Для школьников.
Постоянные магниты
Для получения постоянных магнитов используют специальные сорта стали (магнитожёсткие), которые при помещении их в магнитное поле намагничиваются (приобретают способность притягивать железные предметы), а при удалении их из магнитного поля сохраняют значительную остаточную намагниченность (см. Занятие 64).
Намагнитить полоску стали можно и путём её натирания магнитом в одном направлении, но в этом случае магнит получится более слабым, чем тот, при помощи которого производилось намагничивание.
Допустим, мы получили постоянный магнит в виде полоски стали. Магнитные свойства в разных точках его поверхности будут разными. Это обнаруживается, например, с помощью железных опилок. Опилки притянутся к его концам и не притянутся к середине.
Концы магнитной полоски называются полюсами магнита (северный N и южный S полюсы), а середина, где отсутствуют силы притяжения опилок, называется нейтральной зоной магнита.
Соотношения между размерами полюсных областей и нейтральной зоной зависит от формы магнита.
Если магнитная полоска тонкая и длинная, то магнитные полюсы имеют вид точек, а остальная поверхность является нейтральной зоной, такой магнит называется магнитной стрелкой.
С помощью магнитной стрелки можно опытным путём определить намагничен ферромагнетик или нет (является он магнитом или нет). Если ферромагнетик является магнитном, то северный полюс стрелки будет притягиваться к южному полюсу магнита и отталкиваться от его северного полюса.
Если ферромагнетик не намагничен, то он всегда притягивается к концу стрелки, так как поднесённый конец ферромагнетика приобретает противоположный полюс.
Постоянные магниты применяются, например, в гальванометрах.
На рисунке показана схема гальванометра с вращающейся катушкой.
Работа гальванометра основана на взаимодействии магнитного поля постоянного магнита и тока с учётом того, что сила, действующая в магнитном поле на ток, пропорциональна силе тока.
Лёгкая плоская катушка (рамка) 1 из очень тонкой медной проволоки, удерживающаяся упругими пружинками в положении равновесия между полюсами магнита 2, установится так, что плоскость катушки располагается вдоль направления магнитного поля.
При прохождении тока через катушку магнитное поле поворачивает катушку до тех пор, пока вращательный момент поля не будет уравновешен вращательным моментом упругого крепления. Проградуировав прибор, получают возможность по углу поворота катушки судить о токе в катушке.
З А Д А Ч И
Задача 1.
Сильный подковообразный магнит замкнут железной пластиной А.
Вес пластины подобран так, что он соответствует подъёмной силе магнита и магнит ещё свободно удерживает пластину. Если теперь прикоснуться сбоку к полюсам магнита пластиной В, сделанной из мягкого железа, то пластина А тотчас упадёт. Если пластину В убрать, то магнит вновь сможет удерживать пластину А. Объясните это явление.
Решение.
При прикосновении пластины В часть магнитных силовых линий замыкается через эту пластину,
Число силовых линий, пронизывающих пластину А , резко уменьшается. Поэтому уменьшается сила взаимодействия между магнитом и пластиной А, и она падает.
(Пояснение: мягкое железо сильно намагничивается и легко размагничивается).
Задача 2.
Длинный стержень из мягкого железа закреплён в вертикальном положении. Если к верхнему концу стержня поднести сильный магнит А, как показано на рисунке,
то стержень намагнитится так сильно, что сможет удержать у своего нижнего конца несколько мелких железных предметов.
Если тот же самый магнит А приложить к стержню сбоку, совсем близко от нижнего конца,
то такого сильного намагничивания не возникает и те же самые предметы уже не удерживаются у нижнего конца стержня. Объясните, почему в этих двух случаях магнит А действует по-разному.
Решение.
Во втором случае большая часть силовых магнитных линий замыкается накоротко внутри прилегающей к магниту части стержня
и поэтому стержень не может намагнититься так же сильно, как в первом случае.
Задача 3.
Небольшой тонкий железный гвоздь подвешен на лёгкой несгораемой нити. Около гвоздя находится сильный электромагнит.
Между гвоздём и магнитом расположено пламя сильной газовой горелки так, что когда гвоздь под действием магнита отклоняется, то он обязательно попадает в это пламя. Если включить ток в обмотку электромагнита, то гвоздь сейчас же отклонится, попадёт в пламя горелки и затем через некоторое время , как бы "обжегшись", выскочит из пламени и вернётся в исходное положение. Через некоторое время гвоздь снова начнёт притягиваться к магниту. Объясните причину возникновения таких периодических колебаний железного гвоздя.
Решение.
При некоторой достаточно высокой температуре железо теряет свои магнитные свойства и начинает вести себя как любое другое немагнитное вещество (медь, стекло и др.). При нагревании гвоздя в пламени горелки до высокой температуры, сила взаимодействия магнита и гвоздя резко уменьшается, гвоздь возвращается в начальное положение, выходит из пламени и остывает. После остывания магнитные свойства гвоздя восстанавливаются, сила взаимодействия между ним и магнитном увеличивается и он снова притягивается к магниту.
Задача 4.
Имеется стальная спица. Как узнать, намагничена ли она, не пользуясь ничем, кроме этой спицы?
Ответ.
Надо разломить спицу пополам и посмотреть, будут ли её половинки притягивать и отталкивать друг друга.
Если спица была намагничена, то каждая её половинка тоже будет магнитом, имеющем северный и южный полюсы; эти два магнита будут взаимодействовать друг с другом.
Задача 5.
Имеются два стальных бруска, из которых только один намагничен. Как узнать какой именно брусок намагничен, не пользуясь ничем, кроме этих брусков?
Ответ:
Надо сложить бруски в виде буквы Т.
Если вертикальный брусок намагничен, то будет заметно притяжение брусков друг к другу.
Если вертикальный брусок не намагничен, то притяжения брусков не будет, так как вертикальный брусок касается нейтральной зоны горизонтального бруска.
Электромагниты
Постоянные магниты дают сравнительно небольшие магнитные поля.
Для создания больших магнитных полей и больших магнитных потоков (которые нужны в электрических машинах) и для создания больших усилий (в силовых установках) используются электромагниты.
Электромагнит представляет собой катушку (обмотку) с током, надетую на ферромагнитный сердечник из магнитомягкого ферромагнетика.
Магнитное поле, создаваемое обмоткой с током, складывается с магнитным полем намагниченного сердечника, которое при небольших токах значительно сильнее магнитного поля обмотки (из-за большой магнитной проницаемости материала сердечника).
При увеличении тока в обмотке оба эти поля возрастают сначала пропорционально току, но с дальнейшим увеличением тока в обмотке намагничивание ферромагнетика замедляется, так как оно приближается к состоянию магнитного насыщения (см. кривую оа петли гистерезиса в статье "Как физика объясняет способность ферромагнетиков сильно намагничиваться").
При дальнейшем росте тока магнитное поле обмотки продолжает расти и при большом токе оно оказывается гораздо сильнее поля насыщения ферромагнитного сердечника. В этом случае сердечник становится практически бесполезным, поэтому самые мощные магниты делаются без сердечников.
Электромагниты с большой подъёмной силой могут переносить тяжёлые железные изделия, в этом заключается большое преимущество электромагнитов по сравнению с постоянными магнитами.
Преимущество электромагнита по сравнению с постоянным магнитом заключается ещё в том,что индукция магнитного поля, создаваемого электромагнитом легко меняется путём изменения тока в обмотке.
Разные электромагниты нашли широкое применение в технике и т. д.
Так, для исследовательских целей (для создания очень больших магнитных полей) применяются электромагниты с полюсными наконечниками в виде конусов.
Отметим ещё применение электромагнитов в реле - приборах, которые при включении или выключении очень малого электрического тока в их цепи, замыкают или размыкают цепь с гораздо большим током, приводящим в движение какой-либо мотор или механизм.
Реле, схема которого показана на рисунке, устроено следующим образом.
Управляющий малый ток проходит по обмотке электромагнита 1.
Железный сердечник электромагнита притягивает железную пластину 2 - 2 (со штрихом), замыкая в точке 2 цепь рабочего большого тока.
Пластина 2 - 2 закреплена в правой точке, около которой она может вращаться. Эта пластина оттягивается вверх пружиной 3, разрывающей контакт в точке 2, когда электромагнит не работает.
Пружина закреплена на пластине 4. Можно регулировать её натяжение, от которого зависит, при каком наименьшем управляющем токе реле может "сработать".
Таким образом, рассмотрение постоянных магнитов и электромагнитов привело нас к выводу, что и постоянные магниты, и электрический ток обладают одинаковой способностью намагничивать железо и притягивать его к себе или создавать магнитные поля.
Приходим к выводу, что между электричеством и магнетизмом существует неразрывная связь, на которую указывали также наблюдаемые в жизни факты намагничивания железных предметов (вилок, ложек и др.) при попадании молнии в дом, ибо молния представляет собой ток очень большой силы.
К.В. Рулёва, к. ф.-м. н., доцент. Подписывайтесь на канал. Ставьте лайки. Спасибо.
Предыдущая запись: Действие магнитного поля на проводники с током, взаимодействие токов (задачи)
Следующая запись:Действие магнитного поля на контур с током.
Ссылки на занятия до электростатики даны в Занятии 1 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с электростатики, даны в конце Занятия 45 .
Ссылки на занятия (статьи), начиная с теплового действия тока, даны в конце Занятия 58.
Ссылки на занятия, начиная с переменного тока, даны в конце Занятия 70 .
