3. Электромагниты

Определения и обозначения

Электромагнит — устройство, в котором магнитное действие создаётся электрическим током и обычно усиливается железным сердечником. Это позволяет управлять магнитом с помощью электрической цепи: включать, выключать и изменять его действие.

Катушка с током — проводник, намотанный множеством витков, по которому проходит ток. Каждый виток создаёт магнитное поле, поэтому катушка становится основой электромагнита и может притягивать железные предметы.

Сердечник — деталь из магнитного материала, помещённая внутрь катушки. Железо намагничивается в поле катушки и делает магнитное действие значительно сильнее, поэтому сердечник особенно полезен в устройствах, где нужно поднять или удержать груз.

Полюса электромагнита — области у концов катушки, где магнитное действие проявляется наиболее сильно. У электромагнита есть северный и южный полюса, а их положение определяется направлением тока в витках.

Как это устроено

Ток в каждом витке катушки создаёт вокруг него магнитное поле. Внутри катушки направления полей соседних витков совпадают, поэтому эти поля складываются, а не уничтожают друг друга. Чем больше общий результат сложения, тем заметнее магнитное действие катушки. Поэтому даже обычный проводник, свернутый в множество витков, может действовать подобно магниту.

У катушки с током образуются два полюса, потому что магнитное поле внутри неё имеет определённое направление и выходит наружу у одного конца, возвращаясь к другому. Положение северного и южного полюсов зависит от направления тока в витках. Определить его можно правилом правой руки: если согнутые пальцы направлены по току, большой палец показывает направление поля внутри катушки и указывает на северный полюс. При изменении направления тока направление поля также меняется.

Железный сердечник помещают внутрь катушки не для создания исходного магнитного поля, а для его усиления. Под действием поля катушки небольшие магнитные области внутри железа ориентируются более согласованно, и сердечник сам намагничивается. В результате поле катушки и поле сердечника складываются. Поэтому электромагнит с железным сердечником действует сильнее, чем такая же катушка без него.

Магнитное действие можно регулировать, изменяя условия работы катушки. При увеличении силы тока поле каждого витка становится сильнее, а при увеличении числа витков возрастает общий результат их действия. После размыкания цепи ток прекращается, и поле катушки исчезает, поэтому электромагнит перестаёт удерживать предмет. Железо иногда сохраняет слабую остаточную намагниченность, но прежнего действия обычно уже нет.

От чего зависит магнитное действие электромагнита

Чтобы пользоваться таблицей, сначала найдите изменение в левом столбце, а затем сравните его с результатом и причиной. Если меняют только один фактор, можно понять, именно он усилил или ослабил действие электромагнита. При сравнении опытов остальные условия стараются сохранять одинаковыми.

Разбор задач

Задача 1

Катушка подключена к источнику тока. Объясните, почему она притягивает железные скрепки. Нужно установить причину действия катушки и не приписывать его только внешнему виду провода. Рассмотрим происходящее по шагам.

1. После подключения цепи по виткам катушки начинает проходить электрический ток.
2. Каждый виток создаёт магнитное поле, а поля витков внутри катушки складываются.
3. Катушка приобретает северный и южный полюса и действует как магнит.
4. Железо скрепок намагничивается в поле катушки, поэтому скрепки притягиваются.

Ответ: скрепки притягиваются потому, что ток в катушке создаёт складывающееся магнитное поле. Катушка становится магнитом, а железные скрепки намагничиваются и притягиваются к её полюсам.

Задача 2

Как изменится магнитное действие катушки, если увеличить силу тока, не меняя число витков и сердечник? Здесь изменяется только один фактор, поэтому удобно использовать зависимость из таблицы. Изменение направления тока не происходит, значит, вопрос касается силы действия, а не положения полюсов.

1. Увеличение силы тока делает поле каждого витка более сильным.
2. Число витков и сердечник остаются прежними, поэтому их влияние не меняется.
3. Суммарное поле катушки становится сильнее.

Ответ: магнитное действие катушки усилится. Её полюса останутся на тех же местах, если направление тока не изменилось.

Задача 3

У электромагнита нужно поменять местами северный и южный полюса. Что следует изменить в цепи и почему? Полюса определяются направлением магнитного поля, а оно связано с направлением тока в витках. Значит, нужно изменить именно направление, а не только величину тока.

1. Отключите источник и поменяйте местами его выводы либо переключите соединения так, чтобы ток пошёл в обратную сторону.
2. После включения ток в каждом витке будет направлен противоположно прежнему.
3. По правилу правой руки направление поля изменится на обратное.
4. Бывший северный полюс станет южным, а бывший южный — северным.

Ответ: нужно изменить направление тока в катушке. Тогда направление магнитного поля изменится, и северный и южный полюса поменяются местами.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что катушка притягивает железо только благодаря сердечнику. Ток создаёт магнитное поле, а сердечник лишь усиливает его; такую ошибку допускают, потому что сердечник хорошо заметен в конструкции. Проверка проста: представьте или рассмотрите катушку без сердечника — при токе она тоже проявляет магнитное действие.

Ошибка: полагать, что увеличение числа витков ослабляет электромагнит. При прочих равных полевые действия большего числа витков складываются и усиливают общий результат. Проверьте себя вопросом: изменилось ли направление полей витков или добавились витки с тем же направлением поля?

Ошибка: путать увеличение силы тока с изменением его направления. Сила тока влияет на выраженность магнитного действия, а направление определяет расположение северного и южного полюсов. Чтобы не ошибиться, отдельно спросите: ток стал больше или пошёл в обратную сторону?

Ошибка: считать, что после выключения тока электромагнит сохраняет прежнее действие. Без тока поле катушки исчезает, хотя железный сердечник может немного намагнититься. Проверить это можно размыканием цепи: удерживаемый предмет обычно отпадает или удерживается значительно слабее.

Связь с другими темами

Для понимания электромагнитов нужно знать, что электрический ток создаёт магнитное поле. Также полезно уметь определять направление поля вокруг проводника и понимать, что изменение направления тока меняет направление поля.

Эта тема связана с действием магнитного поля на проводник с током и с принципом работы электрических двигателей. Электромагниты применяются в реле, звонках, подъёмных устройствах и других приборах, где магнитным действием нужно управлять электрическим током.

Что запомнить

• Катушка с током создаёт магнитное поле.
• Магнитные поля отдельных витков складываются.
• У катушки с током есть северный и южный полюса.
• Железный сердечник усиливает магнитное действие катушки.
• Увеличение силы тока или числа витков усиливает электромагнит.
• Изменение направления тока меняет местами полюса.
• Электромагнитом можно управлять, включая и выключая ток.