Магниты и электромагниты

Магнитное притяжение (или отталкивание) объясняется тем, что каждому магниту сопутствует расположенное в пространстве вокруг него внешнее магнитное иоле, способное взаимодействовать на расстоянии с другими магнитными полями. Так, два магнита притягиваются друг к другу, если сближать их разноименные полюса, и отталкиваются, когда сближаемые полюса одноименны.

При помещении в магнитное поле железа возникает явление магнитной индукции, в результате которого железо оказывается тоже намагниченным, обладающим собственным магнитным полем. Взаимодействуя с основным полем, индуктированное поле вызывает только притяжение железа. Факт появления индуктированной намагниченности у железа, помещаемого в магнитное поле, обычно подтверждают с помощью опыта, когда кучка гвоздей притягивается к магниту, образуя гроздь, в которой гвозди прилипают не только к полюсам, но и друг к другу. Достаточно убрать магнит, как вся гроздь рассыпается, и гвозди оказываются совершенно неспособными взаимно притягиваться.

Магнитная индукция возможна лишь в телах, называемых ферромагнитными, к которым относятся железо, сталь, никель, кобальт и ряд сплавов этих металлов.

В отличие от электрического поля, силовые линии которого всегда разомкнуты, так как они начинаются на положительных зарядах и кончаются на отрицательных, магнитные поля образованы всегда замкнутыми линиями, исходящими из северного полюса магнита и входящими в южный. Внутри тела магнита силовые линии идут от южного полюса к северному.

Внешние магнитные поля магнитов, а также индуктированные этими полями вторичные поля у кусочков железа удобно наблюдать с помощью железных опилок, располагающихся при разбрасывании на листке бумаги, покрывающем магнитные полюса, в виде некоторого спектра линий, густота которых и направление характеризуют вид поля.

Для определения наличия и основных характеристик слабых магнитных полей более пригоден метод их исследования с помощью магнитной стрелки, которая ориентируется всегда вдоль силовых линий исследуемого магнитного поля. Именно с помощью магнитных стрелок было обнаружено, что вокруг каждого проводника с током возникает цилиндрическое магнитное поле, пропорциональное силе тока и состоящее из замкнутых концентрических силовых линий. На рис. 8 показан опыт, подтверждающий магнитные свойства проводника с током.

Если проводник с током свернуть в кольцо или лучше в многовитковую катушку, магнитное поле такой катушки по форме и свойствам ничем не будет отличаться от поля постоянного магнита. Поле это усилится, если внутрь катушки поместить железный сердечник, и такую систему называют уже электромагнитом.

О сущности магнетизма известно несколько гипотез. По одной из них поля постоянных магнитов возникают благодаря действию некоторых электрических токов, находящихся внутри магнита. Такими элементарными круговыми токами являются электронные орбиты отдельных атомов. В ненамагниченном куске стали, например, как и во всяком проводнике, далеко не все планетарные электроны свободны. Наиболее близкие к центру атома электроны обращаются лишь вокруг собственных ядер, но вращение это происходит в разных случайно ориентированных плоскостях, вследствие чего внешнего магнитного эффекта нет. Если же поместить сталь в магнитное поле, ее близкие к ядрам атомов электроны начнут вращаться в параллельных друг другу плоскостях, причем магнитные действия их суммируются.

Если теперь убрать намагничивающее поле, плоскости электронных орбит всех атомов, связанных их суммарным магнитным потоком, сохранят приданную им параллельность, а кусок стали сохранит появившееся у него собственное внешнее магнитное поле: говорят, что сталь намагничена.

Магниты и электромагниты

Рис. 8. Иллюстрация магнитных свойств тока.

 

В железе, временно помещаемом в сильное магнитное поле, упорядочение расположения электронных орбит также имеет место, но лишь немногие орбиты сохраняют приданную им позицию после того, как намагничивающее поле будет убрано. Этим и объясняется, что железо не сохраняет намагниченности, а несет в себе лишь слабые следы остаточного магнетизма после того, как было временно подвергнуто воздействию сильного намагничивающего поля. В немагнитных материалах (например, латунь, алюминий и др.) тоже имеются ближние электронные орбиты, однако их положение в пространстве под воздействием магнитных полей не изменяется, поэтому магнитной индукции в них нет.

Объяснение магнитных явлений действием круговых токов распространяется даже и на магнитное поле земли. Земной шар, окруженный вращающейся вместе с ним атмосферой с постоянно присутствующими в ней скоплениями зарядов, оказывается как бы охваченным витком мощного тока, который и создает магнитное поле земли.

 

Магнитное поле катушки, обмотка которой содержит п витков, в п раз сильнее магнитного поля одиночного витка. В то же время магнитное поле катушки тем сильнее, чем больший ток протекает по ее обмотке. Поэтому полная характеристика магнитных свойств катушки с током дается допустимым числом ампервитков, при котором катушка может создавать магнитное поле, не повреждаясь от перегрева.

 

Магниты и электромагниты

Рис. 9. Схемы реле и электрического звонка.

Намагничивание с помощью электротока весьма широко используется в технике. Достаточно сказать, что это явление используется во всех без исключения электромоторах и почти во всех исполнительных механизмах, действующих от электротока. И в электрозвонках, и в телефонных аппаратах, а также в другой аппаратуре сигнализации и связи используется множество всевозможных электромагнитных реле, с помощью которых осуществляется дистанционное управление различными устройствами, практически без ограничения расстояния.

На рис. 9 а показано устройство реле, пригодного для дистанционного замыкания электрических цепей, которые могут быть подведены к рабочим контактам реле К1 и К2. При замыкании цепи питания обмотки реле его якорь Я, притягиваясь к сердечнику С, сближает контакты до соприкосновения, а при выключении питания дает им возможность разойтись. На этом же рисунке показано условное обозначение реле, работающего на размыкание контактов (б).

На рис. 9 в показано устройство электрического звонка, молоточек которого будет автоматически колебаться в течение всего времени, пока нажатием кнопки Кн цепь питания звонка замкнута. Колебания возникают и поддерживаются из-за наличия автоматического прерывания питающего тока в контакте К при каждом притяжении якоря Я сердечником С.

Смотрите также