Фізика. 9 клас. Головко
§ 5. Магнітне поле колового струму. Електромагніти
• Магнітне поле колового струму
• Магнітне поле котушки зі струмом
• Електромагніти та їх використання
МАГНІТНЕ ПОЛЕ КОЛОВОГО СТРУМУ. У попередньому параграфі ви з’ясували особливості магнітного поля прямого провідника зі струмом. Як зазначалося, магнітне поле існує навколо будь-якого провідника зі струмом. З метою виявлення характеру магнітного поля колового струму, так само, як і в досліді з прямим провідником, скористаємося залізними ошурками. Для цього насиплемо їх на горизонтальну пластинку, через яку пропущено коловий провідник (рис. 5.1, а). Під час проходження електричного струму в коловому провіднику навколо нього виникає магнітне поле. Залізні ошурки намагнічуються і розташовуються вздовж силових ліній магнітного поля (рис. 5.1, б). Напрям силових ліній магнітного поля колового провідника зі струмом можна визначити, якщо умовно розділити його на невеликі, близькі до прямолінійних, ділянки та скористатися правилом свердлика (рис. 5.1, в).
Рис. 5.1. Магнітне поле колового струму
Зверніть увагу на те, що навколо колового провідника зі струмом по один бік площини утворюється північний полюс, а по другий — південний, чого не скажеш про прямий провідник.
МАГНІТНЕ ПОЛЕ КОТУШКИ ЗІ СТРУМОМ. Як ви вже знаєте, навколо будь-якого провідника зі струмом існує магнітне поле. Проте магнітне поле, наприклад, окремого колового провідника зі струмом незначне. Якщо ж на каркас з ізоляційного матеріалу намотати велику кількість витків ізольованого дроту, то отримаємо котушку. При проходженні електричного струму магнітне поле окремих витків взаємно підсилюється і його дія виявляється значно сильніше. Тому котушка зі струмом має значно потужніше магнітне поле. Його характер, так само, як і в дослідах із прямим та коловим провідниками, можна спостерігати за допомогою залізних ошурок (рис. 5.2, а).
Лінії магнітного поля котушки зі струмом є замкнутими кривими. Поза котушкою силові лінії спрямовані від її північного полюса до південного (рис. 5.2, б).
Рис. 5.2. Магнітне поле котушки зі струмом
Магнітне поле, силові лінії якого максимально наближені до паралельних, отримують за допомогою соленоїдів (від грец. solen — трубка) — довгих прямих котушок зі струмом. Магнітне поле всередині соленоїда вважають однорідним.
Як і будь-який магніт, котушка зі струмом має два полюси — північний та південний. Тому в магнітному полі Землі поводить себе так само, як і магнітна стрілка. Якщо котушку зі струмом вільно розташувати на гнучких провідниках, то вона встановиться вздовж ліній магнітного поля Землі таким чином, що один кінець вказуватиме на північний магнітний полюс, а другий — на південний (рис. 5.3).
Рис. 5.3. Котушка зі струмом у магнітному полі Землі: а) котушка зі струмом встановлюється вздовж силових ліній магнітного поля Землі; б) полюси магнітного поля котушки зі струмом можна визначити за допомогою правила свердлика (правового гвинта) в) полюси магнітного поля котушки зі струмом визначають за правилом правої руки
Полюси магнітного поля котушки зі струмом можна визначити за допомогою магнітної стрілки, а також за правилом свердлика або правої руки (знаючи напрям струму у витках котушки):
якщо ручку свердлика обертати в напрямку струму у витках котушки, то напрям поступального руху його вістря вказуватиме на напрям магнітного поля котушки (її північний полюс) (рис. 5.3, б);
якщо праву руку покласти долонею на витки котушки таким чином, щоб чотири пальці показували струм у витках, то відігнутий великий палець покаже північний полюс котушки (рис. 5.3, в).
За правилом свердлика або правої руки можна визначити й напрям струму у витках котушки (полярність її включення), якщо відомі полюси її магнітного поля.
ЕЛЕКТРОМАГНІТИ. Магнітна дія котушки зі струмом залежить від кількості її витків, і тим сильніша, чим більше витків має котушка. Підсилити магнітне поле котушки також можна, збільшивши силу струму в її витках. Або увівши до неї осердя з феромагнетику, наприклад, заліза. Така котушка легко притягує різноманітні залізні предмети (рис. 5.4, а).
Котушку із залізним осердям усередині називають електромагнітом.
Найпростіший електромагніт ви можете виготовити самостійно, намотавши кілька витків ізольованого дроту на залізний цвях. Якщо кінці провідника приєднати до джерела струму, отримаємо саморобний електромагніт (рис. 5.4, б).
Рис. 5.4. Найпростіші електромагніти: а) котушка із залізним осердям легко притягує дрібні залізні предмети; б) саморобний електромагніт
Електромагніти широко використовуються в техніці та на виробництві. Осердя промислових електромагнітів виготовляють зі спеціального заліза (так званого м’якого) або сплавів із сильними магнітними властивостями. Котушки таких магнітів містять велику кількість витків, намотаних у декілька шарів. Для збільшення притягальної дії електромагнітів використовують дві котушки, які під’єднують до джерела струму послідовно і закріплюють на U-подібному осерді.
Електромагніти широко застосовуються, оскільки швидко розмагнічуються у разі вимикання струму, а їхню магнітну дію можна легко регулювати, змінюючи силу струму в котушці. Електромагніти з великою підйомною силою використовують для перенесення залізних виробів та металевого брухту (рис. 5.6, а). Електромагніти є основними складниками, наприклад, електричного дзвоника та електромагнітних реле, які працюють за порівняно малих струмів, але дають змогу автоматично вмикати та розмикати електричні кола з великими робочими значеннями струмів. У мікрофоні вашого мобільного телефону та навушниках використовуються невеликі електромагніти — котушки, прикріплені до мембран та надіті на постійні магніти. Коли електричний сигнал подається на них, виникає магнітне поле, яке взаємодіє з магнітним полем постійного магніту, і котушка разом із мембраною рухається (рис. 5.5, б).
Також електромагніти використовують для наукових досліджень. Так, в адронному колайдері елементарним частинкам (наприклад, протонам) надають високих енергій, розганяючи їх у магнітному полі, що створюється потужними електромагнітами (рис. 5.5, в). Електромагніти є складниками сучасних медичних апаратів — томографів, за допомогою яких здійснюють діагностику захворювань методом магнітного резонансу (рис. 5.5, г).
Рис. 5.5. Використання електромагнітів: а) промислові електромагніти; б) електромагніт є складовою електричного дзвоника, реле, навушників тощо; в) адронний колайдер для досліджень взаємодій елементарних частинок має потужні електромагніти; г) за допомогою магніто-резонансного томографа здійснюють діагностику хвороб.
! Головне в цьому параграфі
Магнітне поле окремих витків взаємно підсилюється, тому щоб отримати потужне магнітне поле, використовують котушки. Лінії магнітного поля котушки зі струмом є замкнутими кривими. Поза котушкою силові лінії спрямовані від її північного полюса до південного.
Довгу пряму котушку зі струмом, всередині якої, силові лінії магнітного поля якої майже паралельні, називають соленоїдом.
Полюси магнітного поля котушки зі струмом визначають за правилом правої руки: якщо праву руку покласти долонею на витки котушки таким чином, щоб чотири пальці показували струм у витках, то відігнутий великий палець покаже північний полюс котушки.
Котушку із залізним осердям усередині називають електромагнітом. Електромагніти широко використовуються для наукових досліджень, у техніці та побуті.
? Запитання для самоперевірки
- 1. З якою метою провідник намотують у котушку?
- 2. Що називають соленоїдом?
- 3. Як визначити полюси магнітного поля котушки зі струмом?
- 4. Яким чином можна підсилити магнітне поле котушки зі струмом?
- 5. Що називають електромагнітом?
- 6. Де застосовуються електромагніти? Наведіть приклади.
Домашній експеримент
Спробуйте виготовити найпростіший електромагніт. Для цього візьміть тонкий мідний ізольований провідник і намотайте 20—30 витків на залізний цвях або залізний стрижень. Приєднайте кінці провідника до батарейки, яка використовується в побутових приладах (пульт дистанційного керування, настінний годинник). Спробуйте підняти електромагнітом невеликий вантаж (канцелярські скріпки, дрібненькі цвяшки).
Визначте полюси вашого електромагніту, користуючись правилом правої руки. Якщо у вас є магнітна стрілка (компас), перевірте, чи правильно визначені полюси електромагніту.
Проекспериментуйте: спробуйте змінити полюси електромагніту, намотайте на цвях більшу кількість витків та спостерігайте, як зміниться магнітна дія.
Вправа до § 5
1 (п). Дві котушки виготовлені з однакового провідника і по них тече однаковий струм. Перша котушка має 100 витків, а друга — 150. Порівняйте магнітні поля котушок.
2 (п). Порівняйте магнітні поля двох однакових котушок, якщо сила струму в першій із них удвічі більша, ніж у другій.
3 (с). Як змінити напрям магнітного поля котушки зі струмом?
4 (с). Яким чином можна відокремити металевий вантаж від електромагніту?
5 (д). Визначте магнітні полюси котушки зі струмом, зображеної на рис. 5.7.
Рис. 5.7. До завдання 5 (д)
6 (д). Визначте полюси джерела струму, до якого підключена котушка, якщо вона взаємодіє з магнітною стрілкою таким чином, як показано на рис. 5.8.
Рис. 5.8. До завдання 6 (д)
7 (д). Дві котушки підвішені на тонких дротинах. Визначте, яким чином будуть взаємодіяти ці котушки, якщо їх підключити до джерела струму як показано на рис. 5.9.
Рис. 5.9. До завдання 7 (д)
8 (в). Дві котушки виготовили з одного й того ж провідника однакової довжини. При виготовлені другої котушки провідник перегнули навпіл. Порівняйте магнітні поля котушок, якщо по них пропускають електричний струм однакової величини. Відповідь обгрунтуйте.
