Магнитное поле с катушки с током конспект

Обновлено: 06.07.2024

В прошлом уроке мы рассмотрели магнитное поле прямого проводника с током. А что будет, если этот проводник будет иметь другую форму?

Наиболее интересен этот вопрос становится, если мы говорим про катушку.

Катушка — это проводник, намотанный на неметаллический (чаще всего деревянный) каркас.

Обычно катушка обладает большим количеством витков, расположенных вплотную друг к другу (рисунок 1). Получается, что проходя по этим проводам, ток идет по спирали.

В данном уроке вы узнаете, какое магнитное поле возникает при прохождении тока через катушку, какими интересными свойствами оно обладает и какое имеет применение.

Катушка с током как магнитная стрелка

Возьмем катушку и подвесим ее на тонких и гибких проводниках. Когда мы включим ток, катушка примет определенное положение (рисунок 2).

Дело в том, что один конец катушки будет направлен точно на север, а другой — на юг. Получается, что катушка при прохождении тока через нее ведет себя как магнитная стрелка. У нее так же есть два полюса: северный и южный.

Магнитное поле катушки

Если по катушке идет ток, то вокруг нее возникает магнитное поле. Его можно увидеть, проведя опыт с железными опилками, подобный тому, что мы проводили для прямого проводника с током в прошлом уроке.

На рисунке 3 представлено схематическое изображение магнитных линий для катушки с током.

Как вы видите, магнитные линии представляют собой замкнутые кривые. Принято считать, что они направлены от северного полюса катушки к южному.

Правило правой руки для катушки с током

Вы знаете, что направление тока и направление магнитных линий связаны между собой. Используя правило право руки для прямого проводника с током, мы можем найти направление тока, если нам известно направление магнитных линий. Или, наоборот, при известном направлении тока в проводнике мы можем определить направление магнитных линий.

Для катушки с током это правило тоже действует, но принимает немного другой вид (рисунок 4).

Правило правой руки для катушки с током:
если взять катушку в правую руку так, чтобы четыре пальца смотрели в сторону протекания тока, то отставленный большой палец укажет на северный полюс катушки и совпадет с направлением магнитных линий.

Изменение магнитного действия катушки

Так как катушки с током имеют два полюса, их часто применяют в технике как магниты. Почему же тогда просто не взять обычный магнит?

Дело в том, что магнитное действие катушки можно изменять (усиливать или ослаблять). Сейчас мы рассмотрим, какими способами это можно сделать.

Проведем простой опыт (рисунок 5). Насыпем мелкие железные опилки и включим ток. Катушка начнет притягивать их.

А теперь, не изменяя силу тока, возьмем катушку с большим числом витков, чем прежняя. Вы увидите, что количество притянутых опилок заметно увеличилось.

Магнитное действие катушки с током тем сильнее, чем больше число витков в ней.

Добавим к нашей электрической цепи реостат (рисунок 6). Он позволит изменять силу тока.

С помощью таких изменений силы тока, мы увидим, что при разных ее значениях катушка притягивает разное количество железных предметов.

При увеличении силы тока действие магнитного поля катушки с током усиливается, при уменьшении — ослабляется.

Можно ли усилить магнитное действие катушки с током, не изменяя количество витков и силу тока? Можно! Для этого нужно ввести внутрь катушки железный стержень (рисунок 7). Такие стержни называются сердечниками.

Электромагнит

Добавление сердечников в катушки с током — простой способ значительно усилить их магнитное действие. Поэтому такие конструкции получили широкое применение. Называют же их электромагнитами.

Электромагнит — это катушка с железным сердечником внутри.

Электромагниты являются основной частью многих приборов. Они обладают несколькими крайне полезными свойствами:

Они быстро размагничиваются при выключении тока
Во время работы можно менять силу тока в катушке и таким способом изменять магнитное действие электромагнита
Электромагниты легко изготавливаются самых различных размеров.

Применение электромагнитов

Рассмотрим несколько примеров применения электромагнитов.

На рисунке 8 изображен дугообразный электромагнит. Он удерживает железную пластину (якорь) с подвешенным грузом.

Такие установки широко используются на заводах для перемещения различных изделий из металлов, сбора металлической стружки.

На рисунке 9 изображен в разрезе магнитный сепаратор для зерна.

Принцип его работы очень прост. В собранное зерно добавляют очень мелкие железные опилки. Они не прилипают к гладким зернам злаков, но прилипают к зернам сорняков.

Из бункера 1 зерна с опилками высыпаются на вращающийся барабан 2. Внутри него находится мощный электромагнит 5. Он притягивает железные опилки, а вместе с ними и зерна сорняков. Так сепаратор очищает зерно.

Электромагниты также применяются во многих других устройствах. Некоторые из них мы рассмотрим ниже в данном уроке в разделе “Задания”.

Упражнения

Упражнение №1
Нужно построить электромагнит, подъемную силу которого можно регулировать, не изменяя конструкции. Как это сделать?

Подъемная сила будет зависеть от магнитного действия электромагнита. Мы знаем три способа, как это сделать: изменить число витков, добавить сердечник или изменить силу тока.

Первый способ нам не подходит, так как подразумевает собой изменение конструкции. Второй не подходит, так как у нас и так уже катушка с вставленным сердечником (электромагнит).

Остается изменение силы тока. Для того, чтобы у нас была возможность это делать, необходимо включить в цепь реостат. Изменяя с его помощью силу тока, мы будем уменьшать или увеличивать магнитное действие электромагнита и изменять его подъемную силу.

Упражнение №2
Что надо сделать, чтобы изменить магнитные полюсы катушки с током на противоположные?

Вы уже знаете, что для определения полюсов катушки можно воспользоваться правилом правой руки. Пользуясь им, мы обхватываем катушку так, чтобы наши четыре пальца совпадали с направлением тока в витках. Тогда наш большой палец указывает на северный полюс катушки.

Это означает, что направление тока и расположение полюсов катушки связаны между собой.

Что сделать, чтобы северный полюс оказался с другой стороны? Поменять направление тока на противоположное.

Упражнение №3
Как построить сильный электромагнит, если конструктору дано условие, чтобы ток в электромагните был сравнительно малым?

Если мы не можем усилить магнитное действие электромагнита с помощью увеличения силы тока, то остается только увеличить количество витков в катушке.

Вставить дополнительно железный сердечник мы тоже не можем, так как электромагнит — это уже катушка с сердечником.

Упражнение №4
Используемые в подъемном кране электромагниты обладают громадной мощностью. Электромагниты, при помощи которых удаляют из глаз случайно попавшие железные опилки, очень слабы. Какими способами достигают такого различия?

Для увеличения мощности увеличивают число витков в катушке, силу тока, оставляют в катушке железный сердечник. Для уменьшения мощности можно уменьшить число витков, снизить силу тока и вытащить сердечник.

Задания

Задание №1
На рисунке 10 дана схема устройства электрического звонка. На ней буквами обозначено: ЭМ — дугообразный электромагнит, Я — железная пластинка — якорь, М — молоточек, З — звонковая чаша, К — контактная пружина, касающаяся винта В. Рассмотрите схему звонка и объясните, как он действует.

Когда мы подаем на это устройство питание, по проводам начинает течь ток. Он течет и по проводам в катушках дугообразного электромагнита (ЭМ).

Возникает магнитное поле. Катушки начинают действовать как магниты и притягивают к себе якорь (так как он железный).

К якорю прикреплен молоточек (М). При притяжении якоря к электромагниту он ударяется о звонковую чашу (З).

Также якорь соединен с контактной пластиной (К). При притяжении к электромагниту он тянет ее за собой и электрическая цепь размыкается — винт (В) перестает касаться пластины, тока нет.

Тут же пропадает и магнитное поле катушек. Якорь возвращается на прежнее место и цепь снова замыкается. Снова по проводам течет ток, возникает магнитное поле, и якорь притягивается к электромагниту.

Получается, что молоточек совершает мелкие быстрые удары по звонковой чаше. Каждый удар происходит при возникновении магнитного поля. Так будет происходить до тех пор, пока звонок не будет отключен от источника питания.

Задание №2
На рисунке 11 показана схема простейшей телеграфной установки, позволяющей передавать телеграммы со станции A на станцию B. На схеме цифрами обозначено: 1 — ключ, 2 — электромагнит, 3 — якорь, 4 — пружина, 5 — колесико смазанное краской.
По схеме объясните устройство установки.

Когда на станции A замыкается ключ, по проводам начинает идти электрический ток. На станции B вокруг катушки возникает магнитное поле, она начинает вести себя как магнит.

Катушка притягивает к себе якорь, и другой его конец прижимает ленту к колесику с краской. Пока лента прижата к колесику, на ней остается след.

Когда на станции A размыкают ключ, якорь возвращается в исходное положение. Он больше не прижимает ленту к колесику с краской — на ней не остается следов.

С помощью такой установки, находясь далеко друг от друга, можно выбивать на ленте, замыкая и размыкая ключ, символы азбуки Морзе — точки и тире.

Задание №3
В мощных электрических двигателях, применяемых в прокатных станах, шахтных подъемниках, насосах, сила тока достигает нескольких тысяч ампер. Так как в последовательно соединенных проводниках сила тока одинакова, то такая же сила тока будет во всех соединительных проводах этой цепи. Это очень неудобно, особенно если потребитель тока находится на большом расстоянии от пульта управления, где включается ток. Такие цепи можно включать при помощи специального устройства — электромагнитного реле (рисунок 12), приводя его в действие малой силой тока. На схеме обозначено: 1 — электромагнит, 2 — якорь, 3 — контакты рабочей цепи, 4 — пружина, 5 — электродвигатель, 6 — контакты цепи электродвигателя.
Объясните как действует прибор.

При замыкании ключа, в катушке электромагнита 1 возникает электрический ток. Также возникает и магнитное поле. Из-за этого электромагнит начинает притягивать к себе якорь 2.

Когда якорь притянулся к катушке, его правый конец опускается на контакты 3. Цепь оказывается замкнутой. Теперь по цепи, в которой находится электродвигатель тоже течет ток. Двигатель начинает работать.

Смысл такой установки в том, что малой силой тока с помощью использования электромагнита в устройстве реле, можно запускать электродвигатель большой мощности, находящийся на большом расстоянии от места включения тока.

На этом уроке мы рассмотрим магнитное поле, возникающее в катушке с током. Также мы познакомимся с таким прибором, как электромагнит и подумаем, в каких целях этот прибор можно применять.

В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам

Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет, приобретя в каталоге.

Получите невероятные возможности

Конспект урока "Магнитное поле катушки с током. Электромагниты и их применение"

Катушка представляет собой проволоку, намотанную на неметаллический каркас.

Как правило, катушка обладает большим числом витков, при этом витки расположены вплотную друг к другу. Таким образом, проходя через проволоку, ток будет идти по спирали. Если такую катушку подвесить на гибких проводах, то она будет вести себя, как магнитная стрелка. Значит, у катушки с током тоже есть магнитные полюса.

Как мы помним из предыдущего урока, магнитные линии направлены от южного полюса к северному. Тогда, получается, что катушка с током будет фактически являться магнитом. То есть, при прохождении тока через витки, внутри катушки образуется однородное магнитное поле.

Обратите внимание, насколько это явление похоже на возникновение магнитного поля вокруг проводника.

Мы видим полностью симметричную картину: в одном случае, вокруг прямого тока образуются круговые магнитные линии, а в другом — вокруг прямых магнитных линий идут витки электрического тока. Это ещё раз доказывает то, что электрические и магнитные явления неделимы.

Итак, катушка с током, фактически имеет свойства полосового магнита. Совсем недавно мы говорили, что магниты обладают полями разной силы. Так вот, было многократно подтверждено опытами, что катушка с бо́льшим числом витков имеет более сильное магнитное поле.

И, конечно, сила магнитного поля зависит от силы тока в проводнике.

Если мы будем изменять силу тока в катушке, то убедимся, что её магнитное действие усиливается с увеличением силы тока. И наоборот: магнитное действие катушки ослабевает при уменьшении силы тока. Но, кроме описанных нами двух способов усилить магнитное поле катушки, есть ещё один способ. Этот способ впервые придумал Доминик Франсуа Жан Араго, поместив внутрь катушки металлический стержень.

Он сделал это следующим образом: Араго взял полую стеклянную трубку и намотал на неё проводник, а затем внутрь трубки втолкнул железный стержень.

Араго заметил, что даже при постоянной силе тока и числе витков, магнитное поле катушки значительно увеличивается, если внутри трубки находится железный стержень. Впоследствии, железный стержень начали называть сердечником, а катушку с сердечником — электромагнитом. Назначение электромагнита понятно из названия: с помощью электрического тока создаётся мощный магнит.

Электромагниты широко используются людьми. Это довольно удобно, потому что регулировать мощность магнита очень легко. Его можно изготавливать разных размеров, с разным числом витков и пропускать через них различный ток. Мы не будем сейчас изучать, как рассчитывается сила электромагнита. Просто приведём несколько примеров их применения. Вы все знаете, что существуют магнитные замки. Они сделаны на основе электромагнита: чтобы открыть дверь, нужно ввести код.

При вводе кода, по электромагниту временно перестаёт течь ток, и дверь спокойно можно открыть. Когда по электромагниту течет ток, он с такой силой притягивает к себе дверь, что человек не в состоянии её открыть. При вводе кода, отключается ток, и магнитное поле пропадает. Поэтому, человек легко может открыть дверь.

Или, например, когда нужно поднять тяжелый металлический груз, использовать электромагнит очень удобно.

Широкое применение электромагниты нашли в сортировке. Особенно, это удобно, когда нужно отсортировать какие-то мелкие предметы. На установке, представленной на рисунке, вы видите крутящийся барабан, который является электромагнитом.

Можно ещё долго перечислять области, в которых используются электромагниты, но для объяснения этого использования, нам нужно поднакопить знания.

Цели урока: Изучение особенностей магнитного поля катушки с током, способов усиления этого поля, знакомство с устройством, принципом работы и применением электромагнитов.

План – конспект урока по физике в 8 классе по теме:

Продолжительность урока: 45 минут.

Цели урока: Изучение особенностей магнитного поля катушки с током, способов усиления этого поля, знакомство с устройством, принципом работы и применением электромагнитов.

Задачи урока:

- обучающая: изучить способы усиления и ослабления магнитного поля катушки с током; научить определять магнитные полюса катушки с током; рассмотреть принцип действия электромагнита и области его применения; научить собирать электромагнит из готовых деталей и опытным путём проверять, от чего зависит его магнитное действие;

- развивающая: развивать умение обобщать знания, применять знания в конкретных ситуациях; развивать навыки работы с приборами; развивать познавательный интерес к учебному предмету;

- воспитательная: способствовать воспитанию коммуникабельности, доброжелательности, толерантности.

Методы (методические приемы):

демонстрация слайдов и технических пособий;

проблемный метод овладения учебным материалом;

частично-поисковая экспериментальная работа;

самостоятельная работа с учебником;

Тип урока: комбинированный.

Формы работы на уроке: фронтальная, групповая.

Оборудование урока:

персональный компьютер 1;

демонстрационное и лабораторное оборудование.

программное обеспечение:

Программа обработки графических изображений;

Литература:

Физика. 8 кл.: учеб. для общеобразоват. учреждений / А.В. Перышкин. - М.: Дрофа, 2013.-237, [3] с.: ил.

Записи на доске

I. Организационный момент

На прошлых уроках мы начали изучать новую форму материи – магнитное поле.

II. Актуализация опорных знаний (см. приложение 1)

III. Основная часть. Изучение нового материала

А теперь внимание! На столе стоит черный ящик. Скажите, пожалуйста, как обнаружить, имеется ли в черном ящике магнитное поле?

Действительно это можно сделать двумя способами (демонстрация№1): либо поднося к ящику магнитную стрелку (стрелка изменяет направление), либо поднося к ящику проводник с током,(в данном случае используется круговой проводник с током), который, как мы видим либо притягивается либо отталкивается. Возникает вопрос – а почему катушка с током притягивается или отталкивается? Сегодня как раз объектом нашего внимания и будет катушка с током.

Катушка состоит из большого числа витков провода, намотанного на деревянный каркас. (показываю катушку).

На схемах катушка обозначается определенным символом.

Исследование магнитного поля катушки провели два французских ученых – Андре́-Мари́ Ампе́р и Доминик Франсуа Жан Араго́.

Демонстрация 2. Когда в катушке есть ток, железные опилки притягиваются к ее концам, при отключении тока они отпадают (рис. 97).

Если катушку с током подвесить на тонких и гибких проводниках, то она установится так же, как магнитная стрелка компаса. Один конец катушки будет обращен к северу, другой – к югу. Значит, катушка с током, как и магнитная стрелка, имеет два полюса –северный и южный (рис.98)

Демонстрация 3. Вокруг катушки с током имеется магнитное поле.

Его, как и поле прямого тока, можно обнаружить при помощи опилок. (рис.99). Магнитные линии маг.поля катушки с током явл. также замкнутыми кривыми. Принято считать, что вне катушки они направлены от северн.полюса к южному (см.рис.99).

1. вокруг катушки с током есть магнитное поле;

2. катушка с током (соленоид) похожа на полосовой магнит и у нее есть тоже два полюса – северный и южный.

Демонстрация 4.

Катушки с током широко исп-ся в технике в качестве магнитов. Они удобны тем, что их магнитное действие можно изменять (усиливать или ослаблять) в широких пределах. Рассмотрим способы, при помощи которых можно это делать.

Если в первом опыте заменить катушку другой, с большим числом витков проволоки, то при той же силе тока она притянет больше железных предметов. Значит, магнитное действие катушки с током тем сильнее, чем больше число витков в ней.

Демонстрация 5. Включим в цепь, содержащую катушку, реостат (рис.100) и при помощи него будем изменять силу тока в катушке. При увеличении силы тока действие маг.поля катушки с током усиливается, при уменьшении – ослабляется.

Демонстрация 6. Оказывается также, что магнитное действие катушки с током можно значит-о усилить, не меняя число ее витков и силу тока в ней. Для этого надо ввести внутрь катушки железный стержень (сердечник). Железо, введенное внутрь катушки, усиливает магнитное действие катушки (рис.101).

Катушка с железным сердечником внутри наз. электромагнитом.

На схемах электромагнит обозначается определенным символом.

Электромагнит – одна из основных деталей многих технических приборов. На рис. 102 изображен дугообразный электромагнит, удерживающий якорь (железн.пластинку) с подвешенным грузом.

Электромагниты широко применяются в технике благодаря их замечательным св-вам . Они быстро размагничиваются при выключении тока, в зависимости от назначения их можно изготавливать самых различных размеров, во время работы электр-та можно регулировать его магнитное действие, меняя силу тока в катушке.

Электромагниты, обладающие большой подъемной силой, исп-ют на заводах для переноски изделий из стали или чугуна, а также стальных и чугунных стружек, слитков (рис.103).

Демонстрация 7. (проделываю опыты с электромагнитом и различными грузами)

Применение электромагнитов разнообразно: электромагнитный телеграф, электромагнитное реле, электрический звонок, наушники, динамик (громкоговоритель) и т.д. Они входят в состав многих электротехнических схем.

Всякий электромагнит состоит из следующих частей: обмотка 1, по которой протекает ток, стальной магнитопровод 2, представляющий собой сердечник, и якорь 3, который притягивается к сердечнику.

На рис.104 показан в разрезе магнитный сепаратор для зерна. В зерно подмешивают мелкие железные опилки. Эти опилки не прилипают к гладким зернам полезных злаков, но прилипают к зернам сорняков. Зерна 1 высыпаются из бункера на вращающийся барабан 2. Внутри барабана нах-ся сильный эл-т 5. Притягивая железные частицы 4, он извлекает зерна сорняков из потока зерна 3 и таким путем очищает зерно от сорняков и случайно попавших железных предметов.

Это интересно…

Уильям Стерджен родился в семье сапожника, с детства он выполнял очень тяжелую работу в мастерской и часто голодал. В 19 лет он сбежал в воинскую часть и дослужился до артиллериста, там он много читал и ставил физические и химические опыты. Он установил, что магнитное поле соленоида значительно усиливается, если внутрь его внести стальной сердечник, и вот 23 мая 1825 года на заседании Французского общества исскуств он, Уильям Стерджен, сын бедного сапожника, впервые продемонстрировал первый электромагнит.

Ои представлял собой согнутый в подкову лакированный железный стержень длиной 30 и диаметром 1,3 см, покрытый сверху одним слоем изолированной медной проволоки. Электроэнергией он снабжался от гальванической батареи (вольтова столба). Электромагнит удерживал на весу 3600 г и значительно превосходил по силе природные магниты такой же массы. Это было блестящее по тем временам достижение.

Это интересно…

Генеральный директор компании Walker Magnetics, г-н Брайан Твейтс с гордостью представляет самый большой в мире подвесной электромагнит. Его вес (88 т) примерно на 22 т превышает вес действующего победителя Книги рекордов Гиннеса из США. Его грузоподъемность составляет приблизительно 270 тонн.

Это интересно..

Катушка получится, если плотно, виток к витку, намотать провод в достаточно длинную спираль (рис. 1 ). В катушке может быть несколько десятков, сотен или даже тысяч витков.

Рассмотрим рисунок 2 . Мы видим цепь, состоящую из источника тока, реостата и катушки. Катушка содержит большое число витков провода. При протекании тока по цепи железные опилки притягиваются к торцу катушки. А если тока нет, то притяжение не наблюдается.

Если катушка в этом опыте будет подвешена на проводах, то при протекании тока в цепи, она установится в пространстве строго определённым образом. Точно так же, как и магнитная стрелка компаса (в направлении север — юг).

Логично предположить, что у катушки магнитное поле тоже имеется. Для доказательства можно воспользоваться железными опилками (рис. 4 ).

За направление линий магнитного поля принято направление от северного полюса катушки к южному (вне катушки с током).

Сила магнитного поля постоянного магнита невелика. Другое дело – электромагнит. Сила магнитного поля электромагнита может изменяться. Ее можно увеличивать или уменьшать. Основная часть любого электромагнита – катушка с намотанным на нее проводом. Рассмотрим опыт, изображенный на рисунке 2 . По виткам катушки протекает ток, и она притягивает к себе железные предметы (так проявляется магнитное действие тока). Если увеличить количество витков в катушке, не меняя силу тока в ней, то ее магнитное действие усилится, о чем свидетельствует увеличение количества притягиваемых предметов.

Физическая величина, характеризующая магнитные свойства катушки с током, связана линейной зависимостью с числом витков в ней.

На рисунке \(5\) показан электрический контур, позволяющий экспериментально выявить взаимосвязь между силой тока и действием магнитного поля катушки.

Определить направление линий магнитного поля катушки с током можно при помощи правила правой руки, или правила правого буравчика.

Принято считать, что та сторона катушки или витка с током, откуда линии магнитного поля выходят, — это и есть северный магнитный полюс (\(N\)), а сторона, куда линии входят, — это южный магнитный полюс (\(S\)) (рис. 7 ).

Читайте также: