Соленоид.
Соленоид — это проволочная спираль с током.
Соленоид характеризуется числом витков на единицу длины n, длиной l и диаметром d. Толщина провода в соленоиде и шаг спирали (винтовой линии) малы по сравнению с его диаметром d и длиной l. Термин «соленоид» применяют и в более широком значении — так называют катушки с произвольным сечением (квадратный соленоид, прямоугольный соленоид), и не обязательно цилиндрической формы (тороидальный соленоид). Различают длинный соленоид (l ≫ d) и короткий соленоид (l ≪ d). В тех случаях, когда соотношение между d и l специально не оговаривается, подразумевается длинный соленоид.
Соленоид был изобретен в 1820 г. А. Ампером для усиления открытого X. Эрстедом магнитного действия тока и применен Д. Араго в опытах по намагничиванию стальных стержней. Магнитные свойства соленоида были экспериментально изучены Ампером в 1822 г. (тогда же им был введен термин «соленоид»). Была установлена эквивалентность соленоида постоянным природным магнитам, что явилось подтверждением электродинамической теории Ампера, которая объясняла магнетизм взаимодействием скрытых в телах кольцевых молекулярных токов.
Силовые линии магнитного поля соленоида:
Направление этих линий определяют с помощью второго правила правой руки.
Если обхватить соленоид ладонью правой руки, направив четыре пальца по току в витках, то отставленный большой палец укажет направление магнитных линий внутри соленоида.
Сравнив магнитное поле соленоида с полем постоянного магнита (рис. ниже), можно заметить, что они очень похожи.
Как и у магнита, у соленоида есть два полюса — северный (N) и южный (S). Северным полюсом называют тот, из которого магнитные линии выходят; южным полюсом — тот, в который они входят. Северный полюс у соленоида всегда располагается с той стороны, на которую указывает большой палец ладони при ее расположении в соответствии со вторым правилом правой руки.
Соленоид в виде катушки с большим числом витков используют в качестве магнита.
Исследования магнитного поля соленоида показывают, что магнитное действие соленоида увеличивается с увеличением силы тока и числа витков в соленоиде. Кроме того, магнитное действие соленоида или катушки с током усиливается при введении в него железного стержня, который называют сердечником.
Закон Био-Савара. Теорема о циркуляции
Магнитное поле постоянных токов различной конфигурации изучалось экспериментально французскими учеными Жан Батист Био и Феликсом Саваром (1820 г.). Они пришли к выводу, что индукция магнитного поля токов, текущих по проводнику, определяется совместным действием всех отдельных участков проводника. Магнитное поле подчиняется принципу суперпозиции:
Если магнитное поле создается несколькими проводниками с током, то индукция результирующего поля есть векторная сумма индукций полей, создаваемых каждым проводником в отдельности.
Индукцию
проводника с током можно представить как векторную сумму элементарных индукций создаваемых отдельными участками проводника. На опыте невозможно выделить отдельный участок проводника с током, так как постоянные токи всегда замкнуты. Можно измерить только суммарную индукцию магнитного поля, создаваемого всеми элементами тока.
Закон Био–Савара определяет вклад в магнитную индукцию результирующего магнитного поля, создаваемый малым участком Δl проводника с током I.
Здесь r – расстояние от данного участка Δl до точки наблюдения, α – угол между направлением на точку наблюдения и направлением тока на данном участке, μ – магнитная постоянная. Направление вектора
определяется правилом буравчика: оно совпадает с направлением вращения рукоятки буравчика при его поступательном перемещении вдоль тока. Рис. 1.17.1 иллюстрирует закон Био–Савара на примере магнитного поля прямолинейного проводника с током. Если просуммировать (проинтегрировать) вклады в магнитное поле всех отдельных участков прямолинейного проводника с током, то получится формула для магнитной индукции поля прямого тока:
Электромагниты.
Соленоид с железным сердечником внутри называется электромагнитом.
Электромагниты могут содержать не одну, а несколько катушек (обмоток) и иметь при этом разные по форме сердечники.
Подобный электромагнит впервые был сконструирован английским изобретателем У. Стердженом в 1825 г. При массе 0,2 кг электромагнит У. Стерджена удерживал груз весом 36 Н. В том же году Дж. Джоуль увеличил подъемную силу электромагнита до 200 Н, а через шесть лет американский ученый Дж. Генри построил электромагнит массой 300 кг, способный удерживать груз массой 1 т!
Магнитное поле соленоида
Соленоидом
называют катушку цилиндрической формы из проволоки, витки которой намотаны вплотную в одном направлении, а длина катушки значительно больше радиуса витка.
Магнитное поле соленоида можно представить как результат сложения полей, создаваемых несколькими круговыми токами, имеющими общую ось. На рисунке 3 видно, что внутри соленоида линии магнитной индукции каждого отдельного витка имеют одинаковое направление, тогда как между соседними витками они имеют противоположное направление.
Поэтому при достаточно плотной намотке соленоида противоположно направленные участки линий магнитной индукции соседних витков взаимно уничтожаются, а одинаково направленные участки сольются в общую линию магнитной индукции, проходящую внутри соленоида и охватывающую его снаружи.Изучение этого поля с помощью опилок показало, что внутри соленоида поле является однородным, магнитные линии представляют собой прямые линии, параллельные оси соленоида, которые расходятся на его концах и замыкаются вне соленоида (рис. 4).
Нетрудно заметить сходство между магнитным полем соленоида (вне его) и магнитным полем постоянного стержневого магнита (рис. 5). Конец соленоида, из которого магнитные линии выходят, аналогичен северному полюсу магнита N
, другой же конец соленоида, в который магнитные линии входят, аналогичен южному полюсу магнита
S
.
Полюсы соленоида с током на опыте легко определить с помощью магнитной стрелки. Зная же направление тока в витке, эти полюсы можно определить с помощью правила правого винта: вращаем головку правого винта по току в витке, тогда поступательное движение острия винта укажет направление магнитного поля соленоида, а следовательно, и его северного полюса. Модуль магнитной индукции внутри однослойного соленоида вычисляется по формуле
B=mumu_0 frac = mumu_0 nl,)
где Ν
— число витков в соленоиде,
I
— длина соленоида,
n
— число витков, приходящееся на единицу длины соленоида.
Магнитное поле проводника с током
Оказывается, если через какой-либо проводник пропустить электрический ток, то вокруг проводника образуется магнитное поле.
Здесь можно вспомнить знаменитое правило буравчика, но для наглядности я лучше буду использовать правило самореза, так как почти все хоть раз в жизни ввинчивали либо болт, либо саморез.
Ввинчиваем по часовой стрелке – саморез идет вниз. В нашем случае он показывает направление электрического тока. Движение наших рук показывает направление линий магнитного поля. Все то же самое, когда мы начинаем откручивать саморез. Он начинает вылазить вверх, то есть в нашем случае показывает направление электрического тока, а наша рука в этом время рисует в воздухе направление линий магнитного поля.
Также часто в учебниках физики можно увидеть, что направление электрического тока от нас рисуют кружочком с крестиком, а к нам – кружочком с точкой. В этом случае опять представляем себе саморез и уже в голове увидим направление магнитного поля.
Как думаете, что будет если мы сделаем вот такую петельку из провода? Что изменится в этом случае?
Давайте же рассмотрим этот случай более подробно. Так в этой плоскости оба проводника создают магнитное поле, то по идее они должны отталкиваться друг от друга. Но если они хорошо закреплены, то начинается самое интересное. Давайте рассмотрим вид сверху, как это выглядит.
Как вы можете заметить, в области, где суммируются магнитные силовые линии плотность магнитного потока прям зашкаливает.
Как определить полюса соленоида с током
Круговой проводник с током
. Возьмем проводник, согнутый по кругу в виде витка, и пропустим по нему ток (рис. 75). Из чертежа видно, что магнитные линии замыкаются вокруг проводника с током и имеют форму окружностей. Магнитные линии с одной стороны входят в плоскость кругового проводника, с другой — выходят.
Закон Био-Савара-Лапласа и его применение к расчету магнитного поля прямого и кругового токов.
Закон Био — Савара — Лапласадля проводника с током I
, элемент которого d
l
создает в некоторой точке
А
(рис. 164) индукцию поля d
B, записывается в виде
где dl — вектор, по модулю равный длине dl
элемента проводника и совпадающий по направлению с током,
r — радиус-вектор,
проведенный из элемента d
l
проводника в точку
А
поля,
r
— модуль радиуса-вектора г. Направление d
B перпендикулярно dlи r, т. е. перпендикулярно плоскости, в которой они лежат, и совпадает с касательной к линии магнитной индукции. Это направление может быть найдено по правилу нахождения линий магнитной индукции (правилу правого винта): направление вращения головки винта дает направление dB, если поступательное движение винта соответствует направлению тока в элементе.
Модуль вектора dB определяется выражением
где а — угол между векторами dl и г.
Для магнитного поля, как и для электрического, справедлив принцип суперпозиции:магнитная индукция результирующего поля, создаваемого несколькими токами или движущимися зарядами, равна векторной сумме магнитных индукций складываемых полей, создаваемых каждым током или движущимся зарядом в отдельности:
Расчет характеристик магнитного поля (В и Н) по приведенным формулам в общем случае довольно сложен. Однако если распределение тока имеет определенную симметрию, то применение закона Био — Савара — Лапласа совместно с принципом суперпозиции позволяет довольно просто рассчитать конкретные поля. Рассмотрим два примера.
1. Магнитное поле прямого тока —тока, текущего по тонкому прямому про
воду бесконечной длины (рис. 165). В произвольной точке
А,
удаленной от оси проводника на расстояние
R,
векторы d
B от всех элементов тока имеют одинаковое направление, перпендикулярное плоскости чертежа («к нам»). Поэтому сложение векторов dB можно заменить сложением их модулей. В качестве постоянной интегрирования выберем угол а (угол между векторами dl и r), выразив через него все остальные величины. Из рис. 165 следует, что
(радиус дуги CD
вследствие малости d
l
равен
r,
и угол
FDC
по этой же причине можно считать прямым). Подставив эти выражения в (110.2), получим, что магнитная индукция, создаваемая одним элементом проводника, равна
Так как угол а для всех элементов прямого тока изменяется в пределах от 0 до я, то, согласно (110.3) и (110.4),
Следовательно, магнитная индукция поля прямого тока
2. Магнитное поле в центре кругового проводника с током(рис. 166). Как следует из рисунка, все элементы кругового проводника с током создают в центре магнитное поле одинакового направления — вдоль нормали от витка.
Поэтому сложение векторов dB можно заменить сложением их модулей. Так как все элементы проводника перпендикулярны радиусу-вектору (sina=1) и расстояние всех элементов проводника до центра кругового тока одинаково и равно R,
то, согласно (110.2),
Следовательно, магнитная индукция поля в центре кругового проводника с током
18. Поток магнитного поля. Теорема Гаусса для Ḃ.
Потоком вектора магнитной индукции (магнитным потоком) через площадку наз. скалярная величина , где угол между векторами (вектор нормали к плоскости контура) и .
Единица: вебер (Вб). .
Для однородного поля и плоской поверхности, расположенной перпендикулярно вектору : . Магнитный поток сквозь поверхность с площадью находится алгебраическим суммированием потоков сквозь участки поверхности.
Теорема Гаусса:поток вектора магнитной индукции через любую замкнутую поверхность равен нулю: .
Эта теорема отражает факт отсутствия магнитных зарядов, вследствие чего линии магнитной индукции не имеют ни начала, ни конца и являются замкнутыми.
19. Теорема о циркуляции вектора Ḃ, её применение к расчету полей. Поле соленоида.
Теорема о циркуляции вектора В имеет в учении о магнитном поле такое же значение как теорема Гаусса в электростатике, так как позволяет находить магнитную индукцию поля без применения закона Био-Савара-Лапласа.
Направление тока в соленоиде указывает направление силовых линий магнитного поля. Для этого надо знать полярность подключения соленоида к источнику постоянного тока. Ток движется в соленоиде по спирали от начала соленоида до его конца по винтовой линии. Это можно видеть по правилу буравчика (винта), поставить рядом деревяшку, и взять саморез, и посмотреть как он будет вкручиваться в деревяшку, также силовые линии магнитного поля направлены туда же. На конце соленоида силовые линии расходятся, значит это северный магнитный полюс «N», а другая сторона — это южный магнитный полюс «S». Второй способ: если у вас есть постоянный манит с известными полюсами, поднести его к соленоиду, и посмотреть, куда он будет притягиваться (к противоположному магнитному полюсу).
План урока:
Постоянные магниты. Что это?
Указатель юга и севера – компас. Полюсы магнитные
Графическое изображение полей
Магнитное поле тока прямого проводника
Соленоид и его магнитные свойства. Электромагниты
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.
Теперь уже известно, что так интересно проявляется природный минерал магнитный железняк (магнетит). Это достаточно хрупкий черного цвета минерал, плотность его примерно 5000 кг/м3.
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.
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:
- автомобилестроение;
- приборостроение;
- автоматика;
- телемеханика;
- тормозные системы;
- компасы;
- медицина;
- радиотехника;
- электротехника.
От изучения природных магнитных явлений человек давно шагнул к элетромагнитным явлениям, без чего невозможно развитие знаний об электричестве и электрическом токе.
Графическое изображение полей
Магниты действуют друг на друга и на железосодержащие предметы посредством магнитного поля. Поле не имеет цвета, запаха, его нельзя ощущать. Это особый вид материи, который проявляется по его действию на другое поле или на физические тела.
Условно изображают магнитное поле с помощью силовых линий, так же, как электрическое поле.
Эти линии замкнуты, то есть не имеют ни начала, ни конца. Направление, куда показывают северные полюсы магнитных стрелок, попавших в поле магнита, принято за направление силовых магнитных линий поля. Таковым оказывается направление от северного полюса к южному.
Хотя изображение силовых линий принято за условное, они все же проявляются в простом опыте с железными опилками. Если положить магнит на лист бумаги и посыпать мелкими опилками из железа, то можно увидеть, как они выстроятся вдоль определенных линий, как маленькие магнитные стрелки.
Частота линий вокруг магнита различна. Это подчеркивает более сильное действие магнитного поля около полюсов, где силовые линии плотнее.
Магнитное поле тока прямого проводника
Определить наличие магнитного поля можно, если к магниту поднести магнитную стрелку. Если поле есть, то стрелка повернется и займет положение по правилу взаимодействия полюсов. Северный полюс стрелки повернется к южному полюсу магнита.
Будет ли оказывать действие на стрелку электрический ток?
Проверить это можно с помощью опыта. Стрелка установлена на острие, над нею параллельно ее оси помещен проводник. Если замкнуть цепь, стрелка повернется в другое положение, при выключенной цепи вернется обратно.
Впервые проведя этот опыт в 1820 году, датский ученый Ганс Христиан Эрстед, не имея достаточно знаний о магнетизме, не сумел объяснить поведение стрелки около проводника с током. Это было сделано позднее, а опыт получил название «Опыта Эрстеда».
Получается, что электрический ток может быть источником магнитного поля, которое возникает вокруг движущихся зарядов (вокруг не движущихся зарядов есть только электрическое поле).
Нет ли противоречия в наличии магнитного поля вокруг тока, где направленно движутся частицы, и магнитного поля около постоянных магнитов? Оказывается, в магнитах существуют так называемые молекулярные токи, циркулирующие внутри молекул. Во времена Эрстеда природа таких токов была еще не открыта. Теперь же известно, что в атоме постоянно движутся электроны, поэтому и возникают магнитные свойства некоторых природных веществ, например, железа.
По примеру магнитов для графического изображения поля вокруг тока используют силовые магнитные линии. Направление их указывают северные полюсы магнитных стрелок, помещенных в это поле.
Расположение стрелок показывает, что:
Существует так называемое первое правило правой руки, по которому можно указать направление силовых линий магнитного поля вокруг проводника с током. При изменении направления тока меняется и направление силовых линий поля. Правая рука человека помогает разобраться в этих направлениях.
Конечно, правило применяется не буквально. Не нужно провод брать в руки, надо мысленно представить эту ситуацию с проводником и рукой.
Соленоид и его магнитные свойства. Электромагниты
Короткие провода применяются редко. Тем более, что при небольшом токе вокруг них возникает и небольшое магнитное поле. Для усиления магнитного действия прямой провод сворачивают в виде спирали на непроводящем трубчатом каркасе (дереве, пластмассе, керамике). Такое устройство называется соленоидом (от греч. «солен» — «трубка»). Проще говоря, это катушка с током.
Магнитные поля полосового магнита и катушки-соленоида очень похожи. Силовые линии катушки выходят с северного полюса, в южный полюс входят.
Определить полюсы соленоида можно, поднеся к краю катушки магнит. Если цепь замкнута, и по катушке идет ток, то магнит или притянется к соленоиду, или оттолкнется от него. Например, к катушке приблизили северный полюс магнита, подвешенный на нити.
Магнит оттолкнулся от края катушки. Но ведь отталкиваются одноименные полюсы. Значит, приблизили магнит к северному полюсу соленоида. С другой стороны будет находиться южный полюс.
Магнит будет притягиваться к катушке, значит, рядом с магнитом находится южный полюс катушки, так как притягиваются разноименные полюсы.
Направление линий магнитного поля катушки с током помогает определить второе правило правой руки.
Получается, что соленоид можно использовать как магнит, если подключить такой магнит к источнику тока. Это будет уже не постоянный магнит, а созданный с использованием электрического тока, который срабатывает при включении в электрическую сеть.
При изменении (увеличении или уменьшении) магнитного действия соленоида можно пойти тремя путями:
- регулированием силы тока цепи (можно с помощью реостата);
- увеличением (уменьшением) количества витков катушки;
- использованием внутри катушки сердечника (чаще всего из железа).
Приспособление, состоящее из катушки с током и сердечника внутри нее, называется электромагнитом. Это одна из главных частей большинства электротехнических приборов, систем и устройств:
- телеграфная связь;
- стационарные телефонные аппараты;
- электрические звонки;
- электродвигатели;
- трансформаторы;
- электромагнитные реле;
- домофоны;
- производственные электромагниты.
Грузоподъемный магнит.
Домофон с электромагнитом.
Вентилятор с электродвигателем.
Самый первый электромагнит был изготовлен англичанином У. Стердженом в 1825 году. Его магнит массой 200 г сумел удержать тело в 3 кг 600 г. Через шесть лет американец Дж. Генри создал электромагнит, который поднимал уже 1000 кг.
Интересно и просто на основе электромагнита работает электрический звонок.
Схема электрозвонка.
Цифрами на схеме обозначены основные детали звонка. Это;
- Провода, идущие через замыкающую кнопку к источнику тока.
- Контактная пластинка.
- Контактный винт.
- Якорь – тонкая железная пластинка.
- Обмотка катушки.
- Сердечник.
- Ударный элемент звонка – молоточек.
- Чаша звонка.
При нажатой кнопке звонка происходит замыкание цепи. По обмотке 5 идет ток, и катушка с сердечником 6 превращается в электромагнит. Якорь 4 притягивается электромагнитом к сердечнику 6. В этот момент молоточек 7 ударяет по чаше звонка 8, слышен звонкий удар звонка. Контактный винт в результате движения якоря отходит от контактной пластинки 2, и цепь размыкается. Якорь «отлипает» от сердечника, возвращается в исходное положение, соединяя тем самым контактный винт с контактной пластинкой. Цепь снова замкнута, электромагнит снова срабатывает и т.д. Происходит все очень быстро: цепь то замыкается, то размыкается, магнит то притягивает, то отпускает якорь, молоточек быстро стучит по чаше звонка. Частые удары сливаются в почти сплошной звук.
Электромагниты после отключения от сети быстро размагничиваются и не приносят особых хлопот в применении.
Вспомним, что за положительное направление тока принято направление от положительного полюса источника к отрицательному. Покажем направление тока на чертеже.
Направление вектора магнитной индукции, а следовательно, и магнитного полюса соленоида можно определить по правилу буравчика: если ввинчивать в соленоид буравчик так, чтобы вращение ручки буравчика совпадало с направлением тока в соленоиде, тогда поступательное движение буравчика будет совпадать с направлением вектора магнитной индукции. Видно, что вектор магнитной индукции направлен справа налево, то есть буравчик ввинчивают в этом направлении. Учитывая, что за направление вектора В принимается направление от южного полюса S к северному полюсу N, то слева — северный полюс- соленоида, справа — южный.
§ 10-б. Соленоид и электромагнит В предыдущем параграфе мы изучали магнитные поля прямых проводников. Рассмотрим теперь проводник, свёрнутый в виде спирали, по которому идёт ток – соленоид (греч. «солен» – трубка). Расположим вдоль его оси лист картона и посыплем его железными опилками. На рисунке отчётливо видно, что опилки выстроились в виде замкнутых линий, наиболее часто расположенных внутри витков соленоида. Следовательно, магнитное поле внутри соленоида сильнее, чем вне его. Намотаем теперь проволочную спираль на каркасе, располагая витки вплотную друг к другу – мы получим катушку (см. рисунки ниже). Включим ток и поднесём к катушке мелкие гвоздики – часть из них примагнитится. Если в неё вставить железный или стальной стержень – сердечник, то примагнитится заметно больше гвоздиков. Другими словами, происходит усиление магнитного поля. Катушка из изолированной проволоки с железным сердечником внутри называется электромагнитом. При прочих равных условиях магнитное поле электромагнита всегда сильнее магнитного поля соленоида или катушки без сердечника. Объясним усиление магнитного поля. Сначала ток намагничивает сердечник. Намагнитившись, он создаёт собственное поле, которое, складываясь с полем соленоида, образует новое, более сильное поле. Об этом мы судим по количеству притянувшихся гвоздиков. Рассмотрим другие причины, влияющие на силу магнитного действия электромагнита. Вспомним, что для наблюдения силовых линий поля прямого проводника (см. § 10-а) мы использовали ток силой 5–10 А. При меньшей силе тока опилки будут плохо намагничиваться, и картинка получится нечёткой. Следовательно, магнитное поле электромагнита усиливается при увеличении силы тока в его проводнике.
Кроме того, при одной и той же силе тока поле электромагнита можно усилить, увеличив число витков проводника в его обмотке. Это объясняется тем, что магнитные поля, создаваемые каждым из витков, накладываются друг на друга и тем самым образуют новое, более сильное магнитное поле. Познакомимся с ещё одним свойством электромагнита или соленоида – запасать электроэнергию. Проделаем опыт (см. схему). Две одинаковые лампы подключены параллельно к источнику тока. Верхняя лампа – через реостат, а нижняя – через электромагнит или соленоид. У них есть общее название – катушка индуктивности.
При замыкании выключателя лампа, соединённая с катушкой индуктивности, загорается позже, чем лампа, соединённая с реостатом (левый рисунок). Теперь разомкнём выключатель. В этот момент обе лампы не погаснут, а вспыхнут ещё ярче, правда, на очень короткое время (правый рисунок). Более позднее загорание ближней к нам лампы объясняется так. При включении тока его энергия идёт не только на нагревание спирали лампы, но и на создание магнитного поля вокруг электромагнита. Однако по прошествии некоторого времени энергия тока будет целиком превращаться в теплоту, разогревая спираль лампочки настолько, что она начинает светиться.
При размыкании цепи ток в нижнем её проводе прекращается, и с этого момента реостат, катушка индуктивности и обе лампочки оказываются соединёнными друг с другом последовательно (мы это показали красным цветом на схеме). Поскольку лампочки кратковременно ярко вспыхнули, значит, в красной части цепи ненадолго возник источник тока. В его роли выступила катушка индуктивности.
Магнитное поле вокруг неё стало исчезать, передавая свою энергию электронам в проводе, поэтому они приходят в движение. Это значит, что катушка становится источником тока.
Не можешь написать работу сам? Доверь её нашим специалистам.
от 100 р.стоимость заказа
Вопросы после параграфа есть в каждом учебнике: по алгебре, истории, географии и других. Однако только в нашем учебнике физики эти вопросы не просто напечатаны в книге или на экране, а являются интерактивными: «знают» ответы и «подсказывают» вам.
Главная цель Проверялкина –.
тренировка
умения работать с параграфом: находить/выделять нужные по смыслу фрагменты, выбирать из нескольких подходящих фрагментов более удачный, многократно обращаться к тексту для поиска очередного ответа. В результате ваша зрительная память «схватывает» расположение в тексте важных моментов: определений, закономерностей, выводов; вы привыкаете к терминам и формулировкам. Другими словами,.
неоднократно перечитывая текст
при поиске наилучшего ответа, вы полнее и обдуманнее воспринимаете физику. Как и любой человек, Проверялкин «хочет» видеть не любой правильный ответ, а тот, который он считает наилучшим. Не расстраивайтесь, просто поищите другой ответ. Ведь разве плохо то, что вы будете знать несколько правильных ответов на один вопрос. Мы рекомендуем обсуждать задания с одноклассниками через наушники с микрофоном (или по телефону). Важно: для Проверялкина правильным ответом является не только содержательно правильный, но и правильно «добытый». То есть ответы на задания Проверялкина нужно «перетаскивать» из параграфа, а не печатать «от себя» или копировать из других источников, например «готовых домашних заданий». Давайте вспомним, какова главная цель вашей беседы с Проверялкиным? Правильно – тренировка умения работать с материалом параграфа учебника! Для перехода к проверялкам по темам кликайте номера тем вверху: 01 02 03 04 05 и т.д.
Магнитное поле создается не только естественными либо искусственными постоянными магнитами, но и проводником, если по нему проходит электрический ток. Как следует, существует связь меж магнитными и электронными явлениями.
Убедиться в том, что вокруг проводника, по которому проходит ток, появляется магнитное поле, несложно. Над подвижной магнитной стрелкой параллельно ей расположите прямолинейный проводник и пропустите через него электрический ток. Стрелка займет положение, перпендикулярное проводнику. Какие же силы могли вынудить обернуться магнитную стрелку? Разумеется, силы магнитного поля, появившегося вокруг проводника. Выключите ток, и магнитная стрелка займет свое обычное положение. Это гласит о том, что с выключением тока пропало и магнитное поле проводника.
Таким образом, проходящий по проводнику электрический ток делает магнитное поле. Чтоб выяснить, в какую сторону отклонится магнитная стрелка, используют правило правой руки. Если расположить над проводником правую руку ладонью вниз так, чтоб направление тока совпадало с направлением пальцев, то отогнутый большой палец покажет направление отличия северного полюса магнитной стрелки, помещенной под проводником. Пользуясь этим правилом и зная полярность стрелки, можно найти также направление тока в проводнике.
Магнитное поле проводника имеет форму концентрических кругов. Если расположить над проводником правую руку ладонью вниз так, чтоб ток вроде бы выходил из пальцев, то отогнутый большой палец укажет на северный полюс магнитной стрелки. Такое поле именуется радиальным магнитным полем.
Направление силовых линий радиального поля находится в зависимости от направления электронного тока в проводнике и определяется так именуемым правилом «буравчика». Если буравчик образно ввинчивать по направлению тока, то направление вращения его руки будет совпадать с направлением магнитных силовых линий поля. Применяя это правило, можно выяснить направление тока в проводнике, если понятно направление силовых линий поля, сделанного этим током.
Возвращаясь к опыту с магнитной стрелкой, можно убедиться в том, что она всегда размещается своим северным концом по направлению силовых линий магнитного поля. Итак, вокруг проводника, по которому проходит электрический ток, появляется магнитное поле. Оно имеет форму концентрических кругов и именуется радиальным магнитным полем.
Соленоид. Магнитное поле соленоида
Магнитное поле появляется вокруг любого проводника независимо от его формы при условии, что по проводнику проходит электрический ток. В электротехнике мы имеем дело с различного рода катушками, состоящими из ряда витков. Для исследования интересующего нас магнитного поля катушки разсмотрим поначалу, какую форму имеет магнитное поле 1-го витка.
Представим себе виток толстого провода, пронизывающий лист картона и присоединенный к источнику тока. Когда через виток проходит электрический ток, то вокруг каждой отдельной части витка появляется радиальное магнитное поле. По правилу «буравчика» несложно найти, что магнитные силовые полосы внутри витка имеют однообразное направление (к нам либо от нас, зависимо от направления тока в витке), при этом они выходят с одной стороны витка и входят в другую сторону. Ряд таких витков, имеющий форму спирали, представляет собой так именуемый соленоид (катушку). Вокруг соленоида, при прохождении через него тока, появляется магнитное поле. Оно выходит в итоге сложения магнитных полей каждого витка и по форме припоминает магнитное поле прямолинейного магнита. Силовые полосы магнитного поля соленоида, так же как и в прямолинейном магните, выходят из 1-го конца соленоида и входят в другой. Внутри соленоида они имеют однообразное направление. Таким образом, концы соленоида владеют полярностью. Тот конец, из которого выходят силовые полосы, является северным полюсом соленоида, а конец, в который силовые полосы входят, — его южным полюсом.
Полюса соленоида можно найти по правилу правой руки, но для этого нужно знать направление тока в его витках. Если наложить на соленоид правую руку ладонью вниз, так чтоб ток вроде бы выходил из пальцев, то отогнутый большой палец укажет на северный полюс соленоида. Из этого правила следует, что полярность соленоида находится в зависимости от направления тока в нем.
В этом несложно убедиться фактически, поднеся к одному из полюсов соленоида магнитную стрелку и потом изменив направление тока в соленоиде. Стрелка мгновенно оборотится на 180°, т. е.
Соленоид обладает свойством втягивать в себя легкие железные предметы. Если вовнутрь соленоида поместить металлической брусок, то через некое время под действием магнитного поля соленоида брусок намагнитится. Этот метод используют при изготовлении постоянных магнитов.
[custom_ads_shortcode1]
Электромагниты
Электромагнит представляет собой катушку (соленоид) с помещенным вовнутрь нее стальным сердечником. Формы и размеры электромагнитов многообразны, но общее устройство их всех идентично.
Катушка электромагнита представляет собой каркас, сделанный в большинстве случаев из прессшпана либо фибры и имеющий разные формы зависимо от предназначения электромагнита. На каркас намотана в пара слоев медная изолированная проволока — обмотка электромагнита. Она имеет различное число витков и изготовляется из проволоки различного сечения, зависимо от предназначения электромагнита. Для предохранения изоляции обмотки от механических повреждений обмотку покрывают одним либо несколькими слоями бумаги либо любым другим изолирующим материалом. Начало и конец обмотки выводят наружу и присоединяют к выводным клеммам, укрепленным на каркасе, либо к гибким проводникам с наконечниками на концах. Катушка электромагнита надета на сердечник из мягкого, отожженного железа либо сплавов железа с кремнием, никелем и т. д. Такое железо обладает минимальным остаточным магнетизмом. Сердечники в большинстве случаев делают составными из тонких листов, изолированных друг от друга. Формы сердечников могут быть разными, зависимо от предназначения электромагнита.
Если по обмотке электромагнита пропустить электрический ток, то вокруг обмотки появляется магнитное поле, которое намагничивает сердечник. Так как сердечник изготовлен из мягкого железа, то он намагнитится моментально. Если потом выключить ток, то магнитные характеристики сердечника также быстро пропадут, и он перестанет быть магнитом. Полюсы электромагнита, как и соленоида, определяются по правилу правой руки. Если в обмотке электромагнита изменить направление тока, то в согласовании с этим поменяется и полярность электромагнита. Действие электромагнита подобно действию постоянного магнита. Но между ними есть большая разница. Постоянный магнит всегда обладает магнитными качествами, а электромагнит — только тогда, когда по его обмотке проходит электрический ток.
Не считая этого, сила притяжения постоянного магнита неизменна, потому что неизменен магнитный поток постоянного магнита. Сила же притяжения электромагнита не является величиной неизменной. Один и тот же электромагнит может владеть различной силой притяжения. Сила притяжения любого магнита находится в зависимости от величины его магнитного потока.
Сила притяжения электромагнита, а как следует, и его магнитный поток зависят от величины тока, проходящего через обмотку этого электромагнита. Чем больше ток, тем больше сила притяжения электромагнита, и, напротив, чем меньше ток в обмотке электромагнита, тем с наименьшей силой он притягивает к для себя магнитные тела.
Но для разных по собственному устройству и размерам электромагнитов сила их притяжения зависит не только лишь от величины тока в обмотке. Если, к примеру, взять два электромагнита схожего устройства и размеров, но один с маленьким числом витков обмотки, а другой — с большим, то несложно убедиться, что при одном и том же токе сила притяжения последнего будет еще больше. Правда, чем больше число витков обмотки, тем большее при данном токе создается вокруг этой обмотки магнитное поле, потому что оно слагается из магнитных полей каждого витка. Это означает, что магнитный поток электромагнита, а как следует, и сила его притяжения будут тем больше, чем большее количество витков имеет обмотка. Еще есть одна причина, влияющая на величину магнитного потока электромагнита это — качество его магнитной цепи. Магнитной цепью именуется путь, по которому замыкается магнитный поток. Магнитная цепь обладает определенным магнитным сопротивлением. Магнитное сопротивление находится в зависимости от магнитной проницаемости среды, через которую проходит магнитный поток. Чем больше магнитная проницаемость этой среды, тем меньше ее магнитное сопротивление.
Так как магнитная проницаемость ферромагнитных тел (железа, стали) во много раз больше магнитной проницаемости воздуха, потому необходимо делать электромагниты так, чтоб их магнитная цепь не содержала внутри себя воздушных участков. Произведение силы тока на число витков обмотки электромагнита именуется магнитодвижущей силой. Магнитодвижущая сила измеряется числом ампер-витков.
К примеру, по обмотке электромагнита, имеющего 1200 витков, проходит ток силой 50 ма. Магнитодвижущая сила такового электромагнита равна 0,05 х 1200 = 60 ампер-витков. Действие магнитодвижущей силы аналогично действию электродвижущей силы в электронной цепи. Подобно тому как ЭДС является предпосылкой появления электронного тока, магнитодвижущая сила делает магнитный поток в электромагните. Точно так же, как в электронной цепи с повышением ЭДС возрастает ток в цени, так и в магнитной цепи с повышением магнитодвижущей силы возрастает магнитный поток. Действие магнитного сопротивления аналогично действию электронного сопротивления цепи. Как с повышением сопротивления электронной цепи миниатюризируется ток, так и в магнитной цепи повышение магнитного сопротивления вызывает уменьшение магнитного потока. Зависимость магнитного потока электромагнита от магнитодвижущей силы и его магнитного сопротивления можно выразить формулой, аналогичной формуле закона Ома: магнитодвижущая сила = (магнитный поток/ магнитное сопротивление)Магнитный поток равен магнитодвижущей силе, деленной на магнитное сопротивление. Число витков обмотки и магнитное сопротивление для каждого электромагнита есть величина неизменная. Потому магнитный поток данного электромагнита меняется только с конфигурацией тока, проходящего по обмотке. Потому что сила притяжения электромагнита обусловливается его магнитным потоком, то, чтоб прирастить (либо уменьшить) силу притяжения электромагнита, нужно соответственно прирастить (либо уменьшить) ток в его обмотке.
[custom_ads_shortcode2]
Поляризованный электромагнит
Поляризованный электромагнит представляет собой соединение постоянного магнита с электромагнитом. Он устроен следующим образом. К полюсам постоянного магнита прикреплены так называемые полюсные надставки из мягкого железа. Любая полюсная надставка служит сердечником электромагнита, на нее насаживается катушка с обмоткой. Обе обмотки соединяются между собой поочередно. Так как полюсные надставки конкретно присоединены к полюсам постоянного магнита, то они владеют магнитными качествами и при отсутствии тока в обмотках; при всем этом сила притяжения их неизменна и обусловливается магнитным потоком постоянного магнита. Действие поляризованного электромагнита состоит в том, что при прохождении тока по его обмоткам сила притяжения его полюсов растет либо уменьшается зависимо от величины и направления тока в обмотках. На этом свойстве поляризованного электромагнита основано действие электрических поляризованных реле и других электротехнических устройств.
[custom_ads_shortcode3]
Действие магнитного поля на проводник с током
Если в магнитное поле поместить проводник так, чтоб он был размещен перпендикулярно силовым линиям поля, и пропустить по этому проводнику электрический ток, то проводник придет в движение и будет выталкиваться из магнитного поля. В итоге взаимодействия магнитного поля с электрическим током проводник приходит в движение, т. е. электрическая энергия преобразуется в механическую.
Сила, с которой проводник выталкивается из магнитного поля, находится в зависимости от величины магнитного потока магнита, силы тока в проводнике и длины той части проводника, которую пересекают силовые полосы поля. Направление действия этой силы, т. е. направление движения проводника, находится в зависимости от направления тока в проводнике и определяется по правилу левой руки.
Если держать ладонь левой руки так, чтоб в нее входили магнитные силовые полосы поля, а вытянутые четыре пальца были обращены по направлению тока в проводнике, то отогнутый большой палец укажет направление движения проводника. Применяя это правило, нужно помнить, что силовые полосы поля выходят из северного полюса магнита.
Физика > Соленоиды, токовые петли и электромагнитыИзучите строение и принцип работы соленоида: создание тока в магнитном поле, сила магнитного поля соленоида, схема токовой петли, индуцированный магнетизм.
Соленоиды – петли из проволоки, намотанные на металлический сердечник. Их используют, если нужно создать контролируемое магнитное поле.
[custom_ads_shortcode1]
Задача обучения
- Разобраться в структуре и важности соленоидов
[custom_ads_shortcode2]
Основные пункты
- Ток в магнитном поле формируется петлями проволоки.
- Электромагнетизм – использование электрического тока для производства магнитов. Электромагниты выступают временными и сберегают свойства только в те моменты, когда сквозь них проходит ток.
- В физике и технологиях часто используют соленоиды и электромагниты, потому что с их помощью можно контролировать магнитные поля.
[custom_ads_shortcode3]
Термины
- Магнитное поле – магнитная сила и полюса, окружающие магнит или электрический ток.
- Ферромагнитный – легко намагничиваемый материал.
- Соленоид – плотно обмотанная по спирали катушка. В физике – это длинная тонкая петля провода, обернутая вокруг металлического сердечника. Когда через нее проходит ток, создается магнитное поле. Соленоиды очень важны, потому что могут формировать управляемое магнитное поле и используются как электромагниты. Сам термин касается лишь катушки, ответственной за создание однородного магнитного поля.
[custom_ads_shortcode1]
Электромагниты и токовые петли
В начале 19 века ученые заметили, что электрические токи приводят к магнитным эффектам. Первым это отметил Ганс Христиан Эрстед, когда понял, что стрелка компаса отклонилась из-за токопроводящей проволоки. Это первое зафиксированное свидетельство того, что перемещение зарядов как-то связано с магнитами.
Электромагнетизм – использование электрического тока для производства магнитов. Они будут временными и именуются электромагнитами. Их применение можно заметить в обычном дворовом кране и медицинском оборудовании.
Электромагнит индуцирует участки постоянного магнетизма на гибком диске, покрытом ферромагнитным материалом. Сохраненная информация здесь выступает цифровой, но она может быть и аналоговой (аудиокассеты)Если ферромагнетик и электромагнит объединяются, то создаются примечательные магнитные эффекты. Для функционирования электромагнита нужен постоянный ток. Чтобы объяснить ферромагнетизм и прочие подобные эффекты, следует углубиться в протоны. К примеру, именно из-за ферромагнетизма электронное вращение выравнивается в определенных материалах, но не делает этого в других.
оценок, среднее:
из 5).
Источники:
- calcsbox.com
- www.fizika.ru
- elektrica.info
- v-kosmose.com