§ 33. Электромагниты и их применение

Определения и обозначения

Электромагнит — магнит, действие которого создаётся электрическим током в обмотке. Когда цепь замкнута, электромагнит притягивает железные предметы; когда ток отключают, его действие резко ослабевает. Поэтому такой магнит подходит для устройств, которые нужно включать и выключать.

Обмотка — провод, намотанный витками вокруг катушки или сердечника. Ток проходит по каждому витку и создаёт магнитное поле, а поля витков складываются. Обмотка нужна, чтобы получить общее магнитное действие, а число её витков можно менять.

Сердечник — стержень, помещённый внутрь обмотки; в электромагнитах его обычно делают из железа. Магнитное поле катушки намагничивает сердечник, и тот усиливает действие устройства. Без тока сердечник не заменяет электромагнит: его роль связана с полем обмотки.

Электромагнитное реле — устройство, в котором электромагнит управляет замыканием или размыканием электрической цепи. Ток в обмотке приводит в движение подвижную часть, которая переключает контакты. Так реле позволяет одной цепи управлять другой.

Как это устроено

Когда по проводнику течёт ток, вокруг него возникает магнитное поле. Каждый виток обмотки создаёт своё поле, но витки расположены рядом, поэтому их поля складываются и усиливают друг друга. В результате катушка с током действует как магнит и может притягивать железные предметы.

Железный сердечник усиливает поле не сам по себе, а благодаря тому, что намагничивается под действием катушки. Внутри железа магнитные частицы ориентируются так, что сердечник начинает действовать как дополнительный магнит. Его поле складывается с полем обмотки, поэтому притяжение становится сильнее. Пока ток проходит через катушку, сердечник сохраняет это усиленное действие.

Силу электромагнита можно увеличить, усилив ток в обмотке. Тогда магнитное поле, создаваемое каждым витком, становится сильнее, а значит, сильнее и общее поле катушки. Другой способ — увеличить число витков: поля большего числа витков складываются. Оба способа работают при прочих равных условиях, то есть если остальные свойства устройства не меняются.

Электромагнит удобен тем, что его действие связано с током. При замыкании цепи ток появляется, катушка создаёт поле, а сердечник намагничивается. При размыкании цепи ток прекращается, и магнитное действие резко ослабевает. Поэтому электромагниты используют там, где магнит должен притягивать предметы только в нужный момент.

В электромагнитном реле ток в одной цепи проходит по обмотке и создаёт магнитное поле. Оно притягивает подвижную металлическую часть, связанную с контактами. Контакты замыкают или размыкают другую цепь, в которую включён прибор. Так сравнительно небольшой ток в обмотке может управлять включением или выключением устройства в другой цепи.

Сравнение постоянного магнита и электромагнита

Сравнивайте магниты по тому, откуда берётся поле и можно ли управлять его действием. Для электромагнита особенно важны ток и число витков: их изменение позволяет регулировать силу. Примеры применения показывают, почему электромагнит выбирают для устройств с переключением или движением.

Разбор задач

Почему катушка притягивает скрепки?

Условие. Катушка с током притягивает железные скрепки, но после отключения тока почти перестаёт это делать. Нужно объяснить наблюдение, связав его с магнитным полем катушки.

1. Пока цепь замкнута, по виткам катушки проходит ток.
2. Ток создаёт магнитные поля вокруг проводов, а поля витков складываются.
3. Общее поле катушки действует на железные скрепки и притягивает их.
4. После размыкания цепи ток прекращается, поле резко ослабевает, поэтому скрепки почти не притягиваются.

Ответ. Скрепки притягивает магнитное поле, созданное током в катушке. После отключения тока это поле почти исчезает, поэтому магнитное действие ослабевает.

Как усилить электромагнит?

Условие. Катушка с железным сердечником притягивает железные предметы, но нужно увеличить силу её действия. Назовите два способа, используя сведения о зависимости поля от устройства обмотки.

1. Первый способ — увеличить силу тока в обмотке. Тогда поле, создаваемое витками, станет сильнее.
2. Второй способ — увеличить число витков. Поля большего числа витков будут складываться.
3. В обоих случаях сравнивают катушки при прочих равных условиях: сердечник и расстояние до предметов не меняют.

Ответ. Увеличить силу электромагнита можно, увеличив ток или число витков обмотки.

Как реле управляет прибором?

Условие. Нужно объяснить, как слабый ток в одной цепи может включить прибор, подключённый к другой цепи, если в устройстве используется электромагнитное реле.

1. Слабый ток проходит по обмотке реле и создаёт магнитное поле.
2. Поле притягивает подвижную металлическую часть реле.
3. Подвижная часть перемещает контакты и замыкает цепь прибора.
4. Когда ток в обмотке отключают, магнитное действие ослабевает, и контакты могут вернуться в исходное положение.

Ответ. Ток первой цепи приводит в действие электромагнит, а тот переключает контакты второй цепи. Реле управляет её замыканием или размыканием, но само не служит источником тока.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что любой магнит притягивает железо постоянно. Постоянный магнит действует без переключения, а у электромагнита магнитное действие зависит от тока. Так думают, смешивая два вида магнитов. Проверьте себя: если разомкнуть цепь электромагнита, его действие резко ослабеет.

Ошибка — считать, что сердечник сам создаёт поле электромагнита. Сердечник намагничивается под действием поля катушки и усиливает его, но без тока обмотки он не работает как включённый электромагнит. Путаница возникает из-за того, что сердечник тоже начинает притягивать железо. Для проверки спросите себя, откуда взялось его намагничивание.

Ошибка — думать, что большее число витков ослабляет магнитное действие. При прочих равных полями большего числа витков катушка усиливает общее поле. Такое заблуждение появляется, если не учитывать сложение магнитных полей. Проверьте направление зависимости: больше витков — сильнее электромагнит.

Ошибка — путать реле с источником тока. Реле не создаёт электрическую энергию, а переключает контакты под действием электромагнита. Путаница возникает потому, что срабатывание реле включает прибор. Чтобы проверить себя, проследите цепь: ток должен поступать от отдельного источника, а реле лишь управляет соединением.

Связь с другими темами

Для изучения электромагнита нужно знать, что электрический ток создаёт магнитное поле, и понимать, как устроена электрическая цепь: источник, провода и потребитель. Это помогает объяснить, почему размыкание цепи прекращает действие катушки. Электромагнит связывает электрические явления с движением: этот принцип встречается в электродвигателе и электрическом звонке. Реле показывает, как ток может управлять работой другой цепи, поэтому помогает понять автоматическое управление приборами.

Что запомнить

• Электромагнит — катушка с током, обычно с железным сердечником.
• Магнитное действие катушки создаётся током в её витках.
• Железный сердечник усиливает магнитное действие катушки.
• При увеличении силы тока магнитное действие электромагнита усиливается.
• При увеличении числа витков магнитное действие электромагнита усиливается.
• Электромагнит можно включать и выключать вместе с током.
• Реле использует электромагнит для переключения контактов цепи.