Основные магнитные явления. С древних времен было известно, что некоторые виды железной руды обладают свойством притягивать к себе железо. Такую руду назвали магнитом.
Если поднести к магниту железный ключ, можно заметить, что он становится магнитом. К ключу притягиваются железные гвозди и другие железные предметы. При удалении магнита от железа оно размагничивается. Аналогичные явления наблюдаются у не закаленной стали. После удаления магнита закаленная сталь остается намагниченной, поэтому из этой стали можно делать постоянные магниты.
Если положить на слой железных опилок магнит и затем приподнять его, окажется, что железные опилки наиболее густо притянулись к концам магнита и, чем дальше от конца магнита, тем слабее притяжение. Места магнита, обладающие наиболее сильными магнитными действиями, называют полюсами. Прямую, соединяющую полюса, называют осью магнита.
Однако магнит притягивает не все металлы. Если насыпать вместе железные и медные опилки, магнит притянет к себе только железные опилки. Наиболее заметными магнитными свойствами обладают сталь, железо и некоторые сплавы, которые применяют в технике в качестве магнитных материалов.
Если намагниченную стальную стрелку закрепить на острие подставки, стрелка установится так, что один ее полюс указывает приблизительно на север, а другой — на юг. Полюс, обращенный на север, стали называть северным магнитным полюсом, а обращенный на юг — южным. Поднося к северному полюсу магнитной стрелки поочередно полюсы магнита, заметим, что северный полюс стрелки будет отталкиваться от северного полюса магнита, а к южному притягиваться. Южный полюс стрелки отталкивается от южного полюса магнита и притягивается к северному. На основании этих опытов можно сделать вывод, что разноименные магнитные полюса притягиваются друг к другу, а одноименные — отталкиваются.
Свое влияние магнит оказывает не только на подносимые к нему предметы, но и на окружающее его пространство. Если вокруг линейного магнита расположить маленькие магнитные стрелки, увидим, что по отношению к магниту они расположились по-разному. Убрав магнит, увидим, что все стрелки устанавливаются приблизительно в направлении север— юг. Следовательно, присутствие магнита меняет свойства пространства вокруг него.
Пространство, в котором обнаруживается действие магнита на магнитную стрелку, называют магнитным полем, а линию, по которой устанавливают ось магнитной стрелки, называют магнитной силовой линией. Принято считать, что силовые линии выходят из северного полюса и входят в южный.
Магнитное поле электрического тока. Магнитные и электрические явления имеют тесную связь между собой. В этом легко убедиться на следующем опыте. Установив над магнитной стрелкой параллельно ей провод и пропустив по нему электрический ток, заметим, что стрелка отклонится от своего прежнего положения. Но как только прекращается ток, стрелка снова возвращается в первоначальное положение.
Из этого опыта можно сделать вывод, что при прохождении тока по проводнику вокруг последнего образуется магнитное поле: магнитная стрелка отклоняется током.
Если вокруг проводника, по которому проходит электрический ток, поместить несколько магнитных стрелок, все стрелки будут поворачиваться и устанавливаться по направлению касательных к окружностям: силовые линии магнитного поля прямолинейного тока представляют собой замкнутые концентрические окружности, расположенные в плоскостях, перпендикулярных направлению тока. При изменении направления тока в проводнике все магнитные стрелки повернутся и станут в противоположном направлении.
Рис. 1
а — электрический ток направлен от нас; б- электрический ток направлен на нас.
Стрелкой показано направление силовых линий.
Для определения направления магнитных силовых линий пользуются правилом «винта», т. е. силовые линии направлены так, как движется головка винта, если ток направлен так, как движется сам винт. Условно направление магнитного поля около проводника принято изображать следующим образом. Сечение проводника, по которому идет ток, изображается в виде кружка. Если внутри этого кружка поставить точку, это будет означать, что ток идет к нам (как будто видим острие летящей стрелы). И, наоборот, крестик в кружке обозначает, что ток идет от нас (рис. 1).
Соленоидом называют свитый спиралью проводник, по которому пропущен электрический ток. Если соленоид приблизить к магнитной стрелке, увидим, что один конец соленоида притягивает южный, а другой — северный полюс. Следовательно, соленоид при прохождении по нему тока по своим магнитным свойствам подобен прямому магниту. Направление магнитных силовых линий и полюсов соленоида определяют с помощью «правила винта».
Если внутрь соленоида ввести сердечник из мягкого железа, а соленоид значительно отодвинуть от магнитной стрелки, стрелка компаса все же повернется. Это говорит о том, что железный сердечник усиливает магнитное действие соленоида.
Электромагнит. Соленоид, внутри которого находится стальной сердечник, называют электромагнитом. Электромагниты широко применяют в технике. С их помощью создаются магнитные поля в электрических генераторах, электроизмерительных приборах, реле и т. д.
Магнитная проницаемость. Способность любого материала намагничиваться в той или другой степени определяется его магнитной проницаемостью. Магнитная проницаемость ферромагнитных материалов различна и превышает магнитную проницаемость вакуума. Число, показывающее, вo сколько раз магнитная проницаемость ферромагнитного материала больше магнитной проницаемости вакуума, называют относительной магнитной проницаемостью.
Пропуская ток по катушке с сердечником, создаем магнитное поле. Следовательно, сердечник катушки намагничивается. Чем больше сила тока и количество витков в катушке, тем больше намагничивается сердечник. Значит, величина намагничивающей силы равна произведению силы тока на количество витков проводника в катушке.
Напряженность. Магнитное поле, создаваемое проводником при прохождении по нему тока, характеризуется напряженностью, которую определяют при делении намагничивающей силы на длину, катушки и обозначают 1 а/м. Однако в практике обычно применяют другую единицу измерения, в 80 раз большую, чем 1 а/м, называемую эрстедом.
Магнитная индукция. Наряду с напряженностью магнитное поле характеризуется магнитной индукцией и магнитным потокам. Магнитная индукция характеризуется количеством магнитных силовых линий, приходящихся на единицу площади намагниченного материала, и измеряется в вб/м2. Величину в 10 000 раз меньше 1 вб/м2 называют гс.
Под магнитным потоком, проходящим через площадь, перпендикулярную магнитным линиям, подразумевают произведение магнитной индукции на площадь. Магнитный поток измеряют в веберах (вб) или максвеллах (мкс). 1 мкс=0,000 000 01 вб.
Проводник с током в магнитном поле. Если проводник электрической цепи, по которой идет ток, поместить в магнитное поле подковообразного магнита, проводник с током придет в движение. Убрав магнит, увидим, что проводник не движется. Следовательно, со стороны магнитного поля на проводник с током действует сила.
Рис. 2
Изменяя направление тока или направление магнитного поля, замечаем, что направление движений проводника также меняется. Иными словами, меняется направление силы, действующей па проводник.
Для определения направления движения проводника с током в магнитном поле (направление силы, действующей на проводник), применяют правило левой руки, которое гласит: расположив левую руку так, чтобы магнитные силовые линии входили в ладонь, а направление вытянутых пальцев показывало направление тока, тогда отогнутый большой палец покажет направление движения проводника с током (рис. 2).
Рис. 3
Электродвигатель постоянного тока. Поместим в магнитное поле подковообразного магнита прямоугольный виток проволоки (рамку) и пустим по нему ток (рис. 3). В частях проводника АВ и CD ток имеет разные направления, поэтому участок проводника АВ движется от нас за рисунок, а участок CD — к нам. Весь проводник повернется и установится так, что его плоскость будет перпендикулярна пронизывающим его магнитным силовым линиям (рис. 4). Если теперь из отдельных соединенных между собой проводников набрать катушку, установить ее в магнитном поле подковообразного магнита так, чтобы плоскость ее витков совпала с
Рис. 4
направлением силовых линий, и пустить по проводникам ток, катушка повернется и остановится в таком положении, когда плоскость ее витков окажется перпендикулярной направлению силовых линий. При изменении направления тока в проводниках они поворачиваются в магнитном поле на 180°. Чтобы повернуть проводники еще раз на 180°, нужно изменить направление тока в них в тот момент, когда они прошли уже положение равновесия.
Следовательно, если бы удалось придумать приспособление, позволяющее в необходимый момент менять направление тока в проводниках (катушке), проводники стали бы вращаться в магнитном поле до тех пор, пока в них проходил бы ток.
Для автоматического изменения направления тока применяют коллектор, который состоит из двух полуколец, укрепленных на той же оси, на которой находятся проводники. Ток к полукольцам подводится при помощи двух пластинок, называемых щетками, которые касаются полуколец. При вращении проводников вместе с ними вращаются и укрепленные на оси полукольца.
Магнитное поле действует на проводники с наибольшей силой, если плоскость их расположения идет вдоль силовых линий магнитного поля. Когда эта плоскость перпендикулярна силовым линиям, катушка вращается только по инерции. Следовательно, вращение проводников осуществляется толчками. Чтобы обеспечить равномерное вращение в электродвигателях, проводники располагают не в одной плоскости, а по окружности цилиндра. Система таких проводников, расположенных в определенном порядке на стальном цилиндре, составляет якорь электродвигателя, который вращается в магнитном поле, создаваемом сильным электромагнитом, получающим ток от того же источника, что и обмотка якоря.
Электромагнитная индукция. Мы уже установили, что ток производит магнитное действие: магнитная стрелка отклоняется под влиянием тока, проходящего по проводнику; железный стержень, помещенный внутри катушки с током, намагничивается; проводник с током, находясь в магнитном поле, приходит в движение.
Однако возможным оказывается обратное действие. При некоторых условиях магнитное поле может возбуждать электрический ток. При движении проводника в магнитном поле или изменении магнитного потока вокруг него в проводнике индуктируется (наводится) электродвижущая сила (э.д.с.), под действием которой в замкнутом проводнике образуется электрический ток. Было установлено, что электрический ток возникает в проводнике, если проводник и магнит движутся относительно друг друга. Но индукционный ток возникает и проводнике только при условии, что проводник при своем движении пересекает магнитные силовые линии. Если проводник движется вдоль силовых линий, не пересекая их, ток в нем не возникает. Индукционный ток возникает также в том случае, если вокруг проводника изменяется величина магнитного потока.
Рис. 5
Возникновение электрического тока в замкнутом проводнике при пересечении им магнитных силовых линий называют электромагнитной индукцией, возникающая электродвижущая сила (э.д.с)—индукционной, а ток — индукционным.
Направление индукционного тока определяют по правилу правой руки, которое заключается в следующем: четыре пальца правой руки укажут направление индукционного тока, если ладонь правой руки расположись так, чтобы магнитные силовые линии входили в нее, а большой палец указывал направление движения проводника в магнитном поле (рис. 5).
Самоиндукция. При замыкании и размыкании электрической цепи вокруг проводника создается и исчезает магнитное поле. Изменяющееся магнитное поле пересекает проводник и создает в нем электродвижущую силу самоиндукции — э.д.с. самоиндукции. При всяком изменении «собственного» магнитного поля проводника он пересекается «собственными магнитными» линиями и в нем возникает э.д.с. самоиндукции.
Индуктивность электрической цепи измеряется в генри (гн). Проводник обладает индуктивностью в 1 гн, если при равномерном изменении тока в проводнике на 1 а в 1 сек в нем наводится э.д.с. самоиндукции, равная 1 в.
Направление э.д.с. индукции и э.д.с. самоиндукции определяется по правилу левой руки (закон Ленца): направление э.д.с. индукции всегда таково, что вызванный ею ток и его магнитное поле имеют такое направление, что стремятся препятствовать причине, порождающей эту э.д.с. индукции.
Э.д.с. самоиндукции в электрических цепях может во много раз превосходить напряжение источника тока. Поэтому в цепях, обладающих большой индуктивностью, происходит пробой воздушного промежутка между контактами рубильников и выключателей. Образующаяся дуга или искра служит причиной обгорания и частично расплавления контактов.
Генератор постоянного тока. В основу работы генератора постоянного тока положен принцип электромагнитной индукции. Якорь с обмоткой вращается первичным двигателем (двигатель внутреннего сгорания, электродвигатель, турбина и т.п.) в магнитном поле полюсов электромагнитов. Электродвижущая сила, индуктируемая в проводниках обмотки якоря, при помощи коллектора и щеток отводится во внешнюю цепь. Коллектор обеспечивает получение постоянного тока.
Взаимоиндукция. Возьмем два проводника, намотаем из них две катушки, расположим эти катушки на некотором расстоянии друг от друга и по одной из катушек пропустим изменяющийся ток. Тогда магнитное поле, созданное этим током, пересечет витки второй катушки, в которой возникнет э.д.с. взаимоиндукции, а следовательно, и электрический ток взаимоиндукции. Ток в свою очередь послужит причиной появления магнитного поля, которое пересечет витки первой катушки, вызвав в ней также э.д.с взаимоиндукции. Этот процесс называют взаимной индукцией.
Трансформатор. На использовании явления взаимоиндукции основано действие трансформаторов, т. е. таких устройств, которые преобразуют переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения той же частоты.
Трансформатор состоит из замкнутого стального сердечника, на котором помещены две катушки из изолированной проволоки с разным числом витков. Обмотку, подключаемую к источнику напряжения, называют первичной, а обмотку, к которой подключают потребители,— вторичной. Переменный ток, проходя по катушке, подключенной к источнику напряжения, все время перемагничивает сердечник, вследствие чего во второй катушке периодически меняется магнитное поле и возбуждается переменное напряжение.
При помощи трансформатора можно не только повышать, но и понижать напряжение. Для этого нужно ток с большим напряжением подвести к катушке с большим числом витков, тогда от катушки с малым числом витков получим ток с пониженным напряжением. Во сколько раз на вторичной катушке меньше число витков, чем на первичной, во столько раз меньше на ней напряжение, чем на первичной, и наоборот.
Если вторичная обмотка имеет больше витков, чем первичная, вторичное напряжение больше первичного и трансформатор называют повышающим. Если же вторичная обмотка имеет меньше витков, чем первичная, трансформатор называют понижающим.
Отношение числа витков первичной обмотки к числу витков вторичной обмотки (или отношение первичного напряжения ко вторичному) называют коэффициентом трансформации.
Мощность тока, получаемая из вторичной обмотки трансформатора, равна мощности тока, посылаемого в первичную обмотку. Так как мощность тока является произведением напряжения на ток, то, повышая при помощи трансформатора напряжение, во столько же раз понижаем силу тока, и наоборот.
Режим, при котором вторичная обмотка трансформатора разомкнута, а на зажимы первичной обмотки подано напряжение, называют холостым ходом трансформатора.
Имеются трансформаторы, на сердечниках которых есть всего одна обмотка. К различным точкам этой обмотки присоединены одновременно и первичная и вторичная цепи. Такие трансформаторы называют автотрансформаторами. Их применяют в тех случаях, когда имеется небольшая разница между первичным и вторичным напряжением.
Постоянство магнитного потока при переходе от состояния холостого хода к состоянию нагрузки является ключевым свойством трансформатора. Из этого свойства вытекает закон равновесия магнитодвижущих сил (МДС) в трансформаторе.
В технологических целях магнитное поле применяют в основном для:
• воздействия на металлические и заряженные частицы,
• омагничивания воды и ее растворов,
• воздействовать на биологические объекты.
.
Трансформаторы тока и напряжения имеют свои особенности и режимы эксплуатации отличные друг от друга. Так в трансформаторе напряжения неиспользуемые вторичные обмотки оставляют без нагрузки — цепь разкорочена. Трансформатор тока же требует для нормальной работы чтобы неиспользуемые вторичные обмотки были нагружени максимально т.е. закорочены.
Поезда на магнитной подвеске тоже используют принцип электромагнитной индукции. Под вагоном устанавливают несущие электромагниты, а на рейке – катушки линейного электродвигателя. Результате их взаимодействия возникает сила, которая поднимает вагон над колеей и тянет его вперед.
Самоиндукция есть важный частный случай электромагнитной индукции, когда меняющийся магнитный поток, вызывающий ЭДС индукции, создается током в самом контуре. Если ток в контуре по каким-то причинам меняется, то меняется и магнитное поле этого тока, а, следовательно, и собственный магнитный поток, пронизывающий контур.
Бесконечно длинный соленоид симметричен любой, перпендикулярной к его оси плоскости. Взятые попарно симметричные относительно такой плоскости витки создают поле, в котором вектор перпендикулярен плоскости витка, т.е. линии магнитной индукции имеют направление параллельное оси соленоида внутри и вне его.
Для освобождения от груза иногда оказывается недостаточным отключить питание электромагнита. Из-за остаточного магнетизма в сердечнике электромагнита и поднимаемом грузе магнитный поток не снижается до нуля, а составляет некоторую величину, определяемую свойствами материала сердечника и поднимаемого груза, и это может оказаться достаточным, чтобы груз остался притянутым к электромагниту.
В 1825 году английский инженер Уильям Стёрджен изготовил первый электромагнит, представляющий собой согнутый стержень из мягкого железа с обмоткой из толстой медной проволоки. Для изолирования от обмотки стержень был покрыт лаком. При пропускании тока железный стержень приобретал свойства сильного магнита, но при прерывании тока он мгновенно их терял. Именно эта особенность электромагнитов и позволила широко применять их в технике.
Помимо промышленного использования, магниты стали широко применяться в медицине. Еще в конце XIX — начале XX века на страницах Энциклопедического словаря Брокгауза и Ефрона Мендельсон М. Э. писал, что электромагнит «служит самым лучшим способом для извлечения инородных тел из полости глаза»