Вопросы § 59 - услуги электромонтажа, строительства и ремонта

Вы можете увеличить магнитное взаимодействие катушки с током:

Содержание

Вопросы §59

Если катушку с током подвесить к тонким и гибким проводникам, она выровняется, как магнитная игла компаса. Один конец катушки будет направлен на север, другой – на юг. Поэтому катушка с током, подобно магнитной стрелке, имеет два полюса – северный и южный.

2 Каковы некоторые способы увеличения магнитного взаимодействия катушки с током?

Вы можете увеличить магнитное воздействие катушки с током, если

1) Путем увеличения числа витков в катушке;

2) путем увеличения силы тока;

3) путем введения железа в катушку.

3 Что называется электромагнитом?

Электромагнит – это катушка с железным сердечником внутри.

4 Для каких целей электромагниты используются на заводах?

Электромагниты большой силы используются на заводах для перемещения изделий из стали или чугуна, а также стальной и чугунной стружки и слитков.

5 Как устроен магнитный зерновой сепаратор?

В зерно вставляются очень мелкие железные опилки. Эта стружка не прилипает к гладким зернам, полезным зернам, но она прилипает к зернам сорняков. Зерно выгружается из бункера на вращающийся барабан. Внутри барабана находится мощный электромагнит. Притягивая железные предметы – он вытягивает зерна сорняков из зернового потока и таким образом очищает зерно от сорняков и случайно попавших железных предметов.

Если провод намотан на катушку или на виток, а затем к нему подведен ток, магнитные поля от каждого витка складываются, и внутри катушки создается сильное магнитное поле. Магнитное поле катушки (соленоида) будет тем больше, чем больше ток, протекающий в катушке, и чем больше витков в катушке. Магнитное поле катушки похоже на магнитное поле постоянного магнита: то же магнитное поле, те же линии поля, те же северный и южный полюса. Полюса легко определить, снова используя принцип правостороннего винта: если вращать винт в соответствии с направлением тока в катушке, поступательное движение винта укажет направление магнитных силовых линий. Северный полюс катушки будет там, где силовые линии выходят из катушки, а южный полюс – там, где они входят.

Почему создается магнитное поле

Магнитные свойства некоторых веществ, позволяющие им притягивать металлические предметы, известны давно. Однако приблизиться к пониманию природы этого явления удалось лишь в начале XIX века. По аналогии с электрическими зарядами были предприняты попытки объяснить магнитные эффекты с помощью определенных магнитных зарядов (диполей). В 1820 году датский физик Ганс Эрстед обнаружил, что магнитная стрелка отклоняется, когда через близкий к ней проводник проходит электрический ток.

В то же время французский исследователь Андре Ампер обнаружил, что два параллельных друг другу проводника вызывают взаимное притяжение, когда через них пропускают электрические токи в одном направлении, и отталкивание, когда токи идут в противоположных направлениях.

Рисунок 1: Эксперимент Ампера с проводниками и током. Игла компаса возле провода с током

На основании этих наблюдений Ампер пришел к выводу, что взаимодействие тока со стрелкой, притяжение (и отталкивание) проводов и постоянных магнитов можно объяснить, если предположить, что магнитное поле создается движущимися электрическими зарядами. Кроме того, Ампер выдвинул смелую гипотезу о существовании внутри веществ незатухающих молекулярных токов, которые и являются причиной постоянного магнитного поля. Тогда все магнитные явления можно объяснить взаимодействием движущихся электрических зарядов, а особых магнитных зарядов не существует.

Математическая модель (теория), позволившая рассчитать величину магнитного поля и силу взаимодействия, была разработана английским физиком Джеймсом Максвеллом. Из уравнений Максвелла, объединившего электрические и магнитные явления, следует, что:

Магнитное поле возникает только в результате движения электрических зарядов;
Постоянное магнитное поле существует в естественных магнитных телах, но даже в этом случае причиной возникновения поля является непрерывное движение молекулярных токов (вихрей) в массе вещества;
Магнитное поле также может быть создано переменным электрическим полем, но об этом мы поговорим в следующих статьях.

C) на него действует сила притяжения; D) на него действуют магнитное и электрическое поля.

Постоянные магниты. Что это такое?

Китайцы, как и греки, также отметили любопытное свойство некоторых минералов притягивать предметы, содержащие железо. Китайцы связывают слово “притягивать” со словами “приверженность” и “любовь” и поэтому назвали такие минералы “чу-ши”, что означает “любящий камень”. Поскольку эти минералы были созданы природой и человек не мог повлиять на естественное действие камней, их стали называть постоянными магнитами.

Теперь мы знаем, почему природный магнитный минерал железный камень (магнетит) так интересен. Это довольно хрупкий черный минерал с плотностью около 5000 кг/м3 .

Магнитная железная руда.

Древние народы приписывали магнитному железному камню свойство “живой души”. Минерал, по их словам, цеплялся за железо, как собака за кусок мяса. Ученые объясняют отношение древних к природным явлениям их незнанием физики.

В действительности, все относится к особому виду материи – полю.

Именно магнитное поле притягивает железные предметы к постоянному магниту, так как, например, маленькие гвозди или пуговицы притягиваются к магниту даже без контакта с ним, но на расстоянии.

Магнетит (природный магнитный железный камень) не проявляет сильных притягивающих свойств. На его основе были созданы искусственные магниты с более сильным магнитным полем. В качестве материалов используются такие металлы, как кобальт, никель и, конечно же, железо. Такие металлы способны намагничиваться под воздействием магнитного поля, а затем сами по себе становятся магнитами.

Различные формы искусственных магнитов. Источник

Независимо от формы магнита, существуют области, обладающие наиболее сильными магнитными свойствами. Эти области называются магнитными полюсами. Каждый магнит, даже самый маленький, имеет два полюса. Современные технологии позволяют намагничивать металлические предметы так, что они имеют как 4, так и 6 полюсов.

Вы можете узнать, что железные опилки притягиваются к магниту по-разному, проведя простой эксперимент со школьным магнитом в форме бантика. Просто поднесите магнит к опилкам, и опилки тут же “прилипнут” к нему:

Магнит в форме дуги.

Полюсами такого магнита будут края дуги, где скопилось больше всего железных опилок.

Полосовой магнит, форма которого представляет собой прямоугольный параллелограмм, имеет полюса, расположенные на расстоянии друг от друга. Чем ближе к центру, тем меньше магнитные свойства.

Полосовой магнит.

Электромагниты могут иметь разомкнутую или замкнутую магнитную цепь (Рисунок 42). Полярность конца катушки электромагнита можно определить, как и в случае с постоянным магнитом, по магнитной стрелке. Он обращен своим южным концом к северному полюсу.

§17 Магнитное поле проводника с током и способы его усиления

Когда ток течет по прямолинейному проводнику, вокруг него создается магнитное поле (рис. 38). Магнитные силовые линии этого поля расположены в виде концентрических окружностей с токоведущим проводником в центре.

Рис. 38: Магнитное поле вокруг прямого токоведущего проводника

Направление магнитного поля вокруг проводника с током всегда совпадает с направлением тока, протекающего в проводнике. Направление магнитных силовых линий можно определить по правилу Буравника. Она формулируется следующим образом.

Если поступательное движение бортика 1 (рис. 39, a) согласовано с направлением тока 2 в проводнике 3, то поворот его ручки будет указывать направление линии магнитного поля 4 вокруг проводника. Например, если по проводнику течет ток в направлении от нас в сторону от плоскости книжной страницы (рис. 39, б), то магнитное поле, возникающее вокруг этого проводника, направлено по часовой стрелке. Если ток по проводнику течет в направлении от плоскости страницы книги к нам, то магнитное поле вокруг проводника направлено против часовой стрелки.

Рисунок 39: Определение направления магнитного поля с помощью правила буравчика.

Чем больше ток, протекающий через проводник, тем сильнее магнитное поле, которое создается вокруг него. При изменении направления тока изменяется и направление магнитного поля. По мере удаления от проводника магнитные силовые линии становятся более разреженными. Следовательно, индукция магнитного поля и напряженность поля уменьшаются.

Напряженность магнитного поля в пространстве вокруг проводника,

H = I/(2πr) (44)

Максимальная интенсивность H_max расположен на внешней поверхности проводника 1 (рис. 40). Внутри проводника также

Рис. 40. Кривая распределения напряженности магнитного поля H вокруг и внутри проводника с током.

Создается магнитное поле, но его напряженность линейно уменьшается в направлении от внешней поверхности к оси (кривая 2). Магнитная индукция поля вокруг и внутри проводника изменяется так же, как и его напряженность.

Способы усиления магнитных полей.

Чтобы получить сильные магнитные поля при малых токах, число проводников с током обычно увеличивают и делают их в виде серии витков; такое устройство называется обмоткой или катушкой.

С проводником, согнутым в виде катушки (рис. 41, a), магнитные поля, создаваемые всеми участками этого проводника, будут иметь одинаковое направление внутри катушки. Поэтому напряженность магнитного поля внутри катушки будет больше, чем вокруг прямого проводника. Когда витки соединяются в катушку, магнитные поля, создаваемые отдельными витками, складываются (рис. 41, б), а их силовые линии объединяются, образуя общий магнитный поток.

Рис. 41. Магнитные поля, создаваемые катушкой с током (a) и катушкой (b)

Это увеличивает концентрацию линий поля внутри катушки, т.е. магнитное поле внутри катушки становится сильнее. Чем больше ток, протекающий через катушку, и чем больше витков в катушке, тем сильнее магнитное поле, создаваемое катушкой.

Магнитное поле вне катушки также состоит из магнитных полей отдельных катушек, но линии магнитного поля не такие плотные, поэтому напряженность магнитного поля там не такая сильная, как внутри катушки. Магнитное поле катушки, в которой протекает ток, имеет такую же форму, как и у прямолинейного постоянного магнита (см. рис. 35, а): линии магнитного поля выходят из одного конца катушки и входят в другой конец.

Поэтому катушка, окруженная током, является искусственным электрическим магнитом. Обычно внутри катушки помещается стальной сердечник для усиления магнитного поля; такое устройство называется электромагнитом.

Электромагниты нашли чрезвычайно широкое применение в технике. Они генерируют магнитное поле, необходимое для работы электрических машин, и необходимые электродинамические силы. Работать с различными электроизмерительными приборами и электрическими аппаратами.

Электромагниты могут иметь разомкнутую или замкнутую магнитную цепь (Рисунок 42). Полярность конца катушки электромагнита можно определить, как и в случае с постоянным магнитом, по магнитной стрелке. Она обращена южным концом к северному полюсу.

Рисунок 42: Электромагниты с разомкнутой (a) и замкнутой (b) магнитными катушками

Правило большого пальца можно также использовать для определения направления магнитного поля, создаваемого катушкой или витком. Если совместить направление вращения кривошипа с направлением тока в катушке или обмотке, то ход шкалы будет указывать направление магнитного поля.

Полярность электромагнита также можно определить правой рукой. Для этого положите ладонь руки на катушку (рис. 43) и совместите четыре пальца с направлением тока в катушке, при этом согнутый большой палец должен быть направлен в сторону магнитного поля.

Рисунок 43: Определение полярности электромагнита правой рукой

Самоиндукция – это явление индуктивной ЭДС в проводнике, возникающей в результате изменения тока в проводнике.

Электромагнитная индукция

Электромагнитная индукция – Создание электрического тока в замкнутом контуре путем изменения магнитного потока, проходящего через контур.

Эксперименты Фарадея

1) Гальванометр замыкается на электромагнитную катушку.
Постоянный магнит вдвигается в катушку (или выходит из нее). При перемещении магнита регистрируется отклонение стрелки гальванометра, что свидетельствует о возникновении индукционного тока. По мере увеличения скорости перемещения магнита относительно катушки увеличивается отклонение руки. Вы также можете оставить магнит неподвижным и перемещать катушку относительно магнита.

Появляется индукционный ток.

2) В этом эксперименте используются две катушки. Один вставляется в другой. Концы одной катушки подключены к гальванометру. Через другую катушку пропускается электрический ток. Игла гальванометра отклоняется при включении (выключении) тока, при его изменении (увеличении или уменьшении) или при перемещении катушек относительно друг друга.

Индукционный ток

При изменении магнитного потока через замкнутый проводящий контур в нем возникает электрический ток.
Это означает, что если скрутить проволочную рамку и поместить ее в изменяющееся магнитное поле, то по рамке потечет – индукционный ток!

Эксперименты показали, что индукционный ток создается только только при изменении линий магнитной индукции..
Сила индукционного тока зависит от скорости изменения магнитного потока.

Ток может существовать в цепи, когда внешние силы действуют на свободные заряды. Работа этих сил по перемещению единичного положительного заряда по замкнутому контуру равна ЭДС.
Таким образом, по мере изменения количества магнитных линий на площади, ограниченной контуром, существует ЭДС – индуктивная ЭДС.

Электроны в неподвижном проводнике могут быть приведены в движение только электрическим полем. Это электрическое поле генерируется изменяющимся во времени магнитным полем – вращающееся электрическое поле.

Свойства вращающегося электрического поля

источником является переменное магнитное поле;
можно обнаружить по его действию на заряд;
это не потенциал;
полевые линии закрыты.

Магнитное поле катушки с током можно определить так же, как и магнитное поле постоянного тока: с помощью железных опилок. Для этого используется стеклянная пластина, через которую пропускается проводник в виде катушки.

Опыт показывает, что магнитное поле токоведущего проводника может быть значительно увеличено, если проводник намотан на катушку.

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ КАТУШКИ С ТОКОМ

Катушка с изолированным проводником, намотанным на цилиндрическую поверхность, по которой течет электрический ток, называется катушка (от греческого solen – труба).

Давайте построим электрическую цепь, состоящую из источника тока, ключа и провода, намотанного на катушку. Когда цепь замкнута, через катушку течет электрический ток. Легкие железные предметы, помещенные рядом с катушкой, будут притягиваться к концам катушки. Если вы разомкнете цепь, все предметы упадут.

Теперь подвесьте катушку на гибких проводах. Когда ключ закрыт, в катушке возникает ток, который заставляет ее вращаться. Направление оси катушки будет совпадать с направлением стрелки магнитного компаса: один конец катушки будет указывать на север, а другой – на юг. Таким образом, катушка с током приобретает свойства магнита.

Если направление тока в катушке изменить на противоположное, она повернется на 180°. Это еще раз показывает, что направление линий магнитного поля связано с направлением тока в проводнике.

МАГНЕТИЧЕСКИЕ ЛИНИИ

Железные опилки помещаются на стеклянную пластину, и через катушку пропускается электрический ток. Железные опилки расположены в четко определенном порядке.

Линии поля катушки с током представляют собой замкнутые кривые. Внутри катушки они параллельны друг другу, а на концах расходятся и замыкаются снаружи катушки.

Для определения направления линий магнитного поля катушки с током правило правой руки: Если мысленно взять катушку правой рукой и расположить четыре пальца вокруг тока в катушках, то вытянутый большой палец укажет направление магнитных линий в катушке..

МАГНИТНОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ КАТУШКИ С ТОКОМ

Подумайте, при каких условиях действие магнитного поля на катушку с током может увеличиваться или уменьшаться.

Соберите цепь, состоящую из источника тока, переключателя и катушки. Мы будем последовательно соединять катушки с разным количеством витков.

Катушка с большим количеством витков, когда через нее проходит ток, притягивает большее количество маленьких железных предметов, чем катушка с меньшим количеством витков. Поэтому можно сказать, что чем больше витков в катушке с током, тем сильнее ее магнитное действие.

Давайте продолжим этот эксперимент. Соберите цепь, состоящую из источника тока, переключателя, катушки, амперметра и реостата. Мы будем использовать реостат для изменения тока в цепи. По мере увеличения силы тока катушка притягивает все больше и больше металлических предметов. Чем больше намагниченность катушки с током, тем больше величина тока.

Магнитное воздействие катушки с током может быть увеличено без изменения тока или числа витков в катушке. Для этого в катушку необходимо вставить железный стержень (сердечник). Катушка с железным сердечником внутри называется электромагнит.

Электромагниты широко используются в технике. Например, они используются для подъема и переноски тяжелых грузов из стали или чугуна. При включении тока эти объекты притягиваются к электромагниту, а при выключении – свободно отсоединяются.

Огромные электромагниты используются в современных физических экспериментах, например, в Большом адронном коллайдере. Магнитное поле, создаваемое катушкой с током, размер которой сопоставим с многоэтажным домом, позволяет контролировать движение заряженных частиц и изучать их свойства.

Вы просмотрели раздаточный материал урока физики в 8 классе “Магнитное поле катушки с током”..

Читайте далее: