Как изменится магнитное поле катушки
1)Как изменить магнитное поле катушки с током, имея в своем распоряжении железный стержень, диаметр которого чуть меньше диаметра ее отверстия? Как оно изменится при этом? □а) положить стержень рядом с катушкой; усилится. □б) вставить стержень в катушку; ослабнет. □в) вставить стержень в катушку; усилится. □г) подвесить стержень над катушкой; усилится.
2)Где находится южный магнитный полюс Земли? □а) там, где расположен ее южный географический полюс. □б) там, где находится северный географический полюс Земли. □в) вблизи северного географического полюса планеты. □г) вблизи южного географического полюса планеты.
3)На какой проводник с током действует магнитное поле? □а) на прямой. □б) на катушку. □в) на рамку. □г) на все проводники с током. □д) в форме спирали.
4)Какой механизм действует благодаря использованию в его устройстве принципа вращения рамки с током в магнитном поле? □а) электромагнит. □б) электродвигатель. □в) электрический чайник.
5)Какая физическая величина характеризует энергетическую эффективность электродвигателя? □а) его мощность. □б) произведенная им работа. □в) КПД двигателя. □г) масса и размеры двигателя.
6)Напряжение на реостате сопротивлением 20 Ом равно 75 В. Какова сила тока в нем? □а) 1,5 А. □б) 7,5 А. □в) 37,5 А. □г) 3,75 А.
Как изменить магнитное поле катушки с током, имея в своём распоряжении железный стержень, диаметр которого немного меньше
Как быстро выучить стихотворение наизусть? Запоминание стихов является стандартным заданием во многих школах.
Как научится читать по диагонали? Скорость чтения зависит от скорости восприятия каждого отдельного слова в тексте.
Как быстро и эффективно исправить почерк? Люди часто предполагают, что каллиграфия и почерк являются синонимами, но это не так.
Как научится говорить грамотно и правильно? Общение на хорошем, уверенном и естественном русском языке является достижимой целью.
Способы влияния на магнитные силы катушки
Однако, оказалось, что катушка с током имеет и другие замечательные свойства. Чем из большего количества витков состоит катушка, тем сильнее становится магнитное поле. Это позволяет собирать магниты различной силы действия. Однако есть более простые способы воздействия на величину магнитного поля.
Так, при увеличении силы тока в проводах катушки возрастает сила магнитного поля, и, наоборот, при уменьшении силы тока, магнитное поле ослабевает. То есть, при элементарном подключении реостата, мы получаем регулируемый магнит.
Магнитное поле катушки с током можно значительно усилить, введя внутрь спирали железный стержень. Он называется сердечником. Применение сердечника позволяет создавать очень мощные магниты. Например, в производстве используют магниты, способные поднимать и удерживать несколько десятков тонн веса. Это достигается следующим образом.
Сердечник изгибают в виде дуги, а на два его конца надевают две катушки, по которым пускают ток. Катушки соединяют проводами 4е так, что их полюса совпадают. Сердечник усиливает их магнитное поле. Снизу к этой конструкции подводят пластину с крюком, на который подвешивают груз. Подобные устройства используют на заводах и в портах для того, чтобы перемещать грузы очень большого веса. Эти грузы легко подсоединяются и отсоединяются при включении и отключении тока в катушках.
Если проводник, по которому проходит электрический ток, внести в магнитное поле, то в результате взаимодействия магнитного поля и проводника с током проводник будет перемещаться в ту или иную сторону.
Направление перемещения проводника зависит от направления тока в нем и от направления магнитных линий поля.
Допустим, что в магнитном поле магнита NS находится проводник, расположенный перпендикулярно плоскости рисунка; по проводнику протекает ток в направлении от нас за плоскость рисунка.
Ток, идущий от плоскости рисунка к наблюдателю, обозначается условно точкой, а ток, направляющийся за плоскость рисунка от наблюдателя, — крестом.
Движение проводника с током в магнитном поле
1 — магнитное поле полюсов и тока проводника,
2 — результирующее магнитное поле.
Всегда всё уходящее на изображениях обозначается крестом,
а направленное на смотрящего — точкой.
Под действием тока вокруг проводника образуется свое магнитное поле рис. 1.
Применяя правило буравчика, легко убедиться, что в рассматриваемом нами случае направление магнитных линий этого поля совпадает с направлением движения часовой стрелки.
При взаимодействии магнитного поля магнита и поля, созданного током, образуется результирующее магнитное поле, изображенное на рис. 2.
Густота магнитных линий результирующего поля с обеих сторон проводника различна. Справа от проводника магнитные поля, имея одинаковое направление, складываются, а слева, будучи направленными встречно, частично взаимно уничтожаются.
Следовательно, на проводник будет действовать сила, большая справа и меньшая слева. Под действием большей силы проводник будет перемещаться по направлению силы F.
Перемена направления тока в проводнике изменит направление магнитных линий вокруг него, вследствие чего изменится и направление перемещения проводника.
Для определения направления движения проводника в магнитном поле можно пользоваться правилом левой руки, которое формулируется следующим образом:
Если расположить левую руку так, чтобы магнитные линии пронизывали ладонь, а вытянутые четыре пальца указывали направление тока в проводнике, то отогнутый большой палец укажет направление движения проводника.
Сила, действующая на проводник с током в магнитном поле, зависит как от тока в проводнике, так и от интенсивности магнитного поля.
Основной величиной, характеризующей интенсивность магнитного поля, является магнитная индукция В. Единицей измерения магнитной индукции является тесла ( Тл=Вс/м2 ).
О магнитной индукции можно судить по силе действия магнитного поля на проводник с током, помещенный в это поле. Если на проводник длиной 1 м и с током 1 А, расположенный перпендикулярно магнитным линиям в равномерном магнитном поле, действует сила в 1 Н (ньютон), то магнитная индукция такого поля равна 1 Тл (тесла).
Магнитная индукция является векторной величиной, ее направление совпадает с направлением магнитных линий, причем в каждой точке поля вектор магнитной индукции направлен по касательной к магнитной линии.
Сила F, действующая на проводник с током в магнитном поле, пропорциональна магнитной индукции В, току в проводнике I и длине проводника l, т. е.
F=BIl.
Эта формула верна лишь в том случае, когда проводник с током расположен перпендикулярно магнитным линиям равномерного магнитного поля.
Если проводник с током находится в магнитном поле под каким-либо углом а по отношению к магнитным линиям, то сила равна:
F=BIl sin a.
Если проводник расположить вдоль магнитных линий, то сила F станет равной нулю, так как а=0.
Электромагнитная индукция
Представим себе два параллельных проводника аб и вг , расположенных на близком расстоянии один от другого. Проводник аб подключен к зажимам батареи Б; цепь включается ключом К, при замыкании которого по проводнику проходит ток в направлении от а к б. К концам же проводника вг присоединен чувствительный амперметр А, по отклонению стрелки которого судят о наличии тока в этом проводнике.
Если в собранной таким образом схеме замкнуть ключ К, то в момент замыкания цепи стрелка амперметра отклонится, свидетельствуя о наличии тока в проводнике вг;
по прошествии же небольшого промежутка времени (долей секунды) стрелка амперметра придет в исходное (нулевое) положение.
Размыкание ключа К опять вызовет кратковременное отклонение стрелки амперметра, но уже в другую сторону, что будет указывать на возникновение тока противоположного направления.
Подобное отклонение стрелки амперметра А можно наблюдать и в том случае, если, замкнув ключ К, приближать проводник аб к проводнику вг или удалять от него.
Приближение проводника аб к вг вызовет отклонение стрелки амперметра в ту же сорону, что и при замыкании ключа К, удаление проводника аб от проводника вг повлечет за собой отклонение стрелки амперметра, аналогичное отклонению при размыкании ключа К.
При неподвижных проводниках и замкнутом ключе К ток в проводнике вг можно вызвать изменением величины тока в проводнике аб.
Аналогичные явления происходят и в том случае, если проводник, питаемый током, заменить магнитом или электромагнитом.
Так, например, на рисунке схематически изображена катушка (соленоид) из изолированной проволоки, к концам которой подключен амперметр А.
Если внутрь обмотки быстро ввести постоянный магнит (или электромагнит), то в момент его введения стрелка амперметра А отклонится; при выведении магнита будет также наблюдаться отклонение стрелки амперметра, но в другую сторону.
Электрические токи, возникающие при подобных обстоятельствах, называются индукционными, а причина, вызывающая появление индукционных токов, электродвижущей силой индукции.
Эта эдс возникает в проводниках под действием изменяющихся магнитных полей,
в которых находятся эти проводники.
Направление эдс индукции в проводнике, перемещающемся в магнитном поле, может быть определено по правилу правой руки, которое формулируется так:
Если правую руку расположить ладонью к северному полюсу так, чтобы большой отогнутый палец показывал направление движения проводника, то четыре пальца будут указывать направление эдс индукции.
Направление индукционного тока, а следовательно, и эдс индукции определяют также по правилу Ленца, которое формулируется следующим образом:
Эдс индукции имеет всегда такое направление, что созданный ею индукционный ток препятствует причине, ее вызывающей.
Величина эдс индукции, возникающей в замкнутом проводнике, пропорциональна скорости изменения магнитного потока, пронизывающего контур этого проводника.
Таким образом, если магнитный поток, пронизывающий контур замкнутого проводника, уменьшился на величину Ф в течение t секунд, то скорость уменьшения магнитного потока равна Ф/t.
Это отношение и представляет собой величину эдс индукции е, т. е.
е = -Ф/t.
Знак минус указывает на то, что ток, созданный эдс индукции, препятствует причине, вызвавшей эту здс.
Возникновение эдс индукции в замкнутом контуре происходит как при движении этого контура в магнитном поле, так и при изменении магнитного потока, пронизывающего неподвижный контур.
Если контур имеет витков, то индуктированная эдс
e = — Ф/t.
Магнитное поле катушки с током. Электромагниты и их применение
В прошлом уроке мы рассмотрели магнитное поле прямого проводника с током. А что будет, если этот проводник будет иметь другую форму?
Наиболее интересен этот вопрос становится, если мы говорим про катушку.
Катушка — это проводник, намотанный на неметаллический (чаще всего деревянный) каркас.
Обычно катушка обладает большим количеством витков, расположенных вплотную друг к другу (рисунок 1). Получается, что проходя по этим проводам, ток идет по спирали.
В данном уроке вы узнаете, какое магнитное поле возникает при прохождении тока через катушку, какими интересными свойствами оно обладает и какое имеет применение.
Катушка с током как магнитная стрелка
Возьмем катушку и подвесим ее на тонких и гибких проводниках. Когда мы включим ток, катушка примет определенное положение (рисунок 2).
Дело в том, что один конец катушки будет направлен точно на север, а другой — на юг. Получается, что катушка при прохождении тока через нее ведет себя как магнитная стрелка. У нее так же есть два полюса: северный и южный.
Магнитное поле катушки
Если по катушке идет ток, то вокруг нее возникает магнитное поле. Его можно увидеть, проведя опыт с железными опилками, подобный тому, что мы проводили для прямого проводника с током в прошлом уроке.
На рисунке 3 представлено схематическое изображение магнитных линий для катушки с током.
Как вы видите, магнитные линии представляют собой замкнутые кривые. Принято считать, что они направлены от северного полюса катушки к южному.
Правило правой руки для катушки с током
Вы знаете, что направление тока и направление магнитных линий связаны между собой. Используя правило право руки для прямого проводника с током, мы можем найти направление тока, если нам известно направление магнитных линий. Или, наоборот, при известном направлении тока в проводнике мы можем определить направление магнитных линий.
Для катушки с током это правило тоже действует, но принимает немного другой вид (рисунок 4).
Правило правой руки для катушки с током:
если взять катушку в правую руку так, чтобы четыре пальца смотрели в сторону протекания тока, то отставленный большой палец укажет на северный полюс катушки и совпадет с направлением магнитных линий.
Изменение магнитного действия катушки
Так как катушки с током имеют два полюса, их часто применяют в технике как магниты. Почему же тогда просто не взять обычный магнит?
Дело в том, что магнитное действие катушки можно изменять (усиливать или ослаблять). Сейчас мы рассмотрим, какими способами это можно сделать.
Проведем простой опыт (рисунок 5). Насыпем мелкие железные опилки и включим ток. Катушка начнет притягивать их.
А теперь, не изменяя силу тока, возьмем катушку с большим числом витков, чем прежняя. Вы увидите, что количество притянутых опилок заметно увеличилось.
Магнитное действие катушки с током тем сильнее, чем больше число витков в ней.
Добавим к нашей электрической цепи реостат (рисунок 6). Он позволит изменять силу тока.
С помощью таких изменений силы тока, мы увидим, что при разных ее значениях катушка притягивает разное количество железных предметов.
При увеличении силы тока действие магнитного поля катушки с током усиливается, при уменьшении — ослабляется.
Можно ли усилить магнитное действие катушки с током, не изменяя количество витков и силу тока? Можно! Для этого нужно ввести внутрь катушки железный стержень (рисунок 7). Такие стержни называются сердечниками.
Электромагнит
Добавление сердечников в катушки с током — простой способ значительно усилить их магнитное действие. Поэтому такие конструкции получили широкое применение. Называют же их электромагнитами.
Электромагнит — это катушка с железным сердечником внутри.
Электромагниты являются основной частью многих приборов. Они обладают несколькими крайне полезными свойствами:
- Они быстро размагничиваются при выключении тока
- Во время работы можно менять силу тока в катушке и таким способом изменять магнитное действие электромагнита
- Электромагниты легко изготавливаются самых различных размеров.
Применение электромагнитов
Рассмотрим несколько примеров применения электромагнитов.
На рисунке 8 изображен дугообразный электромагнит. Он удерживает железную пластину (якорь) с подвешенным грузом.
Такие установки широко используются на заводах для перемещения различных изделий из металлов, сбора металлической стружки.
На рисунке 9 изображен в разрезе магнитный сепаратор для зерна.
Принцип его работы очень прост. В собранное зерно добавляют очень мелкие железные опилки. Они не прилипают к гладким зернам злаков, но прилипают к зернам сорняков.
Из бункера 1 зерна с опилками высыпаются на вращающийся барабан 2. Внутри него находится мощный электромагнит 5. Он притягивает железные опилки, а вместе с ними и зерна сорняков. Так сепаратор очищает зерно.
Электромагниты также применяются во многих других устройствах. Некоторые из них мы рассмотрим ниже в данном уроке в разделе “Задания”.
Упражнения
Упражнение №1
Нужно построить электромагнит, подъемную силу которого можно регулировать, не изменяя конструкции. Как это сделать?
Подъемная сила будет зависеть от магнитного действия электромагнита. Мы знаем три способа, как это сделать: изменить число витков, добавить сердечник или изменить силу тока.
Первый способ нам не подходит, так как подразумевает собой изменение конструкции. Второй не подходит, так как у нас и так уже катушка с вставленным сердечником (электромагнит).
Остается изменение силы тока. Для того, чтобы у нас была возможность это делать, необходимо включить в цепь реостат. Изменяя с его помощью силу тока, мы будем уменьшать или увеличивать магнитное действие электромагнита и изменять его подъемную силу.
Упражнение №2
Что надо сделать, чтобы изменить магнитные полюсы катушки с током на противоположные?
Вы уже знаете, что для определения полюсов катушки можно воспользоваться правилом правой руки. Пользуясь им, мы обхватываем катушку так, чтобы наши четыре пальца совпадали с направлением тока в витках. Тогда наш большой палец указывает на северный полюс катушки.
Это означает, что направление тока и расположение полюсов катушки связаны между собой.
Что сделать, чтобы северный полюс оказался с другой стороны? Поменять направление тока на противоположное.
Упражнение №3
Как построить сильный электромагнит, если конструктору дано условие, чтобы ток в электромагните был сравнительно малым?
Если мы не можем усилить магнитное действие электромагнита с помощью увеличения силы тока, то остается только увеличить количество витков в катушке.
Вставить дополнительно железный сердечник мы тоже не можем, так как электромагнит — это уже катушка с сердечником.
Упражнение №4
Используемые в подъемном кране электромагниты обладают громадной мощностью. Электромагниты, при помощи которых удаляют из глаз случайно попавшие железные опилки, очень слабы. Какими способами достигают такого различия?
Для увеличения мощности увеличивают число витков в катушке, силу тока, оставляют в катушке железный сердечник. Для уменьшения мощности можно уменьшить число витков, снизить силу тока и вытащить сердечник.
Задания
Задание №1
На рисунке 10 дана схема устройства электрического звонка. На ней буквами обозначено: ЭМ — дугообразный электромагнит, Я — железная пластинка — якорь, М — молоточек, З — звонковая чаша, К — контактная пружина, касающаяся винта В. Рассмотрите схему звонка и объясните, как он действует.
Когда мы подаем на это устройство питание, по проводам начинает течь ток. Он течет и по проводам в катушках дугообразного электромагнита (ЭМ).
Возникает магнитное поле. Катушки начинают действовать как магниты и притягивают к себе якорь (так как он железный).
К якорю прикреплен молоточек (М). При притяжении якоря к электромагниту он ударяется о звонковую чашу (З).
Также якорь соединен с контактной пластиной (К). При притяжении к электромагниту он тянет ее за собой и электрическая цепь размыкается — винт (В) перестает касаться пластины, тока нет.
Тут же пропадает и магнитное поле катушек. Якорь возвращается на прежнее место и цепь снова замыкается. Снова по проводам течет ток, возникает магнитное поле, и якорь притягивается к электромагниту.
Получается, что молоточек совершает мелкие быстрые удары по звонковой чаше. Каждый удар происходит при возникновении магнитного поля. Так будет происходить до тех пор, пока звонок не будет отключен от источника питания.
Задание №2
На рисунке 11 показана схема простейшей телеграфной установки, позволяющей передавать телеграммы со станции A на станцию B. На схеме цифрами обозначено: 1 — ключ, 2 — электромагнит, 3 — якорь, 4 — пружина, 5 — колесико смазанное краской.
По схеме объясните устройство установки.
Когда на станции A замыкается ключ, по проводам начинает идти электрический ток. На станции B вокруг катушки возникает магнитное поле, она начинает вести себя как магнит.
Катушка притягивает к себе якорь, и другой его конец прижимает ленту к колесику с краской. Пока лента прижата к колесику, на ней остается след.
Когда на станции A размыкают ключ, якорь возвращается в исходное положение. Он больше не прижимает ленту к колесику с краской — на ней не остается следов.
С помощью такой установки, находясь далеко друг от друга, можно выбивать на ленте, замыкая и размыкая ключ, символы азбуки Морзе — точки и тире.
Задание №3
В мощных электрических двигателях, применяемых в прокатных станах, шахтных подъемниках, насосах, сила тока достигает нескольких тысяч ампер. Так как в последовательно соединенных проводниках сила тока одинакова, то такая же сила тока будет во всех соединительных проводах этой цепи. Это очень неудобно, особенно если потребитель тока находится на большом расстоянии от пульта управления, где включается ток. Такие цепи можно включать при помощи специального устройства — электромагнитного реле (рисунок 12), приводя его в действие малой силой тока. На схеме обозначено: 1 — электромагнит, 2 — якорь, 3 — контакты рабочей цепи, 4 — пружина, 5 — электродвигатель, 6 — контакты цепи электродвигателя.
Объясните как действует прибор.
При замыкании ключа, в катушке электромагнита 1 возникает электрический ток. Также возникает и магнитное поле. Из-за этого электромагнит начинает притягивать к себе якорь 2.
Когда якорь притянулся к катушке, его правый конец опускается на контакты 3. Цепь оказывается замкнутой. Теперь по цепи, в которой находится электродвигатель тоже течет ток. Двигатель начинает работать.
Смысл такой установки в том, что малой силой тока с помощью использования электромагнита в устройстве реле, можно запускать электродвигатель большой мощности, находящийся на большом расстоянии от места включения тока.