Elektromıknatıs

Demir bir çekirdeğin etrafına sarılmış bir tel bobinden oluşan basit bir elektromıknatıs. Demir gibi ferromanyetik malzemeden bir çekirdek, oluşturulan manyetik alanı artırmaya yarar. Üretilen manyetik alanın gücü, sargıdan geçen akım miktarı ile orantılıdır. ⓘ

Bir solenoid (tel bobin) tarafından üretilen manyetik alan. Bu çizim bobinin merkezinden geçen bir kesiti göstermektedir. Çarpılar, akımın sayfanın içine doğru hareket ettiği tellerdir; noktalar ise akımın sayfanın dışına doğru hareket ettiği tellerdir. ⓘ

Elektromıknatıs, manyetik alanın bir elektrik akımı tarafından üretildiği bir mıknatıs türüdür. Elektromıknatıslar genellikle bir bobin içine sarılmış telden oluşur. Telden geçen bir akım, bobinin merkezini gösteren delikte yoğunlaşan bir manyetik alan yaratır. Akım kapatıldığında manyetik alan kaybolur. Tel dönüşleri genellikle demir gibi ferromanyetik veya ferrimanyetik bir malzemeden yapılmış manyetik bir çekirdeğin etrafına sarılır; manyetik çekirdek manyetik akıyı yoğunlaştırır ve daha güçlü bir mıknatıs yapar. ⓘ

Bir elektromıknatısın kalıcı bir mıknatısa göre temel avantajı, manyetik alanın sargıdaki elektrik akımı miktarı kontrol edilerek hızlı bir şekilde değiştirilebilmesidir. Bununla birlikte, güce ihtiyaç duymayan sabit bir mıknatısın aksine, bir elektromıknatıs manyetik alanı korumak için sürekli bir akım kaynağı gerektirir. ⓘ

Elektromıknatıslar, motorlar, jeneratörler, elektromekanik solenoidler, röleler, hoparlörler, sabit diskler, MRI makineleri, bilimsel aletler ve manyetik ayırma ekipmanları gibi diğer elektrikli cihazların bileşenleri olarak yaygın şekilde kullanılmaktadır. Elektromıknatıslar ayrıca endüstride hurda demir ve çelik gibi ağır demir nesneleri almak ve taşımak için de kullanılmaktadır. ⓘ

Elektromanyetik alan ⓘ

Elektromıknatıs, elektrik akımı kullanılarak demirden elde edilen mıknatıstır. Elektromıknatısın her iki ucu da manyetik maddeleri çeker. Elektromıknatısın kutupları sağ el kuralına göre bulunabilir. Bu kural, tel bobine alttan sarılıyorsa sağ elimizi bobini alttan kavrayarak tutarız. Sağ elimizin başparmağı elektromıknatısın 'N' kutbunu gösterir. Pil, ters çevrilirse elektromıknatısın her iki ucu da aynı şekilde çekme özelliği gösterir ama kutupları yer değiştirir. Ancak elektromıknatıslarda her zaman pil söz konusu değildir. Büyük elektromıknatıslarda gelişmiş akü, motor vb. güç kaynakları kullanılır. ⓘ

Elektromıknatısın kutupları sarımdan geçen akımın yönüne bağlıdır. Sağ elimizin dört parmağı bobin üzerinden geçen akım yönünde olacak şekilde elimizi sardığımızda başparmak kuzey kutbunu gösterir. Diğer uç ise güney kutbu olur. Kuzey kutbu mıknatısın pozitif, güney kutbu ise negatif kısmıdır. ⓘ

Bir elektromıknatısın çekim gücü;

• Bobindeki sarım sayısı ile doğru orantılı,
• Telden geçen akım miktarı ile doğru orantılı,
• Pil sayısı ile doğru orantılı,
• Pilin gerilimi ile doğru orantılı,
• Sargının uzunluğu ile ters orantılıdır. ⓘ

NOT: Sağ el kuralı daima akım yönünde olmalıdır. ⓘ

Elektromıknatıs her zaman mıknatıslık özelliği göstermez, akım kesildiği an mıknatıslık özelliği de kaybolur ve elektromiknatis lar "up" ve "çubuk" şeklinde olabilmektedir. ⓘ

Tarihçe

Sturgeon'un elektromıknatısı, 1824

Henry'nin yüzlerce kilo kaldırabilen elektromıknatıslarından biri, 1830'lar

Büyük bir Henry elektromıknatısının yakın çekimi ⓘ

Danimarkalı bilim insanı Hans Christian Ørsted 1820 yılında elektrik akımlarının manyetik alanlar yarattığını keşfetti. İngiliz bilim adamı William Sturgeon 1824 yılında elektromıknatısı icat etti.

İlk elektromıknatısı, yaklaşık 18 tur çıplak bakır telle sarılmış at nalı şeklinde bir demir parçasıydı (o zamanlar yalıtılmış tel yoktu). Demir, sargılardan yalıtılması için verniklenmişti. Bobinden bir akım geçirildiğinde demir mıknatıslanıyor ve diğer demir parçalarını kendine çekiyordu; akım kesildiğinde ise mıknatıslanma özelliğini kaybediyordu. Sturgeon, sadece yedi ons (kabaca 200 gram) ağırlığında olmasına rağmen, tek hücreli bir güç kaynağının akımı uygulandığında dokuz pound (kabaca 4 kilo) kaldırabildiğini göstererek gücünü sergiledi. Ancak Sturgeon'un mıknatısları zayıftı çünkü kullandığı yalıtılmamış tel, çekirdeğin etrafına yalnızca tek bir aralıklı katman halinde sarılabiliyordu ve bu da dönüş sayısını sınırlıyordu. ⓘ

1830'dan itibaren ABD'li bilim adamı Joseph Henry elektromıknatısı sistematik olarak geliştirdi ve popüler hale getirdi. İpek iplikle yalıtılmış tel kullanarak ve Schweigger'in galvanometre yapmak için birden fazla tel sarımı kullanmasından esinlenerek, çekirdeklere birden fazla tel katmanı sarabildi ve 2,063 lb (936 kg) taşıyabilen bir tanesi de dahil olmak üzere binlerce tel sarımına sahip güçlü mıknatıslar yarattı. Elektromıknatısların ilk büyük kullanımı telgraf sirenlerinde olmuştur. ⓘ

Ferromanyetik çekirdeklerin nasıl çalıştığına dair manyetik alan teorisi ilk olarak 1906 yılında Fransız fizikçi Pierre-Ernest Weiss tarafından ortaya atılmış ve ferromanyetizmanın ayrıntılı modern kuantum mekanik teorisi 1920'lerde Werner Heisenberg, Lev Landau, Felix Bloch ve diğerleri tarafından geliştirilmiştir. ⓘ

Elektromıknatısların uygulamaları

Hurda demiri kaldıran endüstriyel elektromıknatıs, 1914 ⓘ

Portatif bir elektromıknatıs, sadece malzemeyi yerinde tutmak için tasarlanmış bir elektromıknatıstır; bir örnek kaldırma mıknatısıdır. Çekici bir elektromıknatıs bir kuvvet uygular ve bir şeyi hareket ettirir. ⓘ

Elektromıknatıslar elektrikli ve elektromekanik cihazlarda çok yaygın olarak kullanılmaktadır:

• Motorlar ve jeneratörler
• Transformers
• Röleler
• Elektrikli ziller ve vızıltılar
• Hoparlörler ve kulaklıklar
• Valfler gibi aktüatörler
• Manyetik kayıt ve veri depolama ekipmanları: teypler, VCR'ler, sabit diskler
• MRI makineleri
• Kütle spektrometreleri gibi bilimsel ekipmanlar
• Parçacık hızlandırıcılar
• Manyetik kilitler
• Manyetik ayırma ekipmanı, manyetik malzemeyi manyetik olmayan malzemeden ayırmak için kullanılır, örneğin demir içeren metali hurdadaki diğer malzemeden ayırmak için.
• Endüstriyel kaldırma mıknatısları
• manyetik kaldırma, maglev treninde veya trenlerinde kullanılır
• Pişirme, üretim ve hipertermi tedavisi için indüksiyonla ısıtma ⓘ

Laboratuvar elektromıknatısı. 20 A akım ile 2 T alan üretir.

Kütle spektrometresindeki mıknatıs

Bir elektrik motorunun statorundaki AC elektromıknatıs

Elektrikli zildeki mıknatıslar

Senkrotronda Sextupole odaklama mıknatısı ⓘ

Elektromıknatıslar, eski telefonlarda ses sinyallerini elektrik sinyallerine elektrik sinyallerini ses sinyallerine dönüştürür, elektrik zili, bilgisayar yapımı,hızlı trenler,telefon kulaklığı, telgraf gibi araçlar ve birçok elektronik aracın yapısında kullanılır. Demir yükleme işleri yapan vinçler, elektromıknatıslarla yüklerini kaldırır. Ayrıca hurda toplama yerlerinde hurdalar elektromıknatıslar sayesinde taşınıp istenilen yere götürülür. ⓘ

Elektromıknatısın kutupları pusula ile de öğrenilebilir. Elektromıknatısın kutuplarına pusula yaklaştırıldığında pusulanın ibresi bulunduğu yerdeki manyetik alan paralel durur. ⓘ

Basit solenoid

Yaygın bir çekici elektromıknatıs, düzgün sarılmış bir solenoid ve pistondur. Solenoid bir tel bobinidir ve piston yumuşak demir gibi bir malzemeden yapılmıştır. Solenoide bir akım uygulamak pistona bir kuvvet uygular ve pistonu hareket ettirebilir. Piston, üzerindeki kuvvetler dengelendiğinde hareket etmeyi durdurur. Örneğin, piston solenoid içinde ortalandığında kuvvetler dengelenir. ⓘ

Maksimum düzgün çekme, pistonun bir ucu solenoidin ortasında olduğunda gerçekleşir. F kuvveti için bir yaklaşım şöyledir

$F=CAnI/l$

Burada C bir orantı sabiti, A pistonun kesit alanı, n solenoiddeki dönüş sayısı, I solenoid telden geçen akım ve l solenoidin uzunluğudur. Uzun, ince solenoidlerde inç, pound kuvvet ve amper kullanan birimler için C değeri yaklaşık 0,009 ila 0,010 psi'dir (piston kesit alanının inç karesi başına maksimum çekme poundu). Örneğin, 1 inç kare kesitli (A=1 in2) ve 11.200 amper dönüşlü (n I=11.²00 Aturn) uzun bir pistona sahip 12 inç uzunluğunda bir bobinin (l=12 inç) maksimum çekişi 8,75 pounddur (C=0,0094 psi'ye karşılık gelir). ⓘ

Solenoide manyetik bir durdurucu yerleştirildiğinde maksimum çekme artar. Durdurucu, pistonu çekecek bir mıknatıs haline gelir; piston uzaktayken solenoid çekimine çok az katkıda bulunur, ancak yakın olduklarında çekimi önemli ölçüde artırır. Çekme P için bir yaklaşım şöyledir

$P=AnI[(nI/l_{\mathrm {a} }^{2}C_{1}^{2})+(C/l)]=(An^{2}I^{2}/l_{\mathrm {a} }^{2}C_{1}^{2})+(CAnI/l)$

Burada la, durdurucunun ucu ile pistonun ucu arasındaki mesafedir. İnce solenoidlerde inç, pound ve amper birimleri için ek sabit C₁ yaklaşık 2660'tır. Parantez içindeki ikinci terim yukarıdaki stopsuz solenoid ile aynı kuvveti temsil eder; ilk terim stop ile piston arasındaki çekimi temsil eder. ⓘ

Temel tasarım üzerinde bazı iyileştirmeler yapılabilir. Durdurucu ve pistonun uçları genellikle koniktir. Örneğin, pistonun durdurucudaki eşleşen bir girintiye uyan sivri bir ucu olabilir. Şekil, solenoidin ayrılmanın bir fonksiyonu olarak daha düzgün çekmesini sağlar. Bir başka iyileştirme de solenoidin dış çevresine manyetik bir geri dönüş yolu eklemektir ("demir kaplı solenoid"). Manyetik geri dönüş yolu, tıpkı durdurucu gibi, hava boşluğu küçük olana kadar çok az etkiye sahiptir. ⓘ

Fizik

Bir telden geçen akım (I) bir manyetik alan (B) üretir. Alan sağ el kuralına göre yönlendirilir. ⓘ

Akım taşıyan bir tel halkasının manyetik alan çizgileri halkanın merkezinden geçer ve alanı burada yoğunlaştırır ⓘ

Bir bobinden akım geçirilerek oluşturulan manyetik alan ⓘ

Bir telden akan elektrik akımı, Amper yasası nedeniyle telin etrafında bir manyetik alan oluşturur (aşağıdaki çizime bakınız). Manyetik alanı yoğunlaĢtırmak için, bir elektromıknatısta tel, yan yana duran birçok tel sarımı ile bir bobine sarılır. Tüm tel sarımlarının manyetik alanı bobinin merkezinden geçerek burada güçlü bir manyetik alan yaratır. Düz bir tüp (sarmal) şeklini oluşturan bir bobine solenoid denir. ⓘ

Bir tel bobinden geçen manyetik alanın yönü sağ el kuralının bir formundan bulunabilir. Sağ elin parmakları sargılardan geçen akım (geleneksel akım, pozitif yük akışı) yönünde bobinin etrafında kıvrılırsa, başparmak bobinin içindeki alanın yönünü gösterir. Mıknatısın alan çizgilerinin çıktığı tarafı kuzey kutbu olarak tanımlanır. ⓘ

Bobinin içine demir gibi yumuşak ferromanyetik (veya ferrimanyetik) bir malzemeden oluşan bir "manyetik çekirdek" yerleştirilirse çok daha güçlü manyetik alanlar üretilebilir. Bir çekirdek, malzemenin yüksek manyetik geçirgenliği μ nedeniyle manyetik alanı, bobinin tek başına alanının gücünün binlerce katına çıkarabilir. Buna ferromanyetik çekirdekli veya demir çekirdekli elektromıknatıs denir. Bununla birlikte, tüm elektromıknatıslar çekirdek kullanmaz ve süper iletken ve çok yüksek akımlı elektromıknatıslar gibi en güçlü elektromıknatıslar, doygunluk nedeniyle bunları kullanamaz. ⓘ

Amper yasası

Aşağıdaki değişkenlerin tanımları için makalenin sonundaki kutuya bakınız. ⓘ

Genel durumda elektromıknatısların manyetik alanı Ampere Yasası ile verilir:

$\int \mathbf {J} \cdot d\mathbf {A} =\oint \mathbf {H} \cdot d\mathbf {l}$ ⓘ

Bu da mıknatıslanma alanının integralinin $\mathbf {H}$ herhangi bir kapalı döngü etrafındaki manyetik alan, döngü boyunca akan akımın toplamına eşittir. Akımın her küçük parçasından kaynaklanan manyetik alanı veren bir başka denklem de Biot-Savart yasasıdır. Ferromanyetik malzemeler tarafından uygulanan manyetik alan ve kuvveti hesaplamak iki nedenden dolayı zordur. Birincisi, alanın gücü noktadan noktaya karmaşık bir şekilde değiştiğinden, özellikle de saçaklanma alanlarının ve kaçak akının dikkate alınması gereken çekirdeğin dışında ve hava boşluklarında. İkinci olarak, manyetik alan B ve kuvvet, kullanılan belirli nüve malzemesi için B ve H arasındaki doğrusal olmayan ilişkiye bağlı olarak akımın doğrusal olmayan fonksiyonlarıdır. Hassas hesaplamalar için, sonlu elemanlar yöntemini kullanarak manyetik alanın bir modelini üretebilen bilgisayar programları kullanılır. ⓘ

Manyetik çekirdek

Manyetik bir çekirdeğin malzemesi (genellikle demir veya çelikten yapılır), küçük mıknatıslar gibi hareket eden manyetik alanlar adı verilen küçük bölgelerden oluşur (bkz. ferromanyetizma). Elektromıknatıstaki akım açılmadan önce, demir çekirdekteki alanlar rastgele yönlere işaret eder, böylece küçük manyetik alanları birbirini iptal eder ve demirin büyük ölçekli bir manyetik alanı yoktur. Demirin etrafına sarılmış telden bir akım geçirildiğinde, manyetik alan demire nüfuz eder ve alanların dönmesine, manyetik alana paralel olarak hizalanmasına neden olur, böylece küçük manyetik alanları telin alanına eklenir ve mıknatısın etrafındaki boşluğa uzanan büyük bir manyetik alan oluşturur. Çekirdeğin etkisi alanı yoğunlaştırmaktır ve manyetik alan çekirdekten havadan geçeceğinden daha kolay geçer. ⓘ

Tel bobinden geçen akım ne kadar büyük olursa, alanlar o kadar fazla hizalanır ve manyetik alan o kadar güçlü olur. Sonunda, tüm alanlar sıralanır ve akımdaki daha fazla artış manyetik alanda yalnızca hafif artışlara neden olur: bu fenomene doygunluk denir. ⓘ

Bobindeki akım kapatıldığında, neredeyse her zaman çekirdek olarak kullanılan manyetik olarak yumuşak malzemelerde, alanların çoğu hizalamayı kaybeder ve rastgele bir duruma geri döner ve alan kaybolur. Bununla birlikte, hizalamanın bir kısmı devam eder, çünkü alanlar mıknatıslanma yönlerini döndürmekte zorlanırlar ve çekirdeği zayıf bir kalıcı mıknatıs olarak bırakırlar. Bu olguya histerezis ve kalan manyetik alana da kalıcı manyetizma denir. Çekirdeğin artık mıknatıslanması degaussing ile giderilebilir. Motorlarda kullanılanlar gibi alternatif akım elektromıknatıslarında, çekirdeğin mıknatıslanması sürekli olarak tersine çevrilir ve remanans motorun kayıplarına katkıda bulunur. ⓘ

Manyetik devre - sabit B alanı yaklaşımı

Tipik bir elektromıknatısın manyetik alanı (yeşil), demir çekirdek C, içinde iki hava boşluğu G olan kapalı bir döngü oluşturur.
B - çekirdekteki manyetik alan
B_F - "saçaklanma alanları". G boşluklarında manyetik alan çizgileri dışarı doğru "çıkıntı" yapar, bu nedenle alan gücü çekirdektekinden daha azdır: B_F < B
B_L - kaçak akı; tam manyetik devreyi takip etmeyen manyetik alan çizgileri
L - aşağıdaki eşitlik 1'de kullanılan manyetik devrenin ortalama uzunluğu. Demir çekirdek parçalarındaki L_core uzunluğu ile G hava boşluklarındaki L_gap uzunluğunun toplamıdır.
Boşluklar arttıkça hem kaçak akı hem de saçaklanma alanları büyür ve mıknatıs tarafından uygulanan kuvveti azaltır. ⓘ

Motorlar, jeneratörler, transformatörler, kaldırma mıknatısları ve hoparlörler gibi elektromıknatısların birçok pratik uygulamasında, demir çekirdek, muhtemelen birkaç dar hava boşluğu ile kırılmış bir döngü veya manyetik devre şeklindedir. Bunun nedeni manyetik alan çizgilerinin kapalı döngüler şeklinde olmasıdır. Demir, manyetik alana havadan çok daha az "direnç" (relüktans) gösterir, bu nedenle manyetik alan yolunun çoğu çekirdek içindeyse daha güçlü bir alan elde edilebilir. ⓘ

Manyetik alanın çoğu nüve döngüsünün ana hatları içinde kaldığından, bu durum matematiksel analizin basitleştirilmesini sağlar. Sağdaki çizime bakınız. Bu bölümde kullanılacak olan birçok elektromıknatıs tarafından karşılanan yaygın bir basitleştirici varsayım, manyetik alan gücü B'nin manyetik devre etrafında (çekirdek ve hava boşlukları içinde) sabit ve dışında sıfır olmasıdır. Manyetik alanın çoğu çekirdek malzemesinde (C) yoğunlaşacaktır. Çekirdek içinde manyetik alan (B) herhangi bir kesit boyunca yaklaşık olarak aynı olacaktır, bu nedenle ek olarak çekirdek uzunluğu boyunca kabaca sabit bir alana sahipse, çekirdek içindeki alan sabit olacaktır. Bu durumda geriye, eğer varsa, çekirdek bölümleri arasındaki hava boşlukları (G) kalır. Boşluklarda manyetik alan çizgileri artık çekirdek tarafından sınırlandırılmaz, bu nedenle bir sonraki çekirdek malzemesi parçasına girmek için geri kıvrılmadan önce çekirdeğin ana hatlarının ötesine 'çıkıntı' yaparlar ve boşluktaki alan gücünü azaltırlar. Bu şişkinliklere (B_F) saçaklanma alanları denir. Bununla birlikte, boşluğun uzunluğu çekirdeğin kesit boyutlarından daha küçük olduğu sürece, boşluktaki alan çekirdektekiyle yaklaşık olarak aynı olacaktır. Buna ek olarak, bazı manyetik alan çizgileri (B_L) 'kısa yollar' izleyecek ve tüm nüve devresinden geçmeyecek ve böylece mıknatıs tarafından uygulanan kuvvete katkıda bulunmayacaktır. Bu aynı zamanda tel sargılarını çevreleyen ancak nüveye girmeyen alan çizgilerini de içerir. Buna kaçak akı denir. Bu nedenle, bu bölümdeki denklemler aşağıdaki elektromıknatıslar için geçerlidir:

1. manyetik devre, muhtemelen birkaç hava boşluğu ile kırılmış tek bir çekirdek malzeme döngüsüdür
2. Çekirdek, uzunluğu boyunca kabaca aynı kesit alanına sahiptir.
3. Çekirdek malzemesinin bölümleri arasındaki hava boşlukları çekirdeğin kesit boyutlarına kıyasla büyük değildir.
4. ihmal edilebilir kaçak akı vardır

Ferromanyetik malzemelerin ana doğrusal olmayan özelliği, B alanının belirli bir değerde doyuma ulaşmasıdır; bu değer, çoğu yüksek geçirgenlikli çekirdek çelik için yaklaşık 1,6 ila 2 teslastır (T). B alanı bu değere kadar artan akımla birlikte hızla artar, ancak bu değerin üzerinde alan düzleşir ve sargılardan ne kadar akım gönderildiğine bakılmaksızın neredeyse sabit hale gelir. Dolayısıyla, bir demir çekirdekli elektromıknatıstan elde edilebilecek maksimum manyetik alan gücü yaklaşık 1,6 ila 2 T ile sınırlıdır. ⓘ

Bir akım tarafından oluşturulan manyetik alan

Bir elektromıknatıs tarafından yaratılan manyetik alan hem sargıdaki sarım sayısı, N, hem de teldeki akım, I, ile orantılıdır, dolayısıyla amper-dönüş cinsinden bu çarpıma, NI, manyetomotor kuvvet adı verilir. Manyetik alan yolunun L_core uzunluğu nüve malzemesinde ve L_gap uzunluğu hava boşluklarında olan tek bir manyetik devreye sahip bir elektromıknatıs için, Ampere Yasası şu şekle indirgenir:

$NI=H_{\mathrm {core} }L_{\mathrm {core} }+H_{\mathrm {gap} }L_{\mathrm {gap} }\,$ ⓘ

$NI=B\left({\frac {L_{\mathrm {core} }}{\mu }}+{\frac {L_{\mathrm {gap} }}{\mu _{0}}}\right)\qquad \qquad \qquad \qquad (1)\,$

burada

$\mu =B/H\,$ kullanılan belirli B alanında çekirdek malzemesinin manyetik geçirgenliğidir.

$\mu _{0}=4\pi (10^{-7})\ \mathrm {N} \cdot \mathrm {A} ^{-2}$ boş alanın (veya havanın) geçirgenliğidir; şunu unutmayın $\mathrm {A}$ bu tanımda amperdir. ⓘ

Bu doğrusal olmayan bir denklemdir, çünkü nüvenin geçirgenliği, μ, manyetik alan B ile değişir. Kesin bir çözüm için, kullanılan B değerindeki μ değeri nüve malzemesi histerezis eğrisinden elde edilmelidir. B bilinmiyorsa, denklem sayısal yöntemlerle çözülmelidir. Bununla birlikte, manyetomotor kuvvet doygunluğun çok üzerindeyse, bu nedenle çekirdek malzeme doygunlukta ise, manyetik alan yaklaşık olarak malzeme için doygunluk değeri B_sat olacaktır ve NI'deki değişikliklerle çok fazla değişmeyecektir. Kapalı bir manyetik devre için (hava boşluğu yok) çoğu nüve malzemesi, akı yolunun metresi başına yaklaşık 800 amper dönüşlük bir manyetomotor kuvvette doygunluğa ulaşır. ⓘ

Çoğu çekirdek malzeme için, $\mu _{r}=\mu /\mu _{0}\approx 2000-6000\,$. Dolayısıyla yukarıdaki denklem (1)'de ikinci terim baskındır. Bu nedenle, hava boşluklu manyetik devrelerde, B manyetik alanının gücü büyük ölçüde hava boşluğunun uzunluğuna bağlıdır ve çekirdekteki akı yolunun uzunluğu çok önemli değildir. 1mm'lik bir hava boşluğu göz önüne alındığında, 1T'lik bir manyetik alan üretmek için yaklaşık 796 Amper-turluk bir manyetomotor kuvvet gereklidir. ⓘ

Manyetik alan tarafından uygulanan kuvvet

Bir elektromıknatıs tarafından çekirdek malzemenin bir bölümüne uygulanan kuvvet

$F={\frac {B^{2}A}{2\mu _{0}}}\qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad (2)\,$ ⓘ

burada $A$ çekirdeğin enine kesit alanıdır. Kuvvet denklemi bir manyetik alanda depolanan enerjiden türetilebilir. Enerji, kuvvet çarpı mesafedir. Terimlerin yeniden düzenlenmesi yukarıdaki denklemi verir. ⓘ

Yukarıda bahsedilen alan üzerindeki 1,6 T sınırı, birim çekirdek alanı başına maksimum kuvvete veya manyetik basınca bir sınır koyar; kabaca bir demir çekirdekli elektromıknatıs uygulayabilir:

${\frac {F}{A}}={\frac {B_{sat}^{2}}{2\mu _{0}}}\approx 1000\ \mathrm {kPa} =10^{6}\mathrm {N/m^{2}} =145\ \mathrm {lbf} \cdot \mathrm {in} ^{-2}\,$

Daha sezgisel birimlerde, 1 T'de manyetik basıncın yaklaşık 4 atmosfer veya kg/cm² olduğunu hatırlamakta fayda vardır. ⓘ

Bir çekirdek geometrisi verildiğinde, belirli bir kuvvet için gereken B alanı (2)'den hesaplanabilir; 1,6 T'den çok daha fazla çıkarsa, daha büyük bir çekirdek kullanılmalıdır. ⓘ

Kapalı manyetik devre

Silindirik yapıyı gösteren yukarıdaki fotoğraftaki gibi kaldırma elektromıknatısının kesiti. Sargılar (C) manyetik alanın Lorentz kuvvetine dayanması için düz bakır şeritlerdir. Çekirdek, sargıların etrafını saran kalın demir muhafazadan (D) oluşur. ⓘ

Kutupları boyunca köprülenmiş bir demir parçasını kaldıran bir elektromıknatısta olduğu gibi kapalı bir manyetik devre (hava boşluğu yok) için denklem (1) olur:

$B={\frac {NI\mu }{L}}\qquad \qquad \qquad \qquad \qquad \qquad (3)\,$ ⓘ

(2)'de yerine koyulduğunda kuvvet şu olur:

$F={\frac {\mu ^{2}N^{2}I^{2}A}{2\mu _{0}L^{2}}}\qquad \qquad \qquad \qquad \qquad (4)\,$ ⓘ

Kuvveti maksimize etmek için kısa akı yolu L ve geniş kesit alanı A olan bir nüvenin tercih edildiği görülebilir (bu aynı zamanda hava boşluğu olan mıknatıslar için de geçerlidir). Bunu başarmak için, kaldırma mıknatısları (yukarıdaki fotoğrafa bakın) ve hoparlörler gibi uygulamalarda genellikle düz silindirik bir tasarım kullanılır. Sargı, bir kutbu oluşturan kısa geniş bir silindirik çekirdeğin etrafına sarılır ve sargıların dışını saran kalın bir metal muhafaza, manyetik devrenin diğer kısmını oluşturur ve manyetik alanı diğer kutbu oluşturmak için öne getirir. ⓘ

Elektromıknatıslar arasındaki kuvvet

Yukarıdaki yöntemler manyetik devreli elektromıknatıslar için geçerlidir ve manyetik alan yolunun büyük bir kısmı çekirdeğin dışında olduğunda geçerli değildir. Buna örnek olarak, bu makalenin üst kısmında gösterildiği gibi düz silindirik bir çekirdeğe sahip bir mıknatıs verilebilir. Alan çizgilerinin çekirdekten çıktığı iyi tanımlanmış 'kutuplara' sahip elektromıknatıslar (veya sabit mıknatıslar) için, iki elektromıknatıs arasındaki kuvvet, manyetik alanın kutupların yüzeyindeki hayali 'manyetik yükler' tarafından üretildiğini varsayan, kutup gücü m ve Amper-tur metre birimleri olan bir manyetik yük modeli kullanılarak bulunabilir. Elektromıknatısların manyetik kutup kuvveti şuradan bulunabilir: $m={\frac {NIA}{L}}$ ⓘ

İki kutup arasındaki kuvvet: $F={\frac {\mu _{0}m_{1}m_{2}}{4\pi r^{2}}}$ ⓘ

Her elektromıknatısın iki kutbu vardır, bu nedenle başka bir mıknatıs nedeniyle belirli bir mıknatıs üzerindeki toplam kuvvet, verilen mıknatısın her bir kutbuna etki eden diğer mıknatısın kutuplarının kuvvetlerinin vektörel toplamına eşittir. Bu model sonlu yüzeyler yerine nokta benzeri kutuplar varsayar ve bu nedenle sadece mıknatıslar arasındaki mesafe çaplarından çok daha büyük olduğunda iyi bir yaklaşım sağlar. ⓘ

Yan etkiler

Elektromıknatıslarda meydana gelen ve tasarımlarında öngörülmesi gereken çeşitli yan etkiler vardır. Bunlar genellikle daha büyük elektromıknatıslarda daha önemli hale gelir. ⓘ

Ohmik ısınma

LNCMI (Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses) yüksek alan laboratuvarındaki elektromıknatıslara akım taşıyan büyük alüminyum baralar. ⓘ

Kararlı durum koşulları altında bir DC elektromıknatısta tüketilen tek güç sargıların direncinden kaynaklanır ve ısı olarak dağıtılır. Bazı büyük elektromıknatıslar, atık ısıyı uzaklaştırmak için sargılarda su soğutma sistemleri gerektirir. ⓘ

Manyetik alan NI çarpımıyla orantılı olduğundan, çarpımları sabit olduğu sürece sargılardaki sarım sayısı N ve akım I ısı kayıplarını en aza indirecek şekilde seçilebilir. Güç kaybı, P = I²R, akımın karesi ile arttığından ancak sarım sayısı ile sadece yaklaşık doğrusal olarak arttığından, sarımlarda kaybedilen güç, I azaltılarak ve N sarım sayısı orantılı olarak artırılarak veya direnci azaltmak için daha kalın tel kullanılarak en aza indirilebilir. Örneğin, I'nın yarıya indirilmesi ve N'nin iki katına çıkarılması, telin alanının iki katına çıkarılması gibi güç kaybını yarıya indirir. Her iki durumda da tel miktarının artırılması omik kayıpları azaltır. Bu nedenle, elektromıknatıslar genellikle önemli bir sargı kalınlığına sahiptir. ⓘ

Bununla birlikte, N'yi artırmanın veya direnci düşürmenin sınırı, sargıların mıknatısın çekirdek parçaları arasında daha fazla yer kaplamasıdır. Sargılar için mevcut alan doldurulursa, daha fazla sarım daha küçük çaplı bir tele gitmeyi gerektirir, bu da daha yüksek dirence sahiptir, bu da daha fazla sarım kullanmanın avantajını iptal eder. Dolayısıyla büyük mıknatıslarda azaltılamayacak minimum miktarda ısı kaybı vardır. Bu, manyetik akı B²'nin karesi ile artar. ⓘ

Endüktif voltaj yükselmeleri

Bir elektromıknatıs önemli bir endüktansa sahiptir ve sargılarından geçen akımdaki değişikliklere direnç gösterir. Sargı akımındaki herhangi bir ani değişiklik, sargılar boyunca büyük voltaj yükselmelerine neden olur. Bunun nedeni, mıknatısın içinden geçen akım arttığında, örneğin açıldığında, devreden gelen enerjinin manyetik alanda depolanması gerektiğidir. Kapatıldığında alandaki enerji devreye geri döner. ⓘ

Sargı akımını kontrol etmek için sıradan bir anahtar kullanılırsa, bu anahtarın terminallerinde kıvılcımlara neden olabilir. Mıknatıs açıldığında bu durum meydana gelmez, çünkü sınırlı besleme gerilimi mıknatısın içinden geçen akımın ve alan enerjisinin yavaşça artmasına neden olur, ancak kapatıldığında, manyetik alandaki enerji aniden devreye geri döner ve büyük bir gerilim artışına ve anahtar kontakları boyunca onlara zarar verebilecek bir ark oluşmasına neden olur. Küçük elektromıknatıslarda bazen kontaklar arasında bir kondansatör kullanılır, bu da akımı geçici olarak depolayarak arkı azaltır. Daha sık olarak, enerji ısı olarak dağılana kadar akımın sargı boyunca devridaim etmesi için bir yol sağlayarak voltaj yükselmelerini önlemek için bir diyot kullanılır. Diyot sargı boyunca bağlanır, sabit durum çalışması sırasında ters önyargılı olacak ve iletime geçmeyecek şekilde yönlendirilir. Besleme gerilimi kesildiğinde, gerilim yükselmesi diyotu ileri yönde tetikler ve reaktif akım sargıdan, diyottan geçerek sargıya geri akmaya devam eder. Bu şekilde kullanılan bir diyota serbest diyot veya flyback diyot denir. ⓘ

Büyük elektromıknatıslar genellikle bir mikroişlemci tarafından kontrol edilen değişken akımlı elektronik güç kaynakları tarafından beslenir ve akım değişikliklerini yavaşça, yumuşak rampalar halinde gerçekleştirerek voltaj yükselmelerini önler. Büyük bir mıknatısa enerji vermek veya enerjisini kesmek birkaç dakika sürebilir. ⓘ

Lorentz kuvvetleri

Güçlü elektromıknatıslarda manyetik alan, Lorentz kuvveti nedeniyle sargıların her dönüşüne bir kuvvet uygular $q\mathbf {v} \times \mathbf {B} \,$ tel içindeki hareketli yüklere etki eder. Lorentz kuvveti hem telin eksenine hem de manyetik alana diktir. Manyetik alan çizgileri arasında onları birbirinden ayıran bir basınç olarak görselleştirilebilir. Bir elektromıknatısın sargıları üzerinde iki etkisi vardır:

• Bobinin ekseni içindeki alan çizgileri, sargıların her bir dönüşü üzerinde radyal bir kuvvet uygular ve onları her yönde dışarı doğru itme eğilimindedir. Bu, telde bir gerilme stresine neden olur.
• Bobinin her bir dönüşü arasındaki kaçak alan çizgileri, bitişik dönüşler arasında onları bir araya getirme eğiliminde olan çekici bir kuvvet uygular.

Lorentz kuvvetleri B² ile artar. Büyük elektromıknatıslarda, sargılarda metal yorgunluğuna neden olan güç açma ve kapatma hareketini önlemek için sargılar yerine sıkıca kenetlenmelidir. Çok yüksek alanlı araştırma mıknatıslarında kullanılan aşağıdaki Bitter tasarımında, sargılar radyal kuvvetlere direnmek için düz diskler olarak inşa edilir ve eksenel kuvvetlere direnmek için eksenel yönde kenetlenir. ⓘ

Çekirdek kayıpları

Transformatörlerde, indüktörlerde, AC motorlarda ve jeneratörlerde kullanılan alternatif akım (AC) elektromıknatıslarında manyetik alan sürekli değişir. Bu durum manyetik çekirdeklerinde enerji kayıplarına neden olur ve bu da çekirdekte ısı olarak dağılır. Kayıplar iki süreçten kaynaklanır:

• Girdap akımları: Faraday'ın indüksiyon yasasına göre, değişen manyetik alan yakındaki iletkenlerin içinde girdap akımları olarak adlandırılan dolaşan elektrik akımlarını indükler. Bu akımlardaki enerji, iletkenin elektrik direncinde ısı olarak dağılır, bu nedenle enerji kaybına neden olurlar. Mıknatısın demir çekirdeği iletken olduğundan ve manyetik alanın çoğu burada yoğunlaştığından, çekirdekteki girdap akımları en büyük sorundur. Girdap akımları, manyetik alana dik düzlemlerde akan kapalı akım döngüleridir. Yayılan enerji, döngü tarafından çevrelenen alanla orantılıdır. Bunları önlemek için, AC elektromıknatısların çekirdekleri, manyetik alana paralel olarak yönlendirilmiş ve yüzeyinde yalıtkan bir kaplama bulunan ince çelik levhaların veya laminasyonların istiflenmesinden yapılır. Yalıtım katmanları girdap akımının levhalar arasında akmasını önler. Kalan girdap akımları her bir laminasyonun enine kesiti içinde akmalıdır, bu da kayıpları büyük ölçüde azaltır. Diğer bir alternatif de iletken olmayan ferrit çekirdek kullanmaktır.
• Histerezis kayıpları: Nüve malzemesindeki manyetik alanların mıknatıslanma yönünün her döngüde tersine dönmesi, malzemenin zorlayıcılığı nedeniyle enerji kaybına neden olur. Bu kayıplar histerezis olarak adlandırılır. Döngü başına kaybedilen enerji, BH grafiğindeki histerezis döngüsünün alanı ile orantılıdır. Bu kaybı en aza indirmek için, transformatörlerde ve diğer AC elektromıknatıslarda kullanılan manyetik çekirdekler, silikon çelik veya yumuşak ferrit gibi "yumuşak" düşük zorlayıcı malzemelerden yapılır. AC akımının çevrim başına enerji kaybı bu işlemlerin her biri için sabittir, bu nedenle güç kaybı frekansla doğrusal olarak artar. ⓘ

Yüksek alan elektromıknatısları

Süperiletken elektromıknatıslar

Dünyanın en güçlü elektromıknatısı, ABD Ulusal Yüksek Manyetik Alan Laboratuvarı, Tallahassee, Florida, ABD'deki 45 T hibrit Bitter-süperiletken mıknatıs ⓘ

Ferromanyetik sınır olan 1,6 T'den daha yüksek bir manyetik alana ihtiyaç duyulduğunda, süper iletken elektromıknatıslar kullanılabilir. Bunlar ferromanyetik malzemeler kullanmak yerine, elektrik direnci olmadan akım ileten sıvı helyumla soğutulmuş süper iletken sargılar kullanır. Bunlar, yoğun manyetik alanlar oluşturan muazzam akımların akmasına izin verir. Süperiletken mıknatıslar, sargı malzemesinin süperiletken olmayı bıraktığı alan gücü ile sınırlıdır. Mevcut tasarımlar 10-20 T ile sınırlıdır ve mevcut (2017) rekor 32 T'dir. Gerekli soğutma ekipmanı ve kriyostat, onları sıradan elektromıknatıslardan çok daha pahalı hale getirir. Bununla birlikte, yüksek güçlü uygulamalarda bu, daha düşük işletme maliyetleri ile dengelenebilir, çünkü başlangıçtan sonra sargılar için güç gerekmez, çünkü omik ısınmaya enerji kaybı olmaz. Parçacık hızlandırıcılarda ve MRI makinelerinde kullanılırlar. ⓘ

Acı elektromıknatıslar

Hem demir çekirdekli hem de süper iletken elektromıknatısların üretebilecekleri alanın sınırları vardır. Bu nedenle, insan yapımı en güçlü manyetik alanlar, 1933 yılında Francis Bitter tarafından icat edilen ve Bitter elektromıknatısları olarak adlandırılan bir tasarımın hava çekirdekli süper iletken olmayan elektromıknatısları tarafından üretilmiştir. Tel sargılar yerine, bir Bitter mıknatısı, akımın içlerinde sarmal bir yolda hareket edeceği şekilde düzenlenmiş, maksimum alanın oluşturulduğu merkezde bir delik bulunan iletken diskler yığınından yapılmış bir solenoidden oluşur. Bu tasarım, alanın B² ile artan aşırı Lorentz kuvvetlerine dayanacak mekanik güce sahiptir. Diskler, yüksek akımın neden olduğu ısıyı uzaklaştırmak için soğutma suyunun geçtiği deliklerle delinmiştir. Sadece dirençli bir mıknatısla elde edilen en güçlü sürekli alan, 31 Mart 2014 itibariyle Hollanda'nın Nijmegen kentindeki Radboud Üniversitesi Yüksek Alan Mıknatıs Laboratuvarında bir Bitter elektromıknatıs tarafından üretilen 37,5 T'dir. Bir önceki rekor 35 T idi. Toplamda en güçlü sürekli manyetik alan olan 45 T, Haziran 2000'de süper iletken bir mıknatısın içinde bir Bitter mıknatısından oluşan hibrit bir cihazla elde edildi. ⓘ

Elektromıknatısların gücünü sınırlayan faktör, muazzam atık ısının dağıtılamamasıdır, bu nedenle dirençli mıknatıslardan kısa süreli yüksek akım darbeleri gönderilerek 100 T'ye kadar daha güçlü alanlar elde edilmiştir; her darbeden sonraki hareketsiz dönem, darbe sırasında üretilen ısının bir sonraki darbeden önce uzaklaştırılmasını sağlar. ⓘ

Patlayıcı olarak pompalanan akı sıkıştırması

İçi boş bir tüp tipi patlayıcı pompalı akı sıkıştırma jeneratörü. İçi boş bakır tüp bir transformatörün tek turlu ikincil sargısı gibi davranır; sargılardaki kapasitörden gelen akım darbesi bir manyetik alan darbesi yarattığında, bu tüpte güçlü bir çevresel akım yaratarak manyetik alan çizgilerini içine hapseder. Patlayıcılar daha sonra tüpü daraltarak çapını küçültür ve alan çizgileri birbirine yaklaşmaya zorlanarak alanı arttırır. ⓘ

En güçlü insan yapımı manyetik alanlar, bir elektromıknatısın içindeki manyetik alanı darbeli olarak sıkıştırmak için patlayıcılar kullanılarak oluşturulmuştur; bunlara patlayıcı pompalı akı sıkıştırma jeneratörleri denir. Patlama, manyetik alanı birkaç mikrosaniye boyunca yaklaşık 1000 T değerine sıkıştırır. Bu yöntem çok yıkıcı görünse de, patlamanın şiddetini radyal olarak dışa doğru yönlendirmek mümkündür, böylece ne deney ne de manyetik yapı zarar görür. Bu cihazlar yıkıcı darbeli elektromıknatıslar olarak bilinir. Fizik ve malzeme bilimi araştırmalarında malzemelerin yüksek manyetik alanlardaki özelliklerini incelemek için kullanılırlar. ⓘ

Terimlerin tanımı

Dönem	Önem	Birim ⓘ
$A\,$	çekirdeğin kesit alanı	metrekare
$B\,$	Manyetik alan (Manyetik akı yoğunluğu)	tesla
$F\,$	Manyetik alan tarafından uygulanan kuvvet	newton
$H\,$	Mıknatıslanma alanı	metre başına amper
$I\,$	Sargı telindeki akım	amper
$L\,$	Manyetik alan yolunun toplam uzunluğu $L_{\mathrm {core} }+L_{\mathrm {gap} }\,$	metre
$L_{\mathrm {core} }\,$	Çekirdek malzeme içindeki manyetik alan yolunun uzunluğu	metre
$L_{\mathrm {gap} }\,$	Hava boşluklarındaki manyetik alan yolunun uzunluğu	metre
$m_{1},m_{2}\,$	Elektromıknatısın kutup gücü	ampermetre
$\mu \,$	Elektromıknatıs çekirdek malzemesinin geçirgenliği	kare amper başına newton
$\mu _{0}\,$	Boş alanın (veya havanın) geçirgenliği = 4π(10-7)	kare amper başına newton
$\mu _{r}\,$	Elektromıknatıs çekirdek malzemesinin bağıl geçirgenliği	-
$N\,$	Elektromıknatıs üzerindeki tel sarım sayısı	-
$r\,$	İki elektromıknatısın kutupları arasındaki mesafe	metre