Магнитное поле катушки с током. Электромагниты и их применение

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.

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

{"questions":[{"content":"Проходя по катушке, ток идет[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["по спирали","по прямой","по дуге","по эллипсу"],"answer":[0]}}}]}

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.

{"questions":[{"content":"Если подвесить катушку на гибких проводниках и пропустить через нее ток, то она будет вести себя как[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["магнитная стрелка","прямой проводник с током","электромагнит"],"answer":[0]}}}]}

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.

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

{"questions":[{"content":"Магнитные линии магнитного поля катушки с током направлены[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["от северного полюса к южному","от южного полюса к северному","в зависимости от направления тока"],"explanations":["","","От направления тока зависит расположение полюсов катушки, но не направление магнитных линий."],"answer":[0]}}}]}

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.

{"questions":[{"content":"Если обхватить катушку правой рукой так, чтобы большой палец указывал на северный полюс, то четыре пальца покажут направление[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["тока в витках катушки","магнитных линий","расположения источника тока"],"answer":[0]}}}]}

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.

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.

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.

{"questions":[{"content":"Усилить магнитное действие катушки можно[[choice-2]]","widgets":{"choice-2":{"type":"choice","options":["увеличив силу тока","уменьшив силу тока","вставив в нее железный сердечник","увеличив количество витков","уменьшив количество витков"],"explanations":["","При уменьшении силы тока действие магнитного поля катушки слабеет.","","","При уменьшении количества витков магнитное действие катушки слабеет."],"answer":[0,2,3]}}}]}

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.

{"questions":[{"content":"Электромагнитом называют катушку[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["с железным сердечником","с большим количеством витков","на которую подается большая сила тока"],"answer":[0]}}}]}

Применение электромагнитов

Рассмотрим несколько примеров применения электромагнитов.

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

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.

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

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.

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.

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.

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

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.

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.

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.