Физика. 9 класс. Барьяхтар

§ 6. Электромагниты и их применение

Электрический школьный звонок, электродвигатель, подъемный кран на складе металлолома, обогатитель железной руды... Как связаны эти, на первый взгляд совсем разные, устройства? Знающий человек ответит, что в каждом используется электромагнит. Выясним, что такое электромагнит и как он работает.

1. Узнаём, от чего зависит магнитное действие катушки с током

Соберем электрическую цепь из источника тока, катушки, реостата и амперметра. Для оценки магнитного действия катушки с током воспользуемся железным цилиндром, который подвесим на динамометр, размещенный над катушкой (рис. 6.1). Если замкнуть цепь, цилиндр намагнитится в магнитном поле катушки и притянется к ней, дополнительно растянув пружину динамометра.

Рис. 6.1. Исследование магнитного действия катушки с током

Понятно, что цилиндр будет притягиваться к катушке тем сильнее, чем сильнее магнитное действие катушки.

Изменяя с помощью реостата силу тока в катушке, выясним, что при увеличении силы тока цилиндр притягивается к катушке сильнее, о чем свидетельствует большее растяжение пружины динамометра. При увеличении силы тока в катушке ее магнитное действие усиливается.

Заменив катушку на другую, с большим числом витков, увидим, что при той же самой силе тока удлинение пружины динамометра увеличится. При увеличении числа витков в катушке ее магнитное действие усиливается.

Введем в катушку сердечник — толстый стержень из ферромагнитного материала. Включим ток — цилиндр устремится к катушке и «прилипнет» к сердечнику. Магнитное действие катушки значительно усиливается при введении в нее ферромагнитного сердечника.

• Вспомнив магнитные свойства веществ, объясните, почему для изготовления сердечника используют ферромагнитные материалы. Увеличится ли магнитное действие катушки, если сердечник изготовлен из меди или алюминия?

2. Узнаём об устройстве электромагнитов и сфере их применения

Катушку с сердечником из ферромагнитного материала называют электромагнитом.

Рассмотрим устройство электромагнита (рис. 6.2). У любого электромагнита есть каркас (1), изготовленный из диэлектрика. На каркас плотно намотан изолированный провод — это обмотка электромагнита (2). Концы обмотки подведены к клеммам (3), с помощью которых электромагнит присоединяют к источнику тока. Внутри каркаса размещен сердечник (4) из магнитомягкой стали. Сердечник часто имеет подковообразную форму, что значительно усиливает магнитное действие электромагнита.

Рис. 6.2. Устройство электромагнита: 1 — каркас; 2 — обмотка; 3 — клеммы; 4 — сердечник

Трудно найти область техники, где бы не применялись электромагниты: во-первых, их магнитное действие легко регулировать — достаточно изменить силу тока в обмотке; во-вторых, электромагниты можно изготовить любых форм и размеров. Электромагниты есть во многих бытовых устройствах (рис. 6.3), они входят в состав электродвигателей и электрических генераторов, электроизмерительных приборов и медицинской аппаратуры. Гигантские электромагниты используются в ускорителях заряженных частиц (см. «Энциклопедическую страницу» на с. 52-53).

Рис. 6.3. Во многих бытовых приборах используют электромагниты

Рассмотрим применение электромагнитов в электромагнитных подъемных кранах и электромагнитном реле.

3. Изучаем принцип действия электромагнитного подъемного крана и электромагнитного реле

Соберем электрическую цепь из источника тока и электромагнита. Замкнув цепь, увидим, что железные опилки притянулись к сердечнику электромагнита и их можно перенести, например, на другой конец стола (рис. 6.4).

Рис. 6.4. После замыкания цепи железные опилки притягиваются к сердечнику (а); после размыкания цепи — отпадают от него (б)

Именно по такому принципу работают электромагнитные подъемные краны, переносящие тяжелые железные болванки, металлолом и т. и. (рис. 6.5). И не нужны никакие крюки! Включили ток — железные предметы притянулись к электромагниту, их перенесли в нужное место, выключили ток — железные предметы перестали притягиваться и остались там, куда их перенесли.

Рис. 6.5. Электромагнитный подъемный кран

На предприятиях часто используют потребители электроэнергии, сила тока в которых достигает сотен и тысяч ампер. Замыкающее устройство и потребитель соединены последовательно, поэтому через замыкающее устройство должен проходить ток большой силы. А это опасно для людей, работающих за пультом управления.

На помощь приходят электромагнитные реле — устройства для управления электрической цепью (рис. 6.6). Обратите внимание: замыкающее устройство (1), установленное на пульте управления, и электромагнит (2) присоединены к источнику тока А с малым напряжением на выходе, а потребитель (на рис. 6.6 это электродвигатель) питается от мощного источника В.

Рис. 6.6. Принцип действия электромагнитного реле. Когда замыкают ключ (1) (нажимают кнопку), в обмотке электромагнита (2) идет слабый безопасный ток, а железный сердечник электромагнита (3) притягивает к себе якорь (4). Когда якорь опускается и замыкает контакты (5), замыкается цепь электродвигателя, потребляющего ток значительно большей силы

Подводим итоги

Магнитное действие катушки с током усиливается, если увеличить в ней число витков; увеличить силу тока; ввести в катушку сердечник из ферромагнитного материала.

Катушку с введенным внутрь сердечником, изготовленным из магнитомягкой стали, называют электромагнитом. Электромагниты широко используют в технике: их можно изготовить любых форм и размеров, их магнитное действие легко регулировать, изменяя силу тока в обмотке.

Контрольные вопросы

1. От чего и как зависит магнитное действие катушки с током? Опишите опыт, подтверждающий ваш ответ. 2. Что такое электромагнит? Каково его устройство? 3. Почему электромагниты широко применяют в технике? 4. Объясните принцип действия электромагнитного подъемного крана. 5. Для чего предназначено электромагнитное реле? Опишите принцип его действия.

Упражнение № 6

1. Для изготовления сердечника электромагнита вместо магнитомягкой стали использовали магнитожесткий материал. Какие недостатки будет иметь такой электромагнит?

2. Намотав на железный гвоздь изолированный провод и соединив концы провода с батареей гальванических элементов, получили простейший электромагнит (рис. 1). Определите полюсы этого электромагнита.

Рис. 1

3. К какой паре зажимов электромагнитного реле (рис. 2) следует присоединить источник слабого (управляющего) тока?

Рис. 2

4. Как изменится подъемная сила электромагнита, если передвинуть ползунок реостата вправо (рис. 3)? Ответ обоснуйте.

Рис. 3

5. На рис. 4 представлена схема устройства, автоматически срабатывающего при определенной температуре. Назовите основные части этого устройства, объясните принцип его действия. Где целесообразно устанавливать такие автоматические устройства?

Рис. 4

6. Воспользовавшись рис. 5, попробуйте разобраться, как работает электрический звонок. Если не получится, обратитесь к дополнительным источникам информации.

Рис. 5. Схема действия электрического звонка: 1 — молоточек; 2 — чаша звонка; 3 — подковообразный электромагнит; 4 — кнопка; 5 — источник тока; б — контактная пружина, касающаяся винта 7

7. Воспользуйтесь дополнительными источниками информации и узнайте о технологии магнитной сепарации. Где ее используют?

8. Дайте характеристику силы как физической величины: что она характеризует, каким символом ее обозначают, скалярная это величина или векторная, каковы ее единицы в СИ.

Экспериментальное задание

Изготовьте электромагнит: намотайте на железный гвоздь изолированный провод и соедините концы провода с батареей гальванических элементов (см. рис. 1). Разомкнув цепь, закрепите электромагнит горизонтально на некотором расстоянии от поверхности стола. Смешайте маленькие обрывки бумаги, зерна риса и мелкие железные предметы (лучше опилки). Замкните цепь. Медленно просыпая смесь рядом со шляпкой гвоздя, отделите железные предметы. Подумайте, как усовершенствовать данное устройство.