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

УСТРОЙСТВО И МАГНИТНОЕ ПОЛЕ СОЛЕНОИДА

Прямой проводник с током окружён сравнительно слабым магнитным полем. Чтобы сконцентрировать магнитное действие в небольшом объёме пространства, провод наматывают на цилиндрический каркас из изолирующего материала (картона, пластика или фарфора).

Устройство, состоящее из большого числа плотно прилегающих друг к другу витков изолированного провода, намотанных на цилиндрический каркас, называют катушкой или соленоидом (от греческого solen — трубка, рис. 131).

При пропускании постоянного электрического тока через обмотку соленоида вокруг него возникает мощное магнитное поле. Если поднести к торцам работающей катушки железные опилки или мелкие гвоздики, они будут притягиваться к её концам точно так же, как к полюсам стального магнита. Если выключить ток, опилки моментально отпадают.

Исследование поля соленоида с помощью железных опилок и магнитных стрелок показывает характерную геометрическую картину (рис. 132):

• Внутри катушки магнитные линии идут практически строго параллельно друг другу вдоль её продольной оси. Здесь создаётся сильное однородное магнитное поле с высокой плотностью линий.
• Снаружи катушки магнитные линии выходят из одного торца, плавно огибают катушку в окружающем пространстве и входят в противоположный торец, замыкаясь внутри.

Таким образом, картина внешнего поля соленоида абсолютно идентична полю обычного полосового постоянного магнита. Катушка с током имеет два чётко выраженных магнитных полюса: торец, из которого магнитные линии выходят наружу, является северным полюсом (N), а торец, в который они входят, — южным полюсом (S). Подвешенная на гибких проводах катушка с током свободно разворачивается в пространстве, ориентируясь вдоль магнитных линий Земли точно так же, как стрелка компаса.

ПРАВИЛО ПРАВОЙ РУКИ ДЛЯ КАТУШКИ С ТОКОМ

Чтобы заранее определить, где у катушки с током находится северный полюс, а где южный, не прибегая к компасу, используют удобное правило правой руки (рис. 133):

Если обхватить соленоид ладонью правой руки так, чтобы четыре сомкнутых пальца были направлены по направлению электрического тока в его витках, то отставленный в сторону на 90° большой палец укажет направление магнитных линий внутри соленоида — то есть укажет на его северный магнитный полюс (N).

Это правило работает и в обратную сторону: зная расположение полюсов катушки, по правилу правой руки можно мгновенно определить, в каком направлении по её виткам течёт электрический ток.

СПОСОБЫ УСИЛЕНИЯ МАГНИТНОГО ДЕЙСТВИЯ: ЧТО ТАКОЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТ

Силу магнитного действия катушки с током можно гибко изменять и увеличивать в огромных пределах. В физике доказаны три главных способа усиления поля катушки:

1. Увеличение числа витков: Если при одной и той же силе тока взять катушку с большим количеством витков провода, её магнитное действие пропорционально усилится, поскольку поля каждого отдельного витка складываются.
2. Увеличение силы тока: Если включить в цепь катушки реостат и уменьшить сопротивление, сила тока возрастёт, и катушка сможет удерживать значительно большее количество железных предметов (рис. 134).
3. Введение железного сердечника: Если внутрь катушки с током вставить стержень из магнитомягкого железа (рис. 135), её магнитное действие возрастает в сотни и тысячи раз! Железо под действием поля тока намагничивается, и его собственное мощное внутреннее поле накладывается на поле катушки.

Электромагнитом называют катушку с током, внутрь которой вставлен сердечник из магнитомягкого железа.

Электромагниты обладают колоссальными преимуществами перед постоянными стальными магнитами:

• Их силу можно регулировать плавно и быстро, просто меняя силу тока реостатом;
• Их можно мгновенно выключать и включать в любой момент времени размыканием или замыканием рубильника;
• При необходимости можно мгновенно поменять их магнитные полюсы местами, переключив полярность источника питания.

ПРИМЕНЕНИЕ ЭЛЕКТРОМАГНИТОВ В ТЕХНИКЕ И ПРОИЗВОДСТВЕ

Благодаря удобству управления и огромной подъёмной силе электромагниты стали незаменимой основой современной промышленной техники и автоматики:

• Подъёмные электромагнитные краны (рис. 136, 137):

На металлургических комбинатах, машиностроительных заводах и складах вторсырья электромагниты монтируют на крюки подъёмных кранов. Они переносят массивные стальные плиты, балки, чугунные отливки, а также тонны бесформенной стальной стружки и металлолома без помощи строп и крюков. Крановщик подводит магнит к грузу, включает ток — металл намертво притягивается; кран переносит груз на нужное место, ток отключается — и груз мгновенно освобождается.

• Магнитные сепараторы для очистки зерна (рис. 138):

Сепараторы применяют для отделения семян ценных злаковых культур (пшеницы, ржи) от семян сорняков. Семя сорняка шероховатое, а зерно злака гладкое. В зерновую смесь подмешивают безвредный мелкий железный порошок, который прочно налипает на шероховатую поверхность сорняков. Затем смесь ссыпают на вращающийся барабан, внутри которого установлен неподвижный электромагнит. Гладкие зёрна пшеницы свободно падают вертикально вниз в первый бункер, а семена сорняков с железной пылью притягиваются к барабану, огибают его и сбрасываются в бункер для отходов. Подобные сепараторы очищают сырьё в производстве стекла, пластмасс и переработке твёрдых коммунальных отходов.

• Электромагнитное реле (рис. 141):

Устройство для дистанционного и безопасного автоматического управления мощными высоковольтными электрическими цепями (электродвигателями заводских станков, насосными станциями, нагревательными печами).

• Реле состоит из электромагнита, подвижной железной пластины (якоря), удерживаемой пружиной, и контактной группы.
  • Первичная цепь управления работает при малом, безопасном для человека напряжении (12–36 В). Когда оператор нажимает кнопку на пульте, слабый ток поступает в электромагнит. Сердечник намагничивается, притягивает к себе якорь, преодолевая сопротивление пружины, и замыкает силовые контакты вторичной цепи высокого напряжения (220/380 В).
  • При отключении слабого тока пружина мгновенно оттягивает якорь назад, разрывая высоковольтную цепь. Это гарантирует абсолютную безопасность оператора и экономию дорогих силовых кабелей.