Зачем это нужно
Компас указывает на север, магнитики держатся на холодильнике, кран на свалке металлолома поднимает тонны железа, а электродвигатели вращают вентиляторы, стиральные машины, электромобили и поезда метро. Всё это — магнитные явления. В 1820 году выяснилось, что магнетизм тесно связан с электричеством: электрический ток создаёт магнитное поле. На этом открытии построена вся электротехника — двигатели, генераторы, трансформаторы, динамики, жёсткие диски.
Постоянные магниты
Постоянный магнит — тело, длительно сохраняющее намагниченность (магнитный железняк, намагниченная сталь, сплавы с неодимом). У магнита два полюса — северный () и южный (), где магнитное действие сильнее всего.
Взаимодействие магнитов: одноимённые полюса отталкиваются, разноимённые — притягиваются. Разделить полюса нельзя: если разрезать магнит, каждая часть станет магнитом с двумя полюсами.
Магниты притягивают железо, никель, кобальт и их сплавы; медь, алюминий, дерево не притягиваются.
Магнитное поле и магнитные линии
Магниты действуют друг на друга через магнитное поле. Его удобно изображать магнитными линиями — линиями, вдоль которых располагаются маленькие магнитные стрелки (или железные опилки).
- Магнитные линии замкнуты; вне магнита они направлены от северного полюса к южному.
- Там, где линии гуще, поле сильнее.
- За направление магнитной линии принимают направление, которое указывает северный полюс магнитной стрелки.
Магнитное поле Земли
Земля — огромный магнит. Её южный магнитный полюс находится вблизи северного географического, поэтому северный конец стрелки компаса указывает на север. Магнитные полюса медленно смещаются. Магнитное поле Земли защищает жизнь от потоков заряженных частиц Солнца; при магнитных бурях возникают полярные сияния.
Магнитное поле тока
В 1820 году датский физик Ханс Кристиан Эрстед заметил, что стрелка компаса поворачивается рядом с проводом, по которому идёт ток. Вокруг проводника с током существует магнитное поле. Его источник — движущиеся заряды.
- Магнитные линии прямого тока — концентрические окружности вокруг провода.
- Направление линий определяет правило буравчика: если поступательное движение буравчика совпадает с направлением тока, то направление вращения ручки показывает направление магнитных линий.
Катушка с током. Электромагниты
Поле катушки с током похоже на поле полосового магнита: у неё тоже есть северный и южный полюса. Магнитное действие катушки усиливается:
- при увеличении силы тока;
- при увеличении числа витков;
- при введении внутрь железного сердечника.
Катушка с железным сердечником называется электромагнитом. Его главное преимущество — магнитное действие можно включать, выключать и регулировать. Применения: подъёмные краны, электрические звонки, реле, замки, магнитные сепараторы, поезда на магнитной подушке.
Разобранный пример 1
Как усилить электромагнит, не меняя источник тока?
Увеличить число витков катушки и вставить железный сердечник (или заменить его более толстым). Можно также уменьшить сопротивление обмотки (взять провод толще), чтобы увеличить силу тока.
Действие магнитного поля на проводник с током. Электродвигатель
Магнитное поле действует на проводник с током с некоторой силой. Её направление зависит от направления тока и направления магнитных линий; если изменить одно из них, сила изменит направление на противоположное.
На этом основан электродвигатель: рамка (обмотка ротора) с током помещена в магнитное поле. Поле поворачивает рамку, а коллектор каждые пол-оборота меняет направление тока в ней, так что вращение продолжается. Первый пригодный для практики электродвигатель построил в 1834 году российский учёный Борис Якоби.
Преимущества электродвигателей: высокий КПД (до 95 %), отсутствие выхлопных газов, бесшумность, мгновенный запуск.
Разобранный пример 2
Как изменить направление вращения электродвигателя постоянного тока?
Поменять местами провода, подключённые к источнику (изменить направление тока), или поменять местами полюса магнита.
Магниты вокруг нас
Магниты окружают нас повсюду: в динамиках и наушниках (электромагнит в поле постоянного магнита заставляет колебаться мембрану), в жёстких дисках компьютеров (информация записывается намагничиванием крошечных участков), в банковских картах с магнитной полосой, в аппаратах магнитно-резонансной томографии. Птицы и морские черепахи, по-видимому, ориентируются по магнитному полю Земли во время перелётов и миграций.
Типичные ошибки
- Считать, что северный полюс стрелки указывает на северный магнитный полюс Земли: там находится южный магнитный полюс.
- Думать, что магнит можно разделить на отдельные полюса.
- Считать, что магнит притягивает любой металл (медь и алюминий не притягиваются).
- Путать магнитное и электрическое поле: магнитное поле создаётся движущимися зарядами.
- Забывать, что электромагнит работает только при включённом токе.
Что дальше
- Электромагнитное поле. Электромагнитная индукция — электромагнитная индукция: как магнитное поле создаёт ток.