Магнитное поле катушки с током. Способы влияния на магнитные силы катушки Ток в катушке из одного витка

Мы продолжаем изучение вопросов электромагнитных явлений. И на сегодняшнем уроке рассмотрим магнитное поле катушки с током и электромагнит.

Наибольший практический интерес представляет собой магнитное поле катушки с током. Чтобы получить катушку, надо взять изолированный проводник и намотать его на каркас. Такая катушка содержит в себе большое количество витков провода. Обратите внимание: эти провода намотаны на пластмассовый каркас и у этого провода есть два вывода (рис. 1).

Рис. 1. Катушка

Исследованием магнитного поля катушки занимались два известных ученых: Андре-Мари Ампер и Франсуа Араго. Они выяснили, что магнитное поле катушки полностью соответствует магнитному полю постоянного магнита (рис. 2).

Рис. 2. Магнитное поле катушки и постоянного магнита

Почему магнитные линии катушки имеют такой вид

Если через прямой проводник протекает постоянный ток, вокруг него возникает магнитное поле. Направление магнитного поля можно определить по «правилу буравчика» (рис. 3).

Рис. 3. Магнтное поле проводника

Сгибаем этот проводник по спирали. Направление тока остается таким же, магнитное поле проводника так же существует вокруг проводника, поле разных участков проводника складывается. Внутри катушки магнитное поле будет сосредоточено. В итоге получим следующую картину магнитного поля катушки (рис. 4).

Рис. 4. Магнитное поле катушки

Вокруг катушки с током имеется магнитное поле. Его, как и поле прямого проводника, можно обнаружить при помощи опилок (рис. 5). Линии магнитного поля катушки с током являются также замкнутыми.

Рис. 5. Расположение металлических опилок около катушки с током

Если катушку с током подвесить на тонких и гибких проводниках, то она установится так же, как магнитная стрелка компаса. Один конец катушки будет обращен к северу, другой - к югу. Значит, катушка с током, как и магнитная стрелка, имеет два полюса - северный и южный (рис. 6).

Рис. 6. Полюса катушки

На электрических схемах катушка обозначается следующим образом:

Рис. 7. Обозначение катушки на схемах

Катушки с током широко используют в технике в качестве магнитов. Они удобны тем, что их магнитное действие можно изменять в широких пределах.

Магнитное поле катушки велико по сравнению с магнитным полем проводника (при одинаковой силе тока).

При пропускании тока через катушку вокруг нее образуется магнитное поле. Чем больший ток протекает по катушке, тем сильнее будет магнитное поле.

Его можно фиксировать с помощью магнитной стрелки или металлической стружки.
Также магнитное поле катушки зависит от количества витков. Магнитное поле катушки с током тем сильнее, чем больше число витков в ней. То есть мы можем регулировать поле катушки, изменяя количество ее витков или электрический ток, протекающий по катушке.

Но самым интересным оказалось открытие английского инженера Стёрджента. Он продемонстрировал следующее: ученый взял и надел катушку на железный сердечник. Дело все в том, что, пропуская электрический ток по виткам этих катушек, магнитное поле многократно увеличивалось - и все железные предметы, которые находились вокруг, стали притягиваться к этому устройству (рис. 8). Это устройство получило название «электромагнит».

Рис. 8. Электромагнит

Когда сообразили сделать железный крючок и присоединить его к этому устройству, получили возможность перетаскивать различные грузы. Итак, что такое электромагнит?

Определение

Электромагнит - это катушка с большим количеством витков обмотки, надетая на железный сердечник, которая обретает свойства магнита при прохождении по обмотке электрического тока.

Электромагнит на схеме обозначается как катушка, а сверху располагается горизонтальная линия (рис. 9). Эта линия обозначает железный сердечник.

Рис. 9. Обозначение электромагнита

Когда мы изучали электрические явления, то говорили, что у электрического тока есть разные свойства, в том числе магнитные. И один из экспериментов, которые мы обсуждали, был связан с тем, что мы берем проволоку, присоединенную к источнику тока, наматываем на железный гвоздь и наблюдаем, как к этому гвоздю начинают притягиваться различные железные предметы (рис. 10). Вот это и есть простейший электромагнит. И теперь мы понимаем, что простейший электромагнит нам обеспечивают протекание тока в катушке, большое количество витков и обязательно - металлический сердечник.

Рис. 10. Простейший электромагнит

На сегодняшний день электромагниты очень широко распространены. Электромагниты работают практически везде и всюду. Например, если нам надо перетащить достаточно большие грузы, мы используем электромагниты. И, регулируя силу тока, мы будем, соответственно, силу либо увеличивать, либо уменьшать. Еще одним примером использования электромагнитов является электрический звонок.

Открытие и закрытие дверей и тормоза некоторых транспортных средств (например, трамвая) тоже обеспечиваются электромагнитами.

Список литературы

Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. Физика 8 / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. - М.: Мнемозина.
Перышкин А.В. Физика 8. - М.: Дрофа, 2010.
Фадеева А.А., Засов А.В., Киселев Д.Ф. Физика 8. - М.: Просвещение.

Инернет-портал «сайт» ()
Инернет-портал «сайт» ()
Инернет-портал «class-fizika.narod.ru» ()

Домашнее задание

Что представляет собой катушка?
У любой ли катушки есть магнитное поле?
Опишите простейший электромагнит.

Проведем окружность радиуса R , совпадающую со средней магнитной линией кольцевой катушки (рис. 3-11), имеющей равномерно распределенную обмотку, состоящую из ɯ витков.

Полный ток, пронизывающий поверхность, ограниченную средней магнитной линией, ΣI = I ɯ

Вследствие симметрии напряженность поля Н в точках, расположенных на средней магнитной линии, будет одинаковой.

Намагничивающая сила

F M = Hl = H 2πR

Согласно закону полного тока

I ɯ = Hl.

Напряженность магнитного поля на средней магнитной линии (осевой линии) кольцевой катушки

H = I ɯ : l

Рис. 3-11. Кольцевая катушка.

а магнитная индукция

B = μaH = μa (I ɯ/l )

Считая магнитную индукцию на осевой линии кольцевой катушки равной ее среднему значению (что допустимо при R 1 - R 2 < R 1), напишем выражение для магнитного потока катушки:

Ф = BS = μ а ((IɯS ):l )

Рис. 3-12.

Зависимость (3-20) аналогична закону Ома для электрической цепи и поэтому называется законом Ома для магнитной цепи; здесь Ф - магнитный поток аналогичен току; F M - н. с. аналогична э. д. с, a R M - сопротивление магнитной цепи - магнитопровода - аналогично сопротивлению электрической цепи. Под магнитной цепью здесь следует понимать магнитопровод - сердечник, в котором под действием н. с. замыкается магнитный поток.

Цилиндрическую катушку (рис. 3-12) можно рассматривать как часть кольцевой катушки с бесконечно большим

радиусом с обмоткой, расположенной только на части сердечника, длина которой равна длине катушки. Напряженность поля и магнитная индукция на осевой линии в центре катушки определяются по тем же формулам, как и для кольцевой катушки. Но для цилиндрической катушки эти формулы являются приближенными. Ими можно пользоваться для определения Н и В внутри длинной катушки, длина которой значительно больше ее диаметра.

Статья на тему Магнитное поле катушки с током

Электромагнетизм - это совокупность явлений, обусловленных связью электрических токов и магнитных полей. Иногда эта связь приводит к нежелательным эффектам. К примеру, ток, протекающий по электрическим кабелям на корабле, вызывает ненужное отклонение судового компаса. Однако нередко электричество намеренно используется для создания магнитных полей большой интенсивности. В качестве примера можно привести электромагниты. О них мы сегодня и поговорим.

и магнитный поток

Интенсивность магнитного поля можно определить числом линий магнитного потока, которое приходится на единицу площади. возникает всюду, где протекает электрический ток, причем магнитный поток в воздухе пропорционален последнему. Прямой провод, несущий ток, можно согнуть в виток. При достаточно малом радиусе витка это приводит к возрастанию магнитного потока. При этом сила тока не увеличивается.

Эффект концентрации магнитного потока можно еще усилить, увеличивая количество витков, т. е. скручивая провод в катушку. Справедливо и обратное. Магнитное поле катушки с током можно ослабить, если уменьшить количество витков.

Выведем важное соотношение. В точке максимальной плотности магнитного потока (в ней на единицу площади приходится больше всего линий потока) соотношение между электрическим током I, числом витков провода n и магнитным потоком В выражается так: In пропорционально В. Ток в 12 А, текущий по катушке из 3 витков, создает точно такое же магнитное поле, как и ток в 3 А, текущий по катушке из 12 витков. Это важно знать, решая практические задачи.

Соленоид

Катушка из намотанного провода, создающая магнитное поле, называется соленоидом. Провода можно наматывать на железо (железный сердечник). Подойдет и немагнитная основа (например, воздушный сердечник). Как вы видите, можно использовать не только железо, чтобы создать магнитное поле катушки с током. С точки зрения величины потока любой немагнитный сердечник эквивалентен воздуху. То есть приведенное выше соотношение, связывающее ток, число витков и поток, в этом случае выполняется достаточно точно. Таким образом, магнитное поле катушки с током можно ослабить, если применить эту закономерность.

Использование железа в соленоиде

Для чего в соленоиде используется железо? Его наличие влияет на магнитное поле катушки с током в двух отношениях. Оно увеличивает тока, часто в тысячи раз и более. Однако при этом может нарушаться одна важная пропорциональная зависимость. Речь идет о той, которая существует между магнитным потоком и током в катушках с воздушным сердечником.

Микроскопические области в железе, домены (точнее, их при действии магнитного поля, которое создается током, строятся в одном направлении. В результате при наличии железного сердечника данный ток создает больший магнитный поток на единицу сечения провода. Таким образом, плотность потока существенно возрастает. Когда все домены выстраиваются в одном направлении, дальнейшее увеличение тока (или числа витков в катушке) лишь незначительно повышает плотность магнитного потока.

Расскажем теперь немного об индукции. Это важная часть интересующей нас темы.

Индукция магнитного поля катушки с током

Хотя магнитное поле соленоида с железным сердечником гораздо сильнее магнитного поля соленоида с воздушным сердечником, величина его ограничена свойствами железа. Размер того, которое создается катушкой с воздушным сердечником, теоретически не имеет предела. Однако, как правило, получать огромные токи, необходимые для создания поля, сравнимого по величине с полем соленоида с железным сердечником, очень трудно и дорого. Не всегда следует идти этим путем.

Что будет, если изменить магнитное поле катушки с током? Это действие может породить электрический ток точно так же, как ток создает магнитное поле. При приближении магнита к проводнику магнитные силовые линии, пересекающие проводник, индуцируют в нем напряжение. Полярность индуцированного напряжения зависит от полярности и направления изменения магнитного потока. Этот эффект значительно сильнее проявляется в катушке, чем в отдельном витке: он пропорционален числу витков в обмотке. При наличии железного сердечника индуцированное напряжение в соленоиде увеличивается. При таком способе необходимо движение проводника относительно магнитного потока. Если проводник не будет пересекать линии магнитного потока, напряжение не возникнет.

Как получают энергию

Электрические генераторы вырабатывают ток на основе тех же принципов. Обычно магнит вращается между катушками. Величина индуцированного напряжения зависит от величины поля магнита и скорости его вращения (они определяют скорость изменения магнитного потока). Напряжение в проводнике прямо пропорционально скорости магнитного потока в нем.

Во многих генераторах магнит заменен соленоидом. Для того чтобы создать магнитное поле катушки с током, соленоид подключают к Какой в этом случае будет электрическая мощность, вырабатываемая генератором? Она равна произведению напряжения на силу тока. С другой стороны, взаимосвязь тока в проводнике и магнитного потока позволяет использовать поток, создаваемый электрическим током в магнитном поле, для получения механического движения. По этому принципу работают электродвигатели и некоторые электроизмерительные приборы. Однако для создания движения в них необходимо затрачивать дополнительную электрическую мощность.

Сильные магнитные поля

В настоящее время, используя удается получать невиданной интенсивности магнитное поле катушки с током. Электромагниты могут быть очень мощными. При этом ток протекает без потерь, т. е. не вызывает нагрева материала. Это позволяет применять большое напряжение в соленоидах с воздушным сердечником и избежать ограничений, обусловленных эффектом насыщения. Очень большие перспективы открывает такое мощное магнитное поле катушки с током. Электромагниты и их применение не зря интересуют множество ученых. Ведь сильные поля могут использоваться для движения на магнитной «подушке» и создания новых видов электродвигателей и генераторов. Они способны высокую мощность при малой стоимости.

Энергия магнитного поля катушки с током активно используется человечеством. Она уже долгие годы широко применяется, в частности на железных дорогах. О том, как используются магнитные линии поля катушки с током для регулирования движения поездов, мы сейчас и поговорим.

Магниты на железных дорогах

На железных дорогах обычно применяются системы, в которых в целях большей безопасности электромагниты и постоянные магниты дополняют друг друга. Как же действуют эти системы? Сильный прикрепляют вплотную к рельсу на определенном расстоянии от светофоров. Во время прохождения поезда над магнитом ось постоянного плоского магнита в кабине машиниста поворачивается на малый угол, после чего магнит остается в новом положении.

Регулирование движения на железной дороге

Движение плоского магнита включает сигнальный звонок или сирену. Далее происходит следующее. Через пару секунд кабина машиниста проходит над электромагнитом, который связан со светофором. Если тот дает поезду зеленую улицу, то электромагнит оказывается под напряжением и ось постоянного магнита в вагоне поворачивается в свое первоначальное положение, выключая сигнал в кабине. Когда же на светофоре горит красный или желтый свет, электромагнит бывает выключен, и тогда после некоторой задержки автоматически включается тормоз, если, конечно, это забыл сделать машинист. Тормозная цепь (как и звуковой сигнал) подключается к сети с момента поворота оси магнита. Если магнит во время задержки возвращается в первоначальное положение, то тормоз не включается.

Наибольший практический интерес представляет собой магнитное поле катушки с током. На рисунке 97 изображена катушка, состоящая из большого числа витков провода, намотанного на деревянный каркас. Когда в катушке есть ток, железные опилки притягиваются к её концам, при отключении тока они отпадают.

Рис. 97. Притяжение железных опилок катушкой с током

Рис. 98. Полюсы катушки с током

Вокруг катушки с током имеется магнитное поле. Его, как и поле прямого тока, можно обнаружить при помощи опилок (рис. 99). Магнитные линии магнитного поля катушки с током являются также замкнутыми кривыми. Принято считать, что вне катушки они направлены от северного полюса катушки к южному (см. рис. 99).

Рис. 99. Магнитные линии катушки с током

Катушки с током широко используют в технике в качестве магнитов. Они удобны тем, что их магнитное действие можно изменять (усиливать или ослаблять) в широких пределах. Рассмотрим способы, при помощи которых можно это делать.

На рисунке 97 изображён опыт, в котором наблюдается действие магнитного поля катушки с током. Если заменить катушку другой, с большим числом витков проволоки, то при той же силе тока она притянет больше железных предметов. Значит, магнитное действие катушки с током тем сильнее, чем больше число витков в ней .

Включим в цепь, содержащую катушку, реостат (рис. 100) и при помощи него будем изменять силу тока в катушке. При увеличении силы тока действие магнитного поля катушки с током усиливается, при уменьшении - ослабляется .

Рис. 100. Действие магнитного поля катушки

Оказывается также, что магнитное действие катушки с током можно значительно усилить, не меняя число её витков и силу тока в ней. Для этого надо ввести внутрь катушки железный стержень (сердечник). Железо, введённое внутрь катушки, усиливает магнитное действие катушки (рис. 101).

Рис. 101. Действие магнитного поля катушки с железным сердечником

Катушка с железным сердечником внутри называется электромагнитом .

Электромагнит - одна из основных деталей многих технических приборов. На рисунке 102 изображён дугообразный электромагнит, удерживающий якорь (железную пластинку) с подвешенным грузом.

Рис. 102. Дугообразный электромагнит

Электромагниты широко применяют в технике благодаря их замечательным свойствам. Они быстро размагничиваются при выключении тока, в зависимости от назначения их можно изготавливать самых различных размеров, во время работы электромагнита можно регулировать его магнитное действие, меняя силу тока в катушке.

Электромагниты, обладающие большой подъёмной силой, используют на заводах для переноски изделий из стали или чугуна, а также стальных и чугунных стружек, слитков (рис. 103).

Рис. 103. Применение электромагнитов

На рисунке 104 показан в разрезе магнитный сепаратор для зерна. В зерно подмешивают очень мелкие железные опилки. Эти опилки не прилипают к гладким зёрнам полезных злаков, но прилипают к зёрнам сорняков. Зёрна 1 высыпаются из бункера на вращающийся барабан 2. Внутри барабана находится сильный электромагнит 5. Притягивая железные частицы 4, он извлекает зёрна сорняков из потока зерна 3 и таким путём очищает зерно от сорняков и случайно попавших железных предметов.

Рис. 104. Магнитный сепаратор

Применяются электромагниты в телеграфном, телефонном аппаратах и во многих других устройствах.

Вопросы

В каком направлении устанавливается катушка с током, подвешенная на длинных тонких проводниках? Какое сходство имеется у неё с магнитной стрелкой?
Какими способами можно усилить магнитное действие катушки с током?
Что называют электромагнитом?
Для каких целей используют на заводах электромагниты?
Как устроен магнитный сепаратор для зерна?

Упражнение 41

Нужно построить электромагнит, подъёмную силу которого можно регулировать, не изменяя конструкции. Как это сделать?
Что надо сделать, чтобы изменить магнитные полюсы катушки с током на противоположные?
Как построить сильный электромагнит, если конструктору дано условие, чтобы ток в электромагните был сравнительно малым?
Используемые в подъёмном кране электромагниты обладают громадной мощностью. Электромагниты, при помощи которых удаляют из глаз случайно попавшие железные опилки, очень слабы. Какими способами достигают такого различия?

Задание

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 . 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.

В физике характеристикой магнитного поля служит B, и чем она больше, тем сильнее магнитное поле. Магнитная индукция В - величина векторная, ее направление совпадает с направлением силы, действующей на северный полюс условной магнитной стрелки, помещенной в какую-нибудь точку магнитного поля, - магнитное поле сориентирует магнитную стрелку в направлении вектора В, то есть в направлении магнитного поля.

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 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.