Принцип работы электромагнита

Магнитное поле

Магнетизмом называется способность некоторых тел притягивать к себе стальные предметы.

Магнит, который каждый из нас когда нибудь видел, обладает способностью магнетизма. Если магнит разрезать ,

то его части также будут иметь опять по два полюса.

И на сколько бы частей не был разделен магнит, каждая часть

всегда будет иметь два полюса по концам, и никогда нельзя получить магнит с одним полюсом.

Поднося магниты друг к другу разными полюсами можно установить, что магнитные полюса взаимодействуют

как и электрические заряды между собой, т.е. разноименные притягиваются, а одноименные — отталкиваются.
Эти силы притяжения и отталкивания показывает наличие магнитного поля вокруг полюсов. При отдалении от

магнита эти силы ослабевают.

Как показывают опыты, магнитное поле действует не только через воздух, но и через другие диэлектрические

материалы (стекло, картон, бумагу и т.д.) и только материалы из стали сильно ослабляют действие магнитов.
Находясь возле магнита стальные предметы намагничиваются и становятся магнитами.
Если применяются предметы из твердой (закаленной) стали, то они долго сохраняют магнитные свойства и ими можно

пользоваться как постоянными магнитами.
Мягкая сталь становится магнитной только на время намагничивания. При удалении от магнита она теряет

магнитные свойства.

Как же происходит намагничивание?
Из теории известно, что каждое вещество состоит из атомов в которых вокруг ядра вращаются электроны, создавая

кольцевой формы элементарный проводничок с током — кольцевой ток.

Этот кольцевой ток создает свое магнитное

поле (на рисунке — маленькие стрелочки выходящие из кольцевого тока) с магнитными полюсами. Когда тело не

намагничено, кольцевые токи не создают результирующего магнитного поля, т.к. электроны хаотично вращаются в разные

стороны и их магнитные поля взаимно уничтожаются (рис.а). Если, допустим, мягкую сталь поместить в магнитное

поле магнита, то кольцевые токи будут под действием магнитного поля разворачиваться и располагаться своими

торцами перпендикулярно к его силовым линиям, создавая общее результирующее поле (рис.b). Это поле и образует из стали магнит.
По окончанию действия внешнего магнитного поля кольцевые токи снова вернуться в беспорядочное вращение и

мягкая сталь размагнитится.
В твердой (закаленной) стали элементарным кольцевым токам трудно возвращаться к беспорядочному вращению

и поэтому в такой стали долго сохраняются магнитные свойства.
Магнитное поле невидимо, но его существование можно определить если насыпать на лист картона железные

опилки и под него положить магнит.
Железные опилки, как маленькие магнитики, займут определенные

положения по направлению магнитных силовых линий полюсов магнита(рис.с).
На рис. свидно, что в середине магнита результирующее силовое поле будет минимальное и в определенной точке будет равно нулю.
На самом то деле, конечно, в магнитном поле никаких линий нет, но они помогают изобразить это поле графически.

При этом принято считать, что эти линии идут снаружи магнита по направлению от северного полюса к южному, а

внутри магнита — от южного к северному (рис.d). То есть силовые магнитные линии будут всегда замкнуты.

Чтобы определить полюса магнита нужно подвесить магнит на нитке за его середину и он повернется так, что одним

своим полюсом будет указывать на юг (S), а другим на север (N), т.к. наша Земля тоже является большим магнитом со

своими магнитными полюсами.На северном географическом полюсе находится южный магнитный полюс, а на южном географическом — северный магнитный полюс.
Так как магниты притягиваются противоположными полюсами, значить северный полюс магнита будет указывать на северный географический полюс, а южный полюс магнита — на южный географический полюс.
Полюса магнита так и принято называть — северный и южный полюса.

В устройсве магнитного компаса используется именно это свойство, только вместо магнита используется легкая намагниченная стрелка.

Регулирование движения на железной дороге

Движение плоского магнита включает сигнальный звонок или сирену. Далее происходит следующее. Через пару секунд кабина машиниста проходит над электромагнитом, который связан со светофором. Если тот дает поезду зеленую улицу, то электромагнит оказывается под напряжением и ось постоянного магнита в вагоне поворачивается в свое первоначальное положение, выключая сигнал в кабине. Когда же на светофоре горит красный или желтый свет, электромагнит бывает выключен, и тогда после некоторой задержки автоматически включается тормоз, если, конечно, это забыл сделать машинист. Тормозная цепь (как и звуковой сигнал) подключается к сети с момента поворота оси магнита. Если магнит во время задержки возвращается в первоначальное положение, то тормоз не включается.

Вектор индукции магнитного поля

Так сложилось, что силовую характеристику магнитного поля назвали индукцией, а не напряженностью, как у электрического поля.

Индукцией магнитного поля ($\vec{B}$) называют векторную физическую величину, которую вводят при рассмотрении воздействия магнитного поля на элементарную (пробную) рамку с током.

Замечание 2

Малая рамка с током (пробная рамка) является аналогом пробного заряда в электростатике.

Требования, которые предъявляют к пробной рамке с током:

Маленькие размеры этого витка с током, которые давали бы возможность делать выводы о свойствах магнитного поля в «точке».
Сила тока в рамке не должна быть большой, поскольку не должно быть существенным влияние этого тока на источники магнитного поля.
В соответствии с определением, направление вектора магнитной индукции должно совпасть с ориентацией нормали к «свободному» пробному витку с током, который пришел в состояние покоя в магнитном поле.

Необходимо подобрать материал для учебной работы? Задай вопрос преподавателю и получи ответ через 15 минут! Задать вопрос

Направлением нормали ($\vec{n}$) к плоскости витка с током, считают такое направление, по которому станет поступательно двигаться правый винт, при вращении его головки по току в витке (рис.1).

Рисунок 1. Направление магнитного поля. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

При повороте рамки на некоторый угол от положения равновесия, на рамку будет оказывать действие момент сил, величина которого зависит от:

$M\sim IS\sin {\alpha \, \left( 1 \right),}$

где $I$ – сила тока в витке; $S$ – площадь витка с током; $\alpha$ – угол поворота.

Момент сил, приложенный к рамке, будет наибольшим тогда, когда плоскость витка будет перепендикулярна линиям поля:

$M_{max}\sim IS\left( 2 \right)$

Характеризовать магнитное поле в месте расположения рамки можно следующим отношением:

$B=\frac{M_{max}}{IS}\left( 3 \right)$.

Отношение (3) принимают за величину вектора магнитной индукции.

Итак, количественной характеристикой магнитного поля в точке является модуль вектора магнитной индукции. Но, как уже отмечалось, магнитная индукция – векторная величина, следовательно, она имеет направление. Если говорят о направлении магнитного поля, то имеют в виду направление векторов магнитной индукции в каждой точке этого поля.

При расчете магнитных полей, которые создаются токами, необходимо принимать во внимание то, что отдельные участки тока могут создавать разные поля в одной точке пространства и следует учесть совместное действие этих полей. Магнитная индукция удовлетворяет принципу суперпозиции:

Магнитная индукция удовлетворяет принципу суперпозиции:

Магнитная индукция, создаваемая несколькими проводниками с токами, равна векторной сумме индукций полей в рассматриваемой точке поля.

Постоянные магниты. Что это?

Китайцы, как и греки, тоже замечали интересное свойство некоторых минералов притягивать к себе железосодержащие предметы. Слово «притягивать» китайцы ассоциируют со словами «прижиматься», «любить» и поэтому назвали такие минералы «чу-ши», что значит «любящий камень». Так как эти минералы создала природа, и человек не мог повлиять на естественное действие камней, их стали называть постоянными магнитами.

Теперь уже известно, что так интересно проявляется природный минерал магнитный железняк (магнетит). Это достаточно хрупкий черного цвета минерал, плотность его примерно 5000 кг/м 3 .

Магнитный железняк.

Древние люди приписывали магнитному железняку свойства «живой души». Минерал, по их словам, устремлялся к железу, как собака к куску мяса. Ученые объясняют отношение древних к явлениям природы незнанием физики.

На самом деле, все заключается в особом виде материи – поле.

Магнитное поле и притягивает к постоянному магниту железные предметы, ведь, например, мелкие гвоздики или кнопки устремляются к магниту даже без соприкосновения с ним, а на некотором расстоянии.

Магнетит (природный магнитный железняк) проявляет свойства притягивания не очень сильно. Человеком на его основе созданы искусственные магниты с более мощным магнитным полем. В качестве материала в них используются такие металлы, как кобальт, никель и, конечно же, железо. Такие металлы способны намагничиваться, попадая в магнитное поле, а потом становятся самостоятельными магнитами.

Разные формы искусственных магнитов. Источник

Какую бы форму не имел магнит, у него есть участки, где наиболее сильно проявляются магнитные свойства. Эти участки называют магнитными полюсами. У каждого, даже самого маленького магнита, есть два полюса. Современные технологии позволяют намагничивать металлические предметы так, что у них образуется и 4 и 6 полюсов.

Увидеть, как по-разному притягиваются железные опилки к магниту, можно на простейшем опыте с дугообразным школьным магнитом. Просто поднести к опилкам магнит, опилки тут же «прилипнут» к нему:

Дугообразный магнит.

Полюсами такого магнита будут края дуги, где больше всего скопилось железных опилок.

У полосового магнита, форма которого прямоугольный параллелепипед, полюса находятся далеко друг от друга. Чем ближе к середине, тем меньше проявляются магнитные свойства.

Полосовой магнит.

Виды

Электромагниты бывают следующих видов:

Нейтральные постоянного тока. В таком устройстве магнитный поток создается посредством постоянного электрического тока, пропущенного через обмотку. А значит, сила притяжения такого электромагнита варьируется в зависимости только от величины тока, а не от его направления в обмотке.
Поляризованные постоянного тока. Действие электромагнита подобного рода основано на наличии двух независимых магнитных потоков. Если говорить о поляризующем, то его наличие создается обычно постоянными магнитами (в редких случаях — дополнительными электромагнитами), и нужен он для создания притягивающей силы при выключенной обмотке. А действие такого электромагнита зависит от величины и направления электрического тока, который движется в обмотке.
Переменного тока. В таких устройствах катушка электромагнита питается электричеством переменного тока. Соответственно, с определенной периодичностью магнитный поток меняет свое направление и величину. А сила притяжения варьируется лишь по величине, из-за чего она «пульсирует» от минимального до максимального значения с частотой, которая имеет двукратную величину по отношению к частоте питающего ее электрического тока.

С тем, какие их виды бывают, уже мы ознакомились. Теперь же рассмотрим примеры использования электромагнитов.

Основные параметры катушек индуктивности

Свойства катушек могут быть охарактеризованы четырьмя основными параметрами: индуктивностью, добротностью, собственной емкостью и стабильностью.

1. Индуктивность.

Индуктивность (коэффициент самоиндукции) является основным электрическим параметром и характеризует величину энергии, запасаемой катушкой при протекании по ней электрического тока. Чем больше индуктивность катушки, тем больше энергии она запасает в своем магнитном поле.

Индуктивность зависит от размеров каркаса, формы, числа витков катушки, диаметра и марки провода, а также от формы и материала магнитопровода (сердечника).

В радиолюбительских схемах, как правило, величину индуктивности не указывают, так как радиолюбителя интересует не эта величина, а количество витков провода в катушке, диаметр и марка провода, способ намотки (внавал, виток к витку, крест на крест, секционная намотка) и размеры каркаса катушки.

2. Добротность.

Добротность (Q) характеризуется качеством работы катушки индуктивности в цепях переменного тока и определяется как отношение реактивного сопротивления катушки к ее активному сопротивлению потерь.

Активное сопротивление включает в себя сопротивление провода обмотки катушки; сопротивление, вносимое диэлектрическими потерями в каркасе; сопротивление, вносимое собственной емкостью и сопротивления, вносимые потери в экраны и сердечники.

Чем меньше активное сопротивление, тем выше добротность катушки и ее качество. В большинстве случаев добротность катушки определяют резонансные свойства и к.п.д. контура. Современные катушки средних размеров имеют добротность около 50 – 300.

3. Собственная емкость.

Катушки индуктивности обладают собственной емкостью, которая увеличивается по мере увеличения числа витков и размеров катушки. Между соседними витками существует межвитковая емкость, из-за которой некоторая часть тока проходит не по проводу, а через емкость между витками, отчего сопротивление между выводами катушки уменьшается.

Все дело в том, что общее напряжение, приложенное к катушке, разделяется на межвитковые напряжения из-за чего между витками образуется электрическое поле, вызывающее скопление зарядов. Витки, разделенные слоями изоляции, образуют обкладки множества маленьких конденсаторов, через которые протекает часть тока, из общей емкости которых и складывается собственная емкость катушки. Таким образом катушка обладает не только индуктивными но и емкостными свойствами.

Собственная емкость является вредным параметром и ее стремятся уменьшить применением специальных форм каркаса и способом намотки провода.

4. Стабильность.

Стабильность катушки характеризуется изменением ее параметров под воздействием температуры, влажности и во времени.

Изменение индуктивности под влиянием температуры характеризуют температурным коэффициентом индуктивности (ТКИ), равным относительному изменению индуктивности при изменении температуры на 1°С. ТКИ катушки определяется способом намотки и качеством диэлектрика каркаса.

Влажность вызывает увеличение собственной емкости и диэлектрических потерь, а также понижает стабильность катушки. Для защиты от действия влажности применяется герметизация или пропитка и обволакивание обмотки негигроскопичными составами.

Такие катушки обладают более низкой добротностью и большой собственной емкостью, но при этом они более устойчивы к воздействию влаги.

Магнитное поле и его графическое изображение

На прошлых уроках мы выяснили, что причиной возникновения магнитной силы является наличие магнитного поля. Магнитное поле порождается движущимися электрическими зарядами и, в частности, электрическим током, поскольку это упорядоченный поток заряженных частиц. Например, магнитное поле образуется вокруг проводника с током. Каким же образом можно пояснить наличие магнитного поля у постоянных магнитов, у которых никаких видимых токов нет? Согласно гипотезе великого французского физика Ампера, в атомах и молекулах вещества в результате движения электронов возникают кольцевые токи. В магнитах такие кольцевые токи ориентируются одинаково. Магнитные поля, которые они образуют, направлены одинаково и усиливают друг друга. В результате образуется магнитное поле внутри и вблизи постоянного магнита. Когда мы ранее сталкивались с понятием «поле», то возникала проблема понимания, что же это такое. Если сравнивать с понятием «вещество», этой проблемы, очевидно, нет, так как из вещества созданы все окружающие нас тела, мы их можем потрогать, мы их можем увидеть. Что же касается магнитного поля, то это особый вид материи, который проявляется через взаимодействие с определенными телами. Вспомним, что гравитационное поле взаимодействует с телами, имеющими массу, то есть со всеми телами. При этом электрическое поле взаимодействует с телами, имеющими заряд, что же касается поля магнитного, то оно будет взаимодействовать с телами, в которых есть подвижные заряды. Из этого возникает вопрос: если поле нельзя увидеть, можно ли его как-то изобразить? Проведем эксперимент, возьмем обыкновенный полосовой магнит, положим его на стол и накроем обыкновенной прозрачной пластиковой накладкой. Сверху на поверхность накладки над магнитом аккуратно посыпаем железные опилки, в процессе посыпания мы можем увидеть интересный эффект: опилки будут распределяться неравномерным образом, образуя так называемые дорожки, и картина этих дорожек получается упорядоченной. Что же мы увидели и почему так происходит?

Рис. 4. Силовые линии магнитного поля в опыте железными опилками

Наш опыт позволяет наглядно продемонстрировать так называемые силовые линии магнитного поля (или, как их еще именуют, просто магнитные линии). Магнитные линии – это воображаемые линии, вдоль которых расположились бы маленькие магнитные стрелки, помещенные в магнитное поле. В нашем эксперименте в роли магнитных стрелок выступают железные опилки. Они имеют очень простое свойство намагничиваться во внешнем магнитном поле и выстраиваться вдоль магнитных линий, причем по правилу взаимодействия магнитов, то есть противоположными полюсами друг к другу. Стоит отметить, что магнитные линии могут быть как прямолинейными, так и криволинейными, при этом правило их построения очень простое: в любой точке нахождения магнитной стрелки касательная, проведенная через нее должна быть и касательной к магнитной линии.

Для того чтобы правильно изображать магнитное поле, не проводя постоянных экспериментов с железными опилками и магнитами, необходимо знать правило его построени.

Во-первых, силовые линии магнитного поля являются замкнутыми либо уходят на бесконечность. Кроме этого, следует помнить, что они выходят из северного полюса магнита и входят в южный. Во-вторых, наиболее сильное магнитное поле является у полюсов магнитов, что изображается как более плотное расположение магнитных линий, в областях же с менее сильным магнитным полем магнитные линии изображают на большем расстоянии друг от друга.

Какие же выводы мы можем сделать из этих правил?

Магнитные линии позволяют изображать направление поля в данной точке. Магнитные линии позволяют определять силу действия этого поля.

дальнейшее чтение

Querfurth, William, « Катушечная обмотка; описание процедур намотки катушек, намоточных машин и сопутствующего оборудования для электронной промышленности » (2-е изд.). Чикаго, G. Stevens Mfg. Co., 1958.
Веймут, Ф. Мартен, » Барабанные якоря и коммутаторы (теория и практика): полный трактат по теории и конструкции барабанной обмотки и коммутаторов для якоря с замкнутой катушкой, вместе с полным резюме некоторых из основных затронутых вопросов». в их конструкции и описание реакций якоря и искрообразования «. Лондон, Типография и издательство «Электрик», 1893 год.
« Процедура намотки катушек ». Международная ассоциация намотки катушек.
Чандлер, Р. Х., » Обзор покрытия рулонов, 1970–76 «. Брейнтри, Р. Х. Чандлер Лтд., 1977.

Базовые формулы

Здесь изложены основные формулы теории магнетизма. Информация для школьников, студентов и всех кого интересует этот вопрос

Правило правой руки или буравчика:

Направление силовых линий магнитного поля и направление создающего его тока связаны между собой известным правилом правой руки или буравчика, которые ввел еще Д.Максвелл и иллюстрируется следующими рисунками:

Мало кто знает, что буравчик — это инструмент для бурения-сверления отверстий в дереве. Поэтому более понятно можно это правило назвать правилом винта, шурупа или штопора. Однако хвататься за провод как на рисунке иногда опасно для жизни!

Магнитная индукция B :

Магнитная индукция — является основной фундаментальной характеристикой магнитного поля, аналогичной вектору напряженности электрического поля E . Вектор магнитной индукции всегда направлен по касательной к магнитной линии и показывает ее направление и силу. За единицу магнитной индукции в B = 1Тл принимается магнитная индукция однородного поля, в котором на участок проводника длиной в l = 1 м, при силе тока в нем в I = 1 А, действует со стороны поля максимальная сила Ампера — F = 1 H. Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки . В системе СГС магнитная индукция поля измеряется в гауссах (Гс), в системе СИ — в теслах (Тл).

Напряженность магнитного поля H :

Еще одной характеристикой магнитного поля является напряженность, которая является аналогом вектора электрического смещения D в электростатике. Определяется по формуле:

Напряженность магнитного поля — величина векторная, является количественной характеристикой магнитного поля и не зависит от магнитных свойств среды. В системе СГС напряженность магнитного поля измеряется в эрстедах (Э), в системе СИ — в амперах на метр (А/м).

Магнитный поток Ф:

Магнитный поток Ф — скалярная физическая величина, характеризующая число линий магнитной индукции, пронизывающих замкнутый контур. Рассмотрим частный случай. В однородном магнитном поле , модуль вектора индукции которого равен ∣ В ∣, помещен плоский замкнутый контур площадью S. Нормаль n к плоскости контура составляет угол α с направлением вектора магнитной индукции B . Магнитным потоком через поверхность называется величина Ф, определяемая соотношением:

В общем случае магнитный поток определяется как интеграл вектора магнитной индукции B через конечную поверхность S.

Стоит отметить, что магнитный поток через любую замкнутую поверхность равен нулю (теорема Гаусса для магнитных полей). Это означает, что силовые линии магнитного поля нигде не обрываются т.е. магнитное поле имеет вихревую природу, а также что невозможно существование магнитных зарядов, которые создавали бы магнитное поле подобно тому, как электрические заряды создают электрическое поле. В СИ единицей магнитного потока является Вебер (Вб), в системе СГС — максвелл (Мкс); 1 Вб = 10 8 Мкс.

Индуктивность — коэффициент пропорциональности между электрическим током, текущим в каком-либо замкнутом контуре, и магнитным потоком, создаваемым этим током через поверхность, краем которой является этот контур.

Иначе, индуктивность — коэффициент пропорциональности в формуле самоиндукции .

В системе единиц СИ индуктивность измеряется в генри (Гн). Контур обладает индуктивностью в один генри, если при изменении тока на один ампер в секунду на выводах контура будет возникать ЭДС самоиндукции в один вольт.

Термин «индуктивность» был предложен Оливером Хевисайдом – английским ученым-самоучкой в 1886 году. Говоря просто, индуктивность это свойство проводника с током накапливать энергию в магнитном поле, эквивалентна емкости для электрического поля. Она не зависит от величины тока, а только от формы и размеров проводника с током. Для увеличения индуктивности проводник наматывают в катушки, расчету которых и посвящена программа Coil32

Источник

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

Наибольший практический интерес представляет собой магнитное поле катушки с током. На рисунке 97 изображена катушка, состоящая из большого числа витков провода, намотанного на деревянный каркас. Когда в катушке есть ток, железные опилки притягиваются к её концам, при отключении тока они отпадают.Рис. 97. Притяжение железных опилок катушкой с током

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).

Рис. 98. Полюсы катушки с током

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

Рис. 99. Магнитные линии катушки с током

Катушки с током широко используют 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.

На рисунке 97 изображён опыт, в котором наблюдается действие магнитного поля катушки с током. Если 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

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

Рис. 100. Действие магнитного поля катушки

Оказывается также, что магнитное действие катушки с током можно значительно усилить, не меняя число её витков и силу тока в ней. Для этого надо ввести внутрь катушки железный стержень (сердечник). Железо, введённое внутрь катушки, усиливает магнитное действие катушки

(рис. 101).

Рис. 101. Действие магнитного поля катушки с железным сердечником

Катушка с железным сердечником внутри называется электромагнитом.

Электромагнит — одна из основных деталей многих технических приборов. На рисунке 102 изображён дугообразный электромагнит, удерживающий якорь (железную пластинку) с подвешенным грузом.

Рис. 102. Дугообразный электромагнит

Электромагниты широко применяют в технике благодаря их замечательным свойствам. Они быстро размагничиваются при выключении тока, в зависимости от назначения их можно изготавливать самых различных размеров, во время работы электромагнита можно регулировать его магнитное действие, меняя силу тока в катушке.

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

Рис. 103. Применение электромагнитов

На рисунке 104 показан в разрезе магнитный сепаратор для зерна. В зерно подмешивают очень мелкие железные опилки. Эти опилки не прилипают к гладким зёрнам полезных злаков, но прилипают к зёрнам сорняков. Зёрна 1 высыпаются из бункера на вращающийся барабан 2. Внутри барабана находится сильный электромагнит 5. Притягивая железные частицы 4, он извлекает зёрна сорняков из потока зерна 3 и таким путём очищает зерно от сорняков и случайно попавших железных предметов.

Рис. 104. Магнитный сепаратор

Применяются электромагниты в телеграфном, телефонном аппаратах и во многих других устройствах.

Вопросы

В каком направлении устанавливается катушка с током, подвешенная на длинных тонких проводниках? Какое сходство имеется у неё с магнитной стрелкой?
Какими способами можно усилить магнитное действие катушки с током?
Что называют электромагнитом?
Для каких целей используют на заводах электромагниты?
Как устроен магнитный сепаратор для зерна?

Упражнение 41

Нужно построить электромагнит, подъёмную силу которого можно регулировать, не изменяя конструкции. Как это сделать?
Что надо сделать, чтобы изменить магнитные полюсы катушки с током на противоположные?
Как построить сильный электромагнит, если конструктору дано условие, чтобы ток в электромагните был сравнительно малым?
Используемые в подъёмном кране электромагниты обладают громадной мощностью. Электромагниты, при помощи которых удаляют из глаз случайно попавшие железные опилки, очень слабы. Какими способами достигают такого различия?

Высокопольные электромагниты

сверхпроводящие электромагниты

Самый мощный электромагнит в мире, 45 T гибридная Bitter-сверхпроводящий магнит в Национальной лаборатории сильных магнитных США Field, Таллахасси, Флорида, США

Когда магнитное поле выше , чем предел ферромагнитного 1,6 Т необходимо, сверхпроводящие электромагниты могут быть использованы. Вместо того чтобы использовать ферромагнитные материалы, эти использование сверхпроводящих обмоток с охлаждением жидким гелием , который проводит ток без электрического сопротивления . Они позволяют огромные токи течь, которые генерируют интенсивные магнитные поля. Сверхпроводящие магниты ограничены напряженности поля , при котором намотка материал перестает быть сверхпроводящим. Современные конструкции ограничиваются 10-20 Т с текущими (2017) записями 32 Т. Необходимое холодильное оборудованием и криостатом сделать их гораздо дороже обычных электромагниты. Однако при высоких энергетическом это может быть компенсировано более низкими эксплуатационными расходами, так как после запуска никакой силы не требуется для обмоток, так как энергия не теряются омическим нагрев. Они используются в ускорителях частиц и МРТ машин.

Горькие электромагниты

Оба ферромагнитных и сверхпроводящие электромагниты имеют пределы области они могут произвести. Таким образом, наиболее мощные техногенные магнитные поля были сгенерированы с воздушным сердечником несверхпроводящего электромагниты конструкции изобретенной Фрэнсис Биттер в 1933 году под названием Bitter электромагнитов . Вместо проволочных обмоток, горькое магнит состоит из соленоида , выполненного из стопки проводящих дисков, расположенных таким образом , что ток движется по спиральной траектории через них, с отверстием по центру , где создается максимальное поле. Эта конструкция имеет механическую прочность , чтобы выдерживать экстремальные силы Лоренца поля, которые увеличивают с B 2 . Диски проколоты с отверстиями , через которые охлаждающая вода проходит унести тепло , вызванное высоким током. Самое сильное непрерывное поле достигается только с резистивным магнитом 37.5 T по состоянию на 31 марта 2014, произведенный биттеровского электромагнита в Radboud University High Field Laboratory Magnet в Неймеген , в Нидерландах . Предыдущий рекорд был 35 Т. сильным непрерывным магнитное поля в целом, 45 Т, был достигнут в июне 2000 года с гибридным устройством , состоящим из горького магнита внутри сверхпроводящего магнита.

Взрывающиеся закачивается поток сжатия

Полая трубка типа ударно-волнового излучателя.

Фактор , ограничивающий силу электромагнитов является невозможностью для рассеивания тепла огромные отходов, поэтому более мощных полей, вплоть до 100 T, были получены из резистивных магнитов, посылая короткие импульсы высокого тока через них; неактивный период после каждого импульса позволяет тепло , произведенное в течение импульса , чтобы быть удалены, до начала следующего импульса. Наиболее мощные искусственные магнитные поля были созданы с использованием взрывчатых веществ , чтобы сжать магнитное поле внутри электромагнита , как это импульсное; их называют взрывным накачкой потока генераторов сжатия . Имплозии сжимает магнитное поле до значений около 1000 T в течение нескольких микросекунд. В то время как этот метод может показаться очень разрушительным, можно перенаправить удар взрыва в радиальном направлении наружу , так что ни эксперимент , ни магнитная структура страдает. Эти устройства известны как деструктивные импульсные электромагниты. Они используются в физике и материалов науки исследований по изучению свойств материалов при высоких магнитных полей.

Почему возникает магнитное поле

Магнитные свойства некоторых веществ, позволяющие притягивать металлические предметы, были известны с давних времен. Но к пониманию сути этого явления удалось приблизиться только в начале XIX века. По аналогии с электрическими зарядами, были попытки объяснить магнитные эффекты с помощью неких магнитных зарядов (диполей). В 1820 г. датский физик Ханс Эрстед обнаружил, что магнитная стрелка отклоняется при пропускании электрического тока через проводник, находящийся около нее.

Тогда же французский исследователь Андре Ампер установил, что два проводника, расположенные параллельно друг другу, вызывают взаимное притяжение при пропускании через них электрического тока в одном направлении и отталкивание, если токи направлены в разные стороны.

Рис. 1. Опыт Ампера с проводами с током. Стрелка компаса вблизи провода с током

На основании этих наблюдений Ампер пришел к выводу, что взаимодействие тока со стрелкой, притяжение (и отталкивание) проводов и постоянных магнитов между собой можно объяснить, если предположить, что магнитное поле создается движущимися электрическими зарядами. Дополнительно Ампер выдвинул смелую гипотезу, согласно которой внутри вещества существуют незатухающие молекулярные токи, которые и являются причиной возникновения постоянного магнитного поля. Тогда все магнитные явления можно объяснить взаимодействием движущихся электрических зарядов, и никаких особенных магнитных зарядов не существует.