Mục Lục
- Nam châm điện là gì
- Lịch sử ra đời
- Cấu tạo nam châm điện
- Nguyên lý hoạt động
- Ứng dụng của nam châm điện
Nam Châm Điện là gì?
Nam châm điện là một công cụ tạo từ trường hoặc một nguồn phát từ trường được tạo ra bởi dòng điện lớn chạy xung quanh cuộn dây.
Những Ưu Điểm của Nam Châm Điện so với Nam Châm Vĩnh Cửu
- Nam châm điện có thể điều chỉnh độ mạnh yếu bằng cách thay đổi số vòng dây hoặc điều chỉnh cường độ dòng điện chạy qua cuộn dây.
- Nam châm điện có thể tạo ra từ trường mạnh hơn so với nam châm vĩnh cửu.
- Nam châm điện có thể ngắt hoàn toàn từ trường bằng cách tắt nguồn điện.
Lịch Sử Ra Đời
Nam châm điện đã ra đời cách đây gần 200 năm, được phát minh bởi nhà khoa học William Sturgeon (1783-1850) vào năm 1825. Nam châm điện của Sturgeon là một lõi sắt chưa từ hình móng ngựa, có cuộn dây điện quấn quanh. Dòng điện nhỏ chạy qua lõi sắt đã biến lõi sắt thành từ từ mạnh đủ để hút một hộp sắt nặng 7 ounce (~ 200 gram). Phát minh của Sturgeon đã đặt nền tảng cho các thiết bị hiện đại sau này.
Sturgeon là người đầu tiên phát minh ra nam châm điện, nhưng nhà vật lý Joseph Henry đã phát triển phát minh này. Ông không chỉ nâng cao sức mạnh hút của nam châm, mà còn phát minh ra máy điện tín, máy điện thoại, và động cơ điện.
Cấu Tạo của Nam Châm Điện
Nam châm điện bao gồm cuộn dây dẫn và lõi sắt chưa từ.
Cuộn Dây
Cuộn dây là một dây dẫn điện được quấn thành vòng tròn. Độ mạnh của từ trường phát ra từ cuộn dây được tính theo công thức:
L = μN2 (l/A)
Trong đó:
- Là chu vi vòng tròn = 2πr
Mặc dù chi tiết của từng loại nam châm điện có thể khác nhau, tuy nhiên, chúng đều tuân theo nguyên lý chung này.
Lõi Dẫn Từ
Lõi dẫn từ của nam châm điện được làm từ vật liệu từ mềm và thông thường, chúng cần đáp ứng các yêu cầu:
- Có độ từ thẩm lớn.
- Có cảm ứng từ bão hòa cao để không giới hạn phạm vi hoạt động của nam châm.
- Có tổn hao trễ nhỏ (lực kháng từ nhỏ) để không tác động đến quá trình thay đổi từ trường của nam châm.
Khi có lõi dẫn từ, cảm ứng từ được tạo ra tại bề mặt của cực nam châm điện và được xác định bởi công thức:
Với là độ từ thẩm của chân không và là độ từ thẩm tương đối của vật liệu được sử dụng làm lõi dẫn từ.
Cách Tăng Lực Từ của Nam Châm Điện
- Tăng cường độ dòng điện chạy qua cuộn dây (I).
- Tăng số vòng quấn của lõi sắt từ (n).
Nguyên Lý Hoạt Động của Nam Châm Điện
Khi một cuộn dây với nhiều vòng quấn được kết nối với nguồn điện, dòng điện tạo ra một điện trường E trong các vòng quấn. Khi dòng điện chạy qua các vòng quấn, điện trường trong các vòng quấn biến đổi tạo ra một từ trường B vuông góc với điện trường E. Từ trường của nam châm điện tương tự như từ trường của nam châm vĩnh cửu, có khả năng hút hoặc đẩy các vật liệu từ.
Nam châm điện chỉ trở thành nam châm khi có dòng điện chạy qua cuộn dây. Từ trường của cuộn dây phụ thuộc vào số lượng vòng quấn và dòng điện chạy trong cuộn dây. Từ cảm cuộn dây tỉ lệ thuận với chiều dài, số vòng quấn và tỉ lệ nghịch với diện tích của cuộn dây.
Khi đặt lõi sắt hoặc lõi thép vào trong một ống dây và cho dòng điện chạy qua ống dây, lõi sắt hoặc lõi thép bị từ trở thành nam châm và tăng cường tác dụng từ của ống dây.
Ứng Dụng của Nam Châm Điện
- Sử dụng nam châm điện 1800N SY-L180AQ để kiểm soát ra vào bằng mật khẩu hoặc vân tay, đảm bảo an ninh tuyệt đối.
- Nam châm điện dạng nhỏ hơn như nam châm điện 600N SY-L60S thường được sử dụng trong phòng tập gym, kiểm soát an ninh khu vực tương đối.
- Sử dụng nam châm điện để tạo ra khóa từ, được sử dụng để kiểm soát cửa ra vào hoặc trong các thiết bị cơ khí điện.
- Chế tạo van điện từ (solenoid valve), một thiết bị để chặn dòng chảy của nước, đặc biệt được sử dụng trong máy pha cà phê, máy rót nước ngọt, hệ thống thủy canh, hệ thống tưới nhỏ giọt, và hệ thống chiết rót trong nhà máy.
- Sử dụng nam châm điện trong hệ thống cơ khí của relay và contactor.
- Sử dụng làm phanh hãm cho các động cơ điện.
- Ứng dụng tiêu biểu khác của nam châm điện bao gồm thẻ ATM, thẻ ghi nợ, màn hình TV, laptop, hệ thống cộng hưởng từ trong y học, và các động cơ điện.
- Nam châm điện còn được sử dụng trong các thiết bị âm thanh như loa, micro và cảm biến âm thanh, thường được sử dụng trong lĩnh vực hàng không quân sự.
