Природничі науки. 8 клас. Інтегрований курс. Мандренко
Тема 2. Електромагніти
rnk.com.ua/108808
Будете навчатися:
- визначати напрямок магнітного поля навколо провідника зі струмом;
- визначати магнітні полюси котушки зі струмом;
- розуміти, як працює електромагніт;
- виготовляти найпростіші електромагніти.
Дослід Ерстеда
Ще вчені Давньої Греції висловлювали припущення, що магнітні й електричні явища якимось чином пов'язані між собою, проте з'ясувати цей зв'язок удалося лише на початку XIX ст. 15 лютого 1820 року датський фізик Г. Ерстед демонстрував студентам дослід із нагріванням провідника електричним струмом.
Рис. 10.12. Датський фізик Γ. Ерстед (14.08.1777 — 9.03.1851)
У процесі досліду вчений помітив, що під час проходження струму магнітна стрілка, розташована поблизу провідника, відхиляється від напрямку «північ — південь» і встановлюється перпендикулярно до провідника (рис. 10.13). Щойно струм припинявся, стрілка поверталася в початкове положення. Так було з'ясовано, що електричний струм чинить певну магнітну дію.
Рис. 10.13. Схема досліду Ерстеда
Магнітне поле прямого проводу зі струмом
Силові лінії магнітного поля є уявними лініями, і тому побачити їх безпосередньо не можна. Дрібні залізні ошурки намагнічуються в магнітному полі, перетворюючись на маленькі магнітні стрілки. А ці малюсінькі стрілки орієнтуються вздовж ліній магнітної індукції. За допомогою залізних ошурок можна виявити основні особливості магнітного поля, що створюється провідником зі струмом.
Спостерігаємо, що поблизу провідника ошурки утворюють силові лінії магнітного поля, які мають вигляд концентричних кіл (рис. 10.14). Якщо замість ошурок помістити кілька маленьких магнітних стрілок, то вони розташуються вздовж уявних кіл (рис. 10.15). Лінії магнітного поля струму — це замкнені лінії, які оточують провідник зі струмом.
Рис. 10.14. Магнітне поле провідника зі струмом
Рис. 10.15. Стрілки компаса орієнтуються вздовж ліній магнітного поля
Напрямок силових ліній магнітного поля можна визначити за допомогою правила магнітної індукції, яке ще називають правилом правої руки: якщо правою рукою «обхопити» провідник так, щоб великий палець був спрямований у напрямку струму, то чотири пальці покажуть напрямок силових ліній магнітного поля.
Попрактикуйтеся
1. Як дослідним шляхом показати, що напрямок силових ліній магнітного поля пов'язаний з напрямком струму?
2. На затискачах акумулятора не виявилося позначок про те, який з них «плюсовий», а який — «мінусовий». Чи можна визначити полюси, маючи компас?
Магнітне поле котушки зі струмом
Магнітне поле окремого прямолінійного провідника, або витка зі струмом, незначне. Більш потужне магнітне поле має котушка зі струмом, яка складається з великої кількості витків дроту, намотаного на каркас з ізоляційного матеріалу (рис. 10.16). Магнітне поле окремих витків взаємно підсилюється, і його дія виявляється значно сильнішою.
Рис. 10.16. Котушка зі струмом
Отже, навколо котушки зі струмом існує магнітне поле, лінії якого є замкнутими кривими (рис. 10.17). Поза котушкою силові лінії спрямовані від її північного полюса до південного. Полюси магнітного поля котушки зі струмом можна визначити за допомогою магнітної стрілки, або знаючи напрямок струму у витках котушки.
Рис. 10.17. Магнітне поле котушки зі струмом
Полюси котушки розташовані на її торцях, і їх легко визначити за допомогою правила правої руки. А саме: якщо правою рукою «обхопити» котушку зі струмом, розташувавши чотири пальці у напрямку струму, то відігнутий великий палець покаже напрямок силових ліній усередині котушки.
Попрактикуйтеся
3. Визначте полюси джерел струму до рисунків а та б.
4. Намалюйте силові лінії магнітного поля котушки зі струмом на рисунку в. Визначте їх напрямок.
Електромагніт
Електромагніт — це пристрій, який створює магнітне поле під час проходження електричного струму. Він складається з катушки та осердя, набуваючи властивостей магніту під час проходження струму крізь катушку. Катушку електромагнітів виготовляють з ізольованого алюмінієвого або мідного дроту.
Рис. 10.18. Електромагніт
Осердя виготовляють зі сталі, чавуну, або залізовмісних сплавів. Матеріал, з якого виготовлено осердя, може впливати на силу електромагніту. Електромагніти відрізняються від постійних магнітів тим, що їх можна вмикати та вимикати, а також регулювати силу магнітного поля.
Попрактикуйтеся
5. Опишіть, чим електромагніт відрізняється від постійного магніту.
6. Дмитру потрібно вибрати осердя для електромагніту. У нього є залізо, мідь, пластик і дерево. Який матеріал ви б порекомендували? Чому?
7. Поясніть, у чому полягає перевага можливості змінювати силу електромагніту.
8. Запропонуйте способи підсилення магнітної дії котушки зі струмом.
Завдання 10.2. Складання електромагніту
Складання електромагніту та керування його силою. Ви виготовите електромагніт і дослідите різні фактори, які впливають на силу електромагніту. Під час виконання роботи притримуйтесь правил безпечної поведінки.
1. Збираючи електромагніт, використовуйте дроти з міцною ізоляцією без видимих ушкоджень.
2. Джерело струму до електромагніту підключайте в останню чергу. Зібраний електромагніт умикати тільки після перевірки і з дозволу вчителя.
Дослід 1
1. Об'єднайтеся в пари та розгляньте схему найпростішого електромагніту.
2. Поміркуйте, які прилади вам знадобляться, та підготуйте їх.
3. Пригадайте, від яких факторів залежить сила електромагніту, та продумайте, як ви можете змінювати ці фактори.
4. Дотримуючись правил безпечної поведінки, сконструюйте електромагніт, намотавши дріт на сталевий цвях або прут. Під'єднайте його до джерела струму.
5. Перевірте силу електромагніту без струму. Скільки скріпок ви зможете підняти без струму?
6. Поступово збільшуйте силу струму в котушці та перевіряйте силу електромагніту, підраховуючи кількість скріпок, які можна підняти. Запишіть свої результати в таблицю.
Дослід 2
7. Увімкніть струм і збільшіть кількість витків у котушці. Обговоріть з партнером, що, на вашу думку, відбудеться, коли струм буде увімкнено. Повторіть пункти 5-6, використовуючи більшу кількість витків дроту.
Використання електромагніту
Електромагніт — одна з основних складових багатьох технічних пристроїв, як-от: дзвоники, електричні телеграфи, телефони, мікрофони та електромагнітні реле. Електромагнітами також оснащують піднімальні крани для переміщення сталевих деталей і залізного брухту (рис. 10.19). Електромагнітний підйомний кран використовується для навантаження та розвантаження металобрухту. Його перевага полягає в тому, що він не потребує жодних кріплень для вантажу. Машиніст крана розміщує електромагніт поблизу металобрухту, вмикає струм в обмотці і підбирає його. Після вимкнення струму металобрухт відпадає від сердечника.
Рис. 10.19. Електромагніт піднімального крана
Терміном «реле» позначають багато приладів, що дають змогу за допомогою слабких струмів керувати роботою потужних пристроїв. До складу будь-якого електромагнітного реле входить електромагніт і контакти, що замикаються чи розмикаються під час руху якоря — залізної пластинки, що притягується до електромагніту (рис. 10.20).
Рис. 10.20. Електромагнітне реле
Попрактикуйтеся
9. Електромагніт є складовою підйомного крана, і його дія заснована на використанні електричного струму для створення магнітного поля. Іноді після вимкнення струму деякі предмети залишаються притягнутими до електромагніту. Поміркуйте, чому це відбувається та які дії ви запропонували б виконати, щоб ці предмети відпали.
10. Запропонуйте, як можна регулювати піднімальну силу електромагніта, що використовується в підйомному крані.
Наука в дії. Потяги на магнітній подушці
Маглев — це потяг, який рухається та керується магнітними силами, завдяки магнітній підвісці (рис. 10.21). Великі магніти встановлені на потягах і коліях. Принцип дії маглевів базується на відштовхуванні однойменних магнітних полюсів, що дає змогу потягу левітувати. Притягування різнополярних магнітів забезпечує його рух уперед. Для підтримання потягу у повітрі та досягнення високих швидкостей необхідне потужне магнітне поле, що ускладнює будівництво шляхів через використання важких магнітів.
Рис. 10.21. Потяг на магнітній підвісці
Маглеви вже успішно експлуатуються в таких країнах, як Китай, Південна Корея та Японія. Система магнітної левітації піднімає потяг над рейками та рухає його вперед. Потяг левітує на висоті 5 см над коліями і рухається на повітряній подушці. Завдяки високій швидкості маглеви можуть конкурувати з авіацією на коротких відстанях. Українські вчені також вивчають цю технологію з метою її впровадження у метрополітенах.
Підсумки
• Лінії магнітного поля струму — це замкнені лінії, які оточують провідник зі струмом.
• Котушка зі струмом складається з великої кількості витків дроту, намотаного на каркас з ізоляційного матеріалу.
• Електромагніт — пристрій, що створює магнітне поле під час проходження електричного струму.
Ключові поняття
Магнітне поле провідника зі струмом, електромагніт.
Оцініть свої досягнення
• Я можу визначати напрямок магнітного поля навколо провідника зі струмом.
• Я можу визначити магнітні полюси електромагніту.
• Я можу скласти найпростіший електромагніт.
