Магнитное поле. Действие магнитного поля на проводник с током. Электромагниты
Магнитные стрелки и постоянные магниты. Опыт Эрстеда: возникновение магнитного поля вокруг проводника с током. Линии магнитной индукции. Правило буравчика (правой руки). Электромагниты и электродвигатель.
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.
Выход линий
Вход линий
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.
Геомагнитное поле Земли:
Земля представляет собой гигантский магнит. Географический Северный полюс Земли является магнитным Южным полюсом (куда и притягивается северный конец стрелки компаса!). Магнитное поле защищает жизнь на Земле от губительного солнечного ветра.
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.
Прямой провод
Катушка / соленоид
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 (FA).
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.
Неподвижный магнит
Вращающаяся рамка
Полукольца-переключатели
- 1. Постоянные магниты. Магнитные полюса и их взаимодействие~5 мин
- 2. Магнитное поле электрического тока. Опыт Ханса Кристиана Эрстеда~5 мин
- 3. Магнитные линии поля прямого тока и соленоида. Правило буравчика~5 мин
- 4. Электромагниты: устройство, принцип действия и применение~5 мин
- 5. Действие магнитного поля на проводник с током. Электродвигатель~5 мин
