"Физика", Перышкин А.В.
Катушка с током создаёт магнитное поле, похожее на поле полосового магнита: у неё есть северный и южный полюса. Поля отдельных витков складываются, поэтому катушка действует как единый магнит. Если внутрь поместить железный сердечник, поле становится сильнее — получается электромагнит. Его действие можно включать и выключать, а направление тока позволяет менять полюса. Это свойство используют в приборах и устройствах автоматики.
Текст подготовлен нейронной сетью по теме параграфа и не заменяет учебник — важные факты и формулировки сверяйте с ним.
Катушка с током — проводник, намотанный витками, по которому проходит электрический ток. Каждый виток создаёт магнитное поле, а внутри катушки поля направлены одинаково и складываются. Поэтому катушка действует сильнее, чем один виток, и её можно рассматривать как единый источник магнитного поля.
Магнитное поле катушки с током — поле, создаваемое током в её витках. Его картина напоминает поле полосового магнита: у катушки есть два полюса, северный и южный. Это сходство помогает предсказывать, как катушка будет взаимодействовать с магнитами и другими токами.
Электромагнит — катушка с током, обычно дополненная железным сердечником. Такая конструкция позволяет получить более сильное магнитное действие и управлять им с помощью электрической цепи. Это нужно в устройствах, где магнит должен включаться и выключаться.
Сердечник — материал, помещённый внутрь катушки и намагничивающийся под действием её поля. Обычно используют железо, потому что оно заметно усиливает магнитное действие катушки. Сердечник не заменяет ток: он усиливает поле, созданное витками.
Магнитное поле катушки возникает благодаря полям её витков. Внутри катушки магнитные действия соседних витков направлены одинаково, поэтому усиливают друг друга. Снаружи направление поля меняется, и линии поля замыкаются, как у полосового магнита. Поэтому катушка создаёт магнитное поле и внутри, и за своими пределами.
У катушки есть северный и южный полюса, потому что её магнитное поле имеет направление. Какой торец будет северным, зависит от направления тока в витках. Если изменить направление тока, изменится и направление поля, поэтому северный и южный полюса поменяются местами. Сама катушка при этом не перемещается — меняется только её магнитное действие.
Для определения полюса мысленно смотрят на катушку со стороны одного из её торцов. Если ток в витках виден идущим против часовой стрелки, рассматриваемый торец является северным; если по часовой — южным. Это правило относится именно к направлению тока, видимому с выбранной стороны. Поэтому перед определением полюса нужно уточнить, на какой торец мы смотрим.
Железный сердечник усиливает поле, потому что намагничивается в поле катушки. Внутри железа возникают собственные магнитные свойства, которые добавляются к действию витков. В результате магнитное действие катушки с сердечником становится заметно сильнее. Если убрать сердечник, катушка продолжит создавать поле, но оно будет слабее.
Электромагнитом можно управлять через электрическую цепь. При размыкании цепи ток прекращается, и магнитное действие исчезает или ослабевает; при замыкании оно возникает снова. Изменение силы тока также меняет магнитное действие электромагнита, а изменение направления тока переставляет его полюса. Это удобно там, где магнитное притяжение требуется включать только в нужный момент.
| Свойство | Катушка с током без сердечника | Электромагнит |
|---|---|---|
| Из чего состоит | Из проводника, намотанного витками, и источника тока в цепи | Из катушки с током, обычно с железным сердечником |
| Источник магнитного поля | Ток в витках катушки | Ток в витках и намагниченный сердечник |
| Как определить полюса | По направлению тока, если смотреть на торец катушки | Так же: по направлению тока в витках со стороны торца |
| Влияние направления тока | При его изменении полюса меняются местами | При его изменении полюса также меняются местами |
| Роль сердечника | Сердечника нет | Сердечник намагничивается и усиливает поле |
| Возможность управлять магнитным действием | Можно менять, изменяя ток или размыкая цепь | Можно менять, изменяя ток или размыкая цепь |
| Примеры применения | Изучение магнитного поля тока и создание магнитного поля | Реле, электрические двигатели, подъёмные устройства |
Сравнивайте сначала состав устройств: наличие сердечника отличает обычную катушку от электромагнита в типичном исполнении. Затем смотрите, что создаёт поле и как меняются полюса при перемене тока. Таблица показывает, что управляемость зависит от тока, а сердечник усиливает магнитное действие.
Условие. По изображённому направлению тока в витках нужно определить, какой торец катушки является северным полюсом. Считать направление тока следует так, как оно видно со стороны одного из торцов. Сам рисунок здесь не задан, поэтому решение показывает, как применить правило к любой схеме.
Ответ. Торец, со стороны которого ток идёт против часовой стрелки, — северный. Если видимое направление тока по часовой стрелке, этот торец южный.
Условие. В катушке изменили направление тока на противоположное. Нужно установить, как изменятся её полюса и магнитное поле. Сила тока и расположение витков при этом остаются прежними.
Ответ. Полюса катушки поменяются местами. Катушка останется источником магнитного поля, но его направление изменится на противоположное.
Условие. В одну катушку вставили железный сердечник, а в другой увеличили силу тока. Нужно определить, усиливают ли эти изменения магнитное поле. Точных значений тока и свойств сердечника не дано, поэтому сравнение будет качественным.
Ответ. Сердечник усиливает поле первой катушки, а увеличение тока усиливает поле второй. Какое поле окажется сильнее, определить нельзя без сведений о величине тока и свойствах сердечника.
Ошибка: считать, что катушка создаёт поле только внутри себя. Такое впечатление возникает потому, что внутри витков действие поля особенно заметно, однако снаружи оно тоже существует. Проверка: вспомните, что поле катушки напоминает поле полосового магнита, а его линии не обрываются на краях катушки.
Ошибка: называть полюс, не уточнив, с какого торца рассматривается ток. Направление по часовой стрелке меняется на противоположное, если смотреть с другой стороны. Проверка: сначала мысленно выберите торец, затем определите видимое направление тока.
Ошибка: путать направление тока с направлением магнитных линий. Их направления связаны, но это не одно и то же: ток течёт по проводнику, а магнитное поле располагается вокруг него и в пространстве катушки. Проверка: отдельно проследите ток в витках, а затем по правилу определите полюс.
Ошибка: считать, что сердечник сам по себе создаёт поле электромагнита. Его роль состоит в том, чтобы намагнититься под действием поля катушки и усилить общее действие. Проверка: представьте, что цепь разомкнута и ток исчез; тогда сердечник не заменяет источник поля катушки.
Для изучения темы нужно знать, что электрический ток создаёт магнитное поле, и уметь пользоваться правилом правой руки для прямого проводника. Эти знания помогают связать направление тока с направлением магнитного действия. Позже принцип работы электромагнитов встретится при изучении действия магнитного поля на ток, электрического двигателя и реле. Понимание роли тока и сердечника помогает объяснить работу приборов и устройств автоматики.
Почему катушка с током похожа по магнитному действию на полосовой магнит?
Каждый виток с током создаёт магнитное поле. Внутри катушки поля витков направлены одинаково и складываются, а снаружи образуют картину, похожую на поле полосового магнита.
Как определить северный полюс катушки?
Посмотрите на торец катушки: если ток в витках идёт против часовой стрелки, этот торец — северный полюс. Если ток идёт по часовой стрелке, торец южный.
Что произойдёт с полюсами катушки, если изменить направление тока?
Направление магнитного поля изменится на противоположное. Северный и южный полюса поменяются местами.
Зачем в электромагнит вставляют железный сердечник?
Железо намагничивается под действием поля катушки и усиливает общее магнитное действие. Поэтому электромагнит с железным сердечником обычно притягивает сильнее, чем такая же катушка без него.
Где применяют электромагниты?
Их используют там, где магнитное действие нужно включать, выключать или менять: например, в реле, электрических двигателях и подъёмных устройствах для перемещения железных предметов. Конкретное применение зависит от конструкции прибора.
§ 59 Магнитное поле катушки с током. Электромагниты и их применение
