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).

Силовые линии магнитного поля
Рис. 1. Силовые линии магнитного поля

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.

Линии поля, источником которых является катушка
Рис. 2. Линии поля, источником которых является катушка
Линии поля кругового тока
Рис. 3. Линии поля кругового тока

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.

Сильное и однородное поле внутри катушки
Рис. 4. Сильное и однородное поле внутри катушки
Катушка
Рис. 5. Катушка

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.

Плотно намотанная катушка
Рис. 6. Плотно намотанная катушка

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

где μ0 – магнитная постоянная, μr – 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 μr.

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.

Сходство линий поля с полем постоянного магнита в форме бруска
Рис. 7. а, б. Сходство силовых линий полю стержневого постоянного магнита.

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.).

Электромагнит для подъема металлолома
Рис. 8. Электромагнит для подъема металлолома
Электромагнит в схеме традиционного электрического звонка
Рис. 9. Электромагнит в схеме традиционного электрического звонка. Источник Wikipidia

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).

Тороидальная катушка
Рис. 10. Тороидальная катушка. Источник: лицензия Freepik

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