Магнітне поле котушки зі струмом. Електромагніти та їх застосування

Електромагнетизм - це сукупність явищ, зумовлених зв'язком електричних струмів і магнітних полів. Іноді цей зв'язок призводить до небажаних ефектів. Наприклад, струм, що протікає по електричним кабелям на кораблі, викликає непотрібне відхилення суднового компаса. Однак нерідко електрика навмисно використовується для створення магнітних полів великої інтенсивності. В якості прикладу можна навести електромагніти. Про них ми сьогодні і поговоримо.

Електричний струм і магнітний потік

Інтенсивність магнітного поля можна визначити числом ліній магнітного потоку, що припадає на одиницю площі. Магнітне поле виникає всюди, де протікає електричний струм, причому магнітний потік в повітрі пропорційний останньому. Прямий провід, несучий струм, можна зігнути в виток. При досить малому радіусі витка це призводить до зростання магнітного потоку. При цьому сила струму збільшується.
Ефект концентрації магнітного потоку можна ще підсилити, збільшуючи кількість витків, тобто скручуючи провід на котушку. Справедливо і зворотне. Магнітне поле котушки зі струмом можна послабити, якщо зменшити кількість витків. Виведемо важливе співвідношення. У точці максимальної щільності магнітного потоку (в ній на одиницю площі припадає найбільше ліній потоку) співвідношення між струмом I, числом витків дроту n і магнітним потоком виражається так: In пропорційно Ст. Струм в 12 А, поточний по котушці з 3 витків, створює точно таке ж магнітне поле, як і струм у 3 А, поточний по котушці з 12 витків. Це важливо знати, вирішуючи практичні завдання.

Соленоїд

Котушка з намотаного дроти, що створює магнітне поле, що називається соленоїдом. Проводу можна намотувати на залізо (залізний сердечник). Підійде і немагнітна основа (наприклад, повітряний сердечник). Як ви бачите, можна використовувати не тільки залізо, щоб створити магнітне поле котушки зі струмом. З точки зору величини потоку будь-немагнітний сердечник еквівалентний повітрю. Тобто наведене вище співвідношення, що пов'язує струм, число витків і потік, у цьому випадку виконується досить точно. Таким чином, магнітне поле котушки з струмом можна послабити, якщо застосувати цю закономірність.

Використання заліза в соленоїді

Для чого в соленоїді використовується залізо? Його наявність впливає на магнітне поле котушки зі струмом у двох відносинах. Воно збільшує магнітне дію струму, часто в тисячі разів і більше. Однак при цьому може порушуватися одна важлива пропорційна залежність. Мова йде про ту, яка існує між магнітним потоком і струмом в котушках з повітряним сердечником. Мікроскопічні області в залозі, домени (точніше, їх магнітні моменти), при дії магнітного поля, яке створюється струмом, що будуються в одному напрямку. В результаті при наявності залізного сердечника цей струм створює більший магнітний потік на одиницю перерізу проводу. Таким чином, щільність потоку істотно зростає. Коли всі домени шикуються в одному напрямку, подальше збільшення струму (або числа витків в котушці) лише незначно підвищує щільність магнітного потоку.
Розповімо тепер трохи про індукції. Це важлива частина цієї теми.

Індукція магнітного поля котушки зі струмом

Хоча магнітне поле соленоїда із залізним сердечником набагато сильніше магнітного поля соленоїда з повітряним сердечником, величина його обмежена властивості заліза. Розмір того, що створюється котушкою з повітряним сердечником, теоретично не має меж. Однак, як правило, отримувати величезні струми, необхідні для створення поля, порівнянного за розмірами з поля соленоїда із залізним сердечником, дуже важко і дорого. Не завжди варто йти цим шляхом. Що буде, якщо змінити магнітне поле котушки зі струмом? Це дія може породити електричний струм точно так само, як струм створює магнітне поле. При наближенні магніту до провідника магнітні силові лінії, що перетинають провідник, індукують у ньому напруга. Полярність напруги індукованого залежить від полярності і напрями зміни магнітного потоку. Цей ефект значно сильніше виявляється у котушці, ніж в окремому витку: він пропорційний числу витків в обмотці. При наявності залізного сердечника індуковане напруга в соленоїді збільшується. При такому способі необхідно рух провідника відносно магнітного потоку. Якщо провідник не буде перетинати лінії магнітного потоку, напруга не виникне.

Як отримують енергію

Електричні генератори виробляють струм на основі тих же принципів. Зазвичай магніт обертається між котушками. Величина напруги індукованого залежить від величини поля магніту і швидкості його обертання (вони визначають швидкість зміни магнітного потоку). Напруга в провіднику прямо пропорційно швидкості магнітного потоку в ньому. У багатьох генераторах магніт замінений соленоїдом. Для того щоб створити магнітне поле котушки зі струмом, соленоїд підключають до джерела струму. Який у цьому разі буде електрична потужність, вироблювана генератором? Вона дорівнює добутку напруги на силу струму. З іншого боку, взаємозв'язок струму в провіднику і магнітного потоку дозволяє використовувати потік, створюваний електричним струмом у магнітному полі, для отримання механічного руху. За цим принципом працюють електродвигуни і деякі електровимірювальні прилади. Однак для створення руху до них необхідно витрачати додаткову електричну потужність.

Сильні магнітні поля

В даний час, використовуючи явище надпровідності, вдається отримувати небаченої інтенсивності магнітне поле котушки зі струмом. Електромагніти можуть бути дуже потужними. При цьому струм протікає без втрат, тобто не викликає нагрівання матеріалу. Це дозволяє застосовувати велику напругу в соленоїдах з повітряним сердечником і уникнути обмежень, обумовлених ефектом насичення. Дуже великі перспективи відкриває таке потужне магнітне поле котушки зі струмом. Електромагніти та їх застосування не дарма цікавлять безліч вчених. Адже сильні поля можуть використовуватися для руху на магнітній «подушці» і створення нових видів електродвигунів і генераторів. Вони здатні високу потужність при малій вартості. Енергія магнітного поля котушки зі струмом активно використовується людством. Вона вже довгі роки широко застосовується, зокрема на залізницях. Про те, як використовуються магнітні лінії поля котушки зі струмом для регулювання руху поїздів, ми зараз і поговоримо.

Магніти на залізницях

На залізницях зазвичай застосовуються системи, в яких в цілях більшої безпеки електромагніти та постійні магніти доповнюють один одного. Як же діють ці системи? Сильний постійний магніт прикріплюють впритул до рейки на певній відстані від світлофорів. Під час проходження поїзда над магнітом вісь постійного плоского магніту в кабіні машиніста повертається на малий кут, після чого магніт залишається в новому положенні.

Регулювання руху на залізниці

Рух плоского магніту включає сигнальний дзвінок або сирену. Далі відбувається наступне. Через пару секунд кабіна машиніста проходить над електромагнітом, який пов'язаний зі світлофором. Якщо той дає поїзда зелену вулицю, то електромагніт виявляється під напругою і вісь постійного магніту у вагоні повертається у своє початкове положення, вимикаючи сигнал в кабіні. Коли ж на світлофорі горить червоний або жовтий світло, електромагніт буває вимкнений, і тоді після деякої затримки автоматично включається гальмо, якщо, звичайно, це забув зробити машиніст. Гальмівна ланцюг (як і звуковий сигнал) підключається до мережі з моменту повороту осі магніту. Якщо магніт під час затримки повертається в початкове положення, то гальма не включається.