Nam châm điện

Sơ đồ nguyên lý của nam châm điện đầu tiên. Dòng điện cung cấp bởi nguồn pin tạo ra từ trường trong cuộn dây và được khuếch đại bởi lõi dẫn từ làm bằng sắt non.

Phân bố đường sức từ trong một cuộn dây solenoid.

Nam châm điện là một dụng cụ tạo từ trường hay một nguồn sản sinh từ trường hoạt động nhờ từ trường sinh ra bởi cuộn dây có dòng điện lớn chạy qua. Cảm ứng từ của nam châm điện được dẫn và tạo thành lớn nhờ việc sử dụng một lõi dẫn từ làm bằng vật liệu từ mềm có độ từ thẩm lớn và cảm ứng từ bão hòa cao. Khác với nam châm vĩnh cửu có cảm ứng từ cố định, nam châm điện có cảm ứng từ có thể thay đổi được nhờ việc điều khiển dòng điện chạy qua cuộn dây.

Nam châm điện lần đầu tiên được phát minh bởi nhà điện học người Anh William Sturgeon (1783-1850) vào năm 1825. Nam châm điện của Sturgeon là một lõi sắt non hình móng ngựa có một số vòng dây điện cuốn quanh. Khi cho dòng điện sinh ra bởi một pin nhỏ chạy qua, lõi sắt bị từ hóa và cảm ứng từ sinh ra đủ mạnh để hút lên được một hộp sắt nặng 7 ounce. Khi ngắt dòng điện, từ trường của lõi cũng biến mất

Nguyên lý của nam châm điện

Khi mắc một dây dẩn điện có nhiều vòng quấn với Điện, dòng điện sản sinh một Điện Trường E trong các vòng quấn . Khi dòng điện đi qua các vòng quấn, Biến đổi của Điện Trường trong các vòng quấn sinh ra một Từ Trường B vuông góc với Điện Trường E .

Từ Trường của cuộn dây dẩn điện có tính chất giống như từ trường của một Nam Châm cũng hút hay đẩy một từ vật nằm trong từ trường của cuộn dây .

Khi tách Điện khỏi cuộn dây, Từ Trường không tồn tại . Cuộn dây không còn hút hay đẩy từ vật

Vậy chỉ khi nào cuộn dây dẩn điện, cuộn dây trở thành Nam Châm Điện

Từ Trường của cuộn dây tùy thuộc vào số Từ Cảm cuộn dây và dòng điện trong cuộn dây

B = L I

Từ Cảm cuộn dây tỉ lệ thuận với chiều dài, số vòng quấn và tỉ lệ nghịch với diện tích của cuộn dây

Các Loại Nam Châm Điện

Cuộn Dây

Một dây dẩn điện với vài vòng quấn

L = μN² (l/A)

Vòng Dây

Một dòng tròn dẩn điện với vài nhiều vòng quấn

L = μN² (l/A)

l : chu vi vòng tròn = 2Πr

Nam châm điện gồm hai phần là cuộn dây tạo từ trường và lõi dẫn (khuếch đại) từ. Chi tiết của từng loại nam châm điện có thể khác nhau nhưng đều theo nguyên lý chung này.

Cuộn dây tạo từ trường

Thông thường, cuộn dây là cộn solenoid được cuốn nhiều vòng dây đều nhau. Cường độ từ trường sinh ra trong ống dây được tính theo công thức:

$H = \frac{N.I}{L}$

Với $N, L, I$ lần lượt là số vòng dây, chiều dài cuộn dây và cường độ dòng điện chạy qua cuộn dây.

Lõi dẫn từ

Lõi dẫn từ của nam châm điện là các vật liệu từ mềm và thông thường chúng phải thỏa mãn các yêu cầu:

• Có độ từ thẩm lớn
• Cảm ứng từ bão hòa cao (để không giới hạn dải hoạt động của nam châm.
• Có tổn hao trễ nhỏ (lực kháng từ nhỏ) để không làm trễ quá trình thay đổi từ trường của nam châm.

Khi có lõi dẫn từ, cảm ứng từ sinh ra tại bề mặt của cực nam châm điện sẽ được xác định theo công thức:

$B = \mu \mu_0 H = \mu \mu_0 \frac{N}{L} I$

với $\mu_0, \mu$ là độ từ thẩm của chân không và độ từ thẩm tỉ đối của vật liệu dùng làm lõi dẫn từ.

Một số vật liệu được sử dụng làm lõi nam châm điện:

1. Hợp kim Sắt silic