Фізика. 9 клас. Сиротюк

§ 4. Магнітне поле провідника зі струмом. Електромагніти. Магнітна левітація

Відкриття Ерстеда ознаменувало початок низки досліджень з електромагнетизму. У 1820 р. Андре-Марі Ампер і Франсуа Араго дослідили магнітне поле котушки. У 1825 р. британський фізик Вільям Стерджен помітив, що магнітне поле котушки значно підсилюється, якщо в її середину внести сталеве осердя. Таким чином він винайшов найпростіший електромагніт.

У 1828 р. Джозеф Генрі застосував багатошарову обмотку з ізольованого дроту й цим самим створив потужніший електромагніт.

Будь-який електромагніт складається з таких частин (мал. 32): сталевого осердя 1, котушки (обмотки) 2 і якоря 3, який притягується до осердя. З’ясуємо, від чого залежить сила, з якою магнітне поле котушки електромагніту діє на його якір.

Мал. 32

Дослід 1. Замкнемо коло, що містить електромагніт і реостат, за допомогою якого змінюватимемо силу струму в котушках. При певній силі струму електромагніт утримує певний вантаж (мал. 33, а), а якщо збільшити силу струму вдвічі, то електромагнітом можна втримати приблизно вдвічі важчий вантаж (мал. 33, б).

Мал. 33

Що більший струм проходить у котушці електромагніту, то з більшою силою притягується до нього якір.

Дослід 2. Повторимо дослід 1 при початковій силі струму, коли електромагніт утримував менший вантаж. Тепер поміняємо котушку електромагніту на подібну за конструкцією, але з удвічі більшим числом витків. Пересвідчимося, що в цьому разі електромагніт здатен утримувати такий самий більший вантаж, як і в досліді 1, коли вдвічі збільшували струм.

Що більше витків має котушка електромагніту, то з більшою силою притягується до нього якір.

З результатів цих дослідів випливає висновок, що «вантажопідйомність» електромагніту залежить від «ампервитків» його обмотки, тобто від добутку сили струму в котушці на кількість витків у ній.

Електромагніти широко застосовують у техніці, побуті, медицині тощо завдяки тому, що вони мають особливі властивості: електромагніти швидко розмагнічуються, коли вимкнути струм; залежно від призначення їх можна виготовляти різних розмірів; під час роботи електромагніту можна регулювати його магнітну дію, змінюючи силу струму в обмотці.

Мал. 34

Електромагніти є в будь-якому телефоні, телевізорі, комп’ютері, ліфті, автомобілі, морському чи повітряному судні, космічному кораблі тощо. На підприємствах застосовують електромагнітний підйомний кран для навантаження або розвантаження металобрухту (мал. 34). Ця машина зручна тим, що не потребує ніяких кріплень вантажу. Машиніст крана, розмістивши електромагніт над металобрухтом, вмикає струм в обмотці - і весь металевий вантаж міцно «прилипає» до магніту. Після вимикання струму металобрухт сам відпадає від сердечника. За допомогою електромагніту піднімають і переміщають масивні об’єкти, наприклад автомобілі перед утилізацією. А електромагніт заводського крана, що його використовують, наприклад, для перенесення бобін листової сталі, має 4 обмотки і може підняти бобіну діаметром 2 м і масою 28 т (мал. 35, а).

Мал. 35

На малюнку 35, б у розрізі показано магнітний сепаратор, який використовують для очищення зерна від насіння бур’янів. У зерно підмішують дрібненькі залізні ошурки, які не прилипають до гладенького зерна, а причеплюються до ворсистого насіння бур’янів. Під час обертання барабана, у якому розміщено електромагніт, відбувається розподіл зерна та насіння бур’янів із залізними ошурками.

Якщо в око людини потрапляють тіла, на які діє магніт, у лікарнях для їх видалення застосовують постійні та електромагніти. Змінюючи силу струму в обмотці, регулюють інтенсивність магнітного поля й видаляють тіло з глибини до 2,5 мм.

Магнітна левітація - це технологія переміщення, у якій капсула або вагон піднімаються над поверхнею за допомогою явища відштовхування однойменних полюсів магнітів. Завдяки цьому потяг летить над поверхнею, не торкаючись її (мал. 36, а). Відсутність коліс дає змогу розвивати надзвичайно великі швидкості для наземного транспорту, оскільки інженерам не потрібно долати супутні перепони. Наприклад, високі напруження в матеріалі коліс при високій швидкості обертання та можливість їхнього руйнування під час руху.

Однойменні полюси відштовхуються, а різнойменні - притягуються. Це підіймає потяг над поверхнею землі.

Горизонтальне переміщення потяга магнітною левітацією також відбувається за рахунок електромагнітів, які керуються автоматикою (мал. 36, б). Вона за заданим алгоритмом відключає одні та підключає інші магніти. У результаті попереду потяга створюється магнітна сила, яка тягне його. Що швидше переключаються магніти, то більшої швидкості можна досягти. У результаті такий транспорт виявляється на 30 % ефективнішим за колісний на рейках.

Мал. 36

Магнітна левітація дає змогу потягам уже сьогодні розганятись до 600 км/год. А в планах - подолати звуковий бар’єр (1000 км/год). Це дасть змогу з’єднати різні континенти Євразії та Америки залізницею - фахівці вже обговорюють подібний проект під назвою «Коридор розвитку Тихоокеанського регіону».

Не менш цікавим практичним напрямом можна вважати широке застосування магнітних підшипників у ключових вузлах механізмів. Їх установка розв’язує серйозну проблему зносу вихідного матеріалу.

Як відомо, класичні підшипники стираються досить швидко - вони постійно зазнають високих механічних навантажень. У деяких галузях необхідність заміни цих деталей спричиняє не тільки додаткові витрати, а й ризик для людей, які обслуговують ці механізми. Магнітні підшипники мають у кілька разів більший робочий ресурс, отож їх застосування доцільніше для будь-яких екстремальних умов. Зокрема, в атомній енергетиці, вітрових технологіях (мал. 36, в) або галузях, що супроводжуються надзвичайно низькими і високими температурами.

Завдяки магнітній левітації були вирощені штучні тканини легені людини (мал. 36, г). Незважаючи на те, що це звучить фантастично, група вчених під керівництвом Глук Соуза у 2010 р. наочно продемонструвала, що це можливо. Дослідники поставили за мету в лабораторних умовах створити бронхіолу. У результаті були отримані реалістичні синтетично вирощені тканини легень.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

  • 1. Якими способами можна підсилити магнітну дію котушки зі струмом?
  • 2. Що називають електромагнітом?
  • 3. Розкажіть, для чого використовують електромагніти.
  • 4. Як працює зерновий магнітний сепаратор?
  • 5. Чи діятиме як магніт котушка, виготовлена з неізольованого мідного дроту зі щільно припасованими витками, якщо по ній пропускати струм?
  • 6. Що таке магнітна левітація і де її застосовують?