Магнитное поле катушки с током. Электромагниты
Урок 35. Физика 8 класс (ФГОС)
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.
Получите невероятные возможности
Конспект урока «Магнитное поле катушки с током. Электромагниты»
На прошлом уроке мы говорили о том, что вокруг любого проводника с током существует магнитное поле.
Большой практический интерес представляет магнитное поле катушки с током — соленоида (так называют такую катушку в технике). Она представляет собой намотанную на цилиндрическую поверхность проволоку, причём длина обмотки во много раз больше её диаметра.
Если пропустить по такой катушке ток, то она приобретёт свойство притягивать к себе лёгкие металлические предметы.
Применяя железные опилки, можно получить картину линий магнитного поля катушки с током.
Как видим, внутри катушки магнитные линии параллельны друг другу, а на концах расходятся и замыкаются вне катушки. Таким образом, линии магнитного поля катушки с током, также, как и прямого тока, являются замкнутыми кривыми.
Принято считать, что вне катушки они направлены от её северного полюса к южному.
Для определения направления линий магнитного поля можно использовать правило правой руки, но только для соленоида. Если ладонью правой руки обхватить катушку с током так, чтобы четыре пальца расположились по направлению тока, то отставленный большой палец укажет направление линий магнитного поля внутри катушки.
Теперь выясним, можно ли как-нибудь увеличить силу магнитного поля катушки с током. Для этого проделаем такой опыт. Возьмём две катушки, в одной из которых число витков проволоки больше, чем во второй. И присоединим их к одинаковым источникам тока.
Замкнув цепь, мы увидим, что при одинаковой силе тока, катушка с большим числом витков, притянет к себе больше железных предметов. Значит, магнитное поле катушки с током тем сильнее, чем больше число витков в ней.
Теперь видоизменим наш опыт. Включим катушку в электрическую цепь, содержащую реостат и с его помощью будем изменять силу тока в цепи.
При увеличении силы тока, сила магнитного поля катушки с током увеличивается, а при уменьшении силы тока — уменьшается. Значит, сила магнитного поля катушки с током зависит от силы тока.
Но, кроме описанных нами двух способов усилить магнитное поле катушки, есть и ещё один. Этот способ впервые придумал Д. Араго, поместив внутрь катушки металлический стержень.
Араго заметил, что даже при постоянной силе тока и числе витков, магнитное поле катушки значительно увеличивается, если внутри катушки с током находится железный стержень.
Впоследствии железный стержень стали называть сердечником, а катушку с сердечником — электромагнитом. Назначение электромагнита понятно из названия: с помощью электрического тока создаётся мощный магнит.
Электромагнит, который представлен на рисунке, может удержать груз массой в десятки килограммов даже при небольшой силе тока в катушках, что недоступно никакому постоянному магниту.
Электромагниты, благодаря возможности регулировать их магнитное действие, широко используются людьми. Например, электромагниты, используемые на производстве, способны удерживать и переносить тонны металлического груза. Ещё недавно казалось, что поезд на магнитной «подушке» — это дело отдалённого будущего. Сегодня такие поезда построены, в Китае и Японии они уже находятся в эксплуатации. Поезд не имеет колёс, а «плывёт» над длинной магнитной полосой, заменяющей рельсы. Под магнитной полосой расположены мощные электромагниты, создающие необходимое магнитное поле. Поезда на магнитной подушке не испытывают трения, не загрязняют атмосферу и практически бесшумны.
Ещё одно применение магнита — использование его в электрическом звонке.
При нажатии кнопки цепь звонка замыкается, железная пластинка, называемая якорем, притягивается к электромагниту и молоточек ударяет по звонковой чаше. При этом контакт с винтом нарушается, ток в электромагните прекращается, и пружина возвращает якорь в прежнее положение. Затем всё повторяется снова.
Как можно усилить магнитные свойства катушки током
Электрический ток и магнитный поток
Интенсивность магнитного поля можно определить числом линий магнитного потока, которое приходится на единицу площади. Магнитное поле возникает всюду, где протекает электрический ток, причем магнитный поток в воздухе пропорционален последнему. Прямой провод, несущий ток, можно согнуть в виток. При достаточно малом радиусе витка это приводит к возрастанию магнитного потока. При этом сила тока не увеличивается.
Эффект концентрации магнитного потока можно еще усилить, увеличивая количество витков, т. е. скручивая провод в катушку. Справедливо и обратное. Магнитное поле катушки с током можно ослабить, если уменьшить количество витков.
Выведем важное соотношение. В точке максимальной плотности магнитного потока (в ней на единицу площади приходится больше всего линий потока) соотношение между электрическим током I, числом витков провода n и магнитным потоком В выражается так: In пропорционально В. Ток в 12 А, текущий по катушке из 3 витков, создает точно такое же магнитное поле, как и ток в 3 А, текущий по катушке из 12 витков. Это важно знать, решая практические задачи.
Вариант 1
1. Приведите примеры промышленного использования электромагнитов.
2. Какие изменения в свойствах электромагнита произойдут, если внутрь катушки внести железный стержень?
3. На рисунке указаны полюса источника тока, к которому присоединен электромагнит. Какой полюс электромагнита располагается наверху?
4. На рисунке указано положение северного полюса электромагнита. Где располагается положительная клемма источника тока?
5. Почему северный полюс магнитной стрелки показывает на север?
Соленоид
Катушка из намотанного провода, создающая магнитное поле, называется соленоидом. Провода можно наматывать на железо (железный сердечник). Подойдет и немагнитная основа (например, воздушный сердечник). Как вы видите, можно использовать не только железо, чтобы создать магнитное поле катушки с током. С точки зрения величины потока любой немагнитный сердечник эквивалентен воздуху. То есть приведенное выше соотношение, связывающее ток, число витков и поток, в этом случае выполняется достаточно точно. Таким образом, магнитное поле катушки с током можно ослабить, если применить эту закономерность.
Использование железа в соленоиде
Для чего в соленоиде используется железо? Его наличие влияет на магнитное поле катушки с током в двух отношениях. Оно увеличивает магнитное действие тока, часто в тысячи раз и более. Однако при этом может нарушаться одна важная пропорциональная зависимость. Речь идет о той, которая существует между магнитным потоком и током в катушках с воздушным сердечником.
Микроскопические области в железе, домены (точнее, их магнитные моменты), при действии магнитного поля, которое создается током, строятся в одном направлении. В результате при наличии железного сердечника данный ток создает больший магнитный поток на единицу сечения провода. Таким образом, плотность потока существенно возрастает. Когда все домены выстраиваются в одном направлении, дальнейшее увеличение тока (или числа витков в катушке) лишь незначительно повышает плотность магнитного потока.
Расскажем теперь немного об индукции. Это важная часть интересующей нас темы.
Главное.
Для перевода кратных и дольных единиц измерения в СИ нужно помнить степень 10, которую показывает приставка (например кило-, санти-, и т. д.).
Несколько основных кратных единиц измерения:
Кило — [к] — 10³. Пример: 1 км = 10³ м (километр).
Мега — [М] — 10⁶. Пример: 1 МПа = 10⁶ Па (мегапаскаль).
Гига — [Г] — 10⁹. Пример: 1 ГГц = 10⁹ Гц (гигагерц).
Тера — [Т] — 10¹². Пример: 1 ТВ = 10¹² В (терравольт).
Пета — [П] — 10¹⁵. Пример: 1 ПН = 10¹⁵ Н (петаНьютон).
Другие используются достаточно редко.
Несколько основных дольных единиц измерения:
Деци — [д] — 10⁻¹. Пример: 1 дм = 10⁻¹ м (дециметр).
Санти — [c] — 10⁻². Пример: 1 см = 10⁻² м (сантиметр).
Милли — [м] — 10⁻³. Пример: 1 мН = 10⁻³ Н (миллиньютон).
Микро — [мк] — 10⁻⁶. Пример: 1 мкКл = 10⁻⁶ Кл (микрокулон).
Нано — [н] — 10⁻⁹. Пример: 1 нс = 10⁻⁹ с (наносекунда).
Пико — [п] — 10⁻¹². Пример: 1 пФ = 10⁻¹² Ф (пикофарад).
Другие используются также достаточно редко.
Индукция магнитного поля катушки с током
Хотя магнитное поле соленоида с железным сердечником гораздо сильнее магнитного поля соленоида с воздушным сердечником, величина его ограничена свойствами железа. Размер того, которое создается катушкой с воздушным сердечником, теоретически не имеет предела. Однако, как правило, получать огромные токи, необходимые для создания поля, сравнимого по величине с полем соленоида с железным сердечником, очень трудно и дорого. Не всегда следует идти этим путем.
Что будет, если изменить магнитное поле катушки с током? Это действие может породить электрический ток точно так же, как ток создает магнитное поле. При приближении магнита к проводнику магнитные силовые линии, пересекающие проводник, индуцируют в нем напряжение. Полярность индуцированного напряжения зависит от полярности и направления изменения магнитного потока. Этот эффект значительно сильнее проявляется в катушке, чем в отдельном витке: он пропорционален числу витков в обмотке. При наличии железного сердечника индуцированное напряжение в соленоиде увеличивается. При таком способе необходимо движение проводника относительно магнитного потока. Если проводник не будет пересекать линии магнитного потока, напряжение не возникнет.
Постоянные магниты. Что это?
Китайцы, как и греки, тоже замечали интересное свойство некоторых минералов притягивать к себе железосодержащие предметы. Слово «притягивать» китайцы ассоциируют со словами «прижиматься», «любить» и поэтому назвали такие минералы «чу-ши», что значит «любящий камень». Так как эти минералы создала природа, и человек не мог повлиять на естественное действие камней, их стали называть постоянными магнитами.
Магнитный железняк.
Древние люди приписывали магнитному железняку свойства «живой души». Минерал, по их словам, устремлялся к железу, как собака к куску мяса. Ученые объясняют отношение древних к явлениям природы незнанием физики.
На самом деле, все заключается в особом виде материи – поле.
Магнитное поле и притягивает к постоянному магниту железные предметы, ведь, например, мелкие гвоздики или кнопки устремляются к магниту даже без соприкосновения с ним, а на некотором расстоянии.
Магнетит (природный магнитный железняк) проявляет свойства притягивания не очень сильно. Человеком на его основе созданы искусственные магниты с более мощным магнитным полем. В качестве материала в них используются такие металлы, как кобальт, никель и, конечно же, железо. Такие металлы способны намагничиваться, попадая в магнитное поле, а потом становятся самостоятельными магнитами.
Разные формы искусственных магнитов. Источник
Какую бы форму не имел магнит, у него есть участки, где наиболее сильно проявляются магнитные свойства. Эти участки называют магнитными полюсами. У каждого, даже самого маленького магнита, есть два полюса. Современные технологии позволяют намагничивать металлические предметы так, что у них образуется и 4 и 6 полюсов.
Увидеть, как по-разному притягиваются железные опилки к магниту, можно на простейшем опыте с дугообразным школьным магнитом. Просто поднести к опилкам магнит, опилки тут же «прилипнут» к нему:
Дугообразный магнит.
Полюсами такого магнита будут края дуги, где больше всего скопилось железных опилок.
У полосового магнита, форма которого прямоугольный параллелепипед, полюса находятся далеко друг от друга. Чем ближе к середине, тем меньше проявляются магнитные свойства.
Полосовой магнит.
Как получают энергию
Электрические генераторы вырабатывают ток на основе тех же принципов. Обычно магнит вращается между катушками. Величина индуцированного напряжения зависит от величины поля магнита и скорости его вращения (они определяют скорость изменения магнитного потока). Напряжение в проводнике прямо пропорционально скорости магнитного потока в нем.
Во многих генераторах магнит заменен соленоидом. Для того чтобы создать магнитное поле катушки с током, соленоид подключают к источнику тока. Какой в этом случае будет электрическая мощность, вырабатываемая генератором? Она равна произведению напряжения на силу тока. С другой стороны, взаимосвязь тока в проводнике и магнитного потока позволяет использовать поток, создаваемый электрическим током в магнитном поле, для получения механического движения. По этому принципу работают электродвигатели и некоторые электроизмерительные приборы. Однако для создания движения в них необходимо затрачивать дополнительную электрическую мощность.
Электромагниты и их применение
Электромагниты используют настолько повсеместно, что, пожалуй, трудно назвать электромеханический прибор, в котором бы они не применялись. Двери в подъездах удерживаются электромагнитами.
Электродвигатели самых различных устройств преобразуют электрическую энергию в механическую с помощью электромагнитов. Звук в колонках создается с помощью магнитов. И это далеко не полный список. Огромное количество удобств современной жизни обязано своим существованием применению электромагнитов.
Сильные магнитные поля
В настоящее время, используя явление сверхпроводимости, удается получать невиданной интенсивности магнитное поле катушки с током. Электромагниты могут быть очень мощными. При этом ток протекает без потерь, т. е. не вызывает нагрева материала. Это позволяет применять большое напряжение в соленоидах с воздушным сердечником и избежать ограничений, обусловленных эффектом насыщения. Очень большие перспективы открывает такое мощное магнитное поле катушки с током. Электромагниты и их применение не зря интересуют множество ученых. Ведь сильные поля могут использоваться для движения на магнитной «подушке» и создания новых видов электродвигателей и генераторов. Они способны высокую мощность при малой стоимости.
Энергия магнитного поля катушки с током активно используется человечеством. Она уже долгие годы широко применяется, в частности на железных дорогах. О том, как используются магнитные линии поля катушки с током для регулирования движения поездов, мы сейчас и поговорим.
Регулирование движения на железной дороге
Движение плоского магнита включает сигнальный звонок или сирену. Далее происходит следующее. Через пару секунд кабина машиниста проходит над электромагнитом, который связан со светофором. Если тот дает поезду зеленую улицу, то электромагнит оказывается под напряжением и ось постоянного магнита в вагоне поворачивается в свое первоначальное положение, выключая сигнал в кабине. Когда же на светофоре горит красный или желтый свет, электромагнит бывает выключен, и тогда после некоторой задержки автоматически включается тормоз, если, конечно, это забыл сделать машинист. Тормозная цепь (как и звуковой сигнал) подключается к сети с момента поворота оси магнита. Если магнит во время задержки возвращается в первоначальное положение, то тормоз не включается.
Указатель юга и севера – компас. Полюсы магнитные
«Указатель юга» — так называли древние китайцы свое изобретение. Это был прибор в форме ложки, изготовленный из природного магнита. Ложка могла вращаться вокруг вертикальной оси.
Древний китайский компас.
Ручка ложки указывала южное направление. Она была северным полюсом ложки-магнита.
Развитие науки не остановилось, и современные компасы уже имеют другой вид:
Разные виды компасов.
Магнитная стрелка, главный элемент компаса, — это постоянный магнит и имеет два полюса. Конец стрелки, указывающий на географический Север, называют северным (N), а противоположный – южным (S) полюсом. Отсюда и название полюсов различных магнитов.
Раскраска магнитов в красный и синий цвета условна, реже используются и другие цвета. Существенным является то, что полюсы магнитов существуют только парами. Если распилить, например, полосовой магнит, получатся два полосовых магнита, и у них будет снова по два полюса: северный и южный.
В школьных лабораторных работах используются маленькие магниты на подставке, которые насаживаются на тонкую иглу и могут свободно вращаться вокруг этой иглы. Такие устройства называются магнитными стрелками, как подобие стрелок компасов.
С помощью стрелок изучается взаимодействие полюсов магнитов. Если приблизить стрелки друг к другу, они начинают поворачиваться и установятся по следующему правилу:
Земной шар является огромным магнитом, у которого есть свои полюсы. Но нельзя путать магнитные полюсы Земли с географическими. Согласно правилу, синий (северный) конец стрелки должен поворачиваться к Южному полюсу земного шара, так как притягиваются разноименные полюсы. Да, действительно, это так. Южный магнитный полюс Земли находится вблизи Северного географического полюса, но не в той же точке, а чуть в стороне, на острове Принца Уэльского. Северный магнитный полюс находится в Антарктиде, где и Южный географический.
Источник
Месторасположение магнитных полюсов Земли не остается постоянным. Полюсы смещаются на расстояние нескольких десятков километров в год.
Очень широк список областей, где применяются магниты:
От изучения природных магнитных явлений человек давно шагнул к элетромагнитным явлениям, без чего невозможно развитие знаний об электричестве и электрическом токе.
Каким способом можно усилить магнитное поле катушки?
Каким способом можно усилить магнитное поле катушки?
усилить магнитное поле катушки с током можно если в неё вставить железный сердечник или сердечник из материала ферромагнетика
Дело в том, что там, где есть электрический ток, там обязательно сосуществует и электрическое, и магнитное поле.
Чтобы понять где можно найти эти два поля одновременно, нужно разобраться и вспомнить что такое электричество, ток.
Это движение частиц с зарядом.
Выходит, что первый вариант сразу отпадает, так как неподвижная частица не образует электрическое поле.
Магнитный поток, величина характеризующая магнитное поле в конкретном месте зависит от трех величин. 1) Магнитный поток естественно зависит от площади контура, через который он проходит, чем больше площадь, тем больше магнитный поток.
2) Магнитный поток также естественно зависит от величины магнитной индукции (силы магнитного поля), чем сильнее поле, тем больше магнитный поток.
3) Магнитный поток зависит еще от угла между векторами магнитной индукции и нормалью к контуру, то есть от ориентации контура по отношению к магнитным линиям. Наиболее максимальным магнитный поток будет когда поток перпендикулярен контуру и будет равен нулю, когда линии проходят параллельно контуру.
Каким образом можно усилить магнитное поле катушки с током?
С помощью увеличения потребляемой катушкой мощности. И с помощью ферромагнитного сердечника.
Наибольшей мощности электромагнита можно достичь не только поместив в него магнитомягкий сердечник, но и поместив это все в чашку из такого же материала. Срез чашки должен быть на уровне керна. Так же желательно чтобы площадь среза чашки была равна площади керна.
Частота 10 Гц легко переводится в угловую частоту (напомню, что ω = 2пи*f).
Чем вызвано, не знаю. Но полюс, действительно, движется.
Однако инверсии магнитного поля поля бояться не стоит. Последняя была около 780 тысяч лет назад. Все живое выжило. Конечно, если она произойдет, социальная сфера сильно напряжется, но человечество выживет.
