0 0 0
Личный кабинет Войти Регистрация
Уроки
Математика Алгебра Геометрия Физика Всеобщая история Русский язык Английский язык География Биология Обществознание
Тренажёры
Математика ЕГЭ Тренажёры для мозга

Магнитное поле катушки с током. Электромагниты и их применение

Содержание

    В прошлом уроке мы рассмотрели магнитное поле прямого проводника с током. А что будет, если этот проводник будет иметь другую форму?

    Наиболее интересен этот вопрос становится, если мы говорим про катушку.

    Катушка — это проводник, намотанный на неметаллический (чаще всего деревянный) каркас.

    Обычно катушка обладает большим количеством витков, расположенных вплотную друг к другу (рисунок 1). Получается, что проходя по этим проводам, ток идет по спирали.

    Рисунок 1. Катушка

    В данном уроке вы узнаете, какое магнитное поле возникает при прохождении тока через катушку, какими интересными свойствами оно обладает и какое имеет применение.

    Катушка с током как магнитная стрелка

    Возьмем катушку и подвесим ее на тонких и гибких проводниках. Когда мы включим ток, катушка примет определенное положение (рисунок 2).

    Дело в том, что один конец катушки будет направлен точно на север, а другой — на юг. Получается, что катушка при прохождении тока через нее ведет себя как магнитная стрелка. У нее так же есть два полюса: северный и южный.

    Рисунок 2. Полюсы катушки с током

    Магнитное поле катушки

    Если по катушке идет ток, то вокруг нее возникает магнитное поле. Его можно увидеть, проведя опыт с железными опилками, подобный тому, что мы проводили для прямого проводника с током в прошлом уроке.

    На рисунке 3 представлено схематическое изображение магнитных линий для катушки с током.

    Рисунок 3. Магнитные линии катушки с током

    Как вы видите, магнитные линии представляют собой замкнутые кривые. Принято считать, что они направлены от северного полюса катушки к южному.

    Правило правой руки для катушки с током

    Вы знаете, что направление тока и направление магнитных линий связаны между собой. Используя правило право руки для прямого проводника с током, мы можем найти направление тока, если нам известно направление магнитных линий. Или, наоборот, при известном направлении тока в проводнике мы можем определить направление магнитных линий.

    Для катушки с током это правило тоже действует, но принимает немного другой вид (рисунок 4).

    Правило правой руки для катушки с током:
    если взять катушку в правую руку так, чтобы четыре пальца смотрели в сторону протекания тока, то отставленный большой палец укажет на северный полюс катушки и совпадет с направлением магнитных линий.

    Рисунок 4. Правило правой руки для катушки с током

    Изменение магнитного действия катушки

    Так как катушки с током имеют два полюса, их часто применяют в технике как магниты. Почему же тогда просто не взять обычный магнит?

    Дело в том, что магнитное действие катушки можно изменять (усиливать или ослаблять). Сейчас мы рассмотрим, какими способами это можно сделать.

    Проведем простой опыт (рисунок 5). Насыпем мелкие железные опилки и включим ток. Катушка начнет притягивать их.

    Рисунок 5. Притяжение железных опилок на катушку с током

    А теперь, не изменяя силу тока, возьмем катушку с большим числом витков, чем прежняя. Вы увидите, что количество притянутых опилок заметно увеличилось.

    Магнитное действие катушки с током тем сильнее, чем больше число витков в ней.

    Добавим к нашей электрической цепи реостат (рисунок 6). Он позволит изменять силу тока.

    С помощью таких изменений силы тока, мы увидим, что при разных ее значениях катушка притягивает разное количество железных предметов.

    Рисунок 6. Действие магнитного поля катушки при изменении силы тока

    При увеличении силы тока действие магнитного поля катушки с током усиливается, при уменьшении — ослабляется.

    Можно ли усилить магнитное действие катушки с током, не изменяя количество витков и силу тока? Можно! Для этого нужно ввести внутрь катушки железный стержень (рисунок 7). Такие стержни называются сердечниками.

    Рисунок 7. Действие магнитного поля катушки при добавлении сердечника

    Электромагнит

    Добавление сердечников в катушки с током — простой способ значительно усилить их магнитное действие. Поэтому такие конструкции получили широкое применение. Называют же их электромагнитами.

    Электромагнит — это катушка с железным сердечником внутри.

    Электромагниты являются основной частью многих приборов. Они обладают несколькими крайне полезными свойствами:

    • Они быстро размагничиваются при выключении тока
    • Во время работы можно менять силу тока в катушке и таким способом изменять магнитное действие электромагнита
    • Электромагниты легко изготавливаются самых различных размеров.

    Применение электромагнитов

    Рассмотрим несколько примеров применения электромагнитов.

    На рисунке 8 изображен дугообразный электромагнит. Он удерживает железную пластину (якорь) с подвешенным грузом.

    Рисунок 8. Дугообразный электромагнит

    Такие установки широко используются на заводах для перемещения различных изделий из металлов, сбора металлической стружки.

    На рисунке 9 изображен в разрезе магнитный сепаратор для зерна.

    Рисунок 9. Магнитный сепаратор для зерна

    Принцип его работы очень прост. В собранное зерно добавляют очень мелкие железные опилки. Они не прилипают к гладким зернам злаков, но прилипают к зернам сорняков.

    Из бункера 1 зерна с опилками высыпаются на вращающийся барабан 2. Внутри него находится мощный электромагнит 5. Он притягивает железные опилки, а вместе с ними и зерна сорняков. Так сепаратор очищает зерно.

    Электромагниты также применяются во многих других устройствах. Некоторые из них мы рассмотрим ниже в данном уроке в разделе “Задания”.

    Упражнения

    Упражнение №1

    Нужно построить электромагнит, подъемную силу которого можно регулировать, не изменяя конструкции. Как это сделать?

    Подъемная сила будет зависеть от магнитного действия электромагнита. Мы знаем три способа, как это сделать: изменить число витков, добавить сердечник или изменить силу тока.

    Первый способ нам не подходит, так как подразумевает собой изменение конструкции. Второй не подходит, так как у нас и так уже катушка с вставленным сердечником (электромагнит).

    Остается изменение силы тока. Для того, чтобы у нас была возможность это делать, необходимо включить в цепь реостат. Изменяя с его помощью силу тока, мы будем уменьшать или увеличивать магнитное действие электромагнита и изменять его подъемную силу.

    Упражнение №2

    Что надо сделать, чтобы изменить магнитные полюсы катушки с током на противоположные?

    Вы уже знаете, что для определения полюсов катушки можно воспользоваться правилом правой руки. Пользуясь им, мы обхватываем катушку так, чтобы наши четыре пальца совпадали с направлением тока в витках. Тогда наш большой палец указывает на северный полюс катушки.

    Это означает, что направление тока и расположение полюсов катушки связаны между собой.

    Что сделать, чтобы северный полюс оказался с другой стороны? Поменять направление тока на противоположное.

    Упражнение №3

    Как построить сильный электромагнит, если конструктору дано условие, чтобы ток в электромагните был сравнительно малым?

    Если мы не можем усилить магнитное действие электромагнита с помощью увеличения силы тока, то остается только увеличить количество витков в катушке.

    Вставить дополнительно железный сердечник мы тоже не можем, так как электромагнит — это уже катушка с сердечником.

    Упражнение №4

    Используемые в подъемном кране электромагниты обладают громадной мощностью. Электромагниты, при помощи которых удаляют из глаз случайно попавшие железные опилки, очень слабы. Какими способами достигают такого различия?

    Для увеличения мощности увеличивают число витков в катушке, силу тока, оставляют в катушке железный сердечник. Для уменьшения мощности можно уменьшить число витков, снизить силу тока и вытащить сердечник.

    Задания

    Задание №1

    На рисунке 10 дана схема устройства электрического звонка. На ней буквами обозначено: ЭМ — дугообразный электромагнит, Я — железная пластинка — якорь, М — молоточек, З — звонковая чаша, К — контактная пружина, касающаяся винта В. Рассмотрите схему звонка и объясните, как он действует.

    Рисунок 10. Устройство электрического звонка

    Когда мы подаем на это устройство питание, по проводам начинает течь ток. Он течет и по проводам в катушках дугообразного электромагнита (ЭМ).

    Возникает магнитное поле. Катушки начинают действовать как магниты и притягивают к себе якорь (так как он железный).

    К якорю прикреплен молоточек (М). При притяжении якоря к электромагниту он ударяется о звонковую чашу (З).

    Также якорь соединен с контактной пластиной (К). При притяжении к электромагниту он тянет ее за собой и электрическая цепь размыкается — винт (В) перестает касаться пластины, тока нет.

    Тут же пропадает и магнитное поле катушек. Якорь возвращается на прежнее место и цепь снова замыкается. Снова по проводам течет ток, возникает магнитное поле, и якорь притягивается к электромагниту.

    Получается, что молоточек совершает мелкие быстрые удары по звонковой чаше. Каждый удар происходит при возникновении магнитного поля. Так будет происходить до тех пор, пока звонок не будет отключен от источника питания.

    Задание №2

    На рисунке 11 показана схема простейшей телеграфной установки, позволяющей передавать телеграммы со станции A на станцию B. На схеме цифрами обозначено: 1 — ключ, 2 — электромагнит, 3 — якорь, 4 — пружина, 5 — колесико смазанное краской.
    По схеме объясните устройство установки.

    Рисунок 11. Устройство простейшей телеграфной установки

    Когда на станции A замыкается ключ, по проводам начинает идти электрический ток. На станции B вокруг катушки возникает магнитное поле, она начинает вести себя как магнит. 

    Катушка притягивает к себе якорь, и другой его конец прижимает ленту к колесику с краской. Пока лента прижата к колесику, на ней остается след.

    Когда на станции A размыкают ключ, якорь возвращается в исходное положение. Он больше не прижимает ленту к колесику с краской — на ней не остается следов.

    С помощью такой установки, находясь далеко друг от друга, можно выбивать на ленте, замыкая и размыкая ключ, символы азбуки Морзе — точки и тире.

    Задание №3

    В мощных электрических двигателях, применяемых в прокатных станах, шахтных подъемниках, насосах, сила тока достигает нескольких тысяч ампер. Так как в последовательно соединенных проводниках сила тока одинакова, то такая же сила тока будет во всех соединительных проводах этой цепи. Это очень неудобно, особенно если потребитель тока находится на большом расстоянии от пульта управления, где включается ток. Такие цепи можно включать при помощи специального устройства — электромагнитного реле (рисунок 12), приводя его в действие малой силой тока. На схеме обозначено: 1 — электромагнит, 2 — якорь, 3 — контакты рабочей цепи, 4 — пружина, 5 — электродвигатель, 6 — контакты цепи электродвигателя.
    Объясните как действует прибор.

    Рисунок 12. Использование электромагнитного реле

    При замыкании ключа, в катушке электромагнита 1 возникает электрический ток. Также возникает и магнитное поле. Из-за этого электромагнит начинает притягивать к себе якорь 2.

    Когда якорь притянулся к катушке, его правый конец опускается на контакты 3. Цепь оказывается замкнутой. Теперь по цепи, в которой находится электродвигатель тоже течет ток. Двигатель начинает работать.

    Смысл такой установки в том, что малой силой тока с помощью использования электромагнита в устройстве реле, можно запускать электродвигатель большой мощности, находящийся на большом расстоянии от места включения тока.

    5
    5
    5Количество опыта, полученного за урок

    Оценить урок

    Спасибо, что помогаете нам стать лучше!

    Комментарии
    Получить ещё подсказку

    Трудности? Воспользуйтесь подсказкой

    Верно! Посмотрите пошаговое решение