Применение электромагнитов

Простейший электромагнит представляет собой соленоид — катушку из изолированного провода, намотанную на цилиндрический каркас, — с помещённым внутрь ферромагнитным сердечником, обычно из мягкой стали или электротехнического железа с высокой магнитной проницаемостью^[1][5]. При прохождении по обмотке электрического тока внутри катушки возникает практически однородное магнитное поле, а сердечник многократно усиливает создаваемое поле за счёт собственной намагниченности^[6].

Модуль магнитной индукции поля внутри длинного соленоида с сердечником определяется выражением ${\displaystyle B=\mu \mu _{0}nI}$, где ${\displaystyle \mu }$ — относительная магнитная проницаемость сердечника, ${\displaystyle \mu _{0}}$ — магнитная постоянная, ${\displaystyle n=N/l}$ — число витков на единицу длины катушки, ${\displaystyle I}$ — сила тока в обмотке^[5][7]. Магнитная сила электромагнита возрастает при увеличении силы тока и числа витков, а также при использовании сердечника из материала с большой проницаемостью; после размыкания цепи мягкий железный сердечник почти полностью размагничивается, что и обеспечивает управляемость электромагнита^[1][8].

Грузоподъёмные электромагниты постоянного тока применяются на металлургических заводах и предприятиях вторичной металлургии для перемещения стальных заготовок, чугунных чушек, лома и стружки^[9]. Такой электромагнит подвешивается к крюку крана и удерживает груз только при подаче напряжения на обмотку; при обесточивании цепи ферромагнитный груз отделяется от полюсов^[9][3]. Мощные подъёмные магниты позволяют переносить массы в десятки тонн без строповки^[9].

Магнитные сепараторы используются в горнорудной промышленности для обогащения магнетитовых, гематитовых и других железосодержащих руд, а также для очистки сыпучих материалов и жидкостей от металлических примесей^[10]. В барабанных и валковых сепараторах создаётся сильное неоднородное магнитное поле, в котором частицы с высокой магнитной восприимчивостью отклоняются к полюсам и отделяются от немагнитной фракции^[10]. В электромагнитных муфтах и тормозах передача крутящего момента или торможение осуществляются за счёт притяжения ферромагнитного якоря к электромагниту^[7].

В поездах на магнитной подушке (магнитоплан, маглев) электромагниты обеспечивают одновременно и левитацию, и движение состава^[11]. Электромагниты, установленные на нижней части вагонов, притягиваются к ферромагнитным элементам путевой структуры или, в системах на сверхпроводящих магнитах, взаимодействуют с индукционными токами в путевых катушках, удерживая состав на высоте от нескольких миллиметров до десяти сантиметров^[11][12]. Тяга обеспечивается линейным электродвигателем: последовательное переключение полюсов путевой обмотки создаёт бегущее магнитное поле, которое увлекает состав^[11]. Отсутствие механического контакта с полотном исключает трение качения и позволяет достигать скоростей 400—600 км/ч^[11].

На железнодорожном транспорте применяются также электромагнитные рельсовые тормоза: при подаче тока электромагнит прижимается к головке рельса и создаёт тормозящее усилие независимо от сцепления колёс^[7].

Магнитно-резонансный томограф (МРТ) содержит сверхпроводящий электромагнит, создающий постоянное однородное магнитное поле в области исследования^[13]. Обмотка выполнена из ниобий-титанового сплава и охлаждается жидким гелием до температуры около 4 К, при которой электрическое сопротивление обмотки исчезает и по ней могут циркулировать токи в сотни ампер без потерь энергии^[13]. Индукция поля в клинических томографах составляет от 0,2 до 3 Тл, а в исследовательских установках достигает 7 Тл и выше^[13]. Такое сильное поле обеспечивает ядерный магнитный резонанс протонов тканей и получение послойных изображений организма^[13].

Электромагниты применяются также в физиотерапевтических аппаратах для магнитотерапии и в лабораторных установках для исследования свойств вещества в сильных магнитных полях^[14].

Электромагнитное реле — коммутационный аппарат, в котором слабый ток управления, протекающий по обмотке электромагнита, вызывает притяжение подвижного якоря и замыкание либо размыкание силовых контактов^[15][16]. При исчезновении тока в обмотке пружина возвращает якорь в исходное положение^[16]. Реле широко применяются в системах автоматики, защиты электрических сетей, в бытовой технике и автомобилях^[15].

В электрическом звонке применяется прерыватель на основе электромагнита: при замыкании кнопки ток поступает в катушку, электромагнит притягивает якорь с молоточком, который ударяет по чашке-колоколу; одновременно якорь размыкает цепь, поле исчезает, пружина возвращает якорь, и цикл повторяется несколько десятков раз в секунду, создавая звенящий звук^[8][17]. По схожему принципу устроены электромагнитные дверные замки и защёлки: сердечник втягивается или высвобождается ригель при подаче тока на обмотку^[7].

Электромагниты входят в состав большинства электромеханических устройств: электродвигателей и генераторов, трансформаторов, электромагнитных клапанов, контакторов и пускателей^[3][7]. В электродинамических громкоговорителях звуковая катушка помещена в зазор магнитной системы: под действием протекающего по ней переменного тока катушка колеблется вместе с диффузором, создавая звуковые волны^[18]. Электромагниты используются в считывающих и записывающих головках жёстких магнитных дисков, в электромагнитных индукционных плитах, а также в устройствах магнитной записи и стирания^[7].

⚠️ Подсказка для ЕГЭ/ОГЭ
Ключевые формулы:
${\displaystyle B=\mu \mu _{0}nI}$ — магнитная индукция внутри соленоида с сердечником (${\displaystyle \mu }$ — проницаемость сердечника, ${\displaystyle \mu _{0}}$ — магнитная постоянная, ${\displaystyle n=N/l}$ — число витков на единицу длины, ${\displaystyle I}$ — сила тока);
${\displaystyle F=BIl\sin \alpha }$ — сила Ампера, действующая на проводник с током в магнитном поле.
Зависимости: магнитная сила растёт при увеличении ${\displaystyle I}$, ${\displaystyle n}$, ${\displaystyle \mu }$.
Устройства и принципы: реле (слабый ток управляет сильным), звонок (прерыватель), электродвигатель, громкоговоритель, подъёмный электромагнит (удерживает груз только при включённом токе), МРТ (сверхпроводящий магнит).
Важно: сердечник из мягкого железа почти полностью размагничивается при отключении тока — это обеспечивает управляемость.