Открытие Эрстеда ознаменовало начало ряда исследований по электромагнетизму. В 1820 г. Андре-Мари Ампер и Франсуа Араго исследовали магнитное поле катушки. В 1825 г. британский физик Уильям Стерджен заметил, что магнитное поле катушки значительно усиливается, если в середину ее вставить стальной сердечник. Так он изобрел простейший электромагнит.
В 1828 г. Джозеф Генри использовал многослойную обмотку из изолированного провода и получил более мощный электромагнит.
Любой электромагнит состоит из (рис. 32): стального сердечника 1, катушки (обмотки) 2 и якоря 3, который притягивается к сердечнику. Выясним, от чего зависит сила, с которой магнитное поле катушки электромагнита действует на его якорь.
Опыт 1. Замкнем цепь из электромагнита и реостата, с помощью которого будем изменять силу тока в катушках. При определенной силе тока электромагнит удерживает определенный груз (рис. 33 а), а если увеличить силу тока в два раза, то электромагнит может удержать груз приблизительно в два раза тяжелее (рис. 33, б).
Чем больше ток проходит в катушке электромагнита, тем с большей силой притягивается к нему якорь.
Опыт 2. Повторим опыт 1 при начальной силе тока, когда электромагнит удерживал меньший груз. Теперь возьмем катушку, содержащую в два раза больше витков. Убедимся, что в этом случае электромагнит способен удерживать такой же большой груз, как и в опыте 1, когда в два раза увеличили ток.
Чем больше витков в катушке электромагнита, тем с большей силой притягивается к нему якорь.
Итак, «грузоподъемность» электромагнита зависит от «ампер-витков» его обмотки, то есть от произведения силы тока в катушке и количества витков в ней.
Электромагниты широко применяют в технике, быту, медицине и т. п. благодаря своим особенностям: электромагниты быстро размагничиваются, если выключить ток; в зависимости от назначения их изготавливают разных размеров; при работе электромагнита можно регулировать его магнитное действие, изменяя силу тока в обмотке.
Электромагниты имеются в любом телефоне, телевизоре, компьютере, лифте, автомобиле, на морском или воздушном судне, космическом корабле и т. п. На предприятиях применяют электромагнитный подъемный кран для погрузки или разгрузки металлолома (рис. 34). Такой кран удобен тем, что груз не требует никаких креплений. Машинист крана размещает электромагнит например, возле металлолома, включает ток в обмотке - и весь металлический груз крепко «прилипает» к магниту. После выключения тока металлолом просто отпадает от сердеч
ника. С помощью электромагнита поднимают и перемещают массивные объекты, например автомобили перед утилизацией. А электромагнит заводского крана, который используют, например, для перенесения бобин листовой стали, имеет 4 обмотки и может поднять бобину диаметром 2 м и массой 28 т (рис. 35, а).
На рисунке 35, б в разрезе показан магнитный сепаратор для очистки зерна от семян сорняков. В зерно подмешивают измельченные железные опилки, которые не прилипают к гладкому зерну, а только к ворсистым семенам сорняков. При вращении барабана с электромагнитом внутри происходит распределение зерна и семян сорняков с железными опилками.
Если в глаз человека попадают тела, на которые действует магнит, то в больницах для их удаления наряду с постоянными магнитами используют электромагниты. Изменяя силу тока в обмотке, регулируют интенсивность магнитного поля и удаляют постороннее тело с глубины до 2,5 мм.
Магнитная левитация - это технология перемещения, при которой капсула или вагон поднимаются над поверхностью при помощи явления отталкивания одноименных полюсов магнитов. Благодаря этому поезд «летит» над поверхностью, не касаясь ее (рис. 36, а). Отсутствие колес позволяет наземному транспорту развивать неимоверно большие скорости, поскольку не надо преодолевать разнообразные препятствия, например высокие напряжения в материале колес при высокой скорости вращения и возможность их разрушения во время движения.
Одноименные полюса отталкиваются, а разноименные — притягиваются. Это поднимает поезд над поверхностью земли.
Горизонтальное перемещение поезда магнитной левитацией тоже происходит за счет электромагнитов, которые управляются автоматикой (рис. 36, б). Она по заданному алгоритму отключает одни и подключает другие магниты. В результате спереди поезда образуется магнитная сила, тянущая его. Чем скорее переключаются магниты, тем большую скорость можно развить. В результате такой транспорт оказывается на 30 % эффективнее колесного на рельсах.
Магнитная левитация дает возможность поездам уже сегодня разгоняться до 600 км/ч. А в планах - преодолеть звуковой барьер (1000 км/ч). Это поможет соединить Евразию и Америку железной дорогой - специалисты уже обсуждают подобный проект под названием «Коридор развития Тихоокеанского региона».
Не менее интересным практическим направлением можно считать широкое применение магнитных подшипников в ключевых узлах механизмов. Их установка решит серьезную проблему износа исходного материала.
Как известно, классические подшипники стираются очень быстро -они постоянно подвержены высоким механическим нагрузкам. В некоторых отраслях необходимость замены этих деталей означает не только дополнительные расходы, но и высокий риск для людей, обслуживающих механизм. Магнитные подшипники сохраняют ресурс во много раз дольше, поэтому их применение целесообразно для любых экстремальных условий. В частности, в атомной энергетике, ветровых технологиях (рис. 36, в) и отраслях, сопровождающихся чрезвычайно низкими и высокими температурами.
Благодаря магнитной левитации были выращены искусственные ткани легкого (рис. 36, г). Несмотря на то что это звучит фантастично, группа ученых под руководством Глук Соуза в 2010 г. наглядно продемонстрировала, что это возможно. Исследователи задались целью в лабораторных условиях вырастить бронхиолу. Для эксперимента использовались крохотные магниты, вводящиеся в клетки. В результате получили реальные синтетически выращенные ткани легких.
ВОПРОСЫ К ИЗУЧЕННОМУ
1. Какими способами можно усилить магнитное действие катушки с током?
2. Что такое электромагнит?
3. Расскажите, для чего используют электромагниты.
4. Как работает зерновой магнитный сепаратор?
5. Будет ли действовать как магнит катушка, изготовленная из неизолированного медного провода с плотно прилегающими витками, если по ней пропускать ток?
6. Что такое магнитная левитация и где ее применяют?
Лабораторная работа № 1
Изготовление и испытание электромагнита
Цель работы: изготовить электромагнит и на опытах проверить его действие.
Приборы и материалы: источник тока, соединительные провода, магнитная стрелка или компас, небольшие предметы из разных материалов: стальной болт или гвоздь, мелкие гвозди, скрепки для бумаги, монеты, резинка, пластмассовая расческа, лист картона и др.
Ход работы
1. Изготовьте простейший электромагнит. Для этого на стальной болт или гвоздь намотайте несколько слоев изолированного провода. Подсоедините один конец провода к одному из полюсов батареи гальванических элементов или другому источнику тока, а второй - к другому полюсу, как это показано на рисунке 37.
2. Подносите электромагнит к подготовленным небольшим предметам из разных материалов. Какие из них притягиваются электромагнитом? Сделайте вывод.
3. Между электромагнитом и мелкими гвоздями разместите лист тонкого картона. Притягиваются ли гвозди электромагнитом? Сделайте вывод.
4. Положите электромагнит на стол.
Поднесите (не касаясь) к нему магнитную стрелку или компас. Какой полюс магнитной стрелки будет притягиваться к электромагниту?
5. Провод, соединенный ранее с положительным полюсом источника тока, подсоедините к отрицательному, и наоборот. Какой полюс магнитной стрелки будет притягиваться к электромагниту в этом случае? Свидетельствует ли это о том, что электромагнит имеет магнитные полюса? Какие?
6. Сделайте вывод.
Для любознательных
Наполните железными опилками пробирку и закройте ее так, чтобы опилки были хорошо уплотнены. Вставьте пробирку с опилками в катушку, по которой проходит постоянный электрический ток. Разомкните цепь. С помощью магнитной стрелки убедитесь, что пробирка с опилками имеет свойства постоянного магнита. Объясните намагничивание железных опилок. Откройте пробирку и хорошо встряхните опилки. С помощью магнитной стрелки исследуйте, сохранили ли опилки магнитные свойства. Объясните результаты опыта.
Это материал учебника Физика 9 класс Сиротюк