Физика · Электричество и магнетизм · 8 класс

Электромагнит и реле

Как кран поднимает тонну железа и почему роняет его, когда ток отключается?

Ситуация

На пункте приёма металлолома на крюке крана висит огромный стальной диск. Оператор нажимает кнопку — диск «приклеивает» к себе старый кузов автомобиля и несёт его к вагону; отключает ток — кузов падает вниз. Это электромагнит: катушка, намотанная на железный сердечник. То же устройство работает в дверном звонке, внутри реле и в гвозде на школьной лабораторной работе. От чего зависит сила электромагнита и как ею управлять?

Тема

Электромагниты и реле. Электромагнит на кране металлолома, дверной звонок и реле

Ключевые понятия

Электромагнит
Подъёмная сила
Электромагнитное реле

Формулы

B = \frac{μ_{0} μ N I}{l}

Поле внутри длинной катушки с железным сердечником пропорционально числу витков $N$ и току $I$ (пока сердечник не насытится).

F = \frac{B^{2} S}{2 μ_{0}}

Подъёмная сила на поверхности полюса пропорциональна квадрату индукции.

N I = Φ R_{m}, R_{m} = \sum_{k} \frac{l_{k}}{μ_{0} μ_{k} S_{k}}

«Закон Ома» для магнитной цепи (закон Гопкинсона): магнитный поток = магнитодвижущая сила / магнитное сопротивление.

R_{m}^{возд} = \frac{2 δ}{μ_{0} S} ≫ R_{m}^{жел} = \frac{l}{μ_{0} μ S}

Воздушный зазор в несколько миллиметров даёт большее магнитное сопротивление, чем метры железа.

P_{упр} = U I ≪ P_{нагр}

Реле: слабая управляющая цепь (мА) включает мощную цепь (А).

Теория

Что такое электромагнит?

Катушка с током становится магнитом; если внутрь поместить железный сердечник, железо намагничивается, и поле усиливается в сотни–тысячи раз ( $μ ≫ 1$ ). Отличие от постоянного магнита: электромагнитом можно управлять током — включать, выключать, менять силу, а изменением направления тока менять полюсы местами. В режиме лаборатории выньте сердечник: число скрепок упадёт до нуля.

Подъёмная сила и насыщение

Сила притяжения на поверхности полюса $F = B^{2} S / (2 μ_{0})$ . При малых токах $B \propto N I$ , значит $F \propto {(N I)}^{2}$ : если увеличить ток вдвое, сила вырастет вчетверо. Но намагничивание железа ограничено — насыщение ( $B \approx 1,7$ – $2$ Тл): график $F (I)$ в режиме крана вверху выравнивается. Сила очень чувствительна к зазору: ржавчина, краска или неровная поверхность резко её уменьшают — поэтому ровную стальную плиту поднять гораздо легче, чем кузов автомобиля.

Магнитная цепь

Магнитный поток $Φ$ , подобно электрическому току, «течёт» по замкнутому пути: в крановом магните — от центрального полюса через груз к внешнему кольцу и обратно. Магнитодвижущая сила $N I$ делится на магнитное сопротивление цепи $R_{m} = \sum l / (μ_{0} μ S)$ . В железе $μ$ велико — сопротивление мало; в воздушном зазоре $μ = 1$ — сопротивление огромно. Поэтому электромагнит силён, когда касается груза, а при удалении на 5 см слабеет в несколько раз. Включите метку «Магнитная цепь» и посмотрите на путь потока.

Электромагнитное реле

Реле — электромагнитный выключатель. Слабая управляющая цепь (12 В, несколько десятков мА) намагничивает катушку, якорь притягивается, и контакты включают мощную цепь (230 В, несколько ампер). Две цепи электрически разделены — это безопасно. Реле замыкается при токе срабатывания, но после замыкания зазор уменьшается, и для удержания хватает гораздо меньшего тока: уменьшая напряжение, найдите напряжение отпускания. Реле применяли и применяют в автомобильном стартере, лифтах, светофорах, телеграфе.

Электрический звонок — саморазмыкающаяся цепь

При нажатии кнопки ток идёт через контактный винт к катушке, якорь притягивается, и молоточек ударяет по чашке. Но как только якорь притягивается, контакт размыкается — тока нет, пружина возвращает якорь, контакт снова замыкается, и всё повторяется (десятки раз в секунду). Частота зависит от жёсткости пружины, массы якоря и напряжения; при очень малом напряжении притяжение не может преодолеть пружину. Маленькая искра, вспыхивающая при размыкании контакта, — результат самоиндукции (эксперимент «Самоиндукция»).

Лаборатория: простейший электромагнит

Цель работы: изучить, как сила электромагнита зависит от тока и числа витков. На гвоздь наматывают изолированный провод, последовательно подключают батарею, реостат и амперметр. Опустите конец гвоздя в скрепки, поднимите и сосчитайте, сколько скрепок зацепилось. Меняя ток $I$ (число витков постоянно), а затем $N$ (ток постоянен), составьте таблицу. Вывод: сила быстро растёт с ростом $N I$ , а катушка без сердечника почти ничего не поднимает. Модель: поле у конца гвоздя $B \approx \frac{1}{2} μ_{0} (H + M)$ , $H = N I / l$ , намагничивание тонкого стержня ограничено его собственным размагничивающим полем ( $M \approx H / N_{d}$ , $N_{d} \approx 0,007$ ).

Знаете ли вы?

Первый электромагнит в 1824–1825 годах сделал английский изобретатель Уильям Стёрджен: на подковообразное железо был намотан провод, и этот магнит массой около 200 г от тока одного гальванического элемента поднимал груз около 4 кг.
В 1831 году американский физик Джозеф Генри сделал электромагнит для Йельского университета: с железным сердечником массой около 27 кг этот магнит удерживал груз 936 кг (2063 фунта).

Что внутри эксперимента

Эксперимент начинается с жизненной ситуации: вы предсказываете результат, меняете параметры, проводите опыт и делаете вывод. Внутри — задания, теория, тест и экскурсия: камера сама движется и объясняет главное.

Другие эксперименты раздела

Схемы и правила Кирхгофа — 8 класс
Электрический ток в металлах — 8 класс
Электролиз, законы Фарадея — 8 класс
Электрический ток в вакууме и газах — 8 класс
Магнитное поле — 8 класс
Встряхиваемый фонарик — 10 класс
Самоиндукция — 10 класс
Магнитные свойства вещества — 10 класс
Плазма — четвёртое состояние — 10 класс
Линия электропередачи — 11 класс