§ 53. Магнитное поле катушки с током. Электромагниты и их применение

электротехническое устройство, представляющее собой цилиндрический каркас из диэлектрика, на который плотно намотано большое число витков изолированного медного провода:

• 1. Эквивалентность полосовому магниту — при протекании тока катушка создает вокруг себя магнитное поле, полностью аналогичное полю постоянного полосового магнита: на одном торце образуется северный магнитный полюс ($N$), на противоположном — южный полюс ($S$).
• 2. Поле внутри катушки — внутри длинного соленоида магнитные линии практически параллельны друг другу и направлены вдоль оси катушки (однородное поле высокой интенсивности).

мнемоническое правило для однозначного определения магнитных полюсов катушки с током:

• 1. Формулировка правила — если обхватить соленоид ладонью правой руки так, чтобы четыре согнутых пальца были направлены по току в его витках, то отставленный на 90 градусов большой палец укажет на северный полюс катушки ($N$).
• 2. Направление поля внутри — большой палец указывает направление силовых линий поля внутри соленоида, где поле максимально однородно.

факторы, определяющие величину магнитного потока и подъемной силы соленоида:

• 1. Сила тока в обмотке — чем больше ток в цепи, тем мощнее порождаемое магнитное поле (регулируется реостатом).
• 2. Число витков — при одинаковом токе катушка с большим числом плотно уложенных витков действует на тела сильнее.
• 3. Железный сердечник — введение внутрь катушки сердечника из магнитомягкого железа усиливает магнитное поле в сотни и тысячи раз.

электротехническое устройство, состоящее из ферромагнитного железного сердечника (обычно подковообразной или цилиндрической формы) с надетой на него катушкой из изолированного провода:

• 1. Главное эксплуатационное преимущество — магнитным действием электромагнита легко управлять: при включении тока он мгновенно притягивает груз, при отключении тока — мгновенно отпускает его, а изменением тока регулируется сила удержания.
• 2. Области применения — подъемные заводские краны для переноски металлолома и слябов, электромагнитные реле автоматики, магнитные сепараторы сыпучих материалов, электрические звонки и телеграфные аппараты.

автоматическое устройство дистанционного управления, применяемое для коммутации сильноточных цепей:

• 1. Принцип работы — электромагнит маломощной управляющей цепи притягивает стальной якорь и механически замыкает контакты силовой цепи с высоким рабочим напряжением.
• 2. Безопасность и экономичность — оператор управляет мощным оборудованием (станками, моторами), контактируя только с безопасным низковольтным контуром управления.

Подобие доказывается двумя наглядными экспериментами:

• Сравнение спектров линий с помощью опилок: если насыпать железные опилки вокруг катушки с током и слегка постучать, полученная картина расположения опилок в точности повторяет спектр магнитного поля постоянного полосового магнита — из одного торца катушки линии выходят веером, огибают катушку снаружи и сходятся у противоположного торца.
• Взаимодействие с магнитной стрелкой и магнитом: к одному торцу катушки с током северный полюс магнитной стрелки притягивается (значит, здесь южный полюс катушки), а к другому торцу — отталкивается (северный полюс). Подвешенная на тонких гибких проводах катушка с током свободно ориентируется в пространстве вдоль направления север–юг, как стрелка компаса.

Правило правой руки для соленоида (катушки с током):

Если обхватить соленоид ладонью правой руки так, чтобы четыре пальца были направлены по току в витках катушки, то отставленный на $90^\circ$ большой палец покажет направление магнитных линий внутри соленоида, то есть укажет на его северный магнитный полюс ($N$).

Магнитное действие катушки с током можно усилить тремя основными способами:

• Увеличением силы тока в витках — чем больше ток, тем сильнее порождаемое им магнитное поле (например, уменьшая сопротивление реостата в цепи);
• Увеличением числа витков катушки — поля отдельных кольцевых витков складываются, поэтому катушка с большим числом витков при одинаковом токе действует сильнее;
• Введением внутрь катушки железного сердечника — железо под действием поля катушки намагничивается, и его собственное внутреннее магнитное поле многократно складывается с полем обмотки, увеличивая суммарную силу притяжения в сотни раз.

Электромагнитом называют катушку с железным сердечником внутри, предназначенную для создания мощного управляемого магнитного поля при протекании по её обмотке электрического тока.

В электромагнитах используют магнитомягкие сорта железа и электротехнической стали, которые практически мгновенно размагничиваются при отключении тока.

На промышленных и металлургических заводах электромагниты применяют:

• В мощных грузоподъемных электромагнитных кранах для захвата, перемещения и погрузки многотонных стальных слитков, рельсов, листового проката, чугунных чушек и железного металлолома без применения строп и канатов;
• В электромагнитных пускателях, контакторах и реле для безопасного дистанционного включения и автоматической защиты мощных электромоторов, станков и прокатных станов;
• В электромагнитных тормозах подъемных механизмов и шахтных клетей.

Устройство и принцип работы магнитного сепаратора (по рис. 138 учебника):

• В очищаемую партию зерна злаковых культур подмешивают небольшое количество тонкого магнитного порошка (железной окалины). Семена сорняков имеют ворсистую шероховатую поверхность, к которой порошок прочно прилипает, а гладкие семена полезных злаков остаются чистыми.
• Смесь из бункера тонким равномерным слоем высыпается на вращающийся немагнитный барабан, внутри которого неподвижно закреплен сильный дугообразный электромагнит.
• Гладкие зерна злаков не притягиваются магнитом и свободно ссыпаются вертикально вниз в первый бункер. Семена сорняков с налипшими железными частицами удерживаются магнитным полем на поверхности барабана, огибают его нижнюю часть и отпадают во второй бункер только там, где зона действия магнита заканчивается.

Ответ: Катушка с током установится вдоль направления магнитной меридиональной линии Земли (в направлении север–юг).

• Обоснование: катушка с током обладает собственным магнитным дипольным моментом и ведет себя как стрелка компаса. Ее северный магнитный полюс повернется в сторону Северного географического полюса Земли (где находится южный магнитный полюс планеты), а южный полюс катушки укажет на Южный географический полюс Земли.

Ответ: Вся электрическая энергия, непрерывно подводимая к обмотке электромагнита при удержании неподвижного груза, расходуется исключительно на нагревание обмотки самого электромагнита и подводящих проводов (выделение джоулева тепла).

• Обоснование: так как механического перемещения груза нет ($s = 0$), механическая работа равна нулю ($A_{\text{мех}} = F \cdot s = 0$). По закону сохранения энергии и закону Джоуля—Ленца ($Q = I^2 R t$), протекающий по омическому сопротивлению медного провода ток $I$ целиком превращает электрическую энергию источника во внутреннюю тепловую энергию, которая рассеивается в окружающий воздух. Для самого силового удержания груза магнитным полем затрат энергии в идеале не требуется (как не требуется энергии постоянному магниту на холодильнике).

Ответ: Если установить возвратную пружину с большей жесткостью, произойдут следующие изменения:

• Увеличение порога срабатывания: для притягивания якоря электромагниту потребуется преодолевать значительно большую силу упругости пружины ($F_{\text{упр}} = k \cdot \Delta x$). Поэтому реле перестанет срабатывать при прежней малой силе тока — для его замыкания потребуется подать в первичную цепь управления существенно больший ток (или большее напряжение).
• Ускорение размыкания: при отключении тока жесткая пружина оторвет якорь от сердечника гораздо быстрее и надежнее, что снизит риск подгорания силовых контактов вторичной цепи.