Nam châm điện là một loại nam châm mà trong đó từ trường được tạo ra bởi dòng điện. Cấu tạo của nam châm điện gồm hai phần chính, đó là một lõi từ được làm bằng vật liệu từ mềm có độ từ thẩm lớn và cảm ứng từ bão hòa cao cùng với một cuộn dây (có thể là dây đồng hoặc dây nhôm) được quấn quanh lõi từ. Khác với nam châm vĩnh cửu có cảm ứng từ cố định, nam châm điện có cảm ứng từ có thể thay đổi nhờ vào việc điều khiển dòng điện chạy qua cuộn dây.
Nam châm điện là loại nam châm có hệ số nhiệt độ tốt nhất trong số bất kỳ loại nam châm nào nên chúng được xem là sự lựa chọn tốt nhất trong các ứng dụng nhiệt độ. Ưu điểm chính của một nam châm điện là từ trường có thể được thay đổi nhanh chóng trong một phạm vi rộng của các giá trị bằng cách kiểm soát sức mạnh của dòng điện. Tuy nhiên, nam châm điện đòi hỏi cần phải có một nguồn cung cấp điện năng phải thật sự ổn định, để vừa phát huy tối đa hiệu suất của nam châm, đồng thời đảm bảo an toàn trong suốt của nó, nhất là đối với các nam châm điện được sử dụng trong lĩnh vực vận chuyển hàng hoá nặng và phẫu thuật.
Lịch sử ra đời
Nam châm điện lần đầu tiên được phát minh bởi nhà điện học người AnhWilliam 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 sẽ biến mất.
Nguyên lý
Khi mắc một dây dẫn điện có nhiều vòng quấn với nguồn 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 nam châm điện có tính chất giống như từ trường của một nam châm vĩnh cữu, cũng hút hay đẩy một vật từ nằm trong từ trường của của nó. Khi ngắt dòng điện khỏi cuộn dây, từ trường biến mất. Vậy chỉ khi nào có dòng điện đi qua, cuộn dây mới trở một thành nam châm điện
Từ trường của cuộn dây tùy thuộc vào số từ cảm cuộn dây và dòng điện 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 đó
Cấu tạo
Cuộn dây
Một dây dẫn điện với 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 cuộn "solenoid" được cuốn nhiều vòng dây đều nhau. Cường độ từ trường sinh ra trong ống dây được tính theo công thức:
Với 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:
– Động cơ điện và máy phát điện: một số động cơ điện dựa vào sự kết hợp của một nam châm điện và một nam châm vĩnh cửu trong khi máy phát điện thì ngược lại (chuyển đổi năng lượng cơ học thành điện năng bằng cách di chuyển một dẫn thông qua một từ trường).
– Rơ-le: nam châm điện được sử dụng để điều khiển các thiết bị chuyển mạch trong rơ-le. Điều này đặc biệt quan trọng khi thực hiện một vài hoạt động ví như thực hiện cuộc gọi điện thoại. Các điện thoại đầu tiên đã sử dụng một loại chuyển tiếp, nó không chỉ giúp kết nối cuộc gọi mà còn tạo nên bộ nhớ chức năng.
– Cần cẩu điện: các tấm tròn ở cuối của cần cẩu chính là một nam châm điện, khi sử dụng năng lượng điện thì tấm tròn có thể nâng các loại rác bằng kim loại lên.