Магнитное поле катушки с током. Электромагниты и их применение

Урок 58. Физика 8 класс

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобрев в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока «Магнитное поле катушки с током. Электромагниты и их применение»

Катушка представляет собой проволоку, намотанную на неметаллический каркас.

Как правило, катушка обладает большим числом витков, при этом витки расположены вплотную друг к другу. Таким образом, проходя через проволоку, ток будет идти по спирали. Если такую катушку подвесить на гибких проводах, то она будет вести себя, как магнитная стрелка. Значит, у катушки с током тоже есть магнитные полюса.

Как мы помним из предыдущего урока, магнитные линии направлены от южного полюса к северному. Тогда, получается, что катушка с током будет фактически являться магнитом. То есть, при прохождении тока через витки, внутри катушки образуется однородное магнитное поле.

Обратите внимание, насколько это явление похоже на возникновение магнитного поля вокруг проводника.

Мы видим полностью симметричную картину: в одном случае, вокруг прямого тока образуются круговые магнитные линии, а в другом — вокруг прямых магнитных линий идут витки электрического тока. Это ещё раз доказывает то, что электрические и магнитные явления неделимы.

Итак, катушка с током, фактически имеет свойства полосового магнита. Совсем недавно мы говорили, что магниты обладают полями разной силы. Так вот, было многократно подтверждено опытами, что катушка с бо́льшим числом витков имеет более сильное магнитное поле.

И, конечно, сила магнитного поля зависит от силы тока в проводнике.

Если мы будем изменять силу тока в катушке, то убедимся, что её магнитное действие усиливается с увеличением силы тока. И наоборот: магнитное действие катушки ослабевает при уменьшении силы тока. Но, кроме описанных нами двух способов усилить магнитное поле катушки, есть ещё один способ. Этот способ впервые придумал Доминик Франсуа Жан Араго, поместив внутрь катушки металлический стержень.

Он сделал это следующим образом: Араго взял полую стеклянную трубку и намотал на неё проводник, а затем внутрь трубки втолкнул железный стержень.

Араго заметил, что даже при постоянной силе тока и числе витков, магнитное поле катушки значительно увеличивается, если внутри трубки находится железный стержень. Впоследствии, железный стержень начали называть сердечником, а катушку с сердечником — электромагнитом. Назначение электромагнита понятно из названия: с помощью электрического тока создаётся мощный магнит.

Электромагниты широко используются людьми. Это довольно удобно, потому что регулировать мощность магнита очень легко. Его можно изготавливать разных размеров, с разным числом витков и пропускать через них различный ток. Мы не будем сейчас изучать, как рассчитывается сила электромагнита. Просто приведём несколько примеров их применения. Вы все знаете, что существуют магнитные замки. Они сделаны на основе электромагнита: чтобы открыть дверь, нужно ввести код.

При вводе кода, по электромагниту временно перестаёт течь ток, и дверь спокойно можно открыть. Когда по электромагниту течет ток, он с такой силой притягивает к себе дверь, что человек не в состоянии её открыть. При вводе кода, отключается ток, и магнитное поле пропадает. Поэтому, человек легко может открыть дверь.

Или, например, когда нужно поднять тяжелый металлический груз, использовать электромагнит очень удобно.

Широкое применение электромагниты нашли в сортировке. Особенно, это удобно, когда нужно отсортировать какие-то мелкие предметы. На установке, представленной на рисунке, вы видите крутящийся барабан, который является электромагнитом.

С его помощью, например, легко отделить металлический мусор от неметаллического, чтобы потом отправить отсортированный мусор на переработку.

Можно ещё долго перечислять области, в которых используются электромагниты, но для объяснения этого использования, нам нужно поднакопить знания.

Источник

Магнитное поле катушки с током

Если в пространстве вокруг неподвижных электрических зарядов существует электростатическое поле, то в пространстве вокруг движущихся зарядов (как и вокруг изменяющихся во времени электрических полей, что изначально предположил Максвелл) существует магнитное поле. Это легко наблюдать экспериментально.

Именно благодаря магнитному полю и взаимодействуют между собой электрические токи, а также постоянные магниты и токи с магнитами. По сравнению с электрическим взаимодействием, магнитное взаимодействие является значительно более сильным. Это взаимодействие в свое время изучал Андре-Мари Ампер.

Вектор В в каждой точке линии магнитной индукции направлен к ней по касательной. То есть индукция В характеризует силовое действие магнитного поля на ток. Похожую роль играет напряженность Е для электрического поля, характеризующая силовое действие электрического поля на заряд.

Простейший эксперимент с железными опилками позволяет наглядно продемонстрировать явление действия магнитного поля на намагниченный объект, поскольку в постоянном магнитном поле маленькие кусочки ферромагнетика (такими кусочками являются железные опилки) становится, намагничиваясь по полю, магнитными стрелками, словно маленькими стрелками компаса.

Если взять вертикальный медный проводник, и продеть его через отверстие в горизонтально расположенном листе бумаги (или оргстекла, или фанеры), а затем насыпать металлические опилки на лист, и немного встряхнуть его, после чего пропустить по проводнику постоянный ток, то легко заметить, как опилки выстроятся в форме вихря по окружностям вокруг проводника, в плоскости перпендикулярной току в нем.

Эти окружности из опилок как раз и будут условным изображением линий магнитной индукции В магнитного поля проводника с током. Центр окружностей, в данном эксперименте, будет расположен ровно в центре, по оси проводника с током.

Направление векторов магнитной индукции В проводника с током легко определить по правилу буравчика или по правилу правого винта: при поступательном движении оси винта по направлению тока в проводнике, направление вращения винта или рукоятки буравчика (вкручиваем или выкручиваем винт) укажет направление магнитного поля вокруг тока.

Почему применяется правило буравчика? Поскольку операция ротор (обозначаемая в теории поля rot), используемая в двух уравнениях Максвелла, может быть записана формально как векторное произведение (с оператором набла), а главное потому, что ротор векторного поля может быть уподоблен (представляет собой аналогию) угловой скорости вращения идеальной жидкости (как представлял сам Максвелл), поле скоростей течения которой изображает собой данное векторное поле, можно воспользоваться для ротора теми формулировками правила, которые описаны для угловой скорости.

Таким образом, если крутить буравчик в направлении завихрения векторного поля, то он будет ввинчиваться в направлении вектора ротора этого поля.

Как видите, в отличие от линий напряженности электростатического поля, которые в пространстве разомкнуты, линии магнитной индукции, окружающие электрический ток, замкнуты. Если линии электрической напряженности Е начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных, то линии магнитной индукции В просто замкнуты вокруг порождающего их тока.

Теперь усложним эксперимент. Рассмотрим вместо прямого проводника с током виток с током. Допустим, нам удобно расположить такой контур перпендикулярно плоскости рисунка, причем слева ток направлен на нас, а справа — от нас. Если теперь внутри витка с током разместить компас с магнитной стрелкой, то магнитная стрелка укажет направление линий магнитной индукции — они окажутся направлены по оси витка.

Почему? Потому что противоположные стороны от плоскости витка окажутся аналогичны полюсам магнитной стрелки. Откуда линии В выходят — это северный магнитный полюс, куда входят — южный полюс. Это легко понять, если сначала рассмотреть проводник с током и с его магнитным полем, а затем просто свернуть проводник в кольцо.

Для определения направления магнитной индукции витка с током также пользуются правилом буравчика или правилом правого винта. Поместим острие буравчика по центру витка, и станем его вращать по часовой стрелке. Поступательное движение буравчика совпадет по направлению с вектором магнитной индукции В в центре витка.

Очевидно, направление магнитного поля тока связано с направлением тока в проводнике, будь то прямой проводник или виток.

Принято считать, что та сторона катушки или витка с током, откуда линии магнитной индукции В выходят (направление вектора В наружу) — это и есть северный магнитный полюс, а куда линии входят (вектор В направлен внутрь) — это южный магнитный полюс.

Если множество витков с током образуют длинную катушку — соленоид (длина катушки во много раз превышает ее диаметр), то магнитное поле внутри нее однородно, то есть линии магнитной индукции В параллельны друг другу, и имеют одинаковую плотность по всей длине катушки. Кстати, магнитное поле постоянного магнита похоже снаружи на магнитное поле катушки с током.

Для катушки с током I, длиной l, с количеством витков N, магнитная индукция в вакууме будет численно равна:

Итак, магнитное поле внутри катушки с током является однородным, и направлено от южного к северному полюсу (внутри катушки!) Магнитная индукция внутри катушки пропорциональна по модулю числу ампер-витков на единицу длины катушки с током.

Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!

Подписывайтесь на наш канал в Telegram!

Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.

Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:

Источник

Магнитное поле тока и катушки.

Магнитное поле

Как показывают опыты, магнитное поле действует не только через воздух, но и через другие диэлектрические материалы (стекло, картон, бумагу и т.д.) и только материалы из стали сильно ослабляют действие магнитов.
Находясь возле магнита стальные предметы намагничиваются и становятся магнитами.
Если применяются предметы из твердой (закаленной) стали, то они долго сохраняют магнитные свойства и ими можно пользоваться как постоянными магнитами.
Мягкая сталь становится магнитной только на время намагничивания. При удалении от магнита она теряет магнитные свойства.

Магнитное поле тока

Раньше наука рассматривала явление магнетизма связанное только с постоянными магнитами. Но в 19 веке ученые доказали связь магнетизма и электричества. Доказательством этой связи будет опыт с катушкой c металлическим сердечником, подключенной к источнику питания.
При подаче напряжения на катушку сердечник намагничивается и становится электромагнитом, который притягивает металлическую стружку. Когда выключается источник тока, сердечник теряет свои магнитные свойства.

Так каким образом электрический ток намагничивает металлический сердечник?
Видимо вокруг проводов катушки создается магнитное поле, которое и намагничивает сердечник.

Магнитное поле прямолинейного проводника

Проверим наличие магнитного поля у прямолинейного проводника, поместив магнитную стрелку под проводом по которому проходит ток.
При изменении направления тока стрелка будет отклонятся в ту или иную сторону и стоять под углом к проводнику, который меняется от величины тока в проводе. Чем больше ток в проводнике, тем на больший угол поворачивается стрелка.
При определенным электрическом токе магнитная стрелка установится перпендикулярно проводу и будет находится в таком положении даже при ее движении вдоль проводника.
Это значит, что вдоль всего проводника присуствует магнитное поле, на которое и реагирует намагниченная стрелка.

Магнитное поле катушки

Электромагнитная индукция

Выше уже рассматривалось, как при прохождении электрического тока по проводнику вокруг него образуется магнитное поле. Но есть и обратное явление: создание электрического тока в магнитном поле.

Убедимся в этом, проведя следующий эксперимент: к катушке подключаем гальванометр и быстро опускаем и поднимаем в середину катушки постоянный магнит.
Когда опускаем магнит стрелка прибора отклонится в сторону от нуля, показывая наличие в катушке тока, а при остановке движения магнита она вернется на ноль. Вынимая магнит произойдет подобная картина, только стрелка отклонится в другую сторону, показывая ток противоположного знака.
Если поменяем полюса магнита, то получим почти тоже самое. Отличие будет лишь в том, что направление тока при опускании магнита будет противоположным, чем в первом случае.
Аналогичное явление получится если вместо постоянного магнита применим электромагнит, подключенный к источнику питания. Опуская и поднимая электромагнит получим такой же результат, как и при постоянным магните.

Практически направление индуктированной ЭДС определяется правилом правой руки : если правую руку поместить в магнитное поле так, чтобы силовые линии входили в ладонь, а отставленный большой палец показывал направление движения проводника (V), то остальные пальцы ладони покажут направление индуктированного напряжения (U).

Взаимная индукция

Взаимная индукция является одним из случаев электромагнитной индукции. Она образуется при наведение ЭДС индукции одной катушки от другой, в которой происходит изменение тока.

Индуктивность

При протекании переменного тока через проводник магнитные силовые линии, появляющие при этом, будут пересекать этот проводник и, по закону электромагнитной индукции, в нем появится ЭДС самоиндукции.
Это явление первый изучил русский физик Э.Х. Ленц и сформулировал правило, которое гласит:
индукционный ток направлен так, чтобы своим магнитным полем противодействовать изменению магнитного потока, которым он вызван.

На рисунке наглядно видно, как при увеличении тока через проводник силовые магнитные линии расходятся от проводника концентрическими окружностями, а направление ЭДС самоиндукции противоположно току извне. Оно как бы «тормозит» увеличивающему внешнему току для того, чтобы оставить магнитный поток малым.
При уменьшении тока силовые линии сходятся к оси проводника, а направление ЭДС самоиндукции будет тоже, что и направление тока. В этом случае ЭДС «помогает» уменьшающему току сохранить большой магнитный поток.

Можно провести интересный опыт с лампочкой и силовым трансформатором, который демонстрирует явление индуктивности(рис. e ).
Подключим постояное напряжение от источника питания через выключатель к первичной обмотке трансформатора. Выбираем первичную обмотку потому, что в ней много витков и значить при прохождении внешнего тока образуется большое магнитное поле. Параллельно первичной обмотке так же подключаем лампочку.
При включении выключателя лампочка загорается и светит нормально.
Выключив выключатель разрываем цепь тока, в результате чего силовые линии сходятся к центру, пересекая все витки обмотки. Наводится значительная ЭДС самоиндукции, которая «помогает» уменьшающему току, и лампочка вспыхивает ярче, а затем гаснет.
Проведенный опыт указывает на то, что магнитное поле тоже является носителем энергии, и при разрыве цепи эта энергия не исчезает, а переходит в энергию горения лампочки.

Единица измерения индуктивности называется генри (Г) в честь американского ученого Д.Генри.
Катушка будет иметь индуктивность 1 генри, если при изменении тока через нее на 1 ампер за 1 секунду на обоих концах ее возникает напряжение самоиндукции в 1 вольт.
Меньшими единицами индуктивности являются миллигенри и микрогенри:
1мГ=0,001Г
1мкГ=0,000 001Г.

Источник