Магнитное поле катушки с током. Электромагниты
Введение
В предыдущих темах мы узнали, что электрический ток, протекая по проводнику, создаёт вокруг него магнитное поле. Опыты Эрстеда и Ампера показали, что поле тока можно обнаружить по его воздействию на магнитную стрелку и другие проводники. Но что произойдёт, если не просто прямой проводник, а длинный провод свернуть в спираль — катушку — и пропустить по ней ток?
Оказывается, такое простое изменение формы проводника приводит к очень интересным результатам. Магнитное поле катушки по своим свойствам напоминает поле постоянного магнита, а если внутрь катушки поместить железный сердечник, поле становится во много раз сильнее. Так рождается электромагнит — одно из важнейших изобретений, лежащее в основе работы сотен устройств, от простого звонка до мощных кранов на металлургических заводах.
В этой статье мы рассмотрим:
-
что представляет собой катушка и как обозначается в схемах;
-
каково магнитное поле катушки с током;
-
кто открыл явление электромагнетизма и впервые создал электромагнит;
-
как устроен и где применяется электромагнит.
Представление о катушке
Катушка с током — это проводник, свернутый в несколько витков, по которому проходит электрический ток. Каждый виток создаёт собственное магнитное поле, и эти поля суммируются, образуя общее, гораздо более сильное магнитное поле, чем у одного проводника.
Если витки расположены плотно, то такая катушка называется соленоидом. Магнитное поле внутри соленоида почти однородное и по структуре напоминает поле постоянного магнита — с двумя полюсами: северным (N) и южным (S).
Таким образом, катушка с током является искусственным магнитом, сила и направление которого зависят от силы тока и числа витков.
Понятие магнитного поля катушки
Магнитное поле катушки можно определить с помощью магнитной стрелки или железных опилок. Если провести такой опыт, то стрелки, расположенные вокруг катушки, покажут, что линии магнитного поля выходят из одного конца катушки и входят в другой.
Это поле имеет следующие свойства:
-
Оно похоже на магнитное поле постоянного магнита — у катушки есть северный и южный полюса.
-
Силу поля можно изменять, регулируя ток или число витков.
-
Направление поля зависит от направления тока в витках.
Для определения, где находится северный и где южный полюс катушки, применяют правило правой руки:
если обхватить катушку правой рукой так, чтобы пальцы указывали направление тока в её витках, то большой палец укажет направление магнитных линий внутри катушки — от южного к северному полюсу.
Обозначение катушки
В электрических схемах катушка обозначается специальным символом:
-
Без сердечника — простой спиральный зигзаг;
-
С сердечником — спираль с вертикальной чертой внутри.
Пример:
Такое обозначение помогает сразу определить, где в цепи находится устройство, создающее магнитное поле.
Открытие английского инженера Стёрджента
Явление усиления магнитного поля катушки при введении в неё железного сердечника впервые было открыто в 1825 году английским инженером Уильямом Стёрджентом.
Он обмотал кусок мягкого железа изолированным проводом и пропустил по нему электрический ток. Получившийся прибор мог поднимать железные предметы, во много раз превышающие собственный вес. Когда ток выключали, железо теряло свои магнитные свойства.
Так был изобретён электромагнит — устройство, в котором магнитное поле создаётся электрическим током. Это открытие стало одним из самых значительных шагов в развитии электротехники и физики XIX века.
Понятие электромагнита
Электромагнит — это катушка с током, внутри которой находится железный сердечник. При прохождении тока сердечник намагничивается, а магнитное поле усиливается во много раз.
Основные особенности электромагнита:
-
Сила магнитного поля зависит от силы тока и числа витков.
-
При выключении тока электромагнит теряет свои магнитные свойства.
-
В отличие от постоянного магнита, магнитное поле электромагнита можно регулировать.
Эти свойства делают электромагниты чрезвычайно удобными для использования в самых разных устройствах.
Обозначение электромагнита
В схемах электромагнит обозначают как катушку с сердечником, иногда подписывая букву «ЭМ». Сердечник может быть прямым, U-образным или П-образным, в зависимости от конструкции устройства.
Применение электромагнита
Электромагниты находят широкое применение в технике, промышленности и быту. Вот лишь некоторые примеры:
-
Электрические звонки и реле — когда ток проходит по катушке, якорь притягивается и замыкает или размыкает цепь.
-
Электромагнитные краны — применяются для подъёма металлических грузов (например, на свалках или металлургических заводах).
-
Электродвигатели и генераторы — основаны на взаимодействии магнитного поля электромагнита с токами в проводниках.
-
Магнитные замки и тормоза — работают на принципе временного притяжения деталей под действием тока.
-
МРТ-томографы — в медицине используют мощные электромагниты для создания сильных магнитных полей.
Электромагнит — это пример того, как физические открытия находят прямое применение в реальной жизни.
Заключение
Катушка с током — это искусственный источник магнитного поля. Если в неё вставить железный сердечник, она превращается в мощный электромагнит, магнитная сила которого управляется электрическим током.
Электромагниты являются важнейшей частью современной техники. Без них невозможно было бы создать электрические двигатели, реле, трансформаторы и многие другие приборы. Изучая магнитное поле катушки и свойства электромагнитов, мы не только знакомимся с одним из красивейших разделов физики, но и понимаем, как наука делает возможным технический прогресс человечества.
Вопросы для самопроверки
-
Что представляет собой катушка с током?
-
Чем магнитное поле катушки похоже на поле постоянного магнита?
-
Как можно определить направление магнитных линий в катушке?
-
Как обозначается катушка с током на электрических схемах?
-
Кто и когда впервые создал электромагнит?
-
Почему при выключении тока электромагнит теряет свои магнитные свойства?
-
От чего зависит сила магнитного поля электромагнита?
-
Какие устройства используют электромагниты в своей работе?
-
Почему электромагнит можно назвать управляемым магнитом?
-
Какова роль электромагнитов в современном мире?