"Физика", Белага В.В., Ломаченков И.А., Панебратцев Ю.А.
Электромагнетизм позволяет превращать действие электрического тока в движение, притяжение и звук. Катушка с током создаёт магнитное поле, а железный сердечник усиливает его. На этом основаны электромагниты, реле, электродвигатели и громкоговорители. Главное — понять, как ток управляет магнитным полем и как это поле заставляет двигаться детали или переключать электрические цепи.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электромагнит — катушка с током, обычно надетая на железный сердечник. Ток создаёт вокруг витков магнитное поле, а сердечник усиливает его. Это позволяет получать управляемое магнитное притяжение: достаточно изменить ток, чтобы изменить действие электромагнита.
Электромагнитное реле — устройство, в котором электромагнит управляет замыканием или размыканием другой электрической цепи. Ток в катушке притягивает подвижный якорь, связанный с контактами. Реле нужно, чтобы слабым или удалённым сигналом безопасно включать более мощную цепь.
Электродвигатель — устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую за счёт действия магнитного поля на проводник с током. Силы, действующие на стороны рамки, создают вращающий момент. Поэтому двигатель может приводить в движение колёса, вентиляторы и другие механизмы.
Громкоговоритель — устройство, в котором взаимодействие магнитного поля и тока заставляет мембрану колебаться и создавать звук. Меняющийся ток вызывает меняющееся движение катушки. Мембрана передаёт эти колебания воздуху, и возникает звуковая волна.
Витки катушки с током создают магнитные поля, которые внутри катушки складываются и усиливают друг друга. Поэтому катушка становится похожей на магнит с северным и южным полюсами. Если увеличить силу тока или число витков, магнитное действие обычно возрастает, потому что поле каждого витка вносит больший вклад в общее поле. Железный сердечник дополнительно намагничивается и концентрирует магнитное поле, поэтому притяжение становится гораздо сильнее.
В реле управляющая цепь соединена с катушкой электромагнита. Когда по ней проходит ток, катушка притягивает железный якорь, а тот перемещает подвижный контакт. Контакт замыкает или размыкает другую цепь, в которой может находиться лампа, двигатель или другой прибор. Такое устройство разделяет цепи и позволяет малым током управлять нагрузкой, рассчитанной на больший ток.
В простом двигателе прямоугольная рамка с током помещена между полюсами магнита. На противоположные стороны рамки действуют силы, направленные в разные стороны, поэтому они образуют пару сил и поворачивают рамку. Направление этих сил определяют по правилу левой руки. Коллектор после каждого полуоборота меняет направление тока в рамке, чтобы силы снова поворачивали её в ту же сторону.
В громкоговорителе лёгкая катушка находится в магнитном поле постоянного магнита и соединена с мембраной. Когда электрический сигнал меняется, меняются ток в катушке и сила её взаимодействия с магнитным полем. Катушка движется то в одну, то в другую сторону, а мембрана повторяет это движение. Частота колебаний определяет высоту звука, а их размах связан с громкостью.
Эти устройства используют одно и то же явление, но дают разные результаты. Электромагнит создаёт управляемое притяжение, реле переключает электрическую цепь, двигатель создаёт вращение, а громкоговоритель — звуковые колебания. Различие объясняется тем, какая деталь движется и для какой работы используется действие магнитного поля тока.
В таблице сначала указаны основные части устройства, затем последовательность его действия и практический результат. Сравнивая строки, можно увидеть, что общий источник действия один — магнитное поле тока, а назначение устройств различается.
| Устройство | Основные части | Как действует | Практическое назначение |
|---|---|---|---|
| Электромагнит | Катушка, источник тока, железный сердечник | Ток создаёт поле, сердечник усиливает притяжение | Подъём и удержание железных предметов, приводы |
| Электромагнитное реле | Катушка, сердечник, якорь, контакты | Якорь перемещается и переключает контакты другой цепи | Автоматика и управление электрическими приборами |
| Электродвигатель | Магнит, рамка с током, ось, коллектор | Силы на рамке создают вращение, коллектор меняет ток | Получение механического движения |
| Громкоговоритель | Магнит, катушка, мембрана | Сигнал перемещает катушку и мембрану | Преобразование электрического сигнала в звук |
Задача 1. В катушку вставили железный сердечник. Объясните, как изменится её магнитное действие и почему. Нужно установить не только результат, но и связать его с поведением железа в магнитном поле.
Ответ: магнитное действие катушки усилится. Железный сердечник намагничивается и концентрирует магнитное поле около катушки.
Задача 2. Опишите, как реле позволяет слабым током в одной цепи включить устройство в другой цепи. Рассмотрим процесс от подачи сигнала до включения нагрузки. При этом управляющая цепь и цепь нагрузки не смешиваются.
Ответ: слабый ток управляет катушкой, а катушка через якорь переключает контакты мощной цепи. Поэтому для включения устройства не требуется пропускать большой ток через управляющий выключатель.
Задача 3. Объясните, какие части электродвигателя обеспечивают вращение рамки с током, и что произойдёт, если ток в рамке не будет менять направление. Нужно учесть действие сил на разные стороны рамки и роль коллектора. Направление сил можно определить правилом левой руки.
Ответ: вращение создают магнит, рамка с током, ось и коллектор. Без изменения направления тока рамка не сможет постоянно вращаться в одну сторону.
Считают, что электромагнит притягивает железо независимо от тока. Так происходит из-за смешения его свойств со свойствами постоянного магнита. Проверьте себя: если ток выключить, магнитное действие обычного электромагнита исчезает или резко ослабевает.
Путают управляющую цепь реле с цепью, которую переключают контакты. Ошибка возникает потому, что обе цепи находятся в одном устройстве. Проверьте схему: катушка относится к управляющей цепи, а нагрузка подключена через отдельные контакты.
Считают, что рамка двигателя будет вращаться без смены направления тока. После поворота положение рамки относительно поля изменяется, и силы могут начать тормозить движение. Проверьте себя вопросом: что должно изменить ток после полуоборота; ответом будет коллектор.
Путают преобразования энергии в двигателе и громкоговорителе. Двигатель получает электрическую энергию и отдаёт механическую, а громкоговоритель превращает изменения электрического сигнала в колебания и звук. Проверьте, какой результат является полезным: вращение или звучание.
Для понимания темы нужно знать, что электрический ток создаёт магнитное поле, и уметь определять направление его действия. Эти знания объясняют работу катушки и электромагнита. Без них трудно предсказать полюса и направление притяжения.
Также нужно знать действие магнитного поля на проводник с током и пользоваться правилом левой руки. Это правило помогает определить направление силы, поворачивающей рамку электродвигателя. Оно связывает устройство двигателя с уже изученными законами магнитного поля.
Тема пригодится при изучении электрических машин, устройств автоматики и преобразования энергии. Реле показывает принцип автоматического управления, а двигатель — практическое превращение электрической энергии в механическую. Громкоговоритель добавляет пример преобразования электрического сигнала в звук.
Почему железный сердечник усиливает электромагнит?
Железо намагничивается под действием магнитного поля катушки и само становится источником дополнительного магнитного поля. Поэтому общее магнитное действие катушки с сердечником значительно усиливается.
Чем электромагнит отличается от постоянного магнита?
Электромагнит действует только при наличии тока в его катушке, поэтому его можно включать и выключать. Его силу также можно изменять, регулируя ток, число витков или сердечник.
Как реле позволяет управлять одной цепью с помощью другой?
Ток в управляющей катушке создаёт магнитное поле и притягивает якорь. Движение якоря замыкает или размыкает контакты второй цепи, причём цепи могут иметь разные источники питания.
Зачем электродвигателю нужен коллектор?
Коллектор через определённые промежутки времени меняет направление тока в рамке. Благодаря этому силы магнитного поля продолжают поворачивать рамку в одну сторону, а вращение не прекращается.
Как электрический сигнал в громкоговорителе превращается в звук?
Меняющийся ток проходит по катушке в магнитном поле и вызывает изменение силы, действующей на неё. Катушка начинает двигаться вместе с мембраной, а колебания мембраны создают звуковые волны.
29. Практическое применение электромагнетизма
