§ 41. Электромагниты

Определения и обозначения

Электромагнит — катушка с током, обычно с железным сердечником, которая создаёт магнитное поле и может притягивать железные предметы. Его магнитное действие можно включать и изменять, управляя током. Поэтому электромагниты подходят для устройств, где магнитное притяжение должно работать по команде.

Катушка — проводник, намотанный витками. Ток в каждом витке создаёт магнитное поле, и поля отдельных витков складываются. Благодаря этому катушка действует как магнит, а увеличение числа витков может усилить её действие.

Сердечник — железный стержень внутри катушки. Поле катушки намагничивает железо, и оно тоже создаёт магнитное поле. Сердечник нужен, чтобы усилить действие электромагнита и сделать его притяжение заметнее.

Электромагнитное реле — устройство, в котором электромагнит управляет замыканием или размыканием электрической цепи. Когда ток в обмотке реле действует на подвижную деталь, она перемещает контакты. Реле позволяет одной цепи управлять другой, даже если их работа разделена.

Как это устроено

Ток в каждом витке катушки создаёт магнитное поле. Поля соседних витков направлены согласованно, поэтому они не уничтожают друг друга, а складываются. В результате магнитное действие сосредоточивается у концов катушки: один конец становится северным полюсом, другой — южным. Поэтому катушка с током похожа на постоянный магнит, хотя её действие связано с электрическим током.

Железный сердечник усиливает магнитное действие катушки. Когда сердечник оказывается в поле, железо намагничивается: внутри него упорядочиваются области, которые можно представить как маленькие магниты. Их поля добавляются к полю катушки, поэтому общее поле становится сильнее. Сердечник не заменяет катушку с током: именно ток создаёт поле, которое намагничивает железо.

Сила электромагнита зависит, в частности, от силы тока и числа витков. Если увеличить ток, поле каждого витка становится сильнее; если добавить витки, увеличивается число создающих поле участков провода. В обоих случаях складывающееся магнитное поле усиливается. Сравнивая электромагниты, нужно учитывать, что изменение тока и числа витков — разные способы усиления, а результат также зависит от других условий, например от сердечника.

Направление магнитного поля зависит от направления тока в витках. Если поменять направление тока, поле внутри катушки тоже направится в противоположную сторону. Поэтому её северный и южный полюса поменяются местами. Само по себе такое изменение направления тока не означает, что электромагнит обязательно станет сильнее или слабее: прежде всего меняется расположение полюсов.

В реле ток проходит по обмотке — катушке провода, намотанной на сердечник. Сердечник намагничивается и притягивает подвижную часть, называемую якорем; вместе с ней перемещаются контакты. Контакты замыкают или размыкают другую цепь, поэтому небольшой управляющий ток может переключать отдельную электрическую цепь. Когда ток в обмотке прекращается, магнитное притяжение ослабевает, и подвижная часть возвращается в исходное положение под действием механизма реле.

Что влияет на действие электромагнита

Таблица показывает, как отдельные изменения влияют на электромагнит. Сравнивайте условия «при прочих равных»: тогда можно понять, какое именно изменение вызвало результат. При перемене направления тока обращайте внимание на полюса, а не только на силу действия.

Разбор задач

Задача 1. Катушка соединена с источником тока. Укажите, как определить её северный и южный полюса по направлению тока в витках. Направление поля внутри катушки можно установить правилом правой руки. Оно поможет связать направление тока с расположением полюсов.

1. Посмотрите на катушку со стороны одного из её концов и выясните, в какую сторону ток идёт по виткам.
2. Согните пальцы правой руки по направлению тока в витках. Большой палец, отставленный вдоль оси катушки, покажет направление магнитного поля внутри неё.
3. Поле внутри катушки направлено от южного полюса к северному. Значит, конец, к которому показывает большой палец, будет северным, а противоположный — южным.

Ответ. Направьте пальцы правой руки по току в витках. Большой палец укажет на северный полюс катушки, противоположный конец будет южным.

Задача 2. Две катушки имеют одинаковые сердечники и подключены к источникам одинакового напряжения. В первой вдвое больше витков, чем во второй. Какая катушка при прочих равных действует сильнее? Сначала нужно выделить различие между катушками: сердечники одинаковые, а число витков разное. План задачи просит оценить действие при прочих равных, поэтому сравнение связываем именно с числом витков.

1. Запишите, что одинаковые сердечники не дают различия в усилении поля за счёт сердечника.
2. Вспомните: поля витков одной катушки складываются. Большее число витков означает, что при прочих равных складывается больше магнитных полей.
3. В первой катушке витков вдвое больше. Следовательно, её магнитное действие будет сильнее; точное соотношение сил из этих сведений определять не требуется.

Ответ. Сильнее действует первая катушка. У неё больше витков, а значит, при прочих равных сильнее общее магнитное поле.

Задача 3. В реле ток в обмотке электромагнита перестал течь. Объясните, что произойдёт с подвижной частью и контактами и почему. Чтобы ответить, проследите цепочку событий от прекращения тока до изменения положения контактов. Здесь важно не перепутать причину и результат: именно исчезновение тока ослабляет магнитное притяжение.

1. Ток в обмотке прекращается, поэтому сердечник перестаёт получать намагничивание от поля катушки. Магнитное действие реле резко ослабевает.
2. Ослабленный сердечник уже не удерживает подвижную часть, или якорь, в притянутом положении. Якорь отпускается и возвращается в исходное положение под действием механизма реле.
3. При перемещении якоря меняется положение контактов. В зависимости от устройства реле они размыкают одну цепь и могут замыкать другую.

Ответ. Подвижная часть отпустится и вернётся в исходное положение, потому что без тока электромагнит почти перестаёт притягивать её. Контакты переключатся вслед за якорем: замкнутая цепь может разомкнуться, а разомкнутая — замкнуться, если так устроено реле.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что электромагнит сохраняет прежнее действие после отключения тока. Так думают, потому что сравнивают его с постоянным магнитом, который может притягивать предметы без подключения к источнику. Но поле электромагнита создаёт ток, и после его прекращения действие обычно резко ослабевает. Проверьте себя: спросите, что именно создаёт поле катушки, и проследите, что изменится, если ток исчезнет.

Ошибка: считать, что железный сердечник заменяет ток в катушке. Это заблуждение возникает из-за того, что сердечник заметно усиливает притяжение. Однако он усиливает поле, созданное током, а сам по себе не превращает устройство в электромагнит. Для проверки отделите причину от усилителя: сначала ток создаёт поле, затем сердечник намагничивается.

Ошибка: путать увеличение числа витков с увеличением силы тока. Оба изменения могут усилить действие, поэтому их легко принять за одно и то же. Но число витков показывает, сколько раз провод намотан вокруг катушки, а сила тока характеризует ток в проводе. Проверьте, какое именно условие изменилось: это разные способы усилить поле, и один не означает автоматического изменения другого.

Ошибка: считать, что при изменении направления тока электромагнит обязательно становится сильнее или слабее. Такое мнение появляется, если перемену направления путают с увеличением тока. Направление тока прежде всего определяет, где находятся полюса: при его перемене северный и южный полюса меняются местами. Проверьте себя, отдельно ответив на два вопроса: изменилась ли величина тока и изменилось ли его направление.

Связь с другими темами

Чтобы понять действие электромагнита, нужно знать, что электрический ток создаёт магнитное поле. Также следует помнить, что у магнита есть северный и южный полюса: тогда можно проследить, как ток задаёт расположение полюсов катушки. Эти знания помогают объяснить работу электродвигателя, электрического звонка и других устройств. В них ток создаёт магнитное действие, которое приводит в движение детали или управляет их перемещением.

Что запомнить

• Электромагнит — катушка с током, часто с железным сердечником.
• Магнитные поля витков катушки складываются.
• Железный сердечник усиливает магнитное действие катушки.
• При увеличении силы тока или числа витков действие электромагнита усиливается.
• Направление тока определяет расположение полюсов.
• Реле использует электромагнит для переключения электрической цепи.