§ 18. Электромагнит

Определения и обозначения

Электромагнит — устройство, в котором магнитное действие тока усиливается катушкой и обычно железным сердечником. Его основными частями служат провод, намотанный витками, и сердечник внутри намотки. Электромагнит нужен там, где магнитное действие требуется включать, выключать или изменять.

Катушка с током — проводник, намотанный витками, по которому проходит электрический ток. Каждый виток создаёт магнитное поле, а вместе они образуют поле всей катушки. Катушка нужна, чтобы получить заметное магнитное действие от тока.

Сердечник — деталь из железа или стали, помещённая внутрь катушки. Под действием её поля сердечник намагничивается и усиливает общее магнитное действие устройства. Он помогает электромагниту сильнее притягивать железные предметы.

Полюса электромагнита — участки его концов, соответствующие северному и южному полюсам магнита. Их расположение можно определить по направлению тока в витках с помощью правила определения направления магнитного поля. Это позволяет понять, каким концом электромагнит будет притягивать или отталкивать другой магнит.

Как это устроено

Когда по проводу течёт ток, вокруг него возникает магнитное поле. В катушке провод многократно согнут в витки, поэтому поля каждого витка накладываются друг на друга. Внутри катушки они направлены согласованно и складываются, а снаружи поле похоже на поле постоянного магнита. Поэтому катушка с током может притягивать железные предметы и взаимодействовать с другими магнитами.

Если внутрь катушки поместить железный сердечник, поле катушки намагничивает его. В железе есть множество маленьких областей, которые могут ориентироваться под действием внешнего магнитного поля. Когда они выстраиваются согласованнее, сердечник сам становится источником дополнительного магнитного поля. Оно усиливает поле катушки, поэтому весь электромагнит действует заметнее, чем катушка без сердечника.

Магнитное действие зависит от силы тока и числа витков. При увеличении силы тока поле, создаваемое каждым участком провода, становится сильнее, поэтому обычно усиливается и поле катушки. Если увеличить число витков, возрастает число участков провода, поля которых складываются. Поэтому электромагнит обычно притягивает сильнее; результат можно проверить, сравнив, сколько железных скрепок он удерживает.

Направление тока в витках определяет направление магнитного поля катушки. По нему устанавливают, на каком конце находится северный полюс, а на каком — южный. Если поменять местами соединения с источником тока, направление тока изменится на противоположное. Тогда северный и южный полюса поменяются местами, хотя увеличение или уменьшение силы тока само по себе их не переставляет.

У электромагнита есть полезное отличие от постоянного магнита: его действие связано с током. Пока ток проходит по катушке, она создаёт магнитное поле, а после прекращения тока действие обычно ослабевает. Так можно управлять притяжением: включать устройство только тогда, когда нужно удержать или переместить железный предмет. Этот принцип используют, например, в подъёмных устройствах и электрических звонках.

Что влияет на действие электромагнита

В таблице разделяй изменения, которые усиливают магнитное действие, и изменение, которое переставляет полюса. Чтобы проверить вывод, сравнивай условия по одному: например, оставь число витков прежним, а силу тока увеличь. Так можно понять, какой именно фактор повлиял на результат.

Разбор задач

Проверяем, действует ли катушка как магнит

Условие. Катушку подключили к источнику тока и поднесли к ней скрепки. Нужно проверить, стала ли катушка магнитом. Для проверки используем то, что железные предметы притягиваются магнитным полем.

1. Убедимся, что цепь замкнута и ток действительно проходит по катушке. Без тока магнитного действия, связанного с катушкой, не будет. Поэтому подключение важно проверить до опыта.
2. Поднесём к катушке несколько железных скрепок и посмотрим, притянутся ли они. Скрепки из железа подходят для проверки магнитного действия. Следим, чтобы они не касались оголённых частей проводов или источника.
3. Сравним результат при включённом и выключенном токе. Если скрепки притягиваются при включённом токе, а после его отключения притяжение ослабевает, это показывает действие катушки как магнита. Такой опыт проверяет именно связь магнитного действия с током.

Ответ. Катушка стала действовать как магнит, если при прохождении тока притягивает железные скрепки. Проверка выключением тока помогает убедиться, что притяжение связано с током.

Сравниваем две катушки

Условие. У двух катушек одинаковые сердечники и одинаковая сила тока. Во второй катушке больше витков. Нужно определить, какая катушка сильнее притягивает железные предметы.

1. Сначала перечислим одинаковые условия: сердечники и сила тока у катушек совпадают. Значит, различие в притяжении нельзя объяснить этими двумя факторами. Остаётся сравнить число витков.
2. Во второй катушке витков больше, поэтому больше магнитных полей отдельных витков складываются. При прочих равных это обычно усиливает общее поле катушки. Следовательно, ожидаем более сильное притяжение.
3. Проверить вывод можно одинаковыми железными предметами при одинаковом расстоянии до каждой катушки. Нужно сравнивать катушки в равных условиях, иначе опыт будет нечестным. Не следует менять одновременно силу тока или сердечник.

Ответ. Обычно сильнее притягивать будет вторая катушка, потому что в ней больше витков, а остальные условия одинаковы.

Усиливаем электромагнит

Условие. Электромагнит поднимает недостаточно тяжёлый груз. Нужно предложить два изменения его устройства или режима работы, которые могут усилить притяжение. Выбираем факторы, усиливающие магнитное действие.

1. Можно увеличить силу тока в катушке, если источник и провода рассчитаны на такой режим. Более сильный ток создаёт более сильное магнитное поле. Нельзя превышать допустимую нагрузку: провод может нагреться.
2. Можно увеличить число витков катушки. Тогда складываются поля большего числа витков, поэтому притяжение обычно становится сильнее. При сравнении остальных условий лучше оставить прежними.
3. Другой возможный способ — поместить внутрь катушки железный сердечник или заменить сердечник на подходящий железный. Он намагнитится и усилит общее поле. В задаче требуются два изменения, поэтому достаточно выбрать любые два из этих способов.

Ответ. Увеличить силу тока и число витков; также можно использовать железный сердечник. Любое изменение следует проводить безопасно и не допускать перегрева устройства.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что катушка притягивает железные предметы и без тока. Её допускают, потому что катушка внешне похожа на магнит, но её магнитное действие связано с прохождением тока. Проверь себя: отключи ток и сравни притяжение; если оно ослабло, причина была в токе.

Ошибка — думать, что сердечник создаёт магнитное поле сам по себе. На деле в электромагните он намагничивается под действием поля катушки и усиливает общее действие. Чтобы проверить себя, вспомни, что сердечник помещают внутрь катушки с током, а не считают отдельным источником тока.

Ошибка — полагать, что увеличение числа витков обязательно меняет полюса. Число витков влияет на силу магнитного действия, а расположение полюсов связано с направлением тока. Проверь себя: если направление тока оставили прежним, увеличение числа витков само по себе не должно переставить полюса.

Ошибка — смешивать увеличение силы тока с изменением её направления. Увеличение силы обычно усиливает поле, а изменение направления меняет местами северный и южный полюса. Перед ответом уточни, что именно изменилось: величина тока или направление его прохождения по катушке.

Связь с другими темами

Для изучения электромагнита нужно знать, что электрический ток создаёт магнитное поле. Ещё пригодится умение определять направление этого поля по правилу, изученному при разборе магнитного действия тока. Новая тема показывает, как усилить и использовать это действие с помощью катушки и сердечника.

Электромагниты встречаются в электрических приборах и устройствах, где ток управляет магнитным действием. Поэтому эта тема помогает понять работу подъёмных механизмов и звонков. Позже те же идеи пригодятся при изучении других устройств, в которых электрические и магнитные явления связаны.

Что запомнить

• Катушка с током создаёт магнитное поле.
• Катушка с сердечником образует электромагнит.
• Железный сердечник усиливает магнитное действие катушки.
• При увеличении силы тока магнитное действие электромагнита усиливается.
• При увеличении числа витков магнитное действие электромагнита обычно усиливается.
• Изменение направления тока меняет местами полюса электромагнита.