Возможен ли электромагнит без электричества?
Картинка rawpixel, Freepik
Периодически у каждого человека бывают такие ситуации, когда необходимо надолго уехать и запереть технический шкаф, гараж, дачу и т. д. и т. п.
Но дело осложняется тем, что навесной или врезной замок может быть нерационально размещать по тем или иным причинам, основной из которых является возможность взлома.
Любые электромагнитные замки требуют для своей работы питающего напряжения, а также недюжинной уверенности владельца в том, что всё «не замкнёт и не сгорит к чертям», пока владелец в счастливом неведении путешествует где-то «в прекрасных далях».
Несмотря на кажущуюся странность и парадоксальность вынесенного в заголовок утверждения, подобная возможность (удержания без питания) всё-таки есть, и именно о ней мы и поговорим ниже…
▍ Электромагнитные замки
Так как возможность механических замков мы уже отвергли (что, конечно же, не отрицает возможности их применения), однако раз у нас статья об электромагнитах, попробуем рассмотреть возможности их применения в наших целях. Заранее оговоримся, что это не совсем электромагнит без электричества, но, тем не менее, он удерживается без постоянного питания.
Всем хорошо известны электромагнитные устройства, встречающиеся практически на каждом шагу: электромагнитные замки на двери. Они применяются повсеместно:
Картинка protechniky.ru
Благодаря своей конструкции они позволяют надёжно удерживать дверь в закрытом состоянии, обеспечивают солидные величины сопротивления нагрузке на разрыв (насколько известно автору, более 200 кг для хороших систем), а также, благодаря своей конструкции, не содержащей никаких движущихся деталей, обладают высокой износостойкостью и долговечностью.
По сути подобные устройства представляют собой электромагнит с сердечником Ш-образной формы, на который намотана обмотка. Во время работы сердечник замыкается и размыкается якорем, в качестве которого выступает металлическая пластина, закреплённая на дверь:
Картинка protechniky.ru
Открывание и закрывание двери, запертой подобным замком, осуществляется с помощью подачи напряжения на электромагнит, а также его отключения. Возможен и чуть более сложный вариант, о нём будет ниже. Однако в упрощённом виде всё примерно так.
▍ Суть электромагнитов
Любой электромагнит построен на одних и тех же принципах, в основе которых лежит магнитное поле, возникающее вокруг проводника с током. Ток, протекающий через катушку электромагнита, вызывает изменение вектора намагниченности доменов ферромагнетика сердечника. Под «доменами» понимаются образования из множества атомов, в которых направление намагниченности однородно и занимает определённое положение относительно соседних доменов:
Картинка «Процесс намагничивания домена» — Zureks, Chris Vardon, wikipedia.org
В общем случае можно сказать, что сила удержания электромагнита зависит от того, насколько короткими будут силовые линии магнитного потока, будут ли на его пути разрывы в виде воздушных промежутков, какова магнитная проницаемость материала, каково его сечение (чем больше сечение, тем меньше сопротивляемость магнитному потоку), а также какова величина тока, который проходит через катушку.
В качестве примера сказанного можно привести два случая: левый — электромагнит поднимает металлическую плиту, правый — металлолом:
Хорошо видно, что в первом случае магнитные линии гораздо короче, чем во втором. Практическим следствием этого является то, что в первом случае возможно поднять вес гораздо больше, чем во втором.
Именно поэтому в практически используемых электромагнитах стараются замыкающую сердечник часть (якорь) расположить как можно ближе к сердечнику, сделать смыкающиеся части наиболее гладкими, чтобы они могли плотно прилегать друг к другу.
При отключении питания электромагнита магнитный поток в нём начинает быстро уменьшаться, преобразуясь в электромагнитную силу самоиндукции, что вызывает возникновение электрического тока в катушке электромагнита, который может даже достигать величин в 3–4 тыс. вольт, превосходя в десятки раз то напряжение, которым катушка запитывалась. В ряде случаев это даже может приводить к пробою катушки, для предотвращения чего иногда подключают к катушке специальное сопротивление, называемое разрядным.
Ещё одним интересным свойством электромагнита является то, что в некоторых случаях даже у промышленных электромагнитов для подъёма металлолома не всегда удаётся освободить груз, даже когда отключено питание электромагнита. Это связано с явлениями остаточного магнетизма как в самом сердечнике электромагнита, так и в поднимаемом грузе.
Для борьбы с этой проблемой используют способ «перемагничивания» электромагнита, который заключается в пропускании тока через его катушку в обратном направлении, относительного того тока, который вызвал намагничивание.
Причём для перемагничивания требуется достаточно небольшой ток, величина которого составляет приблизительно от 12 до 20% от величины рабочего тока.
Насколько удалось выяснить автору статьи, для электромагнитов тоже существует свой аналог «точки Кюри». Как для постоянных магнитов, то есть это температура, при которой происходит их размагничивание, которая составляет приблизительно 750°. При этой температуре магнитная проницаемость сердечника электромагнита стремится к нулю, соответственно, нулевой является и его грузоподъёмность.
▍ Магнитный хранитель
А теперь, когда мы немного разобрались, что представляет собой электромагнит, обратимся к интересному изобретению, окружённому ореолом таинственности, которое будоражит умы многих: так называемому «магнитному хранителю Эдварда Лидскалнина».
Как нарисовал это устройство сам автор в одной из своих работ «магнитный ток» (или «магнитный поток» в другом переводе), оно представляет собой подковообразный сердечник, который замыкается с одной стороны прямым бруском. На сердечник надеты катушки с проводом:
Картинка sites.google.com
Работало устройство следующим образом: при подаче даже кратковременного импульса электроэнергии на катушки и его отключении замыкающая U-образный сердечник прямая часть не отваливалась и продолжала удерживаться (хотя после всего того, что мы узнали об электромагнитах выше, нас это никоим образом не должно удивлять).
Сам изобретатель объяснял это явление «вечным замыканием» магнитного потока внутри сердечника и даже провёл интересный эксперимент, в ходе которого подобным образом намагниченный сердечник у него продержался в течение 6 месяцев, причём, как он сам описывал дальнейшие события, при отсоединении замыкающей перемычки даже произошло проскакивание искры на контактах катушки (самоиндукция, о которой мы говорили выше). Всё это позволяло судить о сохранности величины «запасённого» магнитного поля, нисколько не уменьшившегося за полгода.
Работы этого изобретателя послужили толчком к собственным экспериментам множества других энтузиастов, которые выяснили, что подобный хранитель хорошо работает как с обычным чёрным металлом, так с алюминием и медью (по крайней мере, насколько известно о подобных экспериментах автору). Эффективность наверняка отличается ввиду разной магнитной проницаемости разных материалов сердечника, однако об этом у автора никакой более точной информации нет.
Как приходилось видеть автору, подобным способом склеивали между собой как металлические пластины, бруски, так даже и оцинкованные гайки.
Весьма ярким демонстратором подобного эффекта является следующий видеоролик, в котором были взяты два металлических бруска, между которыми проложен толстый проводник (в качестве которого, похоже, взят обычный сварочный электрод или что-то наподобие), уложенный внутри профрезерованного паза.
Как мы уже говорили выше, любой проводник, по которому течёт ток, окружён собственным магнитным полем, и оно тем сильнее, чем больший ток протекает через проводник. Поэтому совсем необязательно, чтобы для наблюдения эффекта «запирания магнитного потока», как его называют (но, на взгляд автора, наверное, будет правильнее назвать это «явлением ориентации доменов»), была применена мощная катушка. Достаточно пропустить мощный ток через прямой проводник, даже на весьма короткое время, что приведёт к весьма серьёзному склеиванию брусков между собой:
Кстати говоря, как можно видеть выше, несмотря на слегка экстравагантный вид этих двух брусков, выглядящих не как стандартный сердечник и якорь, к виду которых мы привыкли (Ш- образный, U-образный и т. д.), они по своей сути ничем не отличаются от обычного электромагнита. Поэтому, теоретически, если пропустить через проводник между склеившимися брусками ток в другом направлении (поменять контакты клемм аккумулятора местами), это должно привести к отклеиванию брусков друг от друга (жалко, что подобный опыт в видео выше не приводится, хотя он весьма логичен и хорошо бы довершил картину):
А дальше вы уже, наверное, поняли логику действий: если подобную систему из двух брусков мы будем использовать в качестве электромагнитного замка (один брусок на двери, а другой брусок — на неподвижной части дверной рамы; к тому же, они могут быть выполнены не в виде двух брусков, а в виде двух пластин), то мы можем получить весьма дешёвый и простой замок, который к тому же практически невозможно взломать, так как мало кому понятен принцип его действия!
Конечно, никто не заставляет носить с собой автомобильный аккумулятор «на горбу» :-) Это может быть выполнено, например, в следующем варианте: он находится внутри помещения и на двери имеются контактные площадки либо прорези, которых необходимо коснуться или просунуть в них соответственно, U-образный замыкающий ключ. В самом простом варианте — сам «ключник» на глаз регулирует время замыкания. Это, конечно, не совсем хорошо, и рано или поздно может привести к «бабаху» аккумулятора. Поэтому целесообразно использовать некоторую электронную схему, которая по замыканию контактов как запитывается сама, так и на короткое время подаёт питание на катушку. Всё остальное время она остаётся обесточенной.
Ещё одним интересным вариантом является возможность исключения аккумулятора из закрытого помещения. Вместо этого мы запитываем электронную схему и подаём питание на катушку с помощью носимого компактного источника энергии, например power bank, автомобильного пуско-зарядного устройства и т. д.
Для надёжного смыкания двух брусков или пластин друг с другом они могут быть установлены таким образом, чтобы их расположение было подпружиненным, в то же время исключающим возможность скользящего смещения относительно друг друга (так как это может привести к отклеиванию брусков друг от друга).
Кстати говоря, тем же самым экспериментатором, видео которого было приведено выше, был проведён эксперимент, являющийся частным случаем перемагничивания электромагнита: когда магнитный сердечник представляет собой стабильную систему, соединённую с помощью постоянных магнитов (если он к тому же содержит катушку электромагнита), то при подаче напряжения на катушку происходит перенаправление магнитного потока внутри сердечника, и к сердечнику может приклеиться новый элемент.
Например, таким образом мы можем открывать/закрывать дверь, используя в качестве удерживающей силы неодимовые магниты. Хотя автору этой статьи гораздо больше нравится первый вариант, так как он намного проще и дешевле.
Завершая рассказ, хочется сказать, что несмотря на широкое распространение стандартных способов ограничения доступа, в ряде случаев может быть интересным использование и альтернативного способа, рассмотренного в статье, так как он даёт как надёжность, так и устранение опасений, что в твоё отсутствие может произойти некое негативное событие с электронными системами, находящимися под напряжением. В любом случае, подобный вариант видится достаточно любопытным для обращения на него более пристального внимания.
