Využití elektromagnetů

Elektromagnety mají v technice široké použití, najdeme je v nějaké podobě prakticky v každém elektrickém přístroji. Jsou hlavní součástí elektromotorů, magnetofonů, videopřehrávačů, pevných disků počítačů, domovního zvonku, reproduktorů, chrání elektrické vedení v bytech. V dobách před rozvojem polovodičové techniky měly elektromagnety využití i v dalších oborech – telegrafní přístroje, telefonní ústředny, signalizační zařízení apod.

Uchycování předmětů

Na rameni elektromagnetického jeřábu je zavěšen silný elektromagnet. Pokud je do cívky zapojený proud, elektromagnet přitahuje ocelové předměty a jeřáb je může přenášet bez dalšího upevňování. Ocelový předmět se na některých obráběcích strojích uchycuje pomocí silných elektromagnetů, umístěných pod povrchem upínací desky.

Elektromagnetické relé

Schéma této součástky je na obrázku. Hlavním významem relé je, že umožňuje i velmi slabými elektrickými proudy zapínat nebo vypínat silné elektrické proudy. V blízkosti elektromagnetu tvořeného cívkou a jádrem z magneticky měkké oceli je pohyblivá kotva, rovněž z magneticky měkké oceli. Kotva se dotýká pružných kontaktů, k nimž je připojen obvod ovládaného zařízení.

Jakmile elektromagnetem začne procházet proud, kotva relé se přitáhne k jádru cívky a sepne pružné kontakty. Tím je uvedeno ovládané zařízení do chodu. Přitom k přitažení kotvy postačuje mnohem menší ovládací proud, než je proud, který prochází obvodem ovládaného zařízení. Může jím být např. výkonný elektromotor, signalizační návěstí nebo třeba obvod spojující telefonní stanice. Relé je důležitým prvkem automatizace, například na železnici.

Elektromagnetický přerušovač proudu (Wagnerovo kladívko)

Elektromagnetický přerušovač je základem elektrického zvonku nebo bzučáku. Stisknutím tlačítka začne elektromagnetem procházet proud, jádro se zmagnetuje a přitáhne pružnou ocelovou kotvu. Její palička udeří do zvonku a současně se přeruší kontakt. Magnetické pole zanikne, kotva odskočí od jádra, obvod se opět spojí a celý děj se opakuje.

Morseův elektromagnetický telegraf

V roce 1831 přišel objevitel elektromagnetu Joseph Henry s prvním telegrafem. Předběhl však dobu a slávu místo něho sklidil profesionální malíř Samuel Morse, který sestavil přístroj skládající se z baterie, klíče a zapisovacího přístroje, v němž se k elektromagnetu přitáhla na delší nebo kratší dobu železná kotva, upevněná na dvojzvratné páce; druhý konec této páky zapisoval na papírový proužek čárky a tečky, z nichž je složena Morseova abeceda. Protože se vedením intenzita proudu značně zeslabí a nestačila by na přitažení kotvy zapisovacího přístroje, vede se proud do elektromagnetického relé. Přitažením lehounké kotvy v relé se spojí na kratší nebo delší dobu libovolně silná místní baterie se zapisovacím přístrojem. První zprávu zaslal Morse až 24. května 1844 na lince mezi Baltimorem a Washingtonem a zněla „Co Bůh způsobil!“.

Morseův telegraf zdokonalil v roce 1855 David Edward Hughes, který zavedl místo zapisovacího přístroje stroj tiskací, který pracoval rychleji. Thomas Alva Edison v roce 1874 zrychlil telegrafování úpravou stanic tak, že bylo možné stejným drátem posílat ze dvou stanic až čtyři telegramy zároveň.

Telefon

Telefonu předcházelo několik vynálezů, např. Robert Hooke v roce 1667 sestrojil k přenášení zvuku přístroj skládající se z napjaté niti, která svou pružností přenášela zvukové vlny z jednoho konce na druhý. První elektrický telefon popsal roku 1854 v časopise Illustration de Paris francouzský telegrafní úředník Charles Bourseul. Navrhl použít membránu, kterou by zvukové vlny rozechvívaly. To by způsobovalo změnu elektrického odporu v obvodu. Obvod tvořil elektromagnet s jinou membránou, která by se podle změn proudu pohybovala a vydávala zvuk. Bourseul pravděpodobně svoji myšlenku technicky nezrealizoval. První přístroj přenášející zvuky a tóny sestrojil Philippe Reiss, přístroj pojmenoval telefon a předvedl ho 16. října 1861 ve Fyzikálním spolku ve Frankfurtu nad Mohanem. Jeho zařízení přenášelo zvuky a tóny na vzdálenost asi 100 m. V Evropě se na nedokonalý přístroj brzy zapomnělo, zato v Americe jeho myšlenky rozvedli Elisha Gray a Alexander Graham Bell. Oba přišli dne 14. února 1876 na patentní úřad, ale historie prvenství přisoudila Bellovi.

Bellův telefon se skládal z trvalého magnetu, na kterém byla navinuta cívka. Před severním pólem byla umístěna tenká železná destička upevněná na obvodu. Pohybem destičky k pólu nebo od pólu se měnil magnetický tok procházející cívkou, takže se v závitech indukoval proměnný proud. Vedením se pak slabý střídavý proud vedl do přijímače. Proměnný proud, který procházel závity druhé cívky, měnil magnetický tok v trvalém magnetu a ten střídavě přitahoval a odpuzoval železnou destičku, která vydávala zvuk.

Nevýhodou Bellova telefonu byly velmi slabé indukované proudy, které se vedením přenášely, a proto i slabý zvuk. Thomas Alva Edison telefon zdokonalil tak, že mikrofon vyrobil z uhlíku.

Bell svůj vynález vystavil na Světové výstavě ve Filadelfii v roce 1876. Zde byl bez povšimnutí až do okamžiku, kdy mu věnoval pozornost brazilský císař. Díky tomu byla Bellovi udělena zlatá medaile. Tímto úspěchem motivovaný Bell pak telefon zdokonaloval. 8. října 1876 uskutečnil hovor mezi Bostonem a Cambridge na vzdálenost 3200 km. Společně se dvěma finančníky založil Bell Telephone Association, která v srpnu 1876 otevřela první telefonní linku z Bratfordu do Mount Pleasant (8 km), na jaře příštího roku bylo spojeno Chicago s Detroitem (457 km), na začátku dubna vznikla první soukromá telefonní linka továrníka Williamse v Bostonu, v lednu 1878 vznikla v New Havenu první městská telefonní síť. Mezitím se vynález dostal i do Evropy. V Berlíně byla v roce 1877 zavedena úřední telefonní linka, v roce 1879 v Paříži a v roce 1888 v Praze.

Měřicí přístroje

Přesné měřící přístroje začaly vznikat až po roce 1881, kdy nahradily obvyklé tangentové a sinusové busoly, galvanometry s magnetkou a multiplikátory. Galvanometr tvořila obyčejná magnetka umístěná uprostřed velkého proudového závitu. Měřený proud procházel závitem a vychyloval magnetku. Protože je síla proudu úměrná funkci tangens úhlu, nazývá se tento přístroj někdy tangentová busola. Multiplikátor vynalezl Johann Schweigger. Tvoří ho dvě magnetky umístěné nejčastěji nad sebou a přivrácené k sobě opačnými magnetickými póly.

Vývojem přesných měřících přístrojů se zabýval Werner Siemens ve svém závodě. Nový systém měřícího přístroje k měření stejnosměrných proudů navrhl Marcel Depréz a Jacques–Arsène d´Arsonval a na jeho počest se nazývá deprézský. Jeho činnost je založena na silovém působení magnetického pole permanentního magnetu na otočnou cívku, kterou prochází elektrický proud.

Mezi pólovými nástavci permanentního magnetu je válec z měkké oceli. Ve vzduchových mezerách mezi nimi je magnetické pole, jehož indukční čáry jsou kolmé na povrch válce. V mezeře se může otáčet kolem osy válce obdélníková cívka navinutá tenkým izolovaným drátem na hliníkovém rámečku. Cívka je buď zavěšena na tenkém bronzovém pásku nebo uložena v hrotech.

Kromě deprézského neboli magnetoelektrického měřícího systému rozlišujeme ještě elektrodynamický systém se dvěma cívkami – jednou pevnou druhou otočnou. Jeho funkce je založena na vzájemném silovém působení magnetického pole těchto dvou cívek, prochází–li jimi elektrický proud. K elektrodynamickým měřícím přístrojům patří wattmetry, stejnosměrný elektroměr apod. Posledním typem měřících přístrojů jsou elektromagnetické, jejichž funkce je založena na vtahování kousku železa do cívky. Takový přístroj poprvé sestrojil Michail Doliwo-Dobrowolski. Současné analogové přístroje fungují na stejném principu.

Elektromagnetický jistič

Nahrazuje dříve běžné tavné pojistky např. v bytech. Při překročení povolené velikosti proudu elektromagnet přitáhne kotvu a tak přeruší elektrický obvod. Po odstranění poruchy se jistič znovu zapne zvednutím páčky.

Magnetický záznam

V roce 1898 využil magnetismu k záznamu zvuku dánský fyzik Valdemar Poulsen. Kolem elektromagnetu napájeného proudem z mikrofonu se rychle pohyboval ocelový drát. Drát se magnetoval podle velikosti proudu, a tedy podle přijímaného zvuku. Reprodukce pak probíhala opačně. Zmagnetovaný drát se pohyboval kolem elektromagnetu. V jeho cívce se indukoval proud, který se přiváděl do sluchátek. V roce 1928 Němec Fritz Pfleumer nahradil drát ocelovým páskem. V roce 1935 byl vyvinut lehký a snadno ohebný pásek z umělé hmoty s magneticky citlivou vrstvou z oxidů železa. První funkční magnetofon byl představen roku 1938 v Berlíně.

Stejně jako Poulsenův způsob zaznamenávání zvuku fungují i dnešní zařízení k záznamu informace na pevných discích, zvuku a videa na magnetofonových páscích nebo videokazetách. Magnetický záznam je založen na trvalém zmagnetování vrstvy feromagnetické látky (např. oxidu železa) nanesené na nosiči z plastického materiálu (např. pásek kazety, disketa apod.). Magnetický záznam signálu se uskutečňuje pomocí zvláštního elektromagnetu – záznamové hlavy. Hlavu tvoří cívka, jejíž jádro je složeno z tenkých plíšků uspořádaných do tvaru prstence. Jádro však není uzavřené, ale je přerušeno velmi úzkou štěrbinou, která je vyplněna nemagnetickým materiálem (bronz).

Cívkou prochází proud, jehož časový průběh odpovídá zaznamenávanému signálu. Tím vzniká v jádře cívky proměnné magnetické pole a jeho indukční čáry vystupují v místě štěrbiny nad povrch jádra záznamové hlavy. Před štěrbinou se stálou rychlostí pohybuje nosič záznamu a v jeho feromagnetické vrstvě vzniká trvalý záznam v podobě souvislé řady různě zmagnetovaných míst s proměnnou hodnotou a směrem magnetické indukce.

Reprodukce signálů probíhá obráceným postupem. Zmagnetovaný nosič se opět pohybuje v těsné blízkosti štěrbiny snímací hlavy. Změny magnetického pole vyvolávají ve vinutí hlavy proměnný proud, který je elektrickým obrazem zaznamenané informace. Z fyzikálního hlediska se zde uplatňuje jev elektromagnetické indukce.

Magnetická levitace

Magnetická levitace je založená na přitahování nebo odpuzování předmětů k elektromagnetu. Aby předmět levitoval ve vzduchu musí být magnetická a gravitační síla v rovnováze. Elektromagnetickou levitaci využívají například magneticky nadlehčované superexpresy tzv. maglevy. Někteří výrobci užívají klasické elektromagnety, jiní zvolili elektromagnety se supravodivými cívkami. Koncept rychlovlaků pochází z 60. let minulého století. První koridor se začal stavět v Japonsku v roce 1959. První maglev vyjel 1. října 1964. Jedním z maglevů je japonský Šinkanzen nebo francouzský TGV. V celé Evropě je 7378 km tratí pro maglevy, rekord ale drží Čína s 9990 km tratí. Rekordní rychlost 603 km/h byla naměřena u vlaku Shanghai Maglev Train v roce 2015 při zkušební jízdě. Tento vlak bude ale do provozu uveden až v roce 2027. Tato rychlost je možná díky eliminaci tření. Vlak jede na elektromagnetickém polštáři, a proto nevzniká tření mezi jeho koly a kolejemi.

Společnost Art Pax vyvinula v poslední době levitující skateboard a pojmenovala ho Hendo hoverboard. Prkno vážící padesát kilogramů zatím není nijak zvlášť rychlé. Jeden z prvních lidí, kteří si Hendo hoverboard vyzkoušeli byl druhý člověk na Měsíci Buzz Aldrin.