Как изготовить катушку с током

Как изготовить катушку с током

1. Назначение прибора.
Прибор служит для демонстрации индукционного тока, возникающего в катушке при всяком изменении магнитного поля внутри нее. Опыты с этим прибором составляют третью ступень опытов по электромагнитной индукции Фарадея; первая ступень касается индукции в прямолинейном проводе и наблюдается при помощи прибора с «качелями»; вторая производится посредством прибора с вращающимся витком.

2. Принцип действия прибора.
Действие прибора основано на явлении электромагнитной индукции, открытой Фарадеем (1831 г.) и заключающейся в следующем: „в катушке (как во всяком проводнике), находящейся в магнитном поле, возникает индукционный ток, если магнитное поле испытывает какое-либо изменение. Магнитное поле можно создать двояким образом: 1) при помощи стального магнита и 2) при помощи второй катушки, пропуская по ней электрический ток.
„Изменение магнитного поля“ сводится к изменению числа с и л о в ы х линий поля в том месте, где находится катушка, в которой надо возбудить индукционный ток. Изменение (увеличение или уменьшение) числа силовых линий можно произвести тремя приемами:
1) Перемещать (сближать или удалять) относительно друг друга катушку (в которой создается индукционный ток) и магнитное поле (т. е. магнит или катушку с током, создающую магнитное поле).
2) Создавать или уничтожать магнитное поле, замыкая или размыкая ток, создающий магнитное поле; в этом случае механического перемещения не требуется.
3) Менять (усиливать или ослаблять) напряженность магнитного поля путем изменения (увеличения или уменьшения) силы тока, создающего магнитное поле; в этом случае можно перемещать железный сердечник у катушки или железный якорь у стального магнита.

Сводка всех упомянутых приемов получения индукционного тока приведена в следующей таблице:

Явление, изменяющее магнитное поле	Причина, вызывающая индукционный ток	По правилу Максвелла возникает	По правилу Ленца индукционный ток
1. Сближение . . 2. Замыкание . . 3. Усиление тока	Число силояых линий увеличивается	обратный индукционный ток	уменьшает число линий, т. е. противодействует
4. Удаление. . . 5. Размыкание . . 6. Ослабление тока	Число силовых лиий уменьшается	прямой индукционный ток	увеличивает число линий, т. е. противодействует

При определении направления индукционного тока в катушке одинаково удобно пользоваться как правилом Максвелла, так и правилом (законом) Ленца.

Правило Максвелла говорится так:
«При уменьшении числа силовых линий внутри катушки в ней возникает прямой индукционный ток (т. е. идущий пи часовой стрелке, если смотреть вдоль силовых линий магнитного поля); при увеличении числа силовых линий — обратный».

Если магнитное поле создается током, то „прямой» индукционный ток совпадает по направлению с током, создающим поле, а „обратный”— индукционный ток имеет направление, противоположное направлению тока, создающего магнитное поле; таким образом при уменьшении числа силовых линий возникает индукционный ток, увеличивающий число линий, и при увеличении — индукционный обратного направления, уменьшающий число силовых линий; это свойство индукционного тока выражают законом Ленца:
«Индукционный ток имеет такое направление, что оказывает противодействие тому ялению, какое вызвало индукционный ток».

3. Устройство прибора.
Прибор состоит из трех частей: 1) собственно индукционной катушки А (рис. 1), состоящей из большого числа витков (8 слоев по 160 витков) тонкой проволоки (диаметр около 0,4 мм); омическое сопротивление катушки около 10 омов; концы проволоки выведены к клеммам Д и Е, помещенным на подставке; 2) катушки В, свободно входящей во внутреннюю полость катушки А; катушка В состоит из небольшого числа витков (два слоя по 50 витков) более толстой проволоки (диаметр около 0,8 мм); омическое сопротивление около 0,25 ома; концы проволоки выведены к клеммам F и H, помещенным на деревянном каркасе катушки; 3) железного сердечника С (с деревянной ручкой) свободно входящего во внутреннюю полость катушки В.

4. Установка прибора для демонстрации.
Для опыта, кроме самого прибора, необходимо иметь: 1) демонстрационный гальванометр; 2) полосовой магнит; 3) источник постоянного тока (например, аккумулятор на 4 вольта); 4) рубильник (например, грзовой радио-рубильник); 5) реостат с ползунком (на 10—20 омов); 6) магнитную стрелку; 7) провода для соединений.
Перед опытом необходимо проделать некоторую подготовительную работу. Прежде всего надо на самом уроке установить, каким образом можно по отклонению стрелки гальванометра в ту или иную сторону определить направление наблюдаемого тока; другими словами, надо установить связь между отклонением стрелки гальванометра и расположением знаков (плюс и минус) на клеммах гальванометра. С этой целью источник тока (не более 4 вольт), у которого знаки полюсов заведомо известны, через очень большое сопротивление (порядка 10000 омов при чувствительности гальванометра около 0,0005 ампера, например, радио—сопротивление Каминского) замыкают на гальванометр на одно мгновение и замечают, в какую сторону отклонилась стрелка (пусть—направо); проследив знак полюса, с которым соединена клемма, расположенная на той стороне гальванометра, куда отклонилась стрелка (в нашем случае—правая клемма; пусть знак оказался плюс), найденное соотношение записывают или словами, например: „стрелка отклоняется в сторону положительной клеммы“ или схематично.
Так как концы проволок, намотанных на катушках, заделаны в деревянные каркасы, то порядок соединения клемм с концами катушек и направление обмотки снаружи увидеть нельзя; нельзя по этой же причине проследить за направлением тока в катушках, хотя знаки полюсов, соединенных с клеммами, будут известны. Поэтому приходится прибегать к иному приему: прежде всего необходимо (белой краской) как-то (цифрами или буквами) отметить клеммы на каркасах обеих катушек (на рисунке 1 клеммы пронумерованы цифрами 1 и 2); затем, надо на глазах у учащихся определить, какие полюсы возникают на концах катушек при пропускании через них постоянного тока определенного направления; направление можно выбрать такое, при котором клемма 1 соединена с положительным полюсом источника тока; наименования полюсов устанавливаются при помощи магнитной стрелки, поднесенной к концу катушки; при этом надо знать полюс на верхнем конце катушки А и на нижнем конце катушки В (при определении полюсов надо вставлять в катушки сердечник); пусть оказалось, что при указанном соединении источника тока с катушками у катушки А наверху—южный полюс, у катушки В внизу—северный полюс; с катушкой В вопрос покончен, но с катушкой А дело обстоит сложнее; на это надо обратить особое внимание, так как этот момент представляет наибольшие затруднения для учащихся.
Дело в том, что катушка А в опыте с индукцией является источником тока, внутренней цепью (где ток идет от минуса к плюсу); между тем при определении наименования ее полюсов она служила внешней цепью (где ток идет от плюса к минусу); поэтому, когда во время опыта с электромагнитной индукцией будут при помощи гальванометра определены знаки клемм у катушки А, расположение ее полюсов не будет совпадать и будет противоположно найденному с помощью магнитной стрелки при пропускании тока; в нашем случае положительной клемме 1 будет при опыте с индукцией соответствовать на верхнем конце катушки А северный полюс.
Найденные соотношения надо записать, хотя бы в виде схематического изображения (рис. 2).

Примечание. Зная наименования полюсов у катушки, просто определить направление тока в ней по следующему правилу:
Если обхватить катушку пальцами правой руки так, чтобы отогнутый вбок большой палец был направлен в сторону северного полюса, то остальные пальцы покажут направление тока в витках катушки (рис. 3).

После указанной предварительной подготовки можно приступить к опытам.
Клеммы катушки А соединяют с клеммами демонстрационного гальванометра. Катушку В включают через реостат и рубильник в цепь источника тока по схеме, изображенной на рисунке 4, где «—катушка, L — источник тока (аккумулятор), К — рубильник, R- реостат.

5. Опыт с приборами.
1-й опыт. Берут полосовой стальной магнит и одним полюсом (например, северным) вдвигают его сверху по вертикальному направлению во внутреннюю полость индукционной катушки А, замкнутой на гальванометр (рис. 5). Стрелка гальванометра отклоняется (при принятых у нас условиях r сторону клеммы, соединенной с клеммой 1 катушки), обнаруживая существование индукционного тока, пока движется магнит.
Причиной возникновения индукционного тока служит приближение северного полюса; по закону Ленца индукционный ток должен произвести отталкивание северного полюса и для этой цели должен создать на верхнем конце катушки А одноименный, т. е. северный полюс; в этом убеждает нас сравнение рисунка 5 с рисунком 2.

Опыт повторяют, удаляя северный полюс магнита; во всех случаях проверяют справедливость закона Лtнца.
2-й опыт. В цепи, содержащей катушку В, включают рубильником ток, сдвинув ползунок реостата на самое малое сопротивление (на рисунках 4 и 6—направо доотказа); затем катушку В приближают сверху по вертикальному направлению к катушке А и вдвигают во внутреннюю полость катушку А. Чем быстрее произвести движение, тем сильнее отклонится стрелка гальванометра, показывая появление индукционного тока в катушке А во время движения катушки В. (Надо попрактиковаться, чтобы без промаха вводить одну катушку в другую).
При приближении катушки В число силовых линий внутри катушки А увеличивается, как это видно па схематичном рисунке 7; по правилу Максвелла в катушке А возникает обратный индукционный ток, т. е. он идет против часовой стрелки, если смотреть сверху вдоль силовых линий, выходящих из северного полюса (на нижнем конце катушки В); такой ток создает на верхнем конце катушки А тоже северный полюс; к такому же результату мы придем, применяя закон Ленца.

Опыт повторяют, удаляя катушку В, затем меняют направление тока в катушке В, снова вдвигают ее в катушку А и удаляют, во всех случаях определяют направление индукционного тока и проверяют правило Максвелла или закон Ленца. Можно двигать катушку А, оставляя неподвижной катушку В.
3-й опыт. Не замыкая тока, катушку В вставляют в катушку А. Замыкая гок, обнаруживают появление индукционного тока (в момент замыкания) такого направления, какое индукционный ток имел при сближении катушек. Размыкая ток, получим в момент размыкания индукционный ток такого направления, какое наблюдали при удалении катушек.

4-й опыт. Замкнув ток и введя катушку В внутрь катушки А, дожидаются, когда стрелка гальванометра совсем успокоятся. Затем начинают двигать ползунок реостата взад и вперед и убеждаются, что при усилении тока возникает индукционный ток такого же направления, как при сближении катушек или при з а м ы к а н и и тока, а при ослаблении тока в цепи катушки В появляется в катушке А индукционный ток того же направления, какое он получал при удалении катушек или при размыкании.
В этом опыте можно изменять магнитное поле, вынимая и вновь вставляя железный сердечник в катушку В. Четыре изложенных опыта обнимают собой всю группу опытов, демонстрирующих сущность явления электромагнитной индукции. С этим же прибором можно произвести еще несколько опытов.
5-й опыт. Модель трансформатора.
Катушка В вместе с сердечником вкладывается в катушку А,через реостат с ползунком (примерно на 150 омов) катушку А соединяют с сетью переменного тока с напряжением в 120 вольт; катушку В замыкают на электро-лампочку, рассчитанную на напряжение не более 10—12 вольт; можно взять лампочкуот карманного фонаря. В начале опыта реостат включают полностью, а затем постепенно выводят реостат из цепи, пока лампочка не даст почти полного накала.
Долго держать цець под током нельзя, так как и реостат и катушка А заметно нагреваются. Опыт воспроизводит модель понижающего трансформатора. Продемонстрировать повышающий трансформатор с данным прибором не удается, так как трансформатор с прямолинейным (сплошным) сердечником (без замкнутой магнитной цепи) обладает весьма сильной магнитной утечкой и столь большой потерей напряжения, что не только не дает повышения, но даже понижает напряжение, хотя трансформатор включен, как повышающий. Таким образом модель трансформатора из индукционной катушки может служить наглядным примером значительной потери напряжения в трансформаторе.
На этой модели хорошо видна роль сердечника: при выдвигании его из катушки лампочка, включенния во вторичную обмотку, постепенно гаснет.
6-й опыт. Из катушки В (вместе с сердечником) можно составить прибор Эйхенвальда для демонстрации взаимодействия двух катушек с током, если сделать вторую катушку из 30—40 витков проволоки (диаметр около 0,5 мм); проволоку наматывают на цилиндрический предмет (диаметром около 4 см) и полученную катушку связывают нитками в нескольких местах; концы проволоки припаивают к гибким проводам, на которых подвешивается сделанная катушка так, чтобы она свободно надевалась на катушку В (рис. 8), укрепленную горизонтально (можно ручку сердечника зажать в лапку штатива Бунзена). Обе катушки соединяются последовательно вместе с источником постоянного тока (около 4—8 вольт).
При включении тока, наружная катушка М (рис. 8) или остается надетой на среднюю часть катушки В (если токи в катушках одного направления) или сбрасывается с катушки В и снова ни нее сама надевается, но обратной стороной (если токи в катушках имеют противоположные направления).

6. Правила приемки и ремонт прибора.
При приемке прибора надо требовать целость и хорошее качество обмоток, прочное укрепление клемм, свободное вращение их вплоть до упора. Наиболее вероятным повреждением прибора надо считать повреждение обмоток, особенно тонкой (на катушке А), преимущественно сгорание изоляции, а иногда и всей обмотки при пропускании чересчур сильного тока. Ремонт заключается в удалении прежней обмотки и в наматывании новой проволоки; при этом весьма полезно концы проволоки подводить к клеммам открыто, чтобы можно было решать вопрос о направлении тока в катушке непосредственно, не прибегая к косвенному способу путем определения наименования полюсов при помощи магнитной стрелки.

Составил С. Н. Жарков

— Инструкция к приборам

Магнитное поле катушки с током. Электромагниты и их применение

В прошлом уроке мы рассмотрели магнитное поле прямого проводника с током. А что будет, если этот проводник будет иметь другую форму?

Наиболее интересен этот вопрос становится, если мы говорим про катушку.

Катушка — это проводник, намотанный на неметаллический (чаще всего деревянный) каркас.

Обычно катушка обладает большим количеством витков, расположенных вплотную друг к другу (рисунок 1). Получается, что проходя по этим проводам, ток идет по спирали.

В данном уроке вы узнаете, какое магнитное поле возникает при прохождении тока через катушку, какими интересными свойствами оно обладает и какое имеет применение.

Катушка с током как магнитная стрелка

Возьмем катушку и подвесим ее на тонких и гибких проводниках. Когда мы включим ток, катушка примет определенное положение (рисунок 2).

Дело в том, что один конец катушки будет направлен точно на север, а другой — на юг. Получается, что катушка при прохождении тока через нее ведет себя как магнитная стрелка. У нее так же есть два полюса: северный и южный.

Магнитное поле катушки

Если по катушке идет ток, то вокруг нее возникает магнитное поле. Его можно увидеть, проведя опыт с железными опилками, подобный тому, что мы проводили для прямого проводника с током в прошлом уроке.

На рисунке 3 представлено схематическое изображение магнитных линий для катушки с током.

Как вы видите, магнитные линии представляют собой замкнутые кривые. Принято считать, что они направлены от северного полюса катушки к южному.

Правило правой руки для катушки с током

Вы знаете, что направление тока и направление магнитных линий связаны между собой. Используя правило право руки для прямого проводника с током, мы можем найти направление тока, если нам известно направление магнитных линий. Или, наоборот, при известном направлении тока в проводнике мы можем определить направление магнитных линий.

Для катушки с током это правило тоже действует, но принимает немного другой вид (рисунок 4).

Правило правой руки для катушки с током:
если взять катушку в правую руку так, чтобы четыре пальца смотрели в сторону протекания тока, то отставленный большой палец укажет на северный полюс катушки и совпадет с направлением магнитных линий.

Изменение магнитного действия катушки

Так как катушки с током имеют два полюса, их часто применяют в технике как магниты. Почему же тогда просто не взять обычный магнит?

Дело в том, что магнитное действие катушки можно изменять (усиливать или ослаблять). Сейчас мы рассмотрим, какими способами это можно сделать.

Проведем простой опыт (рисунок 5). Насыпем мелкие железные опилки и включим ток. Катушка начнет притягивать их.

А теперь, не изменяя силу тока, возьмем катушку с большим числом витков, чем прежняя. Вы увидите, что количество притянутых опилок заметно увеличилось.

Магнитное действие катушки с током тем сильнее, чем больше число витков в ней.

Добавим к нашей электрической цепи реостат (рисунок 6). Он позволит изменять силу тока.

С помощью таких изменений силы тока, мы увидим, что при разных ее значениях катушка притягивает разное количество железных предметов.

При увеличении силы тока действие магнитного поля катушки с током усиливается, при уменьшении — ослабляется.

Можно ли усилить магнитное действие катушки с током, не изменяя количество витков и силу тока? Можно! Для этого нужно ввести внутрь катушки железный стержень (рисунок 7). Такие стержни называются сердечниками.

Электромагнит

Добавление сердечников в катушки с током — простой способ значительно усилить их магнитное действие. Поэтому такие конструкции получили широкое применение. Называют же их электромагнитами.

Электромагнит — это катушка с железным сердечником внутри.

Электромагниты являются основной частью многих приборов. Они обладают несколькими крайне полезными свойствами:

• Они быстро размагничиваются при выключении тока
• Во время работы можно менять силу тока в катушке и таким способом изменять магнитное действие электромагнита
• Электромагниты легко изготавливаются самых различных размеров.

Применение электромагнитов

Рассмотрим несколько примеров применения электромагнитов.

На рисунке 8 изображен дугообразный электромагнит. Он удерживает железную пластину (якорь) с подвешенным грузом.

Такие установки широко используются на заводах для перемещения различных изделий из металлов, сбора металлической стружки.

На рисунке 9 изображен в разрезе магнитный сепаратор для зерна.

Принцип его работы очень прост. В собранное зерно добавляют очень мелкие железные опилки. Они не прилипают к гладким зернам злаков, но прилипают к зернам сорняков.

Из бункера 1 зерна с опилками высыпаются на вращающийся барабан 2. Внутри него находится мощный электромагнит 5. Он притягивает железные опилки, а вместе с ними и зерна сорняков. Так сепаратор очищает зерно.

Электромагниты также применяются во многих других устройствах. Некоторые из них мы рассмотрим ниже в данном уроке в разделе “Задания”.

Упражнения

Упражнение №1

Нужно построить электромагнит, подъемную силу которого можно регулировать, не изменяя конструкции. Как это сделать?

Подъемная сила будет зависеть от магнитного действия электромагнита. Мы знаем три способа, как это сделать: изменить число витков, добавить сердечник или изменить силу тока.

Первый способ нам не подходит, так как подразумевает собой изменение конструкции. Второй не подходит, так как у нас и так уже катушка с вставленным сердечником (электромагнит).

Остается изменение силы тока. Для того, чтобы у нас была возможность это делать, необходимо включить в цепь реостат. Изменяя с его помощью силу тока, мы будем уменьшать или увеличивать магнитное действие электромагнита и изменять его подъемную силу.

Упражнение №2

Что надо сделать, чтобы изменить магнитные полюсы катушки с током на противоположные?

Вы уже знаете, что для определения полюсов катушки можно воспользоваться правилом правой руки. Пользуясь им, мы обхватываем катушку так, чтобы наши четыре пальца совпадали с направлением тока в витках. Тогда наш большой палец указывает на северный полюс катушки.

Это означает, что направление тока и расположение полюсов катушки связаны между собой.

Что сделать, чтобы северный полюс оказался с другой стороны? Поменять направление тока на противоположное.

Упражнение №3

Как построить сильный электромагнит, если конструктору дано условие, чтобы ток в электромагните был сравнительно малым?

Если мы не можем усилить магнитное действие электромагнита с помощью увеличения силы тока, то остается только увеличить количество витков в катушке.

Вставить дополнительно железный сердечник мы тоже не можем, так как электромагнит — это уже катушка с сердечником.

Упражнение №4

Используемые в подъемном кране электромагниты обладают громадной мощностью. Электромагниты, при помощи которых удаляют из глаз случайно попавшие железные опилки, очень слабы. Какими способами достигают такого различия?

Для увеличения мощности увеличивают число витков в катушке, силу тока, оставляют в катушке железный сердечник. Для уменьшения мощности можно уменьшить число витков, снизить силу тока и вытащить сердечник.

Задания

Задание №1

На рисунке 10 дана схема устройства электрического звонка. На ней буквами обозначено: ЭМ — дугообразный электромагнит, Я — железная пластинка — якорь, М — молоточек, З — звонковая чаша, К — контактная пружина, касающаяся винта В. Рассмотрите схему звонка и объясните, как он действует.

Когда мы подаем на это устройство питание, по проводам начинает течь ток. Он течет и по проводам в катушках дугообразного электромагнита (ЭМ).

Возникает магнитное поле. Катушки начинают действовать как магниты и притягивают к себе якорь (так как он железный).

К якорю прикреплен молоточек (М). При притяжении якоря к электромагниту он ударяется о звонковую чашу (З).

Также якорь соединен с контактной пластиной (К). При притяжении к электромагниту он тянет ее за собой и электрическая цепь размыкается — винт (В) перестает касаться пластины, тока нет.

Тут же пропадает и магнитное поле катушек. Якорь возвращается на прежнее место и цепь снова замыкается. Снова по проводам течет ток, возникает магнитное поле, и якорь притягивается к электромагниту.

Получается, что молоточек совершает мелкие быстрые удары по звонковой чаше. Каждый удар происходит при возникновении магнитного поля. Так будет происходить до тех пор, пока звонок не будет отключен от источника питания.

Задание №2

На рисунке 11 показана схема простейшей телеграфной установки, позволяющей передавать телеграммы со станции A на станцию B. На схеме цифрами обозначено: 1 — ключ, 2 — электромагнит, 3 — якорь, 4 — пружина, 5 — колесико смазанное краской.
По схеме объясните устройство установки.

Когда на станции A замыкается ключ, по проводам начинает идти электрический ток. На станции B вокруг катушки возникает магнитное поле, она начинает вести себя как магнит.

Катушка притягивает к себе якорь, и другой его конец прижимает ленту к колесику с краской. Пока лента прижата к колесику, на ней остается след.

Когда на станции A размыкают ключ, якорь возвращается в исходное положение. Он больше не прижимает ленту к колесику с краской — на ней не остается следов.

С помощью такой установки, находясь далеко друг от друга, можно выбивать на ленте, замыкая и размыкая ключ, символы азбуки Морзе — точки и тире.

Задание №3

В мощных электрических двигателях, применяемых в прокатных станах, шахтных подъемниках, насосах, сила тока достигает нескольких тысяч ампер. Так как в последовательно соединенных проводниках сила тока одинакова, то такая же сила тока будет во всех соединительных проводах этой цепи. Это очень неудобно, особенно если потребитель тока находится на большом расстоянии от пульта управления, где включается ток. Такие цепи можно включать при помощи специального устройства — электромагнитного реле (рисунок 12), приводя его в действие малой силой тока. На схеме обозначено: 1 — электромагнит, 2 — якорь, 3 — контакты рабочей цепи, 4 — пружина, 5 — электродвигатель, 6 — контакты цепи электродвигателя.
Объясните как действует прибор.

При замыкании ключа, в катушке электромагнита 1 возникает электрический ток. Также возникает и магнитное поле. Из-за этого электромагнит начинает притягивать к себе якорь 2.

Когда якорь притянулся к катушке, его правый конец опускается на контакты 3. Цепь оказывается замкнутой. Теперь по цепи, в которой находится электродвигатель тоже течет ток. Двигатель начинает работать.

Смысл такой установки в том, что малой силой тока с помощью использования электромагнита в устройстве реле, можно запускать электродвигатель большой мощности, находящийся на большом расстоянии от места включения тока.

Магнитное поле катушки с током. Электромагниты и их применение

Большой практический интерес представляет собой магнитное поле катушки с током. Вообще по своей форме катушка напоминает пружину. Но в то время, если пружина важна в каких-либо механических системах, то катушка используется в магнетизме. Все потому что мы пропускаем электрический ток через катушку и это позволяет получить магнитное поле, сосредоточенное в основном внутри катушки и на её концах.

Посмотрите, как проходят линии магнитного поля внутри и снаружи катушки (рис. 1).

На рис. 1. представлена ​​фотография с изображением формы силовых линий магнитного поля, полученного с помощью железных опилок. Мы видим, что линии поля внутри практически параллельны друг другу и оси катушки. На концах катушки они расходятся.

С другой стороны, в области вне соленоида, вдали от его краёв, железные опилки практически никак не упорядочены, что доказывает, что магнитная индукция там мала — магнитное поле слабое. Напоминает ли вам что-нибудь такое расположение линий магнитного поля? Такое расположение линий магнитного поля обуславливает множество применений катушки в технике.

Магнитные линии магнитного поля катушки с током являются также замкнутыми кривыми. Принято считать, что вне катушки они направлены от северного полюса катушки к южному.

Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.

Напомним: характерной величиной магнитного поля является поток вектора магнитной индукции B , который присваивается каждой точке в пространстве. Значение вектора B является мерой «силы» магнитного поля. Удобным и наглядным представлением магнитного поля являются линии поля. Векторы индукции B являются касательными к этим линиям.

На рис. 2 показаны силовые линии, источником которых является катушка, состоящая из пяти витков проводника с электрическим током, а на рис. 3 показаны силовые линии, возникающие из кругового тока. Здесь аналогичный характер линий. Мы предполагаем, что в случае с катушкой мы имеем дело с суммированием полей, исходящих от отдельных катушек, в результате чего внутри катушки образуется почти однородное поле.

Обратите внимание, что чем плотнее (ближе друг к другу) намотаны катушки, тем больше они напоминают круги (окружности), и тогда мы практически имеем дело с сильным и однородным полем внутри катушки. Такое поле показано на рисунке 4. А соответствующая этой фигуре реальная катушка с несколько иным числом витков показана на рис. 5.

На практике мы используем катушки с еще более плотно намотанными витками (см. рисунок 6). Можно использовать даже несколько слоев катушек. Все это делается для того, чтобы получить максимально возможное значение магнитной индукции внутри катушки. Она прямо пропорциональна плотности намотки, т.е. количеству витков на единицу длины катушки.

Для плотно намотанной катушки с малым диаметром по отношению к её длине зависимость магнитной индукции внутри неё выражается следующим образом: B = ( μ₀ * μ_r * I * N ) / L , где

где μ₀ — магнитная постоянная, μ_r — магнитная проницаемость среды внутри катушки, I — значение силы тока, протекающего в обмотке, N — число витков, L — длина катушки.

Из вышеприведенной формулы можно, например, сделать следующий выводы:

• Если выполнить замену имеющейся катушки на другую катушку с бóльшим количеством витков проволоки, то она будет притягивать больше железных предметов при той же силе тока. Это говорит о том, что магнитное действие катушки с электрическим током тем сильнее, чем больше число витков в ней.
• При увеличении силы электрического тока действие магнитного поля катушки с током становится сильнее, при уменьшении — слабее.
• Магнитное действие катушки с током может быть значительно увеличено без изменения числа витков и силы тока протекающего в катушке. Это можно сделать, вставив железный стержень (сердечник) внутрь катушки. Железо, вставленное внутрь катушки, усиливает её магнитное действие. Этот момент в приведенной выше формуле отражает переменная μ_r.

Обратим внимание на еще один, очень важный аспект магнитного поля, создаваемого катушкой. А именно, сходство силовых линий этого поля с силовыми линиями постоянного магнита в форме стержня. Смотрите рисунки 7а. и 7б., где оба поля показаны символически.

Электромагниты и их применение

Обратите внимание на направление электрического тока в катушке. Согласно правилу правой руки, электрический ток создает магнитное поле, силовые линии которого направлены так же, как у магнита. Таким образом, мы можем назначить магнитные полюса катушке с электрическим током, что и у магнита. Поэтому такую ​​катушку с электрическим током можно назвать электромагнитом.

Важно! Катушка с железным сердечником внутри называется электромагнитом.

Электромагниты находят бóльшее применение в технике, чем постоянные магниты. Это происходит в основном по двум причинам:

1. Они создают более сильное магнитное поле, потому что мы можем использовать в них ферромагнитный сердечник, который в 1000-чи раз усилит магнитное поле, создаваемое электрическим током, протекающим в катушке.
2. Вы можете управлять ими — увеличивать или уменьшать значение индукции, потому что она прямо пропорциональна электрическому току, протекающему в обмотке.

Отметим широкое применение электромагнитов, которые используются, например, в:

• электрические машины (двигатели и генераторы);
• громкоговорители, реле, контакторы и т.д.;
• магнитные железные дороги;
• устройства, использующие ядерный магнитный резонанс (МРТ). Основной частью МРТ является сверхпроводящий электромагнит, который генерирует очень сильное магнитное поле с индукцией = 3 Тесла. Внутрь этого электромагнита помещается пациент, подлежащий тестированию;
• электромагнитные краны (сталелитейные заводы, верфи, цеха);
• круговые ускорители (например, в ЦЕРНе, где работает сверхпроводящий электромагнит);
• замки для ворот и дверей.

Конечно, не во всех случаях применения электромагнит похож на так называемый стержневой магнит, очень часто он напоминает подковообразный магнит. Например, электромагнит, используемый для подъема железного лома, модель которого показана на рис. 8. или электромагнит, который используется для электрического звонка (рис. 9.).

Наконец, интересный факт. Можно пойти еще дальше и соединить оба конца катушки. Тогда мы получим так называемую тороидальную катушку (см. рис. 10). Это важный компонент электрических систем переменного тока; он служит для хранения энергии магнитного поля и может иметь высокую индуктивность (L).

Список использованных источников

1. Генденштейн Л.Э, Кайдалов А.Б., Кожевников В.Б. Физика 8 / Под ред. Орлова В.А., Ройзена И.И. – М.: Мнемозина.
2. Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010.
3. https://ru.wikipedia.org/wiki/Электрический_звонок

Катушка Тесла за 100 рублей своими руками ⁠ ⁠

Катушка Тесла — мощное грандиозное устройство создающая вокруг себя высоковольтное электрическое поле. Эта катушка способна генерировать около 150 тысяч вольт, которые создают кучу разрядов. Три вида разрядов: коронные, дуговые, искровые. Коронные разряды – это заряды, срывающиеся с заостренной детали конструкции, где напряженность поля особенно высока. Дуговые разряды – это разряды к которым если поднести какой-либо заземленный предмет. Искровые разряды – разряды, как миниатюрные молнии. Кстати трещат они очень громко. Все дело в том, что ток, протекающий по исковому каналу очень быстро и сильно нагревает воздух, что приводит к резкому расширению, что возникает ударная волна, которую мы слышим в виде такого треска. Кстати во время грозы происходит тоже самое, только в больших масштабах. Проникая внутрь газоразрядных ламп такое сильное электрическое поле ионизирует газ внутри и заставляет их светиться. Вот она беспроводная передача энергии, о которой так мечтал Никола Тесла. Единственное что КПД такого способа очень низкий, поэтому на практике его применять бессмысленно. Но самое интересное неужели что-то подобное можно и правда собрать за 100 рублей. Оказывается, если в миниатюре, то вполне возможно и даже паяльник не понадобится. Итак, давайте же разберемся как работает трансформатор тесла и как его сделать своими руками. Что же такое трансформатор? Это две катушки с разным количеством витков. Подаем на одну катушку переменный ток и возникающие магнитное поле индуцирует ток во второй. Причем во сколько раз отличается число витков во столько раз и меняется напряжение. Например, если у нас 20 и 200 витков, то мы можем поднять напряжение в 10 раз. Но трансформатор Тесла поднимает напряжение еще сильнее в тысячи раз и больше. Дело здесь не в соотношении витков, а в резонансе. Частоту переменного тока подбирают так чтобы во вторичной катушке, та которая больше, он практически не затухал. Такая частота всегда есть, она одна и у каждой конкретной катушки своя, зависит от ее электроемкости и индуктивности. В таком случае даже без питания во вторичной катушке будут происходить самоподдерживающаяся колебания тока. И если в такт этим колебанием подводить к катушке еще энергию, то она будет добавляться. Амплитуда колебаний будет все больше и больше. И так можно добиться напряжение в миллионы вольт. Вот он – резонанс. Остается вопрос: а как подобрать эту частоту в первичной катушке так чтобы оно совпадало со вторичной? В оригинальной конструкции тесла это достигается изменением емкости конденсатора, который подключен к первичной катушке, но нас такая схема не устраивает там много сложности в других деталях и вообще она не для бюджетного варианта. Мы сделаем устройство попроще, хотя она будет круче в том плане что частота там будет выбираться автоматически. Такую схему часто называют Качер Бровина, хотя на деле это всего лишь модифицированная версия высокочастотного автогенератора. Мы будем использовать полупроводниковый транзистор, которого во времена Николы Тесла вообще не существовало. Здесь он выполняет функцию «краника», который то открывается, то закрывается. В итоге по первичной обмотке протекает пульсирующий ток от батарейки, а управляет этими открывания и закрывания переменное напряжение со вторичной обмотки и именно с той частотой, которая ей нужна. Вот такая схема с обратной связью позволит нам получить напряжение в несколько киловольт. Так что будем собирать не неповторимый оригинал, а жалкую пародию. Но не беспокойтесь лампочки зажигать будем. К тому же такие полупроводниковые катушки позволяют замоделировать аудиосигнал. Коронный разряд обычно монотонно шипит, но можно собрать такую схему, которая будет управлять этим шипением и можно будет быстро воспроизвести абсолютно любой аудиотрек. Катушку Тесла в основном используют для развлечения. А трансформаторы в общем-то выполняют вполне практичные функции. Например, во многих зарядках установлен понижающий трансформатор. На первичную катушку подается 220 вольт, а на вторичную, так как витков там меньше возникает 5 — 12 вольт. Двигатель внутреннего сгорания не смог бы работать без искры, которую создает катушка зажигания. По сути это просто повышающий трансформатор. Они нужны для передачи электроэнергии на большие расстояния. При увеличении напряжения автоматически уменьшается сила тока и от этого потерь в проводах становятся намного меньше. Трансформаторы применяются в радиоэлектронике, аудиотехнике, для согласования нагрузок, они нужны для питания газоразрядных ламп и много, много где еще. Но мало кто знает, что существуют трансформаторы совершенно иного рода. Еще разрабатывают и собирают волоконно-оптические трансформаторы. Их восстанавливают на подстанциях и в отличие от традиционных трансформаторов, которые просто уменьшает силу тока, а затем подают ее на обычные измерители. Такие устройства могут измерять десятки тысяч ампер напрямую и устроены они очень интересно. В них вообще нет катушек. Сердцем такого устройства является оптоволокно, которое проходит вокруг проводника с током. Именно оно выполняет измерительную функцию и для этого используется эффект Фарадея, который заключается в следующем: световая волна поперечная — это означает, что она может поворачиваться вокруг своей оси. В обычных условиях такого не происходит, но магнитное поле, которое возникает вокруг любого проводника с током, как раз и заставляет волну повернуться. И по степени этого эффекта можно очень точно определять силу тока. В целом от трансформатора тут только название, но такие волоконно-оптические устройства не только прекрасно выполняют функции традиционных измерительных трансформаторов, но и почти по всем параметрам превосходят их. Во-первых, такие устройства отлично работают при переходных процессах. Короткие замыкания включения, выключения отлично с ними справляются. Во-вторых, это безопасность. От трансформатора к стойке тянется безобидное оптоволокно, а не кабель под напряжением. Ну и в-третьих, это диапазон измеряемых величин. Например, бывают конструкции рассчитанные под напряжение в 500 киловольт. Однако принципиальная схема у нее в точности такая же как и для менее мощных устройств. Как видите трансформаторы бывают разными и даже использующими свет. Хватит теории, давайте переходить к практике. Итак я закупил все детали: провод медный обмоточный D0 2 мм (32 метра) – 48 рублей, провод медный обмоточный D1 (20 см) – 30 рублей, транзистор биполярный NPN – 5 рублей, резистор 20-50 см к0м – 2 рубля, шприц 20 мл – 10 рублей. У меня получилось уложиться в 100 рублей. Самым дорогим оказались медные провода, но если заказать оптом там в расчете на одну катушку получится дешевле. Единственное, что в стоимость катушки не входит — источник питания, но докупить батарейку, я считаю, не так дорого. К тому же можно использовать блок питания на 6-7 вольт. Дополнительно нам понадобится: колодка для батарейки – 11 рублей, батарейка КРОНА – 36 рублей, скотч, наждачная бумага, нож. Так что сама катушка и правда стоит копейки. Итак, давайте собирать. Первое, что мы сделаем это намотаем вторичную катушку. Берем шприц и начинаем наматывать на него тонкую медную проволоку. Предварительно можно от шприца отрезать все лишнее зависит от вашего вкуса. Самое главное, что проволоку нужно наматывать очень аккуратно, виток к витку, без каких-либо нахлестов, чем аккуратнее вы намотаете вторичную катушку, тем сильнее будет эффект. Процесс этот длительный – остановиться можно когда будет намотано около пяти сантиметров и после намотки необходимо оставить торчащим проводочек длиной 5-7 сантиметров и с его края расчистить прозрачную изоляцию с помощью наждачки или ножичка. Следующий этап – это подготовка первичной катушки. Берем толстую медную проволоку и ножичком или наждачной бумагой счищаем прозрачный изоляционный лак обоих концов по полтора сантиметра. Оборачиваем проволоку вокруг шприца два раза и получаем готовую первичную обмотку. Далее берем транзистор и ножку номер три накручиваем на один из контактов первичной обмотки. Далее одну ножку резистора накручиваем на второй контакт первичной катушки, а другую ножку резистора на центральную ножку транзистора. Если есть возможность, можно спаять такую сборку, но и в таком виде все будет работать. Главное, чтобы не было лишних контактов и соприкосновений элементов. Теперь вдеваем вторичную обмотку в первичную и торчащий тоненький проводочек наматываем на центральную ножку транзистора. И так наша катушка Тесла уже практически готова, остается только подключить питание. Отрицательный контакт, то есть черный проводочек, накручиваем на свободную ножку транзистора, ну а положительный красный на контакт первичной обмотки, который подключен резистор. Осталось подсоединить батарейку. Подносим энергосберегающую лампу и вуаля такая малютка способна зажигать даже большие лампочки и при желании можно получить небольшой разрядик, но только есть риск немного обжечься, так что будьте аккуратны. Конструкция очень простая и этого уже достаточно чтобы создавать напряжение в несколько киловольт и зажигать лампочки прямо у вас в руках так что пробуйте.