Фізика. Повторне видання. 9 клас. Бар’яхтар

§ 6. Електромагніти та їх застосування

Електричний шкільний дзвоник, електродвигун, підіймальний кран на складі металобрухту, збагачувач залізної руди... Як пов'язані ці, на перший погляд зовсім різні, пристрої? Обізнана людина відповість, що в кожному використовується електромагніт. Отже, з'ясуємо, що таке електромагніт, і дізнаємося про те, як він працює.

1. З'ясовуємо, від чого залежить магнітна дія котушки зі струмом

Складемо електричне коло із джерела струму, котушки, реостата й амперметра. Для оцінки магнітної дії котушки зі струмом скористаємося залізним циліндром, який підвісимо на динамометр, розміщений над котушкою (рис. 6.1). Якщо замкнути коло, циліндр намагнітиться в магнітному полі котушки й притягнеться до неї, додатково розтягнувши пружину динамометра.

Рис. 6.1. Дослідження магнітної дії котушки зі струмом

Зрозуміло, що циліндр притягуватиметься до котушки тим сильніше, чим сильніша її магнітна дія.

Змінюючи за допомогою реостата силу струму в котушці, виявимо, що в разі збільшення сили струму циліндр притягується до котушки сильніше, про що свідчить більше розтягнення пружини динамометра. У разі збільшення сили струму в котушці її магнітна дія посилюється.

Замінивши котушку на іншу — з більшим числом витків, побачимо, що за тієї самої сили струму видовження пружини динамометра збільшиться. У разі збільшення числа витків у котушці її магнітна дія посилюється.

Уведемо всередину котушки осердя — товстий стрижень, виготовлений із феромагнітного матеріалу. Увімкнемо струм — циліндр спрямується до котушки та «прилипне» до осердя. Магнітна дія котушки значно посилюється в разі введення в її середину феромагнітного осердя.

• Згадайте магнітні властивості речовин і поясніть, чому для виготовлення осердя використовують феромагнітні матеріали. Чи збільшиться магнітна дія котушки, якщо осердя виготовити з міді або алюмінію?

2. Дізнаємося про будову електромагнітів і сферу їх застосування

Котушку з уведеним усередину осердям із феромагнітного матеріалу називають електромагнітом.

Розглянемо будову електромагніта (рис. 6.2). Будь-який електромагніт має каркас (1), виготовлений із діелектрика. На каркас щільно намотаний ізольований дріт — це обмотка електромагніта (2). Кінці обмотки підведені до клем (3), за допомогою яких електромагніт приєднують до джерела струму. Усередині каркаса розміщене осердя (4), виготовлене з м’якомагнітної сталі. Осердю електромагніта часто надають підковоподібної форми, оскільки завдяки цьому магнітна дія електромагніта значно посилюється.

Рис. 6.2. Будова електромагніта: 1 — каркас; 2 — обмотка; 3 — клеми; 4 — осердя

Електромагніти широко застосовують в техніці насамперед тому, що їхню магнітну дію легко регулювати — достатньо змінити силу струму в обмотці. Крім того, електромагніти можна виготовити будь-яких форм і розмірів. Важко знайти галузь техніки, де б не застосовували електромагніти: вони містяться в багатьох побутових пристроях (рис. 6.3), входять до складу електродвигунів та електричних генераторів, електровимірювальних приладів і медичної апаратури. Гігантські електромагніти використовують у прискорювачах заряджених частинок (див. «Енциклопедичну сторінку» на с. 52-53).

Рис. 6.3. У багатьох побутових приладах використовують електромагніти

Розглянемо застосування електромагнітів в електромагнітних підіймальних кранах та електромагнітному реле.

3. Вивчаємо принцип дії електромагнітного підіймального крана й електромагнітного реле

Складемо електричне коло з джерела струму й електромагніта. Замкнувши коло, побачимо, що залізні ошурки притяглися до осердя електромагніта, отже, можемо перенести їх, наприклад, на інший кінець столу (рис. 6.4). Саме за таким принципом працюють електромагнітні підіймальні крани, які переносять важкі залізні болванки, металобрухт тощо (рис. 6.5). І не потрібні ніякі гаки! Увімкнули струм — залізні предмети притягнися до електромагніта і їх перенесли в потрібне місце, вимкнули струм — залізні предмети припинили притягуватись і залишились там, куди їх перенесли.

Рис. 6.4. Після замикання кола залізні ошурки притягуються до осердя (а); після розмикання кола — відпадають від нього (б)

Рис. 6.5. Електромагнітний підіймальний кран

На підприємствах часто застосовують споживачі електроенергії, сила струму в яких сягає сотень і тисяч амперів. Замикальний пристрій і споживач з’єднані послідовно, тому через замикальний пристрій має проходити струм великої сили. А це становить небезпеку для людей, які працюють за пультом керування. На допомогу приходять електромагнітні реле — пристрої для керування електричним колом (рис. 6.6). Зверніть увагу: замикальний пристрій (1), установлений на пульті керування, та електромагніт (2) приєднані до джерела струму А з малою напругою на виході, а споживач (на рис. 6.6 це електродвигун) живиться від потужного джерела В.

Рис. 6.6. Принцип дії електромагнітного реле. Коли замикають ключ (1) (натискають кнопку), в обмотці електромагніта (2) йде слабкий безпечний струм. Унаслідок цього осердя електромагніта (3) притягує до себе залізний якір (4). Коли якір опускається і замикає контакти (5), замикається коло електродвигуна, який споживає струм значно більшої сили

Підбиваємо підсумки

Магнітна дія котушки зі струмом посилюється, якщо в ній збільшити число витків; збільшити силу струму; внести всередину котушки осердя з феромагнітного матеріалу.

Котушку з уведеним усередину осердям, виготовленим із феромагнітного матеріалу, називають електромагнітом. Електромагніти широко застосовують у техніці, адже їхню магнітну дію легко регулювати, змінюючи силу струму в обмотці; електромагніти можна виготовити будь-яких форм і розмірів.

Контрольні запитання

1. Від чого і як саме залежить магнітна дія котушки зі струмом? Опишіть дослід на підтвердження вашої відповіді. 2. Що таке електромагніт? Опишіть його будову. 3. Чому електромагніти набули широкого застосування в техніці? 4. Поясніть принцип дії електромагнітного підіймального крана. 5. Для чого призначено електромагнітне реле? Опишіть принцип його дії.

Вправа № 6

1. Замість магнітом’якої сталі для виготовлення осердя електромагніта використали магнітожорсткий матеріал. Які недоліки матиме такий електромагніт?

2. Намотавши на залізний цвях ізольований дріт і з’єднавши кінці дроту з батареєю гальванічних елементів, одержали найпростіший електромагніт (рис. 1). Визначте полюси цього електромагніта.

Рис. 1

3. До якої пари затискачів електромагнітного реле (рис. 2) слід приєднати джерело слабкого (керувального) струму?

Рис. 2

4. Як зміниться підіймальна сила електромагніта, якщо пересунути повзунок реостата праворуч (рис. 3)? Відповідь обґрунтуйте.

Рис. 3

5. На рис. 4 подано схему будови пристрою, який автоматично спрацьовує за певної температури. Назвіть основні частини цього пристрою, поясніть принцип його дії. Де доцільно встановлювати такі автоматичні пристрої?

Рис. 4

6. Скориставшись рис. 5, спробуйте розібратися, як працює електричний дзвінок. Якщо не вийде, то зверніться до додаткових джерел інформації.

Рис. 5. Схема дії електричного дзвінка: 1 — молоточок; 2 — чаша дзвінка; 3 — підковоподібний електромагніт; 4 — кнопка; 5 — джерело струму; 6 — контактна пружина, яка торкається гвинта 7

7. Скористайтеся додатковими джерелами інформації та дізнайтеся про технологію магнітної сепарації і про те, в яких пристроях використовують цю технологію. Підготуйте коротке повідомлення.

8. Дайте характеристику сили як фізичної величини: що вона характеризує, яким символом її позначають, скалярна це величина чи векторна, якими є її одиниці в СІ.

Експериментальне завдання

Виготовте електромагніт: намотайте на залізний цвях ізольований дріт і з’єднайте його кінці з батареєю гальванічних елементів (див. рис. 1). Розімкнувши коло, закріпіть електромагніт горизонтально на деякій відстані від поверхні столу. Змішайте дрібні шматочки паперу, зерна рису та дрібні залізні предмети (краще ошурки). Замкніть коло. Повільно просипаючи суміш повз голівку цвяха, відокремте залізні предмети. Подумайте, як удосконалити цей пристрій.