Магнитное поле. Действие магнитного поля на проводник с током. Электромагниты

Тела, длительное время сохраняющие намагниченность (железо, никель, кобальт, неодимовые сплавы), называют постоянными магнитами.

У каждого магнита есть два полюса — места, где магнитное действие проявляется сильнее всего:

• Северный магнитный полюс (N — North, обычно окрашивают в синий цвет);

• Южный магнитный полюс (S — South, окрашивают в красный цвет).

Закон магнитного взаимодействия: одноименные полюса магнитов взаимно отталкиваются (N и N, S и S), а разноименные — притягиваются (N и S).

Неделимость магнитных полюсов: невозможно получить изолированный северный или южный магнитный полюс! При разрезании любого магнита на две части всегда образуются два новых полноценных магнита, каждый со своими полюсами N и S.

В 1820 году датский физик Ханс Кристиан Эрстед открыл фундаментальную связь между электричеством и магнетизмом.

Опыт Эрстеда: над магнитной стрелкой расположили прямой медный провод. Пока тока в проводе не было, стрелка ориентировалась на север. При замыкании цепи магнитная стрелка мгновенно поворачивалась перпендикулярно проводу! При изменении направления тока стрелка разворачивалась на 180°.

Фундаментальный вывод: вокруг любого проводника с электрическим током (вокруг движущихся зарядов) обязательно существует магнитное поле! Магнитное поле порождается электрическим током и действует на электрический ток.

Магнитные линии — воображаемые непрерывные замкнутые линии, вдоль которых ориентируются оси маленьких магнитных стрелок, помещенных в поле.

В отличие от электростатического поля, магнитные линии НЕ имеют ни начала, ни конца — они всегда замкнуты сами на себя (вихревое поле).

1. Магнитное поле прямого проводника: линии представляют собой концентрические окружности вокруг провода. Направление линий определяется правилом буравчика (или правилом правой руки): если вкручивать буравчик по направлению тока в проводе, то направление вращения его рукоятки укажет направление магнитных линий.

2. Катушка с током (соленоид): при протекании тока катушка превращается в магнитный эквивалент полосового магнита. Линии выходят из торца N и входят в торец S. Направление полюсов соленоида определяют по правилу правой руки: если обхватить катушку ладонью правой руки, направив четыре пальца по току в витках, то отогнутый на 90° большой палец укажет на северный полюс N.

Электромагнит — катушка с током, внутри которой помещен ферромагнитный стальной сердечник.

Роль сердечника: железо обладает колоссальной магнитной проницаемостью (μ ~ 1000–5000), многократно усиливая магнитное поле катушки.

Способы регулирования подъемной силы электромагнита:

1. Увеличение силы тока I с помощью реостата;

2. Увеличение числа витков N в обмотке катушки;

3. Применение сердечника из магнитомягкой стали.

Главные достоинства электромагнитов: мгновенное включение и выключение при размыкании цепи, плавная регулировка силы, возможность дистанционного управления.

Применение: подъемные краны на металлобазах, электромагнитные реле автоматики, звонки, динамики наушников и акустических систем, поезда на магнитной подушке (маглев), аппараты МРТ в медицине.

На проводник с током, помещенный в магнитное поле, со стороны поля действует механическая выталкивающая сила — сила Ампера (F_A).

Электродвигатель постоянного тока преобразует электрическую энергию в механическую работу непрерывного вращения вала.

Основные части электродвигателя:

• Статор (неподвижная часть): постоянный магнит или мощный электромагнит, создающий однородное поле;

• Ротор (якорь, вращающаяся часть): обмотка из проволоки на сердечнике с валом;

• Коллектор и графитовые щетки: специальный переключатель направления тока в рамке через каждые пол-оборота, обеспечивающий непрерывное вращение вала в одну сторону.

КПД современных электродвигателей превышает 90–95%, они экологичны, бесшумны и приводят в движение электромобили, поезда метро, станки, лифты и бытовую технику.