματος που λειτουργούν σε μεταβλητές ταχύτητες τροφοδοτούνται με διάφορους μετατροπείς ισχύος, μεταβλητές συχνότητες ή τεχνολογίες ηλεκτρονικών μεταγωγέων.

Ο όρος ηλεκτρονικός μεταγωγέας συνδέεται συνήθως με αυτοκινητοποιημένο κινητήρα DC χωρίς ψήκτρες και εφαρμογές κινητήρων απροθυμίας μεταγωγής.

Κύριες κατηγορίες

Οι ηλεκτροκινητήρες λειτουργούν σε τρεις διαφορετικές φυσικές αρχές: μαγνητισμό, ηλεκτροστατική και πιεζοηλεκτρισμό.

Στους μαγνητικούς κινητήρες, σχηματίζονται μαγνητικά πεδία τόσο στον ρότορα όσο και στον στάτορα. Το προϊόν μεταξύ αυτών των δύο πεδίων δημιουργεί μια δύναμη και συνεπώς μια ροπή στον άξονα του κινητήρα. Ένα ή και τα δύο από αυτά τα πεδία πρέπει να αλλάξουν με την περιστροφή του κινητήρα. Αυτό γίνεται με την ενεργοποίηση και απενεργοποίηση των πόλων τη σωστή στιγμή ή με μεταβολή της ισχύος του πόλου.

Οι κύριοι τύποι είναι οι κινητήρες DC και οι κινητήρες εναλλασσόμενου ρεύματος, οι πρώτοι εκτοπίζονται όλο και περισσότερο από τους δεύτερους.

Οι ηλεκτροκινητήρες AC είναι είτε ασύγχρονοι είτε σύγχρονοι.

Μόλις ξεκινήσει, ένας σύγχρονος κινητήρας απαιτεί συγχρονισμό με την σύγχρονη ταχύτητα του κινούμενου μαγνητικού πεδίου για όλες τις κανονικές συνθήκες ροπής.

Στις σύγχρονες μηχανές, το μαγνητικό πεδίο πρέπει να παρέχεται με διαφορετικά μέσα από τα επαγωγικά, όπως από τυλίγματα ξεχωριστά διεγερμένα ή μόνιμους μαγνήτες.

Ένας κινητήρας κλασματικής ιπποδύναμης είτε έχει βαθμολογία κάτω από περίπου 1 ίππο (0,746 kW), είτε κατασκευάζεται με μέγεθος τυπικού πλαισίου μικρότερο από έναν τυπικό κινητήρα 1 HP. Πολλοί οικιακοί και βιομηχανικοί κινητήρες ανήκουν στην κλάση κλασματικής ιπποδύναμης.

Μη μαγνητικοί κινητήρες

Ένας ηλεκτροστατικός κινητήρας βασίζεται στην έλξη και την άπωση του ηλεκτρικού φορτίου. Συνήθως, οι ηλεκτροστατικοί κινητήρες είναι οι διπλοί από τους συμβατικούς κινητήρες που βασίζονται σε πηνία. Συνήθως απαιτούν τροφοδοτικό υψηλής τάσης, αν και οι πολύ μικροί κινητήρες χρησιμοποιούν χαμηλότερες τάσεις. Οι συμβατικοί ηλεκτροκινητήρες χρησιμοποιούν μαγνητική έλξη και άπωση και απαιτούν υψηλό ρεύμα σε χαμηλές τάσεις. Στη δεκαετία του 1750, οι πρώτοι ηλεκτροστατικοί κινητήρες αναπτύχθηκαν από τους Benjamin Franklin και Andrew Gordon. Σήμερα, ο ηλεκτροστατικός κινητήρας βρίσκει συχνή χρήση σε μικροηλεκτρομηχανικά συστήματα (MEMS) όπου οι τάσεις κίνησης είναι κάτω από 100 βολτ και όπου κινούνται, φορτισμένες πλάκες είναι πολύ πιο εύκολο να κατασκευαστούν από πηνία και πυρήνες σιδήρου. Επίσης, τα μοριακά μηχανήματα που τρέχουν ζωντανά κύτταρα βασίζονται συχνά σε γραμμικούς και περιστροφικούς ηλεκτροστατικούς κινητήρες.

Ένας πιεζοηλεκτρικός κινητήρας ή πιεζοκινητήρας είναι ένας τύπος ηλεκτρικού κινητήρα που βασίζεται στην αλλαγή του σχήματος ενός πιεζοηλεκτρικού υλικού όταν εφαρμόζεται ένα ηλεκτρικό πεδίο. Οι πιεζοηλεκτρικοί κινητήρες χρησιμοποιούν το αντίστροφο πιεζοηλεκτρικό φαινόμενο όπου το υλικό παράγει ακουστικούς ή υπερηχητικούς κραδασμούς για να παράγει γραμμική ή περιστροφική κίνηση. Σε έναν μηχανισμό, η επιμήκυνση σε ένα μόνο επίπεδο χρησιμοποιείται για να κάνει μια σειρά διατάσεων και θέσεων, παρόμοιες με τον τρόπο που κινείται μια κάμπια.

Ένα ηλεκτρικό σύστημα προώθησης διαστημικών σκαφών χρησιμοποιεί τεχνολογία ηλεκτρικών κινητήρων για να ωθήσει διαστημόπλοια στο εξωτερικό διάστημα, ενώ τα περισσότερα συστήματα βασίζονται σε ηλεκτρικά προωθητικό σε υψηλή ταχύτητα, ενώ ορισμένα συστήματα βασίζονται σε αρχές ηλεκτροδυναμικής πρόσδεσης της μαγνητόσφαιρας.

Ο μηχανικός σχεδιασμός των ηλεκτρομαγνητών συστηματοποιείται μέσω της έννοιας του μαγνητικού κυκλώματος. Στο μαγνητικό κύκλωμα μια μαγνητοκινητική δύναμη  F,  ή  F_m, ορίζεται ως οι στροφές amperes του πηνίου που παράγουν το μαγνητικό πεδίο για να παράγουν τη μαγνητική ροή στο κύκλωμα. Έτσι, εάν ένα πηνίο  n  στροφών ανά μέτρο μεταφέρει ρεύμα  i  amperes, το πεδίο μέσα στο πηνίο είναι  ni  amperes ανά μέτρο και η μαγνητοκινητική δύναμη που δημιουργεί είναι  μηδενικές  στροφές amperes, όπου  l  είναι το μήκος του πηνίου. Πιο βολικά, η μαγνητοκινητική δύναμη είναι  Ni,  όπου  N είναι ο συνολικός αριθμός στροφών στο πηνίο. Η πυκνότητα μαγνητικής ροής  Β  είναι το ισοδύναμο, στο μαγνητικό κύκλωμα, της πυκνότητας ρεύματος σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα. Σ' ένα μαγνητικό κύκλωμα το μαγνητικό ισοδύναμο με το ρεύμα είναι η συνολική ροή που συμβολίζεται με το ελληνικό γράμμα,  ϕ , που δίνεται από το  ΒΑ,  όπου  Α  είναι η διατομή του μαγνητικού κυκλώματος. Σε ένα ηλεκτρικό κύκλωμα η ηλεκτροκινητική δύναμη ( Ε ) σχετίζεται με το ρεύμα,  i,  στο κύκλωμα με  E  =  Ri,  όπου  R  είναι η αντίσταση του κυκλώματος. Στο μαγνητικό κύκλωμα  F  =  r ϕ , όπου  r  είναι η αντίσταση του μαγνητικού κυκλώματος και ισοδυναμεί με αντίσταση στο ηλεκτρικό κύκλωμα. Η αντίσταση λαμβάνεται διαιρώντας το μήκος της μαγνητικής διαδρομής  l  με τη διαπερατότητα επί τους χρόνους της περιοχής διατομής  Α . Έτσι  r  =  l/ μ A,  όπου το ελληνικό γράμμα, μ,  συμβολίζει τη διαπερατότητα του μέσου που σχηματίζει το μαγνητικό κύκλωμα. Οι μονάδες της αντίστασης είναι στροφές ampere ανά weber. Αυτές οι έννοιες μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τον υπολογισμό της αντίστασης ενός μαγνητικού κυκλώματος και συνεπώς του ρεύματος που απαιτείται μέσω ενός πηνίου για να επιφέρει την επιθυμητή ροή μέσω αυτού του κυκλώματος.

Διάφορες παραδοχές που εμπλέκονται σε αυτόν τον τύπο υπολογισμού, ωστόσο, το καθιστούν στην καλύτερη περίπτωση μόνο έναν κατά προσέγγιση οδηγό σχεδιασμού. Η επίδραση ενός διαπερατού μέσου σε ένα μαγνητικό πεδίο μπορεί να απεικονιστεί σαν να συσσωρεύει τις μαγνητικές γραμμές δύναμης στον εαυτό του. Αντίστροφα, οι γραμμές δύναμης που περνούν από μια περιοχή υψηλής σε μια χαμηλής διαπερατότητας τείνουν να εξαπλωθούν και αυτό θα συμβεί σε ένα κενό αέρα. Έτσι, η πυκνότητα ροής, η οποία είναι ανάλογη με τον αριθμό των γραμμών δύναμης ανά μονάδα εμβαδού, θα μειωθεί στο διάκενο αέρα από τις γραμμές που διογκώνονται προς τα έξω, ή περιθωριοποιούνται, στις πλευρές του διακένου. Αυτό το αποτέλεσμα θα αυξηθεί για μεγαλύτερα κενά. Γι' αυτό μπορούν να γίνουν πρόχειρες διορθώσεις για να ληφθεί υπόψη το φαινόμενο του περιθωρίου.

Έχει επίσης υποτεθεί ότι το μαγνητικό πεδίο περιορίζεται εξ ολοκλήρου μέσα στο πηνίο. Στην πραγματικότητα, υπάρχει πάντα μια ορισμένη ποσότητα διαρροής, που αντιπροσωπεύεται από μαγνητικές δυναμικές γραμμές γύρω από το εξωτερικό του πηνίου, η οποία δεν συμβάλλει στη μαγνήτιση του πυρήνα. Η διαρροή είναι γενικά μικρή εάν η διαπερατότητα του μαγνητικού πυρήνα είναι σχετικά υψηλή.

Στην πράξη, η διαπερατότητα ενός μαγνητικού υλικού είναι συνάρτηση της πυκνότητας ροής σε αυτό. Έτσι, ο υπολογισμός μπορεί να γίνει μόνο για ένα πραγματικό υλικό εάν είναι διαθέσιμη η πραγματική καμπύλη μαγνήτισης ή, πιο χρήσιμα, μια γραφική παράσταση  μ  σε σχέση με το  Β  .

Τέλος, ο σχεδιασμός υποθέτει ότι ο μαγνητικός πυρήνας δεν μαγνητίζεται μέχρι κορεσμού. Αν συνέβαινε κάτι τέτοιο, η πυκνότητα ροής δεν θα μπορούσε να αυξηθεί στο διάκενο αέρα σε αυτό το σχέδιο, ανεξάρτητα από το πόσο ρεύμα διέρχεται από το πηνίο. Αυτές οι έννοιες επεκτείνονται περαιτέρω στις ακόλουθες ενότητες για συγκεκριμένες συσκευές.

Σχεδιασμός μεγάλων ηλεκτρομαγνητών.

Αργά ή γρήγορα σχεδόν κάθε επιστημονικό ερευνητικό εργαστήριο διαπιστώνει ότι απαιτεί μια εγκατάσταση για την παραγωγή μεγάλων μαγνητικών πεδίων. Ορισμένες προηγμένες τεχνολογίες απαιτούν επίσης μεγάλους ηλεκτρομαγνήτες. Ένα κυκλοτρόνιο, για παράδειγμα, είναι μια συσκευή που χρησιμοποιείται για επιστημονική έρευνα στην οποία τα υποατομικά φορτισμένα σωματίδια επιταχύνονται από εναλλασσόμενο ηλεκτρικό πεδίο σε ένα σταθερό μαγνητικό πεδίο. Χρησιμοποιεί έναν μεγάλο μαγνήτη για να παράγει μέτρια πεδία αλλά με διάμετρο πόλου που μπορεί να είναι αρκετά μέτρα. Ορισμένες βιομηχανίες χρησιμοποιούν τεράστιους ηλεκτρομαγνήτες υψηλής ισχύος για σκοπούς ανύψωσης.

Οι βασικές αρχές σχεδιασμού των μεγάλων ηλεκτρομαγνητών είναι αυτές που συζητήθηκαν νωρίτερα. Οι δυσκολίες προκύπτουν στην προσπάθεια εκτίμησης του μεγέθους της περιθωριακής ροής στο διάκενο αέρα και της ροής διαρροής γύρω από τα πηνία. Τα αποτελέσματά τους ελαχιστοποιούνται με τη χρήση κωνικού σχήματος για τους πυρήνες και τα καλύμματα πόλων.. Επειδή ο μαλακός σίδηρος κορεστεί στα 2,16 webers ανά τετραγωνικό m, οι πυκνότητες ροής στο διάκενο αέρα γενικά περιορίζονται στην περιοχή των 2,1 webers ανά τετραγωνικό m με μαγνήτες σιδήρου.

Όταν έχει σχεδιαστεί για σκοπούς ανύψωσης ή μεταφοράς φορτίου, μπορεί να απαιτείται ηλεκτρομαγνήτης για να έχει μία μόνο εκτεθειμένη πρόσοψη πόλου στην οποία θα προσκολλάται το φορτίο που πρόκειται να μεταφερθεί και, ως εκ τούτου, θα έχει το σχήμα μαγνήτη ράβδου. Στη συνέχεια, το σχέδιο κυριαρχείται από το πεδίο απομαγνήτισης. Οι μαγνήτες κατάλληλα σχεδιασμένοι μπορούν να σηκώσουν πολλές φορές το βάρος τους και χρησιμοποιούνται γενικά σε χαλυβουργίες και μάντρες.

Ο ηλεκτρομαγνητικός γερανός είναι ένας τύπος γερανού στον οποίο χρησιμοποιούμε έναν ηλεκτρομαγνήτη (ο οποίος αποτελείται από μαλακό σιδερένιο πυρήνα και ένα χάλκινο σύρμα τυλιγμένο στην περιφέρεια του) για να σηκώσει το βαρύ μέταλλο (που αποτελείται από σίδηρο) και έτσι το κομμάτι ανασηκώνεται και διατηρείται στην επιθυμητή θέση με ηλεκτρομαγνητικό γερανό.

ΜΗΧΑΝΙΣΜΟΣ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΟΥ ΓΕΡΑΝΟΥ

Η μαγνητική ισχύς ενός ηλεκτρομαγνήτη εξαρτάται από τον αριθμό των στροφών ή των συρμάτων και το ρεύμα μέσω του σύρματος καθώς και το μέγεθος του πυρήνα σιδήρου. Αυτό επιτρέπει στους ηλεκτρομαγνήτες να γίνονται πολύ μεγαλύτεροι και ισχυρότεροι από έναν φυσικό μαγνήτη, έτσι ώστε να μπορούν να παραλαμβάνουν πολύ μεγάλα αντικείμενα. Επίσης, όταν απενεργοποιείτε την ηλεκτρική ενέργεια σε έναν ηλεκτρομαγνήτη, ο μαγνητισμός απενεργοποιείται επίσης. Έτσι, ένας ηλεκτρομαγνήτης μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να πάρει ένα κομμάτι σιδήρου και στη συνέχεια να το ρίξει κάπου αλλού.

Ιστορία του γερανού

Οι πρώτοι γερανοί κατασκευής εφευρέθηκαν από τους Αρχαίους Έλληνες και τροφοδοτήθηκαν από άνδρες ή ζώα για μεταφορά του φορτίου, όπως τα γαϊδούρια. Αργότερα αναπτύχθηκαν μεγαλύτεροι γερανοί, που χρησιμοποιούσαν τη χρήση ανθρώπινων τροχών πέλματος, επιτρέποντας την άρση περισσότερων βαρών. Η χρήση γερανών πραγματοποιείται συνήθως στη βιομηχανία μεταφορών για τη φόρτωση και εκφόρτωση εμπορευμάτων, στον κατασκευαστικό κλάδο για τη μεταφορά υλικών και στη μεταποιητική βιομηχανία για τη συναρμολόγηση βαρέως εξοπλισμού. Αυτοί οι γερανοί χρησιμοποιήθηκαν για την κατασκευή ψηλών κτιρίων.

Εξέλιξη του γερανού.

Οι πρώτοι γερανοί κατασκευάστηκαν από ξύλο, αλλά ο χυτοσίδηρος και ο χάλυβας έφεραν τον ερχομό της Βιομηχανικής Επανάστασης. Για πολλούς αιώνες, η ενέργεια παρέχεται από τη σωματική άσκηση ανθρώπων ή ζώων, αν και οι ανυψωτήρες σε νερόμυλους και ανεμόμυλους θα μπορούσαν να πραγματοποιηθούν από την αξιοποιημένη φυσική δύναμη. Η πρώτη «μηχανική» ισχύς παρέχεται από ατμομηχανές, ο πρώτος ατμο -γερανός που εισήχθη τον 18ο ή 19ο αιώνα, με πολλούς να παραμένουν σε χρήση μέχρι τα τέλη του 20ού αιώνα. Οι μίνι γερανοί χρησιμοποιούνται επίσης για την κατασκευή υψηλών κτιρίων, προκειμένου να διευκολυνθούν οι κατασκευές φτάνοντας σε στενούς χώρους. Τέλος, μπορούμε να βρούμε μεγαλύτερους πλωτούς γερανούς, που χρησιμοποιούνται γενικά για την κατασκευή εξέδρων πετρελαίου και τη διάσωση βυθισμένων πλοίων.  Το άρθρο καλύπτει επίσης ανυψωτικά μηχανήματα που δεν ταιριάζουν απόλυτα στον παραπάνω ορισμό του γερανού, αλλά είναι γενικά γνωστά ως γερανοί, όπως γερανοί στοίβαξης και γερανοί φορτωτών. Χρησιμοποιούνται κινητήρες για τη μετακίνηση του γερανού». 

Ως εκ τούτου, το μαγνητικό πεδίο ενός εναλλακτήρα περιστρέφεται πάντα μέσα στον στάτορα, ενώ το μαγνητικό πεδίο για μια γεννήτρια είναι σταθερό. Ο εξοπλισμός είναι το περιστρεφόμενο πηνίο ή σειρά πηνίων σε έναν ηλεκτροκινητήρα. Όταν ο εξοπλισμός είναι ακίνητος, καθίσταται εύκολη η διέγερση τάσης (χαμηλής τάσης) στον ρότορα μέσω των δακτυλίων ολίσθησης. Επομένως, επιλέγουμε μια γεννήτρια όταν απαιτείται περισσότερη ηλεκτρική ενέργεια επειδή παράγει τάση σε ολόκληρη τη συσκευή χωρίς διακοπή. Επίσης, μπορούμε να χρησιμοποιήσουμε μια γεννήτρια για να φορτίσουμε μια μπαταρία όταν έχει εξαντληθεί πλήρως. Για το λόγο αυτό, βλέπουμε τις γεννήτριες ως την καλύτερη δυνατή επιλογή ως εφεδρική τροφοδοσία για σπίτια και RV. Αυτά απορρίπτονται για τα μεγάλα έργα επειδή το ρεύμα εξόδου είναι σταθερό και παράγουν τόσο εναλλασσόμενο ρεύμα όσο και συνεχές ρεύμα.

Ανιχνευτής Hall

Ένας ανιχνευτής Hall περιέχει έναν κρύσταλλο ημιαγωγού με ένωση indium, όπως το indium antimonide, τοποθετημένο σε πλάκα στήριξης αλουμινίου και εγκλωβισμένο στην κεφαλή του καθετήρα. Το επίπεδο του κρυστάλλου είναι κάθετο στη λαβή του καθετήρα. Τα καλώδια σύνδεσης από τον κρύσταλλο κατεβαίνουν μέσω της λαβής στο κουτί κυκλώματος. Όταν ο αισθητήρας Hall κρατιέται έτσι ώστε οι γραμμές του μαγνητικού πεδίου να περνούν σε ορθή γωνία μέσω του αισθητήρα του καθετήρα, ο μετρητής δίνει μια ένδειξη της τιμής της πυκνότητας μαγνητικής ροής (Β). Ένα ρεύμα διέρχεται από τον κρύσταλλο, ο οποίος, όταν τοποθετηθεί σε μαγνητικό πεδίο, έχει μια τάση "φαινόμενου Hall" που αναπτύσσεται σε αυτόν. Το φαινόμενο Hall φαίνεται όταν ένας αγωγός διέρχεται από ένα ομοιόμορφο μαγνητικό πεδίο. Η φυσική μετατόπιση ηλεκτρονίων των φορέων φορτίου προκαλεί στο μαγνητικό πεδίο να εφαρμόσει μια δύναμη Lorentz (τη δύναμη που ασκείται σε ένα φορτισμένο σωματίδιο σε ένα ηλεκτρομαγνητικό πεδίο) σε αυτούς τους φορείς φορτίου, με αποτέλεσμα τον διαχωρισμό φορτίων, με συσσώρευση είτε θετικών είτε αρνητικών φορτίων στο κάτω μέρος ή στο πάνω μέρος της πλάκας. Ο κρύσταλλος έχει μέγεθος 5 mm τετράγωνο. Η λαβή του καθετήρα, κατασκευασμένη από μη σιδηρούχο υλικό, δεν έχει ενοχλητική επίδραση στο πεδίο. Ένας ανιχνευτής Hall πρέπει να βαθμονομηθεί με μια γνωστή τιμή της έντασης του μαγνητικού πεδίου. Για μια ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα, ο αισθητήρας Hall τοποθετείται στο κέντρο. κατασκευασμένο από μη σιδηρούχο υλικό, δεν έχει ενοχλητική επίδραση στο γήπεδο. Ένας ανιχνευτής Hall πρέπει να βαθμονομηθεί με μια γνωστή τιμή της έντασης του μαγνητικού πεδίου. Για μια ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα, ο αισθητήρας Hall τοποθετείται στο κέντρο. κατασκευασμένο από μη σιδηρούχο υλικό, δεν έχει ενοχλητική επίδραση στο γήπεδο. Ένας ανιχνευτής Hall πρέπει να βαθμονομηθεί με μια γνωστή τιμή της έντασης του μαγνητικού πεδίου. Για μια ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα, ο αισθητήρας Hall τοποθετείται στο κέντρο.

Αρχή λειτουργίας

Σε έναν αισθητήρα Hall, μια λεπτή λωρίδα μετάλλου έχει ένα ρεύμα που εφαρμόζεται κατά μήκος του. Παρουσία μαγνητικού πεδίου, τα ηλεκτρόνια στη μεταλλική ταινία εκτρέπονται προς τη μία άκρη, παράγοντας κλίση τάσης στη μικρή πλευρά της λωρίδας (κάθετα στο ρεύμα τροφοδοσίας). Οι αισθητήρες φαινομένου Hall έχουν ένα πλεονέκτημα έναντι των επαγωγικών αισθητήρων στο ότι, ενώ οι επαγωγικοί αισθητήρες ανταποκρίνονται σε ένα μεταβαλλόμενο μαγνητικό πεδίο που προκαλεί ρεύμα σε ένα πηνίο σύρματος και παράγει τάση στην έξοδό του, οι αισθητήρες φαινομένου Hall μπορούν να ανιχνεύσουν στατικά (μη μεταβαλλόμενα) μαγνητικά πεδία.

Στην απλούστερη μορφή του, ο αισθητήρας λειτουργεί ως αναλογικός μετατροπέας, επιστρέφοντας άμεσα μια τάση. Με ένα γνωστό μαγνητικό πεδίο, μπορεί να προσδιοριστεί η απόσταση του από την πλάκα Hall. Χρησιμοποιώντας ομάδες αισθητήρων, μπορεί να συναχθεί η σχετική θέση του μαγνήτη.

Όταν μια δέσμη φορτισμένων σωματιδίων περνά μέσα από ένα μαγνητικό πεδίο, οι δυνάμεις δρουν στα σωματίδια και η δέσμη εκτρέπεται από την ευθύγραμμη πορεία. Η ροή των ηλεκτρονίων μέσω ενός αγωγού σχηματίζει μια δέσμη φορτισμένων φορέων. Όταν ένας αγωγός τοποθετηθεί σε ένα μαγνητικό πεδίο κάθετο στη διεύθυνση των ηλεκτρονίων, τότε αυτά εκτρέπονται από την ευθύγραμμη πορεία. Κατά συνέπεια, η μία πλευρά του αγωγού φορτίζεται αρνητικά και η αντίθετη πλευρά φορτίζεται θετικά. Η τάση μεταξύ αυτών των επιπέδων ονομάζεται τάση Hall.

Όταν η δύναμη στα φορτισμένα σωματίδια από το ηλεκτρικό πεδίο εξισορροπεί τη δύναμη που παράγεται από το μαγνητικό πεδίο, ο διαχωρισμός των φορτίων σταματά. Εάν το ρεύμα δεν αλλάζει, τότε η τάση Hall είναι ένα μέτρο της πυκνότητας της μαγνητικής ροής. Βασικά, υπάρχουν δύο είδη αισθητήρων φαινομένου Hall: γραμμικοί, πράγμα που σημαίνει ότι η έξοδος τάσης εξαρτάται γραμμικά από την πυκνότητα της μαγνητικής ροής. και κατώτατο όριο, πράγμα που σημαίνει ότι υπάρχει απότομη μείωση της τάσης εξόδου σε κάποια πυκνότητα μαγνητικής ροής. Αυτό το πείραμα ήταν εκείνο που απέδειξε ότι υπάρχουν μόνο αρνητικά φορτία ελεύθερα για κίνηση σε έναν αγωγό. Πριν από αυτό, θεωρούσαν ότι τα θετικά φορτία κινούνται σε έναν αγωγό που μεταφέρει ρεύμα. Αυτό το πείραμα είναι γνωστό ως πείραμα Hall.

Υλικά

Ο βασικός παράγοντας που καθορίζει την ευαισθησία των αισθητήρων φαινομένου Hall είναι η υψηλή κινητικότητα ηλεκτρονίων. Ως αποτέλεσμα, τα ακόλουθα υλικά είναι ιδιαίτερα κατάλληλα για αισθητήρες φαινομένου Hall:

gallium arsenide (GaAs),
indium arsenide (InAs),
indium phosphide (InP),
indium antimonide (InSb),
graphene.

Πλεονεκτήματα
Ένας αισθητήρας εφέ Hall μπορεί να λειτουργεί ως ηλεκτρονικός διακόπτης.

Ένας τέτοιος διακόπτης κοστίζει λιγότερο από έναν μηχανικό διακόπτη και είναι πολύ πιο αξιόπιστος.
Μπορεί να λειτουργήσει σε υψηλότερες συχνότητες από έναν μηχανικό διακόπτη.
Δεν υποφέρει από αναπήδηση επαφής επειδή χρησιμοποιείται διακόπτης στερεάς κατάστασης με υστέρηση και όχι μηχανική επαφή.
Δεν επηρεάζεται από περιβαλλοντικούς ρύπους, αφού ο αισθητήρας βρίσκεται σε σφραγισμένη συσκευασία. Ως εκ τούτου, μπορεί να χρησιμοποιηθεί υπό σοβαρές συνθήκες.

Στην περίπτωση γραμμικού αισθητήρα (για μετρήσεις έντασης μαγνητικού πεδίου), αισθητήρας φαινομένου Hall:

μπορεί να μετρήσει ένα ευρύ φάσμα μαγνητικών πεδίων,
μπορεί να μετρήσει τόσο το σύμβολο όσο και το πλάτος,
μπορεί να είναι επίπεδο.

Μειονεκτήματα

Οι αισθητήρες φαινομένου Hall παρέχουν πολύ χαμηλότερη ακρίβεια μέτρησης από τα μαγνητόμετρα ροής ή τους αισθητήρες που βασίζονται σε μαγνητική αντίσταση. Επιπλέον, οι αισθητήρες φαινομένου Hall παρασύρονται σημαντικά, απαιτώντας αποζημίωση.

Ο ηλεκτρομαγνήτης είναι απλώς ένα πηνίο καλωδίων με ρεύμα που τρέχει μέσα από αυτό. Τα ηλεκτρόνια είναι σαν μικροσκοπικοί μαγνήτες και όταν κινούνται (όπως σε ένα ρεύμα), δημιουργούν μαγνητικό πεδίο. Ο πυρήνας σιδήρου αυξάνει το μαγνητικό πεδίο του ηλεκτρομαγνήτη. Ο δακτύλιος δέχεται μεγαλύτερη μαγνητική δύναμη, η οποία τον ωθεί ψηλότερα. Όσο πιο κρύο είναι το δαχτυλίδι, τόσο λιγότερη αντίσταση υπάρχει και τόσο περισσότερο ρεύμα μπορεί να ρέει μέσα από αυτό. Περισσότερο ρεύμα σημαίνει μεγαλύτερο μαγνητικό πεδίο και ο δακτύλιος πηγαίνει ακόμα ψηλότερα!

Λεπτομέρειες:
Το δονούμενο δαχτυλίδι κάνει ένα μεταλλικό δαχτυλίδι να πηδά στον αέρα χρησιμοποιώντας έναν ηλεκτρομαγνήτη όπως αυτός που περιγράφηκε νωρίτερα. Στην πραγματικότητα πρόκειται για δύο ηλεκτρομαγνήτες σε έναν. Το σύρμα είναι τυλιγμένο γύρω από μια βάση από σίδηρο. Το καλώδιο συνδέεται με την ηλεκτρική ενέργεια και όταν ρέει ρεύμα στο σύρμα, το σίδερο γίνεται πολύ ισχυρός μαγνήτης. Ο δεύτερος μαγνήτης είναι ένας μεταλλικός δακτύλιος. Αυτός βρίσκεται στην κορυφή της σιδερένιας βάσης. Το μαγνητικό πεδίο από το σίδερο στη βάση προκαλεί τη ροή ηλεκτρικής ενέργειας γύρω από τον δακτύλιο. Ο ηλεκτρισμός στο δαχτυλίδι ονομάζεται περιστρεφόμενο ρεύμα. Το περιστροφικό ρεύμα προκαλεί το μεταλλικό δακτύλιο να γίνει μαγνήτης. Οι δύο ηλεκτρομαγνήτες είναι διατεταγμένοι έτσι ώστε οι βόρειοι πόλοι τους να δείχνουν ο ένας στον άλλο. Δύο βόρειοι πόλοι απωθούν ο ένας τον άλλον, οπότε η βάση και ο δακτύλιος ωθούν ο ένας τον άλλον μακριά. Δεδομένου ότι το δαχτυλίδι είναι πολύ ελαφρύ, ωθείται στον αέρα.

Όταν προσθέτετε μια πρόσθετη ράβδο σιδήρου στον ηλεκτρομαγνήτη, αυξάνει τη δύναμή του. (Αυτός είναι ο λόγος που χρησιμοποιήσαμε ένα καρφί στο προηγούμενο πείραμα ηλεκτρομαγνήτη.) Ένας ισχυρότερος μαγνήτης κάνει το δαχτυλίδι να πηδά πολύ ψηλότερα! Εάν προσθέσετε έναν δεύτερο δακτύλιο, ίσως να περιμένετε ότι δεν θα ανέβει τόσο ψηλά γιατί υπάρχει διπλάσια μάζα. Αλλά, υπάρχει επίσης διπλάσιο δαχτυλίδι για να μετατραπεί σε μαγνήτη που θα απωθηθεί και θα εκτοξευτεί εξίσου ψηλά.

Μπορούμε να κάνουμε το δαχτυλίδι να πηδήξει πολύ ψηλότερα χρησιμοποιώντας υγρό άζωτο για να γίνει πολύ κρύο. Όταν τα πράγματα είναι πολύ κρύα, ο ηλεκτρισμός μπορεί να ρέει πιο εύκολα. Δεδομένου ότι ο ηλεκτρισμός μπορεί να ρέει καλύτερα μέσω του δακτυλίου, ο δακτύλιος γίνεται ισχυρότερος μαγνήτης και πηδά πολύ ψηλότερα.

Αν κοπεί το δαχτυλίδι, δεν θα πηδήξει. Είπαμε ότι μέρος της ηλεκτρικής ενέργειας στο σύρμα μπαίνει στο δαχτυλίδι για να γίνει μαγνήτης. Αλλά, ο ηλεκτρισμός πρέπει να ρέει σε έναν πλήρη κύκλο για να δημιουργήσει έναν μαγνήτη. Δεδομένου ότι υπάρχει διακοπή, το ρεύμα δεν μπορεί να πάρει όλη τη γύρω διαδρομή. Η εγκοπή εμποδίζει το δαχτυλίδι να μετατραπεί σε μαγνήτη.

Το δυναμικό ηχείο εφευρέθηκε το 1924 από τους Edward W. Kellogg και Chester W. Rice. Το δυναμικό ηχείο λειτουργεί με την ίδια βασική αρχή με ένα δυναμικό μικρόφωνο, αλλά αντίστροφα, για την παραγωγή ήχου από ηλεκτρικό σήμα. Όταν ένα ηλεκτρικό ηχητικό σήμα εναλλασσόμενου ρεύματος εφαρμόζεται στο πηνίο φωνής του, ένα πηνίο σύρματος που κρέμεται σε ένα κυκλικό διάκενο μεταξύ των πόλων ενός μόνιμου μαγνήτη, το πηνίο αναγκάζεται να κινείται γρήγορα μπρος -πίσω λόγω του νόμου επαγωγής του Faraday, ο οποίος προκαλεί ένα διάφραγμα (συνήθως κωνικό σχήμα) προσαρτημένο στο πηνίο για να κινείται μπρος -πίσω, πιέζοντας τον αέρα για να δημιουργήσει ηχητικά κύματα. Εκτός από αυτήν την πιο κοινή μέθοδο, υπάρχουν αρκετές εναλλακτικές τεχνολογίες που μπορούν να χρησιμοποιηθούν για τη μετατροπή ενός ηλεκτρικού σήματος σε ήχο. Τα ηχεία συνήθως τοποθετούνται σε ένα περίβλημα ηχείων ή ένα κουτί ηχείων, το οποίο είναι συχνά ένα ορθογώνιο κουτί από ξύλο ή μερικές φορές από πλαστικό. Τα υλικά και ο σχεδιασμός του περιβλήματος παίζουν σημαντικό ρόλο στην ποιότητα του ήχου. Το περίβλημα πρέπει γενικά να είναι όσο το δυνατόν πιο άκαμπτο και μη ηχηρό. Όπου απαιτείται αναπαραγωγή ήχου υψηλής πιστότητας, πολλαπλοί μετατροπείς ηχείων τοποθετούνται συχνά στο ίδιο περίβλημα, ο καθένας αναπαράγει ένα μέρος της ακουστικής περιοχής συχνοτήτων (εικόνα στα δεξιά). Σε αυτήν την περίπτωση, τα μεμονωμένα ηχεία αναφέρονται ως προγράμματα οδήγησης και ολόκληρη η μονάδα ονομάζεται μεγάφωνο. Τα προγράμματα οδήγησης που δημιουργούνται για την αναπαραγωγή υψηλών συχνοτήτων ήχου ονομάζονται tweeters, αυτά για μεσαίες συχνότητες ονομάζονται προγράμματα οδήγησης μεσαίας εμβέλειας και αυτά για χαμηλές συχνότητες ονομάζονται woofers. Εξαιρετικά χαμηλές συχνότητες (16Hz-~ 100Hz) μπορούν να αναπαραχθούν με ξεχωριστά subwoofers. Μικρότερα ηχεία βρίσκονται σε συσκευές όπως ραδιόφωνα, τηλεοράσεις, φορητές συσκευές αναπαραγωγής ήχου, υπολογιστές και ηλεκτρονικά μουσικά όργανα. Μεγαλύτερα συστήματα ηχείων χρησιμοποιούνται για μουσική, ενίσχυση ήχου σε θέατρα και αίθουσες συναυλιών και σε συστήματα δημόσιας ομιλίας.