§ 7. Електромагніти. Магнітна левітація

• Назад до змісту

ПЕРЕВІРТЕ СЕБЕ

1. Чи можна електромагнітним краном, який не має додаткових захватів, піднімати й переносити розпечені сталеві або чавунні зливки?

Ні, розпечені сталеві або чавунні зливки піднімати таким краном не можна. За температури, що перевищує температуру Кюрі (для заліза це близько 770 °C), феромагнітні матеріали втрачають свої магнітні властивості та стають парамагнетиками, тому електромагніт не зможе їх притягнути.

2. Нерідко трапляється, що сталеві предмети, коли їх переносить електромагнітний кран, не відпадають від електромагніту навіть після вимикання струму в обмотці. Чим це зумовлено? Що потрібно зробити, аби предмети відпали?

Це зумовлено тим, що сталь є магнітно-жорстким матеріалом, який добре зберігає залишкову намагніченість після вимкнення зовнішнього магнітного поля. Щоб предмети відпали, необхідно пропустити через обмотку електромагніту короткочасний слабкий струм зворотного напрямку, який розмагнітить систему.

3. У майстерні випадково змішалися мідні та залізні ошурки. Як їх можна відокремити?

Їх можна відокремити за допомогою магніту або електромагніту. Залізо є феромагнетиком і притягнеться до магніту, тоді як мідь є діамагнетиком і залишиться на місці.

4. Чому потрібно враховувати температуру Кюрі при виготовленні магнітних дисків, які використовують для зберігання цифрової інформації в комп’ютерах?

Температуру Кюрі потрібно враховувати, оскільки в разі досягнення цієї температури феромагнітне покриття диска втрачає свої магнітні властивості, що призводить до руйнування та безповоротної втрати записаної цифрової інформації. Також це значення є критично важливим для технологій термомагнітного запису даних, де локальне нагрівання застосовують для полегшення процесу перезапису.

5. Залізо — хороший феромагнетик. Чи може воно стати парамагнетиком?

Так, залізо стає парамагнетиком, якщо його нагріти до температури, вищої за його температуру Кюрі (яка становить близько 770 °C).

ПЕРЕВІРТЕ СЕБЕ

6. Чи відновлює нагрітий до температури Кюрі постійний магніт свої властивості після охолодження?

Ні, нагрітий до температури Кюрі постійний магніт після охолодження автоматично не відновлює свої магнітні властивості (намагніченість). Після зниження температури матеріал знову стає феромагнетиком і набуває здатності намагнічуватися, але сам магніт залишається розмагніченим через хаотичну орієнтацію магнітних доменів. Для відновлення його властивостей як постійного магніту його необхідно намагнітити заново у зовнішньому магнітному полі.

ПОМІРКУЙТЕ І ДАЙТЕ ВІДПОВІДЬ

1. Чому в процесі виготовлення електромагніту на осердя намотують ізольований дріт?

Ізольований дріт використовують для того, щоб запобігти електричному контакту й короткому замиканню між сусідніми витками обмотки, а також між дротом і металевим осердям. Це забезпечує проходження електричного струму строго по спіралі (виткам котушки), що є необхідною умовою для створення магнітного поля.

2. Як можна регулювати підіймальну силу електромагніту?

Підіймальну силу електромагніту можна регулювати такими способами:

1. Зміною сили струму в обмотці (наприклад, за допомогою реостата): зі збільшенням сили струму підіймальна сила зростає.
2. Зміною кількості витків в обмотці котушки: збільшення кількості витків підсилює магнітне поле й відповідно збільшує підіймальну силу.
3. Використанням осердя з більшою магнітною проникністю або зміною глибини його введення в котушку.

3. Які переваги електромагніту порівняно з постійним магнітом?

Електромагніти мають такі переваги порівняно з постійними магнітами:

1. Їхню магнітну дію можна швидко вмикати та вимикати шляхом замикання або розмикання електричного кола.
2. Магнітну (підіймальну) силу електромагніту можна плавно регулювати в широких межах, змінюючи силу струму в колі або кількість витків.
3. Можна легко змінювати розташування магнітних полюсів на протилежні, змінюючи напрямок струму в обмотці котушки.
4. Електромагніти здатні створювати набагато потужніші магнітні поля, ніж постійні магніти подібних розмірів.

ПЕРЕВІРТЕ СЕБЕ

1. Визначте напрям струму в котушці (мал. 7.8).

За правилом правої руки, якщо розташувати праву руку так, щоб відігнутий на 90° великий палець вказував на північний полюс котушки N (праворуч), то чотири зігнуті пальці, які охоплюють котушку, вкажуть напрямок струму в її витках. Отже, струм у витках на передній (зверненій до спостерігача) стороні котушки напрямлений зверху вниз. Відповідно, електричний струм входить у лівий вивід котушки та виходить через правий вивід.

ПЕРЕВІРТЕ СЕБЕ

2. Як будуть взаємодіяти між собою котушка зі струмом та постійний магніт, зображені на мал. 7.9?

Щоб визначити характер взаємодії, спочатку визначимо магнітні полюси котушки зі струмом за допомогою правила правої руки. Якщо умовно обхопити котушку правою рукою так, щоб чотири зігнуті пальці вказували напрямок струму (вгору по передній стінці витків, як показують стрілки на малюнку), то відігнутий на $90^\circ$ великий палець вкаже ліворуч. Це означає, що лівий кінець котушки є північним магнітним полюсом ($N$), а її правий кінець — південним магнітним полюсом ($S$). Постійний магніт праворуч повернутий до котушки своїм південним полюсом ($S$). Оскільки однойменні магнітні полюси відштовхуються, котушка зі струмом та постійний магніт будуть взаємно відштовхуватися.

3. На мал. 7.10 зображене магнітне поле котушки зі струмом. Визначте магнітні полюси котушки та напрямок струму в ній. Установіть розташування магнітної стрілки поблизу правого краю котушки.

Аналізуючи зображене на малюнку 7.10 магнітне поле, бачимо, що лінії магнітної індукції виходять із правого кінця котушки та входять у її лівий кінець. Оскільки лінії магнітного поля поза котушкою завжди спрямовані від північного полюса до південного, правий кінець котушки є північним магнітним полюсом ($N$), а лівий кінець — південним магнітним полюсом ($S$).

За правилом правої руки, якщо спрямувати великий палець правої руки праворуч (у бік північного полюса $N$), то чотири зігнуті пальці вкажуть, що струм у витках на передній стінці котушки напрямлений зверху вниз.

Магнітна стрілка поблизу правого краю котушки встановиться горизонтально вздовж її осі. Її південний полюс ($S$) притягуватиметься до північного полюса котушки і вказуватиме ліворуч (до котушки), а її північний полюс ($N$) вказуватиме праворуч (від котушки).

4. На мал. 7.11 зображено котушку зі струмом. Визначте полюси джерела струму.

На малюнку 7.11 у збільшених кружечках показано напрямок ліній магнітної індукції поля котушки. Ліворуч лінії виходять із котушки (спрямовані вліво), а праворуч — входять до неї (також спрямовані вліво). Це означає, що лівий кінець котушки є північним магнітним полюсом ($N$), а правий кінець — південним магнітним полюсом ($S$).

За правилом правої руки, якщо великий палець правої руки спрямувати ліворуч (до північного полюса $N$), чотири зігнуті пальці покажуть, що струм на передній стінці витків напрямлений вгору. Провідник від лівої клеми джерела йде на задній бік котушки (де струм тече вниз), а провідник від правої клеми підключений до передньої частини витків (де струм тече вгору).

Оскільки електричний струм у зовнішньому колі тече від позитивного полюса до негативного, ліва клема джерела струму є негативним полюсом ($-$), а права клема джерела струму — позитивним полюсом ($+$).