§ 17. ДОСЛІДЖУЄМО ДІЮ МАГНІТНОГО ПОЛЯ НА КОТУШКУ ЗІ СТРУМОМ

• Назад до змісту довідника

ДОСЛІДЖУЙ

Досліди, чи зміниться сила притягання магніту до змотаного проводу порівняно з прямим проводом (мал. 17.1).

Сила притягання магніту до змотаного проводу помітно збільшиться. Навколо прямолінійного проводу магнітне поле є слабким і розсіяним, а коли провід змотаний у спіраль, магнітні поля кожного окремого витка додаються одне до одного. У результаті всередині та навколо котушки виникає набагато сильніше магнітне поле, яке взаємодіє з магнітом значно відчутніше.

ДІЗНАВАЙСЯ

Розглянь ще раз уважно мал. 17.2, б. Що тобі нагадує вигляд магнітного поля котушки? Можеш впевнено сказати? Якщо ні, звернись до мал. 13.5, в у § 13.

Картина ліній магнітного поля котушки зі струмом практично повністю збігається з картиною магнітного поля штабового постійного магніту. Всередині витків силові лінії йдуть паралельно одна одній уздовж осі, а зовні виходять з одного торця і входять в інший, утворюючи замкнені криві. Це підтверджує наявність двох магнітних полюсів — північного та південного.

А чи існує інший спосіб посилення магнітного поля, не змінюючи сили струму й кількості витків котушки?

Так, такий спосіб є. Для цього всередину котушки поміщають залізне або сталеве осердя. Залізо належить до феромагнетиків, тому під впливом поля струму воно сильно намагнічується і в сотні та тисячі разів підсилює результуюче магнітне поле. Саме на цьому принципі базується будова електромагнітів.

ДУМАЙ

1. Як визначають напрям магнітного поля всередині котушки зі струмом?

Напрям поля всередині котушки визначають за правилом правої руки: якщо обхопити котушку долонею правої руки так, щоб чотири витягнуті пальці вказували напрямок струму у витках, то відігнутий на $90^\circ$ великий палець покаже напрямок ліній магнітного поля всередині котушки, тобто на її північний полюс ($\text{N}$). Також можна скористатися правилом свердлика: якщо обертати ручку свердлика за напрямком струму у витках, то напрям поступального руху вістря вкаже на північний полюс.

2. Як змінити напрям магнітного поля котушки зі струмом на протилежний?

Для зміни напрямку поля на протилежний достатньо змінити напрямок електричного струму у витках обмотки. Для цього міняють місцями дроти на клемах джерела живлення.

3. Назви основні властивості електромагнітів. Наведи приклади їх використання.

Електромагніт створює магнітне поле лише тоді, коли через його котушку тече струм, і практично миттєво втрачає магнітні властивості після розмикання кола. Його магнітну силу можна плавно регулювати реостатом або змінювати полярність полюсів зміною напрямку струму. Електромагніти застосовують у підйомних кранах на заводах для сортування металобрухту, в електричних дзвониках, магнітних замках дверей, електромагнітних реле автоматики, а також у медицині в апаратах магнітно-резонансної томографії (МРТ).

4. Чому під час виготовлення електромагнітів на осердя потрібно намотувати ізольований провід?

Ізольований дріт потрібен для того, щоб струм проходив по всій довжині спіралі виток за витком. Якби провід був голим, електричний струм пішов би шляхом найменшого опору напряму крізь сусідні витки та металеве осердя, утворилося б коротке замикання, і магнітне поле котушки зовсім не виникло б.

РОЗВ’ЯЖИ ЗАДАЧІ

1. Як буде поводитись котушка, якщо до неї наближати постійний магніт (мал. 17.7, а)? Якою буде взаємодія двох котушок зі струмом (мал. 17.7, б)?

У першому досліді (мал. 17.7, а) котушка притягується до магніту. За напрямком струму у витках на зверненому до магніту торці виникає магнітний полюс, протилежний за знаком до найближчого полюса піднесеного магніту, а різнойменні полюси завжди притягуються.

У другому досліді (мал. 17.7, б) підвішені котушки відштовхуються одна від одної. Оскільки струми у зустрічних торцях котушок протікають у протилежних напрямках, на звернених один до одного кінцях утворюються однойменні магнітні полюси, які відштовхуються.

2. Напрям струму в обмотках електромагнітів зображено на малюнку 17.8. Визнач полюси магнітів. Намалюй у зошиті (приблизно) кілька магнітних силових ліній обох магнітів і в просторі між осердями.

Застосуємо правило правої руки для кожної з котушок:

• Для лівого електромагніту струм на видимому передньому боці витків іде знизу вгору. Обхопивши котушку правою рукою пальцями вгору, отримуємо відігнутий великий палець, спрямований ліворуч. Отже, лівий торець є північним полюсом ($\text{N}$), а правий — південним ($\text{S}$). Полюси лівого електромагніту: $\text{N}-\text{S}$.
• Для правого електромагніту струм на передньому боці витків іде зверху вниз. Обхопивши котушку правою рукою пальцями вниз, великий палець вказує праворуч. Тобто правий торець є північним полюсом ($\text{N}$), а лівий — південним ($\text{S}$). Полюси правого електромагніту: $\text{S}-\text{N}$.

Оскільки в просторі між осердями опинилися два однойменні південні полюси ($\text{S}$ і $\text{S}$), магнітні лінії обох електромагнітів у проміжку відштовхуються та вигинаються вгору і вниз, не перетинаючись:

3. Чи можна обмотку намотати так, щоб у разі проходження електричного струму магнітне поле було відсутнє? Проілюструй свою відповідь.

Так, це можливо зробити за допомогою так званого біфілярного намотування. Для цього дріт перед намотуванням на каркас складають удвоє і мотають подвійною ниткою. Тоді в кожній парі паралельних сусідніх провідників однаковий за силою струм тече у прямо протилежних напрямках. Створювані ними магнітні поля рівні за модулем, але мають протилежні напрямки, тому повністю нейтралізують одне одного, і загальне магнітне поле стає рівним нулю.

4. Установи полюси електромагніту (мал. 17.9). Як зміниться підйомна сила електромагніту, якщо повзунок реостата перемістити ліворуч?

За малюнком 17.9 визначаємо хід струму від клеми «+» через повзунок реостата до котушки. За правилом правої руки на лівому кінці електромагніту утворюється південний полюс ($\text{S}$), а на правому — північний полюс ($\text{N}$). Полюси електромагніту: $\text{S}-\text{N}$.

Коли повзунок реостата зсувають ліворуч, робоча довжина дротяної обмотки реостата збільшується, через що його електричний опір зростає. Відповідно до закону Ома ($I = \dfrac{U}{R}$) сила струму в колі зменшується. Оскільки магнітна дія котушки прямо залежить від сили струму, підйомна сила електромагніту зменшиться.

5. Як зміняться покази динамометра, якщо замкнути електричне коло (мал. 17.10, а)? Укажи, до яких полюсів джерела струму під’єднано проводи А і В, якщо при проходженні по ним електричного струму покази динамометра зменшуються (мал. 17.10, б).

На малюнку 17.10, а підвішений магніт звернений донизу північним полюсом ($\text{N}$). Після замикання кола струм створює на верхньому кінці електромагніту також північний полюс ($\text{N}$). Однойменні полюси магнітів відштовхуються, тому виникає виштовхувальна сила вгору, яка зменшує розтяг пружини. Отже, покази динамометра зменшаться.

На малюнку 17.10, б покази приладу теж зменшуються, що свідчить про силу відштовхування вгору. Отже, верхній кінець котушки знову повинен бути північним полюсом ($\text{N}$). За правилом правої руки такий напрямок магнітного поля створюється струмом, який входить у провід $\text{В}$ і виходить через провід $\text{А}$. Отже:

• провідник В під’єднано до позитивного полюса («+»);
• провідник А під’єднано до негативного полюса («–»).

6. Накресли схему електричного кола, у якому під час замикання ключа вмикатиметься електрична плитка, а під час розмикання вмикатимуться електричні лампи.

Для розв’язання цього завдання використовують перекидне електромагнітне реле:

• Коли ключ у колі керування розімкнений, струм через обмотку не йде, осердя не намагнічене, і якір під дією пружини залишається на нормально замкненому контакті. Струм тече через коло освітлення, тому електричні лампи світяться.
• Коли ключ замикають, струм намагнічує котушку реле. Електромагніт притягує залізний якір до себе, розмикаючи коло ламп (вони гаснуть) і замикаючи нормально відкритий контакт нагрівальної плитки — вмикається електрична плитка.

ВИКОНАЙ ДОСЛІДЖЕННЯ

1. Склади електричне коло, з’єднавши послідовно батарею, реостат, амперметр, вимикач та одну котушку, надіту на пряме осердя, закріплене у штативі. Замкни коло і за допомогою компаса визнач магнітні полюси котушки…

• Визначення полюсів котушки: при піднесенні компаса до одного кінця осердя до нього повертається південний синій кінець магнітної стрілки, що свідчить про наявність тут північного полюса ($\text{N}$). До протилежного кінця повертається північний червоний кінець стрілки, що вказує на південний полюс ($\text{S}$).
• Дослідження сили струму та вантажопідйомності: при мінімальному струмі котушка утримує тягарці невеликої маси. Коли за допомогою повзунка реостата зменшують опір кола і збільшують силу струму за амперметром, притягальна дія магніту помітно зростає, дозволяючи утримувати вантаж удвічі та втричі більшої маси.

2. Виготов електромагніт із підручних матеріалів (мал. 17.11).

• Виготовлення: на залізний цвях завдовжки $8\text{ см}$ щільно виток до витка намотують мідний ізольований дріт в один або два шари. Кінці дроту фіксують ізоляційною стрічкою та зачищають наждачним папером від лакової ізоляції.
• Перевірка дії: при торканні очищеними кінцями дроту полюсів батарейки цвях миттєво намагнічується і впевнено притягує металеві скріпки та маленькі цвяшки. Після роз’єднання контакту з батарейкою магнітне поле зникає, і скріпки одразу відпадають.