Вправа № 14
1. Яка з котушок виявляє найбільшу магнітну дію, коли в її витках протікає струм?
Найбільшу магнітну дію виявляє котушка А, оскільки за однакової сили струму індукція магнітного поля тим більша, чим більша густина та кількість витків у котушці.
2. На якому рисунку зображено електромагніт, сила притягання якого є найменшою? Обґрунтуйте свою відповідь.
Найменшу силу притягання має електромагніт А. Сила магнітного поля електромагніту пропорційна силі струму в ньому та кількості витків. Електромагніт А підключений до джерела з найменшою напругою (відповідно, має найменшу силу струму порівняно з Б) і має меншу кількість витків дроту, ніж зразок В.
3. Замість магнітом’якої сталі для виготовлення осердя електромагніту використали магнітожорсткий матеріал. Які недоліки матиме такий електромагніт?
Магнітожорсткий матеріал має високу залишкову намагніченість. Після вимкнення електричного струму такий електромагніт не перестане діяти, а перетвориться на постійний магніт і продовжуватиме утримувати предмети. Це унеможливить швидке керування та призведе до додаткових втрат енергії на перемагнічування.
4. Визначте полюси електромагніту на рис. 1.
Струм тече у колі від позитивного полюса джерела («$+$», довга риска) до негативного («$-»$, коротка риска). За правилом правої руки охоплюємо котушку так, щоб пальці були спрямовані за струмом на передній стороні витків (угору). Тоді великий палець, відігнутий ліворуч, вказує на північний полюс. Отже, лівий торець осердя — це північний полюс ($N$), а правий торець — південний полюс ($S$).
5. Виконайте порівняльний аналіз властивостей постійних магнітів та електромагнітів.
| Характеристика | Постійний магніт | Електромагніт |
|---|---|---|
| Джерело поля | Власна орієнтація магнітних моментів у речовині | Електричний струм, що протікає по обмотці |
| Керування дією | Діє постійно, поле не можна вимкнути | Поле виникає під час увімкнення струму та зникає після вимкнення |
| Регулювання сили | Магнітні властивості постійні | Силу поля можна змінювати регулюванням струму або зміною числа витків |
| Зміна полюсів | Полюси фіксовані | Полюси можна міняти місцями, змінивши напрямок струму |
6. Поясніть, чому осердя з феромагнітного матеріалу посилює магнітну дію котушки зі струмом.
У феромагнетиках існують ділянки спонтанної намагніченості (домени). Під дією зовнішнього поля струму домени переорієнтовуються вздовж ліній цього поля. Власне потужне магнітне поле осердя додається до поля котушки, підсилюючи результуюче магнітне поле в сотні й тисячі разів.
7. Як зміниться підіймальна сила електромагніту, якщо пересунути повзунок реостата праворуч (рис. 2)? Відповідь обґрунтуйте.
Підіймальна сила електромагніту збільшиться. Під час зміщення повзунка реостата праворуч довжина робочої частини провідника зменшується, відповідно, опір кола зменшується ($R \downarrow$). Згідно із законом Ома ($I = \dfrac{U}{R}$), сила струму в колі зростає ($I \uparrow$), що спричиняє посилення магнітного поля та збільшення підіймальної сили.
8. На рис. 3 подано схему будови пристрою, який автоматично спрацьовує за певної температури. Назвіть основні частини цього пристрою, поясніть принцип його дії. Де доцільно встановлювати такі автоматичні пристрої?
Основні частини: рідинний контактний термометр, джерело постійного струму, електромагнітне реле (котушка з осердям та підпружинений якір із контактами), електричний дзвінок або сирена з власним джерелом живлення.
Принцип дії: за підвищення температури ртуть у термометрі розширюється й доходить до верхнього контакту, замикаючи коло електромагніту. Магнітне поле котушки притягує залізний якір, який замикає контур дзвінка — лунає сигнал тривоги.
Застосування: системи пожежної безпеки та автоматичного температурного контролю на складах, у серверних приміщеннях, теплицях, інкубаторах та хімічних лабораторіях.
9. Скориставшись рис. 4, спробуйте розібратися, як працює електричний дзвінок.
- При натисканні кнопки $4$ коло замикається: струм від джерела $5$ тече через пружину $6$, контактний гвинт $7$ і котушку електромагніту $3$.
- Електромагніт притягує якір із молоточком $1$, який б’є по металевій чаші $2$.
- У момент притягання якоря контакт між пружиною $6$ та гвинтом $7$ розривається.
- Струм у котушці зникає, магнітне поле відсутнє, і пружина повертає якір у вихідне положення.
- Контакт знову замикається, і цикл повторюється доти, доки кнопку $4$ утримують натиснутою.
Top Skills: Робота з інформацією
1. Які елементи входять до конструкції електромагніту Біттера?
До конструкції електромагніту Біттера входять елементи: А (мідні диски), Б (діелектричні пластини-ізолятори) та Г (водяні канали/трубки для охолодження).
2. Чому дорівнює індукція магнітного поля, яке створює сучасний електромагніт Біттера? Які можливі сфери його застосування?
Індукція магнітного поля сучасного електромагніту Біттера сягає $36\text{ Тл}$. Основні галузі застосування — фундаментальні наукові дослідження у фізиці надпровідності, фізиці плазми, термоядерному синтезі та матеріалознавстві.
3. Який висновок щодо значення індукції магнітного поля Землі можна зробити на основі інформації, що міститься в тексті?
Якщо магнітне поле індукцією $B = 36\text{ Тл}$ перевищує земне приблизно в $10^6$ разів, то індукція магнітного поля Землі становить:
$$B_{\text{Землі}} \approx \dfrac{36\text{ Тл}}{10^6} = 36\cdot 10^{-6}\text{ Тл} = 36\text{ мкТл}$$
4. Яку проблему розв’язують водяні трубки, що розташовані всередині електромагніту? Відповідь обґрунтуйте.
Трубки охолодження відводять теплову енергію. За величезних струмів, що живлять електромагніт потужністю у мегавати, згідно із законом Джоуля — Ленца ($Q = I^2 R t$) виділяється колосальна кількість теплоти. Без постійного водяного охолодження мідні диски розплавляться, а ізоляція згорить.
5. Оцініть: а) у скільки разів енерговитрати на роботу електромагніту Біттера більші за енерговитрати на роботу найпотужнішого пристрою, який є у вас удома; б) за який приблизно час наповнювалася б домашня ванна, якби її наповнювала система, що охолоджує електромагніт Біттера.
а) Потужність електромагніту Біттера становить $P_1 \approx 3\text{–}5\text{ МВт} = (3\text{–}5)\cdot 10^6\text{ Вт}$. Потужність домашнього електрочайника чи варильної панелі становить $P_2 \approx 2000\text{–}3000\text{ Вт}$. Співвідношення:
$$\dfrac{P_1}{P_2} \approx \dfrac{4\cdot 10^6\text{ Вт}}{2000\text{ Вт}} \approx 2000$$
Енерговитрати більші приблизно в $1000\text{–}2500$ разів.
б) Об’єм басейну довжиною $25\text{ м}$ становить близько $V_{\text{бас}} \approx 400\text{ м}^3 = 400\,000\text{ л}$. Швидкість прокачування води системою:
$$v = \dfrac{400\,000\text{ л}}{3600\text{ с}} \approx 111\text{ л/с}$$
Об’єм стандартної ванни $V_{\text{ван}} \approx 150\text{–}200\text{ л}$. Час її наповнення складе:
$$t = \dfrac{V_{\text{ван}}}{v} \approx \dfrac{200\text{ л}}{111\text{ л/с}} \approx 1{,}8\text{ с}$$
Ванна наповнилася б усього за $1\text{–}2\text{ секунди}$.