§ 14. ЕЛЕКТРОМАГНІТИ ТА ЇХ ЗАСТОСУВАННЯ

• Назад до змісту

ПИТАННЯ ДЛЯ ОБГОВОРЕННЯ

Що необхідно зробити, щоб збільшити кількість скоб, які можна перенести за один раз?

Щоб збільшити кількість скоб, які можна перенести за один раз, необхідно збільшити кількість витків дроту в обмотці або збільшити силу струму в колі, наприклад, під’єднавши ще один елемент живлення.

1. ЩО НАЗИВАЮТЬ ЕЛЕКТРОМАГНІТОМ?

1. Що називають електромагнітом?

Електромагнітом називають котушку з введеним усередину осердям із феромагнітного матеріалу, яка створює магнітне поле під час проходження електричного струму.

Намалюйте електромагніт, який ви створили, і підпишіть назви його складників.

Перевірте, чи правильно визначено північний полюс саморобного електромагніту і зображено лінії магнітної індукції його магнітного поля (див. рисунок).

Полюси визначено неправильно. За правилом правої руки, якщо спрямувати чотири пальці за напрямком струму у витках обмотки (від позитивного полюса джерела до негативного), відігнутий на 90 градусів великий палець вкаже напрямок на північний полюс, який має бути розташований знизу, а південний — зверху. Відповідно, напрямок ліній магнітної індукції також зображено неправильно, оскільки поза електромагнітом вони повинні виходити з північного полюса ($N$) і входити в південний ($S$).

Чи зміниться розташування полюсів, якщо з котушки витягнути осердя?

Розташування полюсів не зміниться, оскільки напрямок магнітного поля залежить лише від напрямку струму в обмотці та способу намотування дроту, тоді як осердя змінює лише підіймальну силу (значення магнітної індукції) електромагніту.

А ЯК НАСПРАВДІ?

А як, на вашу думку, розташовані полюси кожного електромагніту?

У цій дискусії абсолютно має рацію Саша. Тарас помиляється, оскільки він не врахував важливу деталь: розташування магнітних полюсів котушки зі струмом залежить не лише від того, з якого боку знаходяться полюси джерела струму («+» та «-»), а й від напрямку намотування дроту на осердя.

Щоб визначити полюси кожного електромагніту, необхідно запам’ятати, що струм умовно тече від плюса до мінуса, та застосувати правило правої руки.

2. Як часто ми користуємося пристроями з електромагнітами?

Пристроями з електромагнітами люди користуються щодня, оскільки вони є елементами багатьох побутових приладів (електродвигунів кухонної техніки, динаміків у смартфонах та навушниках, жорстких дисків комп’ютерів), а також застосовуються в електромагнітних замках, медичному обладнанні та промислових підіймальних кранах.

КОНТРОЛЬНІ ЗАПИТАННЯ

1. Що таке електромагніт? Опишіть його будову.

Електромагніт — це пристрій, який створює магнітне поле під час проходження електричного струму через його обмотку. Він складається з каркаса з діелектрика, обмотки з ізольованого дроту, осердя з феромагнітного матеріалу (магнітом’якої сталі) та клем для приєднання до джерела струму.

2. Як збільшити підіймальну силу електромагніту?

Підіймальну силу електромагніту можна збільшити шляхом збільшення сили струму в обмотці, збільшення кількості витків у котушці, а також використанням осердя підковоподібної форми або зміною його матеріалу та розмірів.

3. Що вам знадобиться для виготовлення електромагніту власноруч? Як перевірити його дію?

Для виготовлення електромагніту знадобляться залізне осердя (наприклад, залізний цвях або стрижень), ізольований мідний дріт і джерело струму (батарейка). Для перевірки його дії необхідно під’єднати кінці дроту до батарейки та піднести осердя до дрібних залізних предметів (скріпок або скоб): якщо предмети притягуються, електромагніт працює.

4. За якими правилами можна визначити полюси електромагніту?

Полюси електромагніту визначають за допомогою правила правої руки, попередньо з’ясувавши напрямок електричного струму в його обмотці від позитивного полюса джерела до негативного.

5. Наведіть приклади використання електромагнітів.

Електромагніти застосовують у підіймальних кранах, електромагнітних замках, побутовій техніці (динаміках, жорстких дисках комп’ютерів, електродвигунах), електричних генераторах, електровимірювальних приладах та медичному обладнанні (зокрема в апаратах МРТ).

6. Чому електромагніти набули широкого застосування в техніці?

Електромагніти набули широкого застосування завдяки можливості легко регулювати, вмикати та вимикати їхню магнітну дію шляхом зміни сили струму в обмотці, а також виготовляти їх будь-яких форм і розмірів.

7. Поясніть принцип дії електромагнітного підіймального крана.

Принцип дії базується на керуванні магнітним полем за допомогою струму: під час подачі електричного струму в обмотку електромагніт притягує залізні предмети та дозволяє їх перенести, а після вимкнення струму магнітне поле зникає, і вантаж залишається у призначеному місці.

ВПРАВА № 14

1. Яка з котушок виявляє найбільшу магнітну дію, коли в її витках протікає струм?

Найбільшу магнітну дію виявляє котушка А, оскільки за однакової сили струму магнітна дія посилюється зі збільшенням кількості витків, а котушка А має більшу кількість витків, ніж котушка Б.

2. На якому рисунку зображено електромагніт, сила притягання якого є найменшою? Обґрунтуйте свою відповідь.

Найменшу силу притягання має електромагніт на рисунку А.

Сила притягання електромагніту залежить від двох основних чинників: сили струму в котушці та кількості витків дроту навколо осердя (цвяха). Що більший струм і що більше витків, то сильніше магнітне поле.

Оскільки електромагніт А має і найменшу напругу (порівняно з Б), і найменшу кількість витків (порівняно з В), його сила притягання є найменшою з усіх трьох.

3. Замість магнітом’якої сталі для виготовлення осердя електромагніту використали магнітожорсткий матеріал. Які недоліки матиме такий електромагніт?

Магнітожорсткий матеріал важко розмагнічується та тривалий час зберігає намагніченість. Недоліком такого електромагніту буде те, що після вимкнення електричного струму осердя залишиться постійним магнітом і продовжуватиме притягувати металеві предмети, через що електромагніт втратить можливість швидкого вимкнення та регулювання своєї магнітної дії. Тому витрачатиметься додаткова енергія на перемагнічення.

4. Визначте полюси електромагніту на рис. 1.

Електричний струм у колі тече від позитивного полюса джерела (довга риска, розташована ліворуч) до негативного (коротка риска, розташована праворуч). За правилом правої руки, якщо охопити котушку правою рукою так, щоб чотири пальці вказували напрямок струму у витках (угору на передньому боці котушки), то відігнутий на 90 градусів великий палець вкаже напрямок на північний полюс. Отже, лівий торець електромагніту є північним полюсом (N), а правий торець — південним полюсом (S).

5. Виконайте порівняльний аналіз властивостей постійних магнітів та електромагнітів.

Порівняння властивостей постійних магнітів та електромагнітів наведено в таблиці:

6. Поясніть, чому осердя з феромагнітного матеріалу посилює магнітну дію котушки зі струмом.

Усередині феромагнітного матеріалу існують області самочинної намагніченості (домени). Під дією зовнішнього магнітного поля, яке створюється струмом у котушці, магнітні моменти цих доменів орієнтуються в одному напрямку. Внаслідок цього власне магнітне поле намагніченого осердя додається до магнітного поля котушки, що суттєво підсилює загальну магнітну дію електромагніту.

7. Як зміниться підіймальна сила електромагніту, якщо пересунути повзунок реостата праворуч (рис. 2)? Відповідь обґрунтуйте.

Підіймальна сила електромагніту збільшиться. Пересування повзунка реостата праворуч зменшує введений опір реостата, що призводить до збільшення сили струму в колі. Зі збільшенням сили струму магнітна дія та підіймальна сила електромагніту зростають.

8. На рис. 3 подано схему будови пристрою, який автоматично спрацьовує за певної температури. Назвіть основні частини цього пристрою, поясніть принцип його дії. Де доцільно встановлювати такі автоматичні пристрої?

Основними частинами цього пристрою є рідинний (ртутний) термометр із впаяними металевими контактами, джерело струму, електромагнітне реле (електромагніт із залізним якорем та контактною групою) та сповіщувач (електричний дзвінок або сирена).
Принцип дії: у разі підвищення температури середовища до граничного значення ртуть у термометрі розширюється й досягає верхнього впаяного контакту. Оскільки ртуть є провідником, коло електромагніту замикається. Струм, що проходить через обмотку електромагніту, створює магнітне поле, яке притягує якір. Якір замикає коло електричного дзвінка, і лунає звуковий сигнал тривоги.
Такі пристрої доцільно встановлювати у приміщеннях із підвищеною пожежною небезпекою або вимогами до суворого температурного режиму: на складах, у виробничих цехах, серверних кімнатах, котельнях та лабораторіях.

9. Скориставшись рис. 4, спробуйте розібратися, як працює електричний дзвінок.

При натисканні кнопки 4 замикається електричне коло, і струм від джерела 5 починає протікати через контактну пружину 6, гвинт 7 та обмотку підковоподібного електромагніту 3. Намагнічений электромагніт притягує залізний якір, на якому закріплено молоточок 1, і молоточок вдаряє по чаші дзвінка 2, створюючи звук. У момент притягання якоря контактна пружина 6 відходить від гвинта 7, розмикаючи коло. Струм припиняється, електромагніт втрачає магнітні властивості, і пружина повертає якір із молоточком у початкове положення. Після відновлення контакту між пружиною 6 та гвинтом 7 коло знову замикається, і процес повторюється доти, доки утримується натиснутою кнопка 4.

TOP SKILLS: РОБОТА З ІНФОРМАЦІЄЮ

1. Які елементи входять до конструкції електромагніту Біттера?

До конструкції електромагніту Біттера входять елементи А (мідні диски), Б (діелектричні пластини) та Г (водяні трубки).

2. Чому дорівнює індукція магнітного поля, яке створює сучасний електромагніт Біттера? Які можливі сфери його застосування?

Індукція магнітного поля, яке створює сучасний електромагніт Біттера, дорівнює 36 Тл. Основними сферами його застосування є наукові дослідження у галузях фізики твердого тіла, фізики плазми, ядерного магнітного резонансу, вивчення надпровідності та розробка нових матеріалів у надсильних магнітних полях.

3. Який висновок щодо значення індукції магнітного поля Землі можна зробити на основі інформації, що міститься в тексті?

На основі інформації з тексту про те, що електромагніт Біттера з індукцією $36\text{ Тл}$ майже в мільйон ($10^6$) разів сильніший за магнітне поле Землі, можна зробити висновок, що індукція магнітного поля Землі становить приблизно $36\cdot 10^{-6}\text{ Тл} = 36\text{ мкТл}$ ($3{,}6\cdot 10^{-5}\text{ Тл}$).

4. Яку проблему розв’язують водяні трубки, що розташовані всередині електромагніту? Відповідь обґрунтуйте.

Водяні трубки розв’язують проблему перегрівання та термічного руйнування конструкції електромагніту. Оскільки пристрій споживає потужність у кілька мегават, за законом Джоуля — Ленца в мідних дисках виділяється величезна кількість теплоти, яка без примусового охолодження призвела б до розплавлення деталей і пошкодження ізоляції.

5. Оцініть: а) у скільки разів енерговитрати на роботу електромагніту Біттера більші за енерговитрати на роботу найпотужнішого пристрою, який є у вас удома; б) за який приблизно час наповнювалася б домашня ванна, якби її наповнювала система, що охолоджує електромагніт Біттера.

а) Потужність електромагніту Біттера становить приблизно $3\text{–}5\text{ МВт}$ ($3\,000\,000\text{–}5\,000\,000\text{ Вт}$), а потужність найпотужнішого побутового приладу (наприклад, електрочайника або варильної поверхні) — близько $2000\text{–}3000\text{ Вт}$. Отже, за однаковий час роботи енерговитрати електромагніту Біттера більші в $1000\text{–}2500$ разів.

б) Стандартний 25-метровий басейн має об’єм близько $375\text{–}500\text{ м}^3$ ($375\,000\text{–}500\,000\text{ л}$), які система охолодження пропускає за $1\text{ годину}$ ($3600\text{ с}$), що відповідає швидкості подачі води близько $100\text{–}140\text{ л/с}$. Оскільки об’єм стандартної домашньої ванни становить близько $150\text{–}200\text{ л}$, за такої швидкості вона наповнювалася б приблизно за $1\text{–}2\text{ секунди}$.