"Физика", Громов С.В., Родина Н.А., Белага В.В. и др./Под ред. Ю.А. Панебратцева
Электромагнетизм позволяет создавать устройства, в которых ток управляет движением деталей и работой электрических цепей. Ток в катушке создаёт магнитное поле, а железный сердечник усиливает его. Благодаря этому электромагнит притягивает железные предметы, реле переключает контакты, звонок многократно ударяет молоточком, а электродвигатель вращает рамку. Главное — понять, как магнитное поле действует на якорь или проводник с током и почему в некоторых устройствах состояние цепи должно меняться.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Электромагнит — катушка с током, обычно с железным сердечником, создающая магнитное поле. Сердечник усиливает поле, поэтому электромагнит может притягивать железные предметы и удерживать их. Его сила действия зависит от силы тока, числа витков и наличия сердечника.
Электромагнитное реле — устройство, в котором ток в обмотке электромагнита управляет замыканием или размыканием другой электрической цепи. Обмотка действует на подвижный якорь, соединённый с контактами. Благодаря реле малый управляющий ток может переключать отдельную цепь.
Электродвигатель — устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую за счёт действия магнитного поля на проводник с током. В его работе участвует рамка с током, на которую поле действует силами. Их действие вызывает вращение, которое можно использовать для движения механизмов.
Электрический звонок — устройство, в котором электромагнит приводит в движение молоточек, ударяющий по чашке звонка. Якорь с молоточком притягивается, а контакты при этом размыкаются. Периодическое повторение движения создаёт серию звуковых ударов.
Когда по проводу катушки проходит ток, вокруг витков возникает магнитное поле. Поля отдельных витков складываются, поэтому катушка действует как магнит. Железный сердечник намагничивается этим полем и усиливает его: внутри него магнитное действие становится заметнее. Если увеличить силу тока или число витков, поле катушки усиливается, и электромагнит сильнее притягивает железные предметы.
В реле через обмотку пропускают управляющий ток, и образовавшееся поле притягивает железный якорь. Движение якоря замыкает одни контакты или размыкает другие, меняя состояние отдельной цепи. Так слабый ток может управлять цепью, в которой работает другая нагрузка. Это возможно потому, что обмотка воздействует на контакты механически через якорь, а не передаёт им свой ток.
В звонке ток сначала проходит по обмотке, и электромагнит притягивает якорь с молоточком. Молоточек ударяет по чашке, а одновременно с движением якоря контакты размыкаются. Ток прекращается, магнитное поле исчезает, и пружина возвращает якорь в исходное положение. Контакты снова замыкаются, ток появляется вновь, и последовательность повторяется, пока звонок подключён.
В двигателе рамка с током помещена в магнитное поле. На её противоположные стороны действуют силы, направленные по-разному; поскольку они приложены в разных местах, возникает вращающий момент. После полуоборота направление тока в рамке меняют. Тогда меняются направления сил на её сторонах, и вращающий момент продолжает поворачивать рамку в прежнюю сторону.
Практические устройства используют разные действия магнитного поля. Электромагнит притягивает железные предметы, реле перемещает якорь для переключения контактов, звонок сочетает притяжение с периодическим размыканием цепи. В электродвигателе главную роль играет вращающий момент, действующий на рамку с током. Различие в устройстве связано с тем, какой результат нужно получить.
В таблице сопоставлены источник магнитного поля, действие поля и практический результат для четырёх устройств. Прослеживай строку слева направо: так видно, как электрический ток приводит к полезному действию. Сравнение помогает отличить простое притяжение предмета от переключения контактов и вращения.
| Устройство | Что создаёт магнитное поле | Как действует поле | Практический результат |
|---|---|---|---|
| Электромагнит | Обмотка с током, часто с железным сердечником | Притягивает железные предметы | Подъём и удержание металлических предметов |
| Электромагнитное реле | Обмотка с током | Притягивает якорь и переключает контакты | Управление одной цепью с помощью другой |
| Электрический звонок | Обмотка с током | Притягивает якорь с молоточком; контакты циклически размыкаются и замыкаются | Повторяющиеся удары молоточка по чашке |
| Электродвигатель | Магнитное поле статора и ток в рамке ротора | Создаёт вращающий момент и поддерживает вращение | Преобразование электрической энергии в механическую |
Задача 1. Как изменится действие электромагнита, если увеличить силу тока в его обмотке, не меняя остальных условий? Нужно сравнить магнитное действие до и после изменения. Числовые вычисления здесь не нужны: достаточно установить связь между током и полем.
Вспомним, что магнитное поле катушки создаётся электрическим током. При неизменных числе витков и сердечнике именно ток задаёт, насколько сильным будет поле.
Сила тока стала больше, значит, усилилось и магнитное поле обмотки. Железный сердечник, если он есть, также намагничивается сильнее под действием возросшего поля.
Более сильное поле сильнее действует на железные предметы. Поэтому действие электромагнита усилится.
Ответ: электромагнит будет сильнее притягивать железные предметы.
Задача 2. Объясните, как реле позволяет включить мощную нагрузку с помощью слабого тока в управляющей цепи. Здесь важно проследить путь воздействия, не предполагая, что два тока становятся одним. Сначала выясним, какую роль выполняют обмотка, якорь и контакты.
Слабый ток проходит по обмотке реле и создаёт вокруг неё магнитное поле. Поле притягивает железный якорь, поскольку он может перемещаться.
Якорь механически соединён с контактами. При его движении контакты замыкаются или размыкаются в управляемой цепи, по которой проходит ток нагрузки.
Значит, управляющий ток не обязан питать нагрузку. Он лишь приводит в действие механизм переключения, а мощная нагрузка получает ток из своей цепи.
Ответ: слабый ток в обмотке притягивает якорь, а тот переключает контакты отдельной цепи с нагрузкой.
Задача 3. Почему рамка электродвигателя продолжает вращаться в одном направлении после каждого полуоборота? Если бы направление тока в ней не менялось, после поворота силы могли бы начать создавать момент, направленный против вращения. Поэтому нужно разобраться, как переключение тока влияет на силы.
На противоположные стороны рамки в магнитном поле действуют силы, образующие вращающий момент. До полуоборота этот момент поворачивает рамку в выбранную сторону.
После полуоборота стороны рамки оказываются в новых положениях относительно поля. Чтобы момент не стал направлять рамку назад, в рамке меняют направление тока.
При изменении тока меняются направления сил на противоположных сторонах. Их вращающий момент снова направлен в прежнюю сторону, поэтому вращение продолжается.
Ответ: после каждого полуоборота направление тока меняют, и вращающий момент сохраняет направление вращения рамки.
Можно решить, что железный сердечник сам создаёт поле электромагнита. Это неверно: поле появляется из-за тока в обмотке, а сердечник намагничивается и усиливает его. Ошибка возникает, если замечать только железную деталь и не учитывать источник поля. Проверь себя: без тока в катушке электромагнит не действует как включённый магнит.
Иногда считают, что реле передаёт ток из управляющей цепи в цепь нагрузки. На самом деле обмотка притягивает якорь, а тот переключает контакты; электрические цепи могут оставаться разделёнными. Путаница возникает из-за того, что один небольшой ток управляет работой другого устройства. Для проверки проследи, где проходит ток обмотки, а где — ток нагрузки.
Если описать звонок как непрерывное притяжение якоря, получится только один удар. Чтобы молоточек возвращался и снова ударял, ток должен прекратиться после размыкания контактов, а затем возобновиться при их замыкании. Повторный цикл поддерживает движение якоря. Проверь объяснение: в нём должны быть и размыкание, и возврат, и новое замыкание цепи.
Ещё одна ошибка — считать, что поле просто толкает рамку целиком в одну сторону. На противоположных сторонах рамки действуют разные по направлению силы, и именно они создают вращающий момент. Такое представление помогает понять, почему рамка поворачивается, а не только смещается. Для проверки покажи, где приложены силы и как они поворачивают рамку.
Для понимания электромагнитных устройств нужно знать, что электрический ток создаёт магнитное поле. Также пригодится представление о силе, действующей на проводник с током в магнитном поле. Направление этой силы определяют по правилу левой руки.
Эти знания связывают тему с действием магнитного поля на рамку с током и помогают объяснить работу электродвигателя. Позднее те же принципы понадобятся при изучении электродвигателей, электрических измерительных приборов и преобразования электрической энергии. Во всех случаях полезно проследить, как взаимодействие тока и магнитного поля приводит к движению или изменению показаний прибора.
Почему железный сердечник усиливает электромагнит?
Железо намагничивается под действием поля катушки и само создаёт дополнительное магнитное поле. Поэтому поле электромагнита с сердечником сильнее, чем у такой же катушки без него.
От чего зависит сила действия электромагнита?
Она зависит от силы тока в обмотке и числа витков: при увеличении любого из этих значений магнитное действие обычно усиливается. Также на него влияет наличие и свойства железного сердечника.
Как реле переключает цепь?
Ток в обмотке создаёт магнитное поле, которое притягивает подвижный якорь. Якорь переключает контакты другой цепи, замыкая её или размыкая.
Почему электрический звонок звучит непрерывно, а не ударяет один раз?
Когда электромагнит притягивает якорь, контакты размыкаются и ток прекращается. Якорь возвращается пружиной, контакты снова замыкаются, и цикл повторяется, пока звонок подключён.
За счёт чего вращается рамка в электродвигателе?
На противоположные стороны рамки с током в магнитном поле действуют силы, создающие вращающий момент. После каждого полуоборота направление тока в рамке меняют, чтобы вращение продолжалось в прежнюю сторону.
29. Практическое применение электромагнетизма
