Szkolny dzwonek elektryczny, silnik elektryczny, dźwig w składnicy złomu... Jak są powiązane ze sobą takie urządzenia? Człowiek, uczący się fizyki, odpowie, że w każdym urządzeniu stosuje się elektromagnes. Więc, wyjaśnijmy, czym jest elektromagnes i jak on pracuje.
Wyjaśnijmy, od czego zależy magnetyczne działanie zwojnicy z prądem Zmontujemy obwód elektryczny, który zawiera źródło prądu, zwojnicę, opornik i amperomierz. Nad zwojnicą na siłomierzu zawiesimy walec żelazny (rys. 6.1). Jeżeli zamknąć obwód, walec namagnesuje się w polu magnetycznym zwojnicy i
zostanie do niej przyciągnięty, rozciągając przy tym sprężynę siłomierza.
Walec będzie przyciągany do zwojnicy tym bardziej, im bardziej silne jest jej działanie magnetyczne.
Zmieniając za pomocą opornika suwakowego natężenie prądu w zwojnicy zauważymy, że przy zwiększeniu natężenia prądu walec przyciąga się silniej, o czym świadczy większe rozciąganie sprężyny siłomierza. Przy zwiększeniu natężenia prądu w zwojnicy jej magnetyczne działanie wzmacnia się.
Zamieniamy zwojnicę na inną — z większą ilością zwojów. Zobaczymy, że przy tym samym natężeniu prądu wydłużenie sprężyny siłomierza zwiększy się. Przy zwiększeniu liczby zwojów w zwojnicy jej magnetyczne działanie wzmacnia się.
W środku zwojnicy umieszczamy rdzeń - grubą sztabkę żelazną. Włączamy prąd — walec nachyli się do zwojnicy i „przyczepi się” do rdzenia. Magnetyczne działanie zwojnicy wzmacnia się, gdy do jej środka wprowadzamy rdzeń ferromagnetyczny.
Przypomnij magnetycznyczne właściwości substancji i wyjaśnij, dlaczego rdzeń sporządza się z substancji feromagnetycznych. Czy zwiększy się magnetyczne działanie zwojnicy, jeżeli rdzeń sporządzić z miedzi czy glinu?
Badamy budowę elektromagnesu i jego wykorzystanie
Zwojnicę z rdzeniem z materiału ferromagnetycznego w środku, nazywamy elektromagnesem.
Zapoznamy się z budową elektromagnesu (rys. 6.2). Dowolny magnes składa się z rurki (1), wykonanej z materiału izolacyjnego. Na rurkę nawinięty jest drut izolowany — uzwojenie elektromagnesu (2). Końce drutu doprowadza się do specjalnych zacisków (3), za pomocą których elektromagnes łączy się ze źródłem prądu. W środku rurki znajduje się rdzeń (4), sporządzony ze stali miękkiej. Zwykle elektromagnes ma kształt pod-kowiasty, dlatego, że w tym wypadku działanie magnetyczne elektromagnesu wzrasta.
Rys. 6.3. Elektromagnesy wykorzystywane są w wielu przyrządach codziennego użytku
Elektromagnesy są wykorzystywane na szeroką skalę w technice przez to, że ich działanie
magnetyczne łatwo jest regulować - wystarczy zmienić natężenie prądu w uzwojeniu. Oprócz tego, elektromagnesy sporządza się o różnych kształtach i rozmiarach. Elektromagnesy wykorzystuje się w silnikach elektrycznych i generatorach, transformatorach i miernikach elektrycznych, telefonach, dzwonkach elektrycznych, mikrofonach itd. (rys. 6.3). Z tych licznych przykładów zastosowań elektromagnesów rozpatrzymy
dokładniej dwa: w dźwigach elektromagnetycznych i przerywaczach.
Badamy zasadę działania dźwigu elektromagnetycznego i przerywacza
Zmontujemy obwód elektryczny, który składa się ze źródła prądu i elekrtomagnesu. Gdy zamkniemy obwód, to zobaczymy, że wiórki żelazne przyciągają się do rdzenia elektromagnesu, więc, możemy ich przenieść, na przykład, na inny koniec stołu (rys. 6.4).
Na takiej zasadzie pracują dźwigi elektromagnetyczne, które przenoszą ciężkie przedmioty i złom (rys. 6.5). I nie potrzebne są haki! Włączymy prąd — przedmioty żelazne przyciągają się do elektromagnesu i przenosimy je w potrzebne miejsce, wyłączymy prąd - przedmioty żelazne nie przyciągają się.
Na przedsiębiorstwach często są stosowane odbiorniki energii o natężeniu setki i tysięcy am-per. Połączenie szeregowe urządzenia do zamykania i odbiornik spowoduje przepływ prądu o dużym natężeniu, co z kolei będzie niebezpieczne dla ludzi, pracujących z pilotem sterowania.
Przydadzą się wtedy przerywacze - urządzenia do sterowania obwodem elektrycznym (rys. 6.6). Zwróć uwagę: urządzenie dla zamykania (1), przymocowane do pilota sterowania i elektromagnes (2) podłączone są do źródła prądu A o małym napięciu na wyjściu, a odbiornik (na rys. 6.6 to silnik elektryczny) jest zasilany od źródła B o dużej mocy.
Podsumowanie
Magnetyczne działanie zwojnicy z prądem wzmocni się, jeżeli zwiększyć liczbę zwojów; zwiększyć natężenie prądu; wprowadzić do środka zwojnicy rdzeń ferromagnetyczny.
Zwojnicę ze rdzeniem stalowym w środku, nazywamy elektromagnesem. Elektromagnesy są powszechnie stosowane w technice. Jest to uwarunkowane tym, że magnetyczne działanie elektromagnesu łatwo regulować, zmieniając natężenie prądu w uzwojeniu, a także tym, że elektromagnesy mogą mieć różne kształty i wymiary.
Rys. 6.6. Zasada działania przerywacza elektromagnetycznego. Przy zamykaniu wyłącznika (1) (naciskamy przycisk), w uzwojeniu elektromagnesu (2) płynie słaby bezpieczny prąd. Na skutek tego rdzeń żelazny przyciąga ku sobie stojan (3). Gdy stojan opuszcza się i zamyka przyciski (4), zamyka się obwód silnika elektrycznego, który zużywa prąd o większym natężeniu.
Pytania kontrolne
1. Od czego zależy magnetyczne działanie zwojnicy z prądem? Opisz doświadczenie, które potwierdza odpowiedź. 2. Co nazywamy elektromagnesem? Opisz jego budowę. 3. Dlaczego elektromagnesy są powszechnie stosowane w technice?
4. Wyjaśnij zasadę działania dźwigu elektromagnetycznego. 5. W jakim celu jest wykorzystywany przerywacz? Opisz zasadę jego działania.
Ćwiczenie nr 6
1. Zamiast magnetycznie miękkiej stali do sporządzenia rdzenia elektromagnesu wykorzystano substancję twardą. Jakie są minusy takiego magnesu?
2. Nawijamy na gwóźdź żelazny drut izolowany i przyłączamy jeden z jego końców do baterii ogniw galwanicznych. Otrzymujemy elektromagnes (rys. 1). Określ bieguny elektromagnesu.
3. Do jakich zacisków przerywacza (rys. 2) należy przyłączyć źródło słabego prądu? Jak zmieni się siła podnoszenia elektromagesu, jeżeli przesuniemy suwak opornika w prawo (rys. 3)? Odpowiedź uzasadnij.
5. Na rys. 4 podano schemat budowy automatu, który pracuje przy określonej temperaturze. Podaj główne części urządzenia, wyjaśnij zasadę działania. Gdzie można stosować takie urządzenia?
6. Za pomocą rys, 5, wyjaśnij, jak pracuje dzwonek elektryczny. Jeżeli nie dasz rady, to zwróć się do dodatkowych źródeł informacji.
7. Wykorzystaj dodatkowe źródła informacji i dowiedz się o technologii separacji magnetycznej i o tym, w jakich urządzeniach stosuje się dana technologia. Przygotuj krótką informację.
8. Podaj charakterystykę siły jako wielkości fizycznej: co ona charakteryzuje, jakim symbolem oznacza się, jest wielkością skalarną czy wektorową, w jakich jednostkach Układu SI jest mierzona?
Doświadczenie
Sporządź najprostszy elektromagnes: nawiń na gwóźdź żelazny izolowany drut i przyłącz go do baterii ogniw galwanicznych (patrz rys. 1). Rozerwij obwód, umocuj elektromagnes poziomo na określonej odległości od powierzchni stołu. Wymieszaj drobne kawałeczki papieru, ziarna ryżu i drobne przedmioty żelazne (lepiej wiórki). Zamknij obwód. Powoli sypiąc mieszaninę przez główkę gwoździa, wyodrębnij przedmioty żelazne.
PRACA LABORATORYJNA NR 1
Temat. Konstruowanie elektromagnesu i sprawdzanie jego działania.
Cel: nauczyć się sporządzać najprostszy elektromagnes, wyjaśnić od czego zależy jego magnetyczne działanie.
Przyrządy: amperomierz, ciało-próbnik lub si-
łomierz, igła magnetyczna lub kompas, izolowany drut miedziany, źródło prądu stałego, dwa pręty (lub wielkie gwoździe), wiórki żelazne, opornik suwakowy, wyłącznik, przewody połączeniowe, statyw (w przypadku wykorzystania siłomierza).
Wiadomości teoretyczne
Dla określenia magnetycznego działania elektromagnesu wykorzystaj ciało — próbnik (rys. 1). Składa się ono z płytki stalowej (1), przymocowanej za pomocą sprężyny (2) w środku obudowy plastykowej (3). Gdy podnieść ciało do elektromagnesu, to jego pole będzie działać na płytkę ciała. Płytka będzie przyciągać się do elektromagnesu tym bardziej, im silniejsze będzie jego działanie magnetyczne. Wartość siły przyciągania określa się według skali naniesionej na płytkę stalową ciała. W wypadku, gdy ciała takiego nie ma, magnetyczne działanie elektromagnesu można ocenić za pomocą siłomierza (patrz rys. 6.1).
WYKONANIE PRACY Przygotowanie się do doświadczenia
1. Przed początkiem pracy, przypomnij:
1) wymagania bezpieczeństwa podczas pracy z obwodami elektrycznymi;
2) zasady, których należy przestrzegać podczas mierzenia natężenia prądu amperomierzem;
3) jak zależy magnetyczne działanie elektromagnesu od natężenia prądu, ilości zwojów i rdzenia żelaznego.
2. Określ wartość podziałki skal amperomierza i siłomierza.
Doświadczenie
1. Sporządź dwa elektromagnesy o różnej ilości zwojów w uzwojeniu. Weź dwa jednakowe pręty i nawiń na nich różną ilość zwojów izolowanego drutu miedzianego: na jeden pręt - 20 zwojów, na drugi - 40.
2. Weź elektromagnes o większej ilości zwojów, zmontuj obwód elektryczny, zgodnie ze schematem pokazanym na rys. 2.
B. Zamknij obwód i przekonaj się, źe elektromagnes przyciąga wiórki żelazne, czyli przejawia właściwości magnetyczne.
4. Za pomocą igły magnetycznej lub kompasu określ bieguny elektromagnesu. Opisz swoje działania.
5. Wyjaśnij, od czego zależy działanie magnetyczne elektromagnesu.
1) Za pomocą opornika ustaw w uzwojeniu elektromagnesu o większej ilości zwojów natężenie 0,5 A, następnie 1,5 A. Porównaj działanie magnetyczne elektromagnesu przy różnych wartościach natężenia prądu w uzwojeniu.
2) Wyciągnij pręt z uzwojenia i ustaw w uzwojeniu natężenie prądu 1,5 A. Wyjaśnij, jak wpływa rdzeń na magnetyczne działanie elektromagnesu.
3) Zmontuj obwód elektryczny (patrz rys. 2) z elektromagnesem o mniejszej ilości zwojów. Za pomocą opornika ustaw w obwodzie prąd o natężeniu 1,5 A. Określ, jak wpływa zmniejszenie ilości zwojów na magnetyczne działanie elektromagnesu.
Analiza wyników doświadczenia
Przeanalizuj doświadczenie i jego wyniki. Wyciągnij wniosek, w którym zaznacz, jak zależy magnetyczne działanie elektromagnesu od natężenia prądu, ilości zwojów w uzwojeniu, rdzenia żelaznego.
Zadanie twórcze
Czy można nawinąć uzwojenie elektromagnesu tak, aby przy przyłączeniu jego do źródła prądu na obu końcach elektromagnesu otrzymać bieguny południowe? Sprawdź siebie doświadczalnie.
Źródło: Fizyka podręcznik dla klasy 9 Barjachtar