Магнитное поле. Электромагниты
Почему стрелка компаса поворачивается и как из гвоздя с проводом сделать магнит: полюса, катушка с током и электромагниты.
Поднеси магнит к скрепке на столе — скрепка подпрыгнет, хотя между ними ничего нет. А стрелка компаса сама поворачивается на север, потому что Земля — гигантский магнит. Вокруг магнита есть магнитное поле, которое действует на железо и на магнитную стрелку на расстоянии. Стрелка — тоже маленький магнит, поэтому её концы разворачиваются вдоль линий поля, как флюгер по ветру. У любого магнита два полюса: северный (N) и южный (S). Разноимённые полюса притягиваются, одноимённые — отталкиваются, и это правило работает и для стрелки, и для электромагнита.
Опыт Эрстеда: ток отклоняет стрелку
Весной 1820 года датский физик Ханс Кристиан Эрстед показывал студентам опыт с нагреванием провода током, а рядом лежал компас. Внезапно стрелка отклонилась — так в лаборатории впервые встретились электричество и магнетизм. Пока по проводу идёт ток, вокруг него существует магнитное поле; разомкнули цепь — стрелка вернулась на место. Направление отклонения зависит от того, как протянут провод: поменяй полюса батарейки — стрелка качнётся в другую сторону. Слух об опыте облетел Европу за недели, и уже осенью того же года француз Андре Ампер разобрал эффект математически.
Линии магнитного поля прямого провода — концентрические окружности, охватывающие его со всех сторон. Их направление находят правилом буравчика: если винт вкручивается вдоль тока, ручка вращается в ту же сторону, куда смотрят линии. Форму поля легко увидеть: насыпь на картонку над магнитом железные опилки — каждая крупинка станет крошечной стрелкой и выстроится вдоль линий, а у полюсов опилки лягут гуще, потому что там поле сильнее всего. Катушка с током выпрямляет линии и выпускает их из одного торца, как полосовой магнит, — а Ампер предположил, что и внутри постоянного магнита текут крошечные круговые токи. Гипотеза оказалась очень близка к правде: намагниченность железа создают движущиеся заряды внутри атомов.
Катушка с током и электромагнит
Магнитное поле создаёт и электрический ток: включи рядом с компасом провод — стрелка дрогнет. Навей провод на железный гвоздь сотней витков — получишь электромагнит: пока по катушке идёт ток, гвоздь-сердечник работает как магнит. Магнитное действие катушки растёт с числом витков и с силой тока: 200 витков при токе 2 А — это 400 ампер-витков. Главное преимущество перед постоянным магнитом — управление: выключил рубильник, и электромагнит отпустил груз. На этом держатся электрические звонки, реле и подъёмные краны на металлоломе.
- Больше витков — сильнее поле катушки.
- Больше ток — сильнее поле, но провода греются, и батарейка садится быстрее.
- Железный сердечник усиливает поле в сотни раз.
- Смена направления тока меняет полюса катушки местами.
| Устройство | Что делает электромагнит |
|---|---|
| Электрический звонок | притягивает якорь с молоточком, и тот бьёт по чашке колокола |
| Реле | замыкает и размыкает контакты: слабый ток управляет сильным |
| Кран металлургов | держит многотонный лом, пока включён ток, и отпускает по команде |
| Динамик и наушники | катушка с током двигает мембрану и рождает звук |
| Магнитный сепаратор | вытаскивает железные предметы из потока мусора или руды |
Обрати внимание на реле: к его маленькой катушке подводят слабый ток от датчика, а контакты коммутируют десятки и сотни ампер. Так работает и стартер автомобиля: поворот ключа подаёт скромный ток на реле, а оно замыкает мощную цепь двигателя. Реле — предок всей автоматики: от лифтов до защитных систем электростанций. Всё это — одна и та же катушка на железном сердечнике, меняются только размеры и сила тока.
Электромагнитные замки на дверях подъездов держат створку усилием в несколько сотен килограммов, пока по их катушке идёт ток: пропал ток — дверь открыта. Это и плюс, и минус: при отключении электричества такой замок распахивается сам, поэтому в важных помещениях его дублируют механическим.
| Свойство | Постоянный магнит | Электромагнит |
|---|---|---|
| Когда действует | всегда | пока по катушке идёт ток |
| Полюса | изменить нельзя | меняются при смене направления тока |
| Управление | нет | можно выключить и усилить: больше витков, больше ток |
| Примеры | магниты на холодильник, компас | звонок, реле, подъёмный кран |
Ты намотал на гвоздь сотню витков провода и подключил батарейку — получился электромагнит, поднимающий скрепки. Разомкнул цепь — скрепки упали: поле есть только пока идёт ток. В наушниках катушка с током точно так же тянет мембрану, превращая музыку в звук.
Считаем магнитное действие катушки
- Катушка из 500 витков при токе 2 А даёт 1000 ампер-витков.
- Тот же результат даст катушка с 250 витками при токе 4 А: иногда выгоднее поднять ток, чем мотать лишние витки, — если провода и батарейка выдержат нагрев.
- Если же ток ослабнет до 0,5 А, для прежних 1000 ампер-витков понадобятся уже 2000 витков: у слабого тока сил нет, их заменяет число витков.
- Сердечник из железа усиливает поле катушки в сотни раз: сердечник сам намагничивается и подхватывает работу катушки, поэтому электромагнит со стальным сердечником поднимает скрепки, а та же катушка без сердечника — едва заметно тянется к стрелке компаса.
Материал сердечника тоже решает. Мягкое железо намагничивается мгновенно и так же быстро размагничивается, когда ток исчезает, — идеальный материал для звонка и реле. А закалённая сталь и специальные сплавы удерживают намагниченность годами: из них делают постоянные магниты. Способность удерживать или отпускать намагниченность называют магнитной твёрдостью — речь не о прочности, а о поведении в поле. Есть и сплавы-рекордсмены: неодимовые магниты в наушниках и моторах заметно сильнее старых железных при том же размере. Именно поэтому гвоздь из мягкого железа перестаёт притягивать скрепки сразу после отключения батарейки, а магнит на холодильнике живёт без всякой батарейки.
Магнитное поле умеет и хранить информацию. Полоска банковской карты и жёсткий диск компьютера держат данные в намагниченности крошечных участков: намагничен в одну сторону — единица, в другую — ноль. Кассетная плёнка с музыкой работала так же. Намагниченность держится годами без всякой батарейки — поэтому запись и выбрали магнитную.
Магнитное поле Земли
Магнитное поле есть и у планеты, на которой ты живёшь. Линии земного поля выходят из области около южного географического полюса и входят в район северного, поэтому стрелка компаса разворачивается вдоль них и указывает на север. Магнитные полюса не совпадают с географическими и медленно дрейфуют по карте, а у магнитных полюсов линии почти вертикальны: там заряженные частицы от Солнца врываются в атмосферу и зажигают полярные сияния. Компас оставался главным навигатором моряков много веков — и это тоже работа магнитного поля. А ещё это поле — щит: оно отклоняет опасные частицы солнечного ветра, а без такой защиты атмосфера испарялась бы заметно быстрее.
Когда на Солнце случается вспышка, поток частиц усиливается, и земное поле сжимается, как щит под ударом: в такие дни компас сбивается на несколько градусов, а сияния спускаются с полюсов ближе к средним широтам. Эти магнитные бури когда-то выводили из строя телеграфные линии, а сегодня за ними следят службы прогноза космической погоды. Самая сильная из наблюдавшихся вспышек случилась в 1859 году: телеграфные аппараты тогда работали даже при отключённом питании — ток наводило само поле. Между направлением на географический и магнитный полюс есть ещё угол — магнитное склонение: стрелка указывает не точно на север, и моряки веками вписывали поправку в карты.
- Магнитное поле#
- то, что действует на железо и магнитные стрелки вокруг магнита и проводника с током
- Полюса магнита#
- участки с самым сильным действием; всегда два: северный N и южный S
- Электромагнит#
- катушка с током на железном сердечнике, работающая как управляемый магнит
- Ампер-витки#
- произведение числа витков катушки на силу тока — мера её магнитного действия
- Правило буравчика#
- способ найти направление линий поля вокруг провода с током
- Реле#
- прибор, в котором слабый ток катушки замыкает цепь с большим током
- Сердечник#
- железный стержень внутри катушки, усиливающий магнитное поле
Провод длиной 0,5 м с током 10 А лежит перпендикулярно полю 0,04 Тл. Выстави силу
Проверь себя
Клавиши 1–9 выбирают вариант, Enter — «Проверить»
1 Южный полюс одного магнита поднесли к северному полюсу другого. Что произойдёт?
2 Катушка содержит 300 витков, ток в ней 2 А. Чему равны ампер-витки?
3 Если магнит разломать пополам, каждая половина снова будет иметь два полюса.
4 Что сделает электромагнит сильнее?
5 Магнит разломали на 3 части. Сколько всего магнитных полюсов у всех частей?
6 Соедини понятие с его описанием.
Нажми на элемент слева, затем на его пару справа. Повторное нажатие отменяет связь.
7 Притяжение или отталкивание?
Разложи элементы по категориям: нажми на элемент, потом на категорию.
8 Дополни про магнитное поле тока.
Выбери подходящее слово в каждом пропуске.
Вокруг проводника с током существует , а катушка с железным сердечником внутри называется .
Было понятно? Скажи — так мы видим, какие темы переписать.
Частые вопросы
Можно ли получить магнит с одним полюсом?
Нет: если разрезать магнит, каждая часть снова получит два полюса. Свободных магнитных зарядов, в отличие от электрических, в природе не нашли.
Как сделать электромагнит в домашних условиях?
Навей изолированный провод на большой железный гвоздь и подключи концы к батарейке. Чем больше витков и чем сильнее ток, тем сильнее притяжение.
Почему компас показывает на север?
Стрелка — маленький магнит, а Земля обладает магнитным полем. Северный конец стрелки притягивается к южному магнитному полюсу Земли, который находится у географического севера.
Можно ли намагнитить отвёртку в домашних условиях?
Да: потри стальной стержень десятки раз о постоянный магнит одной и той же стороной — намагниченные области постепенно выстроятся. Ещё быстрее сделать электромагнит: навей провод на гвоздь и подключи батарейку, но не оставляй цепь надолго без присмотра.