В электромагнит вставить сердечник как при этом изменились следующие величины

В электромагнит вставить сердечник как при этом изменились следующие величины

Поскольку койлган по определению — это ускоритель ферромагнитного тела, то для описания его свойств сначала надо ответить на ключевой вопрос: чему равна сила, с которой катушка с током притягивает к себе ферромагнетик? Для этого придется немного углубиться тему и вспомнить некоторые вещи из общего курса физики.

В современной теории магнитное поле принято характеризовать двумя величинами — индукцией В и напряженностью H (это вообще говоря векторные величины, т. е. они имеют направление в пространстве, но здесь мы эти сложности пока опустим). Напряженность характеризует поле, генерируемое макротоками (т. е. упорядоченным движением электронов в проводниках), а индукция — суммарное поле, образуемое как макротоками, так и микротоками (т.е. неупорядоченным движением носителей заряда в среде). Связь между ними дается следующим соотношением:

B = µ·µ0·H

(1)

где µ — т. наз. магнитная проницаемость среды (характеризует способность вещества к магнитной поляризации, т.е. ориентации микротоков под воздействием внешнего поля), а µ₀ — коэффициент пропорциональности, который в разных системах исчисления имеет разное значение и размерность, и имеет смысл магнитной проницаемости вакуума. В системе СИ напряженность измеряется в Амперах на метр (А/м), индукция — в Тесла (Тл), а µ₀ ≈ 1,26·10 -6 Гн/м.

У большинства веществ (парамагнетиков, диамагнетиков) значение µ весьма мало отличается от единицы, т.е. микротоки слабо реагируют на внешнее поле, и сила их взаимодействия с магнитом ничтожна (хотя и может быть обнаружена в разных интересных опытах). Ферромагнетики (самый распространенный из которых — железо) устроены по-другому — в них области, в пределах которых микротоки имеют одно направление (они называются домены) могут упорядочиваться и объединяться таким образом, что даже при слабом внешнем воздействии суммарная индукция поля в веществе резко возрастает. Этот процесс хорошо проиллюстрирован на следующих картинках (две последние взяты с сайта Джеймса Пола):

Изменение границ доменов при

Рис. 1. Иллюстрация процессов при намагничивании ферромагнетика.

В результате магнитная проницаемость ферромагнетика приобретает вид, показанный на рис. 2 слева, а индукция поля — там же справа. Как видно, при намагничивании внешним полем за счет переориентации доменов сначала происходит резкий рост индукции, при этом значение магнитной проницаемости может достигать нескольких тысяч. Затем (это происходит при величинах порядка H

10 2 Ампер/метр), когда почти все домены уже "выстроились" вдоль поля, µ начинает спадать. Такое состояние ферромагнетика называется "насыщением" и характеризуется величиной индукции B_нас. После насыщения индукция поля при увеличении H продолжает расти, но уже "обычным" образом, т. е. за счет внешних токов.

Рис. 2. Зависимость магнитной проницаемости (слева) и индукции (справа) от напряженности поля. Показаны индукция насыщения B_нас, а также остаточная индукция В_ост (она характеризует поле доменов, которое остается после исчезновения внешнего воздействия). Для ее подавления необходимо приложение дополнительного поля, которое называется "коэрцитивной силой" ферромагнетика Н_с.

Для более наглядного понимания этих процессов можно переписать выражение (1) следующим образом:

B = (1+x) ·µ0·H = µ0·H + µ0·M

(2)

где x — т. наз. "магнитная восприимчивость" ( x = µ -1 ) , а М — вектор намагниченности среды ( M = x·H ).

Из этой формулы ясно видно, что индукция магнитного поля внутри вещества образуется как внешним полем, так и полями микротоков среды. При этом в довольно слабых полях (до и вблизи насыщения) в ферромагнетике µ >>1, поэтому первым слагаемым в (2) можно пренебречь (т. е. индукция почти полностью формируется полями микротоков и близка к B_нас = µ₀·M_нас, где µ₀·M_нас — намагниченность насыщения ). В очень сильных полях ( > 10 6 А/м), наоборот, намагниченность среды сравнительно мала — ферромагнетик ведет себя как "обычное" вещество, и поле в нем определяется внешними источниками.

Если теперь, наконец, закончить с физическими основами и перейти к предмету нашего рассмотрения — койлганам, то нужно сказать, что поля в них обычно попадают как раз в "средний" диапазон значений (т. е. составляют порядка 10 5 А/м).Этот момент осложняет рассмотрение, поскольку любые упрощения, на которые обычно идут при теоретическом анализе гауссовок (например, приравнивая индукцию поля в снаряде индукции насыщения, или наоборот, считая µ ≈ 1 ) , можно принять лишь с большой погрешностью. Точный результат может дать лишь моделирование в пакетах типа FEMM, но мы-то хотим получить аналитические приближения, поэтому придется идти на определенные компромиссы.

Теперь у нас есть необходимая теоретическая база, чтобы ответить на вопрос, вынесенный в заглавие этого раздела.

Вначале остановимся на одном общеизвестном соотношении, которое можно найти литературе по магнетизму. В [1] приведена следующая формула для силы притяжения железного сердечника к электромагниту:

F = ½ B·H·S

(3)

где S — площадь сердечника, перпендикулярная магнитному потоку, H — напряженность поля на поверхности сердечника, обращенной к полюсу магнита.

Пара картинок, иллюстрирующая это соотношение, показана на рис. 3

Рис. 3. Подъемная сила магнита.

Эта формула относится к случаю, когда воздушный зазор между сердечником и магнитом мал, и магнитный поток полностью замыкается через сердечник (т. е. снаружи него поля нет). Кроме того, неявно предполагается, что работа идет на линейном участке зависимости B от H до насыщения (отсюда, например, берется множитель ½). Ясно, что наш случай намного сложнее, ведь поле у нас очень сильное, а какая-то его часть рассеивается вне ускоряемого тела.

Чтобы получить более точное соотношение для койлганов, изобразим схематически катушку с током, втягивающую в себя железный снаряд длиной l и площадью S (см. рис. 4). На рисунке красным цветом также показана зависимость напряженности поля, создаваемого катушкой, от координаты (будем считать, что поле постоянно во времени и однородно по радиальному сечению снаряда, т.е. изменяется только вдоль оси Ох).

Рис. 4. Иллюстрация для вычисления силы, действующей на снаряд в койлгане.

Физика нам говорит, что сила, действующая на тело, численно равна производной энергии системы по координате, т.е. отношению изменения энергии при перемещении тела на бесконечно малую величину dx, к этому самому dx:

F = — dW/dx

(4)

Из рис. 4 видно, что изменение энергии нашей системы при смещении снаряда на dx имеет место только в двух местах — на переднем и заднем торцах снаряда. Его можно представить себе так, как будто с заднего торца срезают тонкой слой толщиной dx и переносят вперед на величину l (при этом напряженность внешнего поля для него изменяется с H(x) до H(x+ l)). При этом такой же слой воздуха переносится с переднего на задний конец снаряда. Если считать, что снаряд слабо искажает пространственное распределение силовых линий (что должно быть правдой в сильных полях), то во всем остальном объеме вокруг катушки никаких изменений не происходит, т. е. там dW = 0.

Далее, известно (см. например [3]), что изменение плотности энергии магнитного поля в веществе при вариации индукции имеет следующий вид :

Таким образом, общее изменение энергии системы будет равно суммарному изменению энергии в ферромагнетике объемом dx·S при при перемещении его из поля с индукцией B(x) в поле с индукцией B(x+ l), и в слое воздуха того же объема, который перемещается между этими же точками пространства в обратном направлении:

З десь H_fer(B), H_air(B) — зависимость напряженности от индукции для ферромагнетика и воздуха, соответственно. Визуально это ситуация показана на рис. 5, где схематично изображены ход индукции для железа (сплошная линия) и воздуха (пунктирная линия). Изменение энергии ферромагнетика выражается площадью заштрихованной фигуры.

Рис. 5. Зависимости B(H) в ферромагнетике и воздухе. Как видно, в сильных полях зависимости идут практически параллельно со сдвигом на величину B_нас.

Зависимости H(B) для интересующих нас материалов можно выразить из формулы (2) с той только разницей, что в воздухе второе слагаемое (намагниченность материала) равно нулю.

Тогда для действующей силы получим, наконец, следующее соотношение:

Выражая индукцию через напряженность (1), получим окончательно:

F = Bнас ·S ·[H(x+ l) — H(x)]

(8)

Простота этой формулы в том, что все величины в ней могут быть легко подсчитаны — площадь сердечника (снаряда) выбираем мы сами, индукция насыщения для разных ферромагнетиков тоже хорошо известна, а напряженность поля H катушки с током может быть просто определена с помощью того же FEMM или аналитических соотношений, которые приведены, например в [2], или в одной из следующих статей этого раздела.

Подобный результат можно получить, если представить наш снаряд в виде магнитного диполя с моментом P. Тогда сила воздействия магнитного поля на снаряд приобретает вид, который приведен на сайте Д.Пола :

где H₁, H₂ — напряженности поля на переднем (ближнем к катушке) и заднем торцах снаряда, соответственно. Иллюстрации даны на рис. 6 (взято с той же страницы)

Рис. 6. Представление силы, действующей на снаряд койлгана, как втягивания постоянного магнита в катушку с током.

Таким образом, в первом приближении мы ответили на интересующий нас вопрос: сила втягивания сердечника в электромагнит приблизительно пропорциональна разнице напряженности поля на его переднем и заднем торцаx.

Из этого вывода ясно, что для оценки параметров катушечного ускорителя критически важно уметь вычислять напряженность поля, создаваемую его обмоткой (или обмотками если речь идет о многоступенчатой системе). Этой задаче посвящены следующие публикации этого раздела.

[1] Зильберман Г. Е., "Электричество и магнетизм", М., "Наука" 1970 г., 384 стр.

[2]. Карасик В. Р., «Физика и техника сильных магнитных полей», М., "Наука" 1964 г., 348 стр.

[3]. Арнольд Р. Р., "Расчет и проектирование магнитных систем с постоянными магнитами", М., "Энергия", 1969, 184 стр.

Дополнение от 10.09.2020: для подтверждения аналитического соотношения (8) проведен расчет в FEMM . Его процедура и результаты выложены здесь. Для сильных полей, которые имеют место в электромагнитных ускорителях масс, соотношение можно считать доказанным.

Как сделать мощный электромагнит

Как самому собрать надёжный электромагнит из подручных материалов — теория и практика.

Электромагнит – это магнит, который работает (создаёт магнитное поле) только при протекании через катушку электрического тока. Чтобы сделать мощный электромагнит, нужно взять магнитопровод и обмотать его медной проволокой и просто пропустить ток по этой проволоке. Магнитопровод начнет намагничиваться катушкой и начнет притягивать железные предметы. Хотите мощный магнит – поднимайте напряжение и ток, экспериментируйте. А чтобы не мучится и не собирать магнит самому, можно просто достать катушку с магнитного пускателя (они бывают разные, на 220В/380В). Достаете эту катушку и внутрь вставляем кусок любой железяки (например, обычный толстый гвоздь) и включаем в сеть. Вот это будет по-настоящему не плохой магнит. А если у вас нет возможности достать катушку с магнитного пускателя, то сейчас рассмотрим, как сделать электромагнит самому.

Для сборки электромагнита вам понадобятся проволока, источник постоянного тока и сердечник. Теперь берем наш сердечник и мотаем медную проволоку на него (лучше виток витку, а не в навал – увеличится коэффициент полезного действия). Если хотим сделать мощный электро магнит, то мотаем в несколько слоев, т.е. когда намотали первый слой, переходим во второй слой, а потом мотаем третий слой. При намотке учитывайте, что то, что вы намотаете, эта катушка имеет реактивное сопротивление, и при протекании через эту катушку будет проходить меньший ток при большом реактивном сопротивлении. Но тоже учитывайте, нам нужен и важен ток, потому, что мы будем током намагничивать сердечник, который служит в качестве электро магнита. Но большой ток сильно будет нагревать катушку, по которой протекает ток, так что соотнесите эти три понятия: сопротивление катушки, ток и температура.

При намотке провода выберите оптимальную толщину медной проволоки (где-то 0,5 мм). А можете и поэкспериментировать, учитывая, что чем меньше сечение проволоки, тем больше будет реактивное сопротивление и соответственно ток протекать будет меньший. Но если вы будите мотать толстым проводом (примерно 1мм), было бы не плохо, т.к. чем толще проводник, тем сильнее магнитное поле вокруг проводника и плюс ко всему будет протекать больший ток, т.к. реактивное сопротивление будет меньше. Так же ток будет зависеть и от частоты напряжения (если от переменного тока). Так же стоит сказать пару слов о слоях: чем больше слоев, тем больше магнитное поле катушки и тем сильнее будет намагничивать сердечник, т.к. при наложении слоев магнитные поля складываются.

Хорошо, катушку намотали, и сердечник внутрь вставили, теперь можно приступить к подаче напряжения на катушку. Подаем напряжение и начинаем увеличивать его (если у вас блок питания с регулировкой напряжения, то плавно поднимайте напряжение). Следим при этом чтобы наша катушка не грелась. Подбираем напряжение такое, чтобы при работе катушка была слегка теплой или просто теплой – это будет номинальный режим работы, а так же можно будет узнать номинальный ток и напряжение, замерив на катушке и узнать потребляемую мощность электромагнита, перемножив ток и напряжение.

Если вы собираетесь включать от розетки 220 вольт электромагнит, то вначале обязательно измерьте сопротивление катушки. При протекании через катушку тока в 1 Ампер сопротивление катушки должно быть 220 ом. Если 2 Ампера, то 110 Ом. Вот как считаем ТОК=напряжение/сопротивление= 220/110= 2 А.

Все, включили устройство. Попробуйте поднести гвоздик или скрепку – она должна притянуться. Если плохо притягивается или очень плохо держится, то домотайте слоев пять медной проволки: магнитное поле увеличится и сопротивление увеличится, а если сопротивление увеличится, то номинальные данные электро магнита изменятся и нужно будет перенастроить его.

Если хотите увеличить мощность магнита, то возьмите подковообразный сердечник и намотайте провод на две стороны, таким образом получится манит-подкова состоящий из сердечника и 2-ух катушек. Магнитные поля двух катушек сложатся, а значит, магнит в 2 раза будет работать мощнее. Большую роль играет диаметр и состав сердечника. При малом сечении получится слабый электромагнит, хоть если мы и подадим высокое напряжение, а вот если увеличим сечение сердечка, то у нас выйдет не плохой электромагнит. Да если еще сердечник будет из сплава железа и кобальта (этот сплав характеризуется хорошей магнитной проводимостью), то проводимость увеличится и за счет этого сердечник будет лучше намагничиваться полем катушки.

Отличие электромагнита постоянного тока от электромагнита переменного тока, назначение и принцип работы короткозамкнутого витка

Чтобы понять, как работают электромагниты, надо рассмотреть их конструкцию. Простое устройство объясняет принцип действия электромагнита. При протекании электрического заряда в теле обмотки возникает излучение магнитного поля, пронизывающее магнитопровод.

Формула магнитного потока

Внутри металла или ферромагнита, в соответствии с законами физики, формируются микроскопические магнитные поля, именуемые доменами. Их поля под внешним воздействием обмотки выстраиваются в определённом порядке. В результате магнитные силы доменов суммируются, образуя сильное магнитное поле, сообщая магнитопроводу способность притягивать массивные металлические предметы.

Важно! Чтобы остановить электромагнитную индукцию, достаточно отключить ЭМ от источника тока. При этом сохранится частица магнитного поля. Такой эффект называют гистерезисом.

Электромагниты и их применение

Вот некоторые из примеров, где они используются:

• Моторы и генераторы. Благодаря электромагнитам стало возможным производство электродвигателей и генераторов, которые работают по принципу электромагнитной индукции. Это явление было открыто ученым Майклом Фарадеем. Он доказал, что электрический ток создает магнитноее поле. Генератор использует внешнюю силу ветра, движущейся воды или пара, вращает вал, который заставляет двигаться набор магнитов вокруг спирального провода, чтобы создать электрический ток. Таким образом, электромагниты преобразуют в электрическую другие виды энергии.
• Практика промышленного использования. Только материалы, сделанные из железа, никеля, кобальта или их сплавов, а также некоторые природные минералы реагируют на магнитное поле. Где используют электромагниты? Одной из сфер практического применения является сортировка металлов. Поскольку упомянутые элементы используются в производстве, с помощью электромагнита эффективно сортируют железосодержащие сплавы.
• Где применяют электромагниты? С их помощью можно также поднимать и перемещать массивные объекты, например, автомобили перед утилизацией. Они также используются в транспортировке. Поезда в Азии и Европе используют электромагниты для перевозки автомобилей. Это помогает им двигаться на феноменальных скоростях.

Классификация

Ротор — что это такое

ЭМ различают по способам создания магнитных полей. Существуют электромагниты трёх разновидностей:

• электромагнит переменного тока;
• нейтральный прибор постоянного тока;
• поляризованный ЭМ постоянного тока.

Магниты, работающие на переменном токе, меняют направление магнитного потока вместе с удвоенной частотой электротока.

Нейтральные ЭМ, подключённые к источнику постоянного тока, создают магнитные потоки, не зависящие от направления электротока.

В поляризованных устройствах ориентировка магнитного потока привязана к направлению электрического тока. Поляризованные ЭМ состоят из двух магнитов. Один из них направляет поляризующий поток магнитного поля на второй электромагнит для его отключения.

Введение

Электромагнит – это прибор/устройство, способный создавать магнитное поле вследствие прохода электрического тока сквозь него. Чаще всего электромагниты состоят из ферромагнитного сердечника и нескольких слоев обмотки. Они предназначаются, в первую очередь, для образования механических усилий; к ним приставляют якорь – подвижный элемент магнитопровода, который передает это усилие.

Магнитные поля возникают в случае, когда весь набор электронов металлического объекта начинает вращаться в одинаковом направлении. В искусственных магнитах это движение обуславливается при помощи электромагнитного поля. Для постоянных электромагнитов данное явление считается натуральным.

Преимущества использования электромагнитов

Главным преимуществом электрического магнита перед постоянным источником магнитного поля заключается в том, что он приводится в рабочее состояние под воздействием электрического тока. То есть, когда нужно оказать магнитное влияние на определённую часть пространства, ток включают. Это позволяет обеспечивать ритмичную работу ЭМ, что с успехом применяется в разных видах электро оборудования, приборов и устройств.

Электромагнит можно обнаружить в электрических счётчиках, сепараторных установках, трансформаторах, теле,- и аудиотехнике и других устройствах.

Мощные магниты установлены на мостовых кранах в цехах металлургических заводов и лебёдках предприятий по сбору металлолома.

Грузоподъёмные электромагниты

Одно из первых применений ЭМ – это динамики. Звуковое устройство в своей основе имеет электромагнит, который заставляет колебаться мембрану в звуковом диапазоне.

ЭМ используются в металлоискателях для обнаружения металлосодержащих предметов под землёй, в воде и различных массивах.

Медицина

Еще в конце XIX века электромагнитам нашли применение в медицине. Один из таких примеров — это специальный аппарат, который мог извлекать из глаза инородные тела (металлическую стружку, ржавчину, окалину и прочие).

И в наше время электромагниты также широко используются в медицине, и, наверное, один из таких аппаратов, про который слышали все, — это МРТ. Работает он на основе магнитно-ядерного резонанса, и, по сути, является огромным и мощнейшим электромагнитом.

Сверхпроводящий электромагнит

Сверхпроводимостью считают свойство материалов с сопротивлением, близким к нулю. Электромагниты с практически нулевым показателем сопротивления обладают сверхмощным магнитным полем. Сила магнитного воздействия может заставить парить в пространстве такие диамагнетики, как кусочки свинца и органические объекты.

Как было замечено физиками, металлы приобретают свойство сверхпроводимости при сверхнизкой температуре. Чтобы получить эффект сверхпроводимости, обмотки ЭМ помещают в сосуд Дьюара с жидким гелием, который снабжён клапаном для сброса паров вещества. Сверхпроводящие магниты применяют в медицинском оборудовании – аппаратах МРТ (магнитный резонансный томограф). В экспериментальных поездах на воздушной подушке применяются сверхпроводящие магниты.

Сверхпроводящий магнит

Расчеты

Для переменного тока

Формула ЭДС индукции

Сила магнитного поля электромагнита зависит от тока (I), количества витков (N) провода и проницаемости (u) основного материала:

Обычно используют термин «эффективность» для описания характеристик электромагнитного излучения или представляют производительность (n) в процентах как отношение измеренной силы поля к расчетной величине:

n = 100% * (B изм. / B расч.).

Для постоянного тока

После подключения электромагнита ток в обмотке изменяется. Скорость его нарастания определяется напряжением питания, индуктивностью цепи, постоянной времени. Чем меньше активное сопротивление цепи, тем быстрее будет срабатывать электромагнит.

Как сделать электромагнит 12в

Самый просто способ, как сделать электромагнит, – это взять обычный гвоздь, провод и батарейку. По всей длине стержня наматывают изолированный провод. Концы проводника прижимают к полюсам батарейки. Для того чтобы заряд не расходовался зря, один конец провода припаивают к положительному контакту. Другое окончание нужно делать в виде подпружиненной дуги, которую прижимают к клемме батарейки со знаком минус. На нижнем фото видно, как можно сделать электромагнит в домашних условиях.

Электромагнит своими руками

Обратите внимание! При изготовлении электромагнита с батарейкой можно использовать контактную колодку со старого устройства. Для отключения магнита будет достаточно вынуть батарейку из контактной коробки.

Что такое электромагнит?

Электромагнит можно рассматривать как временный магнит, который функционирует с потоком электричества, и его полярность может быть легко изменена путем изменения направления тока. Также сила электромагнита может быть изменена путем изменения величины тока, протекающего через него.

Сфера применения электромагнетизма необычайно широка. Например, магнитные выключатели являются предпочтительными в использовании тем, что они менее восприимчивы к изменениям температуры и способны поддерживать номинальный ток без ложного срабатывания.

Расчёты

Перед тем, как начать собирать электромагнит своими руками, делают предварительный расчёт его параметров. Элементы конструкции рассчитывают отдельно для ЭМ постоянного и переменного тока.

Для постоянного тока

Перед тем, как производить расчёты, определяются с требуемой величиной магнитодвижущей силы (МДС) катушки. Параметры обмотки должны обеспечивать нужную МДС, в то же время катушка не должна перегреваться, иначе будет потерян изоляционный слой провода намотки. Исходными данными для расчёта являются напряжение в проводе электромагнитной катушки и требуемая величина магнитодвижущей силы.

Методики расчёта электромагнитов постоянного тока постоянно публикуются в сети интернета. Там же можно подобрать формулы для определения МДС, поперечного сечения сердечника и провода обмотки, его длины.

Дополнительная информация. В основном в интернете ищут расчёты электромагнитов на 12 вольт, сделанных своими руками. В зависимости от потребностей, можно пойти разными путями расчётов. В основном выбирают «рецепты» по определению сечения и длины провода обмотки с питанием от стандартной батарейки формата «А» или «АА».

Для переменного тока

Основой для ЭМ переменного тока является расчёт обмотки. Как и в предыдущем случае, руководствуются исходными требованиями величины МДС. Несмотря на большое количество рекомендуемых формул расчёта, чаще всего «способности» устройства определяют опытным подбором параметров деталей его конструкции. Методики расчёта ЭМ переменного тока всегда можно найти во всемирной информационной паутине (интернете).

Магнитное поле

На примере постоянных магнитов мы создали инструмент для описания магнитного поля, обозначили полюса магнитов, разобрались, как выявлять и описывать магнитное поле с помощью магнитной стрелки.
Магнитная составляющая электромагнитного поля заряда проявляется в системах отсчета, в которых заряд движется. Рассмотрим самый простой пример движения заряда: ток, протекающий по прямому проводнику. Нам сейчас понятно, что вокруг него должно наблюдаться магнитное поле, ведь есть движение заряда. Но впервые его обнаружил датский физик Ганс Кристиан Эрстед, по иронии судьбы как раз пытаясь продемонстрировать, что между электричеством и магнетизмом нет связи.

Опишем его опыт. Он поместил вблизи проводника магнитную стрелку, способную свободно вращаться. При включении тока в этом проводнике стрелка поворачивалась и располагалась перпендикулярно проводнику. При отключении тока стрелка возвращалась в свое начальное положение в направлении север – юг (см. рис. 8).

Рис. 8. Опыт Эрстеда

Это значит, что именно при протекании тока стрелка с проводником вступает в магнитное взаимодействие, а значит, вокруг проводника с током возникает магнитное поле.

Рассмотрим это поле более подробно. Находясь вблизи проводника, магнитная стрелка повернулась перпендикулярно этому проводнику, это значит, что в этой небольшой области линия магнитного поля направлена к северному полюсу. А если таким образом «прощупать» магнитное поле в других областях вокруг проводника или взять много магнитных стрелок, то окажется, что линии магнитного поля стремятся к окружностям, в центре которых находится точка проводника (см. рис. 9).

Рис. 9. Магнитное поле проводника

И так как по мере отдаления от проводника сила взаимодействия уменьшается, линии магнитного поля нужно нарисовать гуще возле проводника и реже по мере отдаления. Такую же картинку, с круговыми линиями, получим с помощью железных опилок.

Если поменять направление тока, магнитные стрелки вокруг него развернутся в противоположном направлении, магнитные линии нарисуем направленными в другую сторону. То есть направление магнитного поля проводника с током связано с направлением тока. Как конкретно? Эту связь сформулировали в виде правила правого винта, или правила буравчика

(см. рис. 10)
.
Рис. 10. Правило буравчика

Если направить винт со стандартной правой резьбой вдоль проводника, чтобы направление поступательного движения винта совпадало с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадет с направлением линий магнитной индукции поля.

Вариация правила буравчика – правило правой руки

Правило буравчика – это не закон, с помощью которого мы объясняем, например, связь между явлениями или устройство мира. Что мы по сути сделали: мы заметили, что магнитное поле направлено вот таким образом, и, чтобы было проще объяснить и запомнить, нашли некий образец такой ориентации – правый винт. Его во всем мире делают одинаковым, поэтому он может быть таким эталоном. Другим таким эталоном может служить правая рука. Если мысленно обхватить проводник правой рукой так, чтобы большой палец указывал направление тока, то четыре согнутых пальца укажут направление линий магнитного поля. Это тоже можно запомнить и использовать вместо правила буравчика.

Определим направление линий магнитного поля проводника, в котором ток направлен от наблюдателя. На рисунках это направление изображают в виде крестика, а направление к наблюдателю – в виде точки (см. рис. 11).

Рис. 11. Изображение линий магнитного поля в зависимости от направления протекания тока

В каком направлении нужно вращать болт, крышку на бутылке, ручку крана – что угодно с правой резьбой – чтобы они двигались от нас? По часовой стрелке.

Определим, как будет выглядеть магнитное поле проводника, свернутого в круглый виток с определенным направлением тока. Выберем небольшой участок проводника, такой, чтобы его можно было считать прямым, с ним мы умеем работать. Мысленно расположим буравчик вдоль проводника и будем вращать его так, чтобы поступательное движение буравчика совпадало с направлением тока. Вращательное движение ручки покажет направление магнитного поля (см. рис. 12).

Рис. 12. Определение направления магнитных линий вокруг проводника с током

Определим, таким образом, магнитное поле для любого такого участка проводника – во всех случаях оно будет направлено вверх внутри витка и вниз – снаружи витка (см. рис. 13).

Рис. 13. Картина магнитного поля витка с током

Откуда в постоянном магните магнитное поле

Мы рассмотрели, как возникает собственное магнитное поле железа. Есть домены, обладающие магнитным полем, эти домены могут ориентироваться так, что их магнитные поля складываются или вычитаются… Но как вообще возникает магнитное поле этих доменов?

Магнитное поле как составляющая электромагнитного поля возникает вокруг заряда, который в данной системе отсчета движется. Частные случаи движения заряда мы рассмотрели: прямой электрический ток и ток в витке. На примере витка мы увидели, как выглядит магнитное поле, созданное зарядом, который движется по кругу. А в веществе как раз и происходит движение зарядов по кругу, и вокруг них возникает такое магнитное поле, похожее на магнитное поле маленького постоянного магнитика. Конечно, движение электронов в атоме подчиняется более сложным закономерностям, там вообще не всегда применимы понятия классической механики, но приближенно общие черты с движением по кругу есть. И вот таких маленьких «витков» в веществе огромное количество. Тогда на макроуровне магнитное поле зависит от того, как они друг относительно друга ориентированы.

Если расположить большое количество витков один за другим, получится катушка (см. рис. 14).

Магнитные поля витков определенным образом сложатся, и получится сильное суммарное магнитное поле катушки с током.

Принцип суперпозиции и магнитное поле

Мы уже неоднократно говорили о сложении магнитных полей разных магнитов. Поля магнитных доменов складываются, и мы рассматриваем поле магнита как сумму полей этих доменов. Можно складывать магнитные поля постоянных магнитов, проводников с током и т. д.

Что значит такое сложение?

Мы изучаем, да и вообще обнаруживаем, магнитное поле по взаимодействию. Если в данной точке действуют поля нескольких источников, то силы этого воздействия можно сложить, складывать силы мы давно умеем. Помним, что складываем векторы, то есть важны направления сил. А суммарную силу можно считать действием некоторого суммарного поля.

Вариация правил буравчика и правой руки для катушки

Мы рассмотрели магнитное поле катушки, его направление четко определяется направлением тока в катушке. Найти это направление можно, рассмотрев разные участки проводника и их магнитное поле, как мы и сделали. Но это долго, удобнее было бы сформулировать правило, которое позволило бы сразу связать направление тока в катушке и ее магнитного поля. Оказывается, правило буравчика и правило правой руки можно применить и здесь. Только теперь направление вращательного движения буравчика (и направление согнутых четырех пальцев руки) совпадает с направлением тока в катушке, а поступательное движение буравчика (и большой палец руки) указывает направление магнитного поля внутри катушки.

Примеры использования ЭМ

В качестве примеров применения электромагнитов можно привести следующие приборы:

• телевизоры;
• трансформаторы;
• пусковые устройства автомобилей.

Телевизоры

Современные жилища, как правило, заполнены различными электроприборами. Находясь вблизи телеприёмника, они могут воздействовать магнитной индукцией на экран телевизора (ТВ). В ТВ уже существует встроенная защита от намагничивания экрана. Если на поле дисплея появились разноцветные пятна, то надо выключить прибор на 10-20 минут. Встроенная защита уберёт намагниченность экрана.

В некоторых случаях этот способ не оказывает нужную помощь. Тогда применяют специальный электромагнит, который называют дросселем. Это своеобразная катушка индукции. Прибор подключают к розетке бытовой электросети и проводят им вдоль и поперёк экрана. В результате наведённые магнитные поля поглощаются дросселем.

Трансформаторы

Конструкция трансформаторов очень схожа со строением электромагнитов. И там, и там есть обмотки и сердечники. Отличие трансформатора от ЭМ состоит в том, что у первого магнитопровод имеет замкнутую форму. Поэтому суммированная магнитная сила обнуляется встречными магнитными потоками.

Пусковое устройство автомобиля

Стартер автомобиля работает как пусковое устройство двигателя. Он включается на время заводки мотора. Временная передача стартового усилия на коленвал двигателя обеспечивается втягивающим электромагнитом.

При повороте ключа в замке зажигания ЭМ втягивает шестерню в зубцы коленвала. Во время контакта электродвигатель стартера проворачивает мотор до возникновения цикла сгорания топлива в цилиндрах мотора. Затем тяговое реле отключает электромагнит, и шестерня стартера возвращается в исходное положение. После чего автомобиль может двигаться.

Стартер с тяговым реле

Электромагниты настолько плотно вошли в сферу деятельности человека, что существование без них немыслимо. Нехитрые устройства можно встретить повсеместно. Знание принципа их действия позволит домашнему мастеру справляться с мелким ремонтом бытовых электротехнических устройств.

Другие виды классификации

Существуют и другие способы классификации электромагнитов. Например, их могут различать по полю электромагнита и его статуса: переменное и/или постоянное. Также бывают классификации, основанные на методах, по которым происходит включение обмотки (последовательное и параллельное включение), на работоспособности и ее характеристике (способные работать в течение длительного времени, прерывистые и кратковременные) и отличные по скорости выполнения задачи (замедленные и быстродействующие).

Применение грузоподъемных и крупномасштабных электромагнитов

Электродвигатели и генераторы жизненно важны в современном мире. Мотор принимает электрическую энергию и использует магнит, чтобы превратить электрическую энергию в кинетическую. Генератор, наоборот, преобразует движение, используя магниты, чтобы вырабатывать электричество. При перемещении габаритных металлических объектов используются грузоподъемные электромагниты. Они также необходимы при сортировке металлолома, для отделения чугуна и других черных металлов от цветных.

Настоящее чудо техники — японский левитирующий поезд, способный развивать скорость до 320 километров в час. В нем используются электромагниты, помогающие парить в воздухе и невероятно быстро передвигаться. Военно-морские силы США проводят высокотехнологичные эксперименты с футуристической электромагнитной рельсовой пушкой. Она может направлять свои снаряды на значительные расстояния с огромной скоростью. Снаряды обладают огромной кинетической энергией, поэтому могут поражать цели без использования взрывчатых веществ.

Электромагниты в повседневной жизни

Электромагниты часто используются для хранения информации, так как многие материалы способны поглощать магнитное поле, которое может быть впоследствии считано для извлечения информации. Они находят применение практически в любом современном приборе.

Где применяют электромагниты? В быту они используются в ряде бытовых приборов. Одной из полезных характеристик электромагнита является возможность изменения магнитной силы, при изменении силы и направление тока, текущего через катушки или обмотки вокруг него. Колонки, громкоговорители и магнитофоны — это устройства, в которых реализуется этот эффект. Некоторые электромагниты могут быть очень сильными, причем их сила может регулироваться.

Где применяют электромагниты в жизни? Простейшими примерами служат дверные звонки и электромагнитные замки. Используется электромагнитная блокировка для двери, создавая сильное поле. Пока ток проходит через электромагнит, дверь остается закрытой. Телевизоры, компьютеры, автомобили, лифты и копировальные аппараты — вот где применяют электромагниты, и это далеко не полный список.

Схема подключения на 380 в

Стандартная схема используется в тех случаях, когда необходим запуск двигателя. Управление осуществляется при помощи кнопок «Пуск» и «Стоп». Вместо двигателя через магнитные пускатели может быть подключена любая нагрузка.

В случае питания от трехфазной сети в силовую часть входит:

1. Трехполюсный автоматический выключатель.
2. Три пары силовых контактов.
3. Трехфазный асинхронный электродвигатель.

Цепь управления питается от первой фазы. В нее же включены кнопки «Пуск» и «Стоп», катушка и подключенный параллельно кнопке «Пуск» вспомогательный контакт.

При нажатии на кнопку «Пуск» на катушку попадает первая фаза. После этого пускатель срабатывает, и все контакты замыкаются. Напряжение проходит на нижние силовые контакты и по ним поступает на электродвигатель.