§ 61. Электромагниты и их применение

Определения и обозначения

Электромагнит — устройство, создающее сильное магнитное поле при прохождении электрического тока по катушке с сердечником. Его применяют там, где магнитное действие требуется включать, выключать или регулировать, например в подъёмных устройствах и реле.

Катушка — провод, намотанный в виде множества витков. Магнитное поле возникает вокруг каждого витка, а в катушке поля направлены согласованно и складываются, поэтому она действует как единый магнит.

Сердечник — ферромагнитный стержень внутри катушки, усиливающий её магнитное поле. Железный сердечник намагничивается под действием катушки, поэтому его используют, когда нужно получить более сильное притяжение.

Электромагнитное реле — устройство, в котором электромагнит замыкает или размыкает электрическую цепь. Оно позволяет с помощью тока в одной цепи управлять другой, например включать лампу сигнализации.

Как это устроено

Когда по проводу идёт ток, вокруг него возникает магнитное поле. Катушка состоит из множества витков, и поле каждого витка действует вместе с полями остальных. При намотке витки расположены так, что их поля внутри катушки направлены в одну сторону и усиливают друг друга. Поэтому катушка с током имеет северный и южный полюса и может притягивать железные предметы.

Поле катушки можно усилить, поместив внутрь железный стержень. Железо относится к ферромагнитным материалам: в магнитном поле его частицы-магнитики ориентируются согласованнее, и стержень намагничивается. Его магнитное поле складывается с полем тока катушки. Поэтому катушка с сердечником притягивает предметы сильнее, чем такая же катушка без него; сердечник не заменяет ток, а усиливает действие катушки.

Сила электромагнита зависит от нескольких условий. Чем больше сила тока, тем сильнее поле вокруг проводов; увеличение числа витков также усиливает общее поле, потому что складывается больше полей. Важны материал и форма сердечника: подходящий ферромагнетик заметно усиливает действие катушки. Направление полюсов зависит от направления тока, поэтому при его изменении северный и южный полюса меняются местами.

Электромагнит удобен тем, что его магнитное действие связано с током. Замкнули цепь — ток пошёл, и катушка создала поле; разомкнули — ток прекратился, и поле обычно исчезло или резко ослабло. Если нужно изменить силу притяжения, регулируют ток, например изменяют его величину. Это позволяет управлять магнитом без перемещения самого устройства.

Под действием поля электромагнит может притягивать металлические детали, удерживать их или перемещать. При отключении тока предмет можно отпустить, что особенно полезно при переноске железного лома. В автоматических устройствах поле действует на подвижную железную деталь — якорь, и его движение переключает контакты. Так электромагнит не только перемещает предметы, но и управляет работой других механизмов.

Сравнение постоянного магнита и электромагнита

Таблица помогает выбрать магнит для конкретной задачи: сравни сначала источник поля, затем возможность управления. У электромагнита свойства зависят от тока, а постоянный магнит не требует подключения к цепи. При сравнении силы учитывай также размеры и материал магнитов.

Разбор задач

Сердечник усиливает действие катушки

Условие. Стальной стержень поместили внутрь катушки с током. Почему такая катушка притягивает больше железных предметов, чем катушка без стержня?

1. Сначала вспомним, что поле катушки с током действует на железный стержень. Под его влиянием стержень намагничивается и сам становится источником магнитного поля.
2. Поле намагниченного стержня складывается с полем катушки. Поэтому общее магнитное действие становится сильнее, и электромагнит может притянуть больше железных предметов.

Ответ. Стальной сердечник намагничивается под действием поля катушки и усиливает его. Поэтому притяжение становится сильнее.

Увеличение числа витков

Условие. Число витков катушки увеличили, а силу тока оставили прежней. Как изменится сила электромагнита?

1. При неизменном токе поле каждого витка сохраняет прежнее направление и величину. Однако теперь витков больше, поэтому больше магнитных полей участвует в создании общего поля.
2. Поля витков складываются, значит, при прочих равных условиях общее поле катушки усиливается. Следовательно, электромагнит будет притягивать железные предметы сильнее.

Ответ. Сила электромагнита увеличится, потому что при прежнем токе поля большего числа витков складываются.

Электромагнитное реле в сигнализации

Условие. При замыкании управляющей цепи электромагнит притягивает якорь и включает лампу. Нужно объяснить последовательность работы устройства.

1. Сначала замыкают управляющую цепь, поэтому по катушке реле начинает идти ток. Ток создаёт магнитное поле, которое притягивает железный якорь.
2. Двигаясь, якорь перемещает контакты другой цепи. Контакты замыкаются, по цепи лампы идёт ток, и лампа загорается.
3. Таким образом, небольшой управляющий ток приводит в действие электромагнит, а его движение переключает отдельную цепь. После размыкания управляющей цепи поле ослабевает, и механизм может вернуться в исходное положение.

Ответ. Ток в катушке создаёт поле, поле притягивает якорь, якорь замыкает контакты, и лампа включается.

Типичные ошибки

Неверно считать, что электромагнит всегда сохраняет сильное магнитное действие после выключения тока. Так думают, потому что его внешне принимают за постоянный магнит; у некоторых материалов возможна остаточная намагниченность, но обычно поле резко ослабевает. Проверь себя: если ток в катушке прекратился, источник её магнитного поля исчез.

Ошибка — утверждать, что сердечник сам по себе создаёт поле катушки. Его действие объясняется тем, что ферромагнитный материал намагничивается под влиянием поля тока. Чтобы проверить рассуждение, сравни катушку с током с сердечником и без него: сердечник усиливает поле, но не заменяет катушку.

Увеличение числа витков иногда путают с простым увеличением длины провода. Но важна не длина сама по себе, а число витков и условия прохождения тока по катушке; при изменении длины могут измениться и электрические условия. Проверяя ответ, уточни, что именно задано неизменным: ток, число витков или другие условия.

Полюса нельзя определять только по тому, как провода расположены на рисунке или в устройстве. Нужно учитывать направление тока в витках и применять правило правой руки: пальцы направляют по току, а отогнутый большой палец указывает направление поля внутри катушки. Если направление тока поменялось, полюса тоже поменяются местами.

Связь с другими темами

Для изучения электромагнитов нужно знать, что электрический ток создаёт магнитное поле, а магнитное поле действует на проводник с током и железные тела. Эти знания помогают объяснить работу электродвигателя, электрического звонка, реле, подъёмных электромагнитов и автоматических устройств. Принцип управления магнитным полем встречается также в громкоговорителях и магнитных пускателях. Он помогает понять, как электрический сигнал может вызвать движение детали или включить другую цепь.

Что запомнить

• Электромагнит создаёт магнитное поле, когда ток проходит по катушке.
• Магнитные поля витков катушки складываются и усиливают друг друга.
• Железный сердечник усиливает магнитное действие катушки.
• Сила электромагнита зависит от силы тока, числа витков и свойств сердечника.
• Полюса электромагнита определяются направлением тока.
• Электромагнит можно включать, выключать и регулировать изменением тока.
• Реле использует электромагнит, чтобы управлять одной электрической цепью с помощью другой.