Номер 59.14, страница 210 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

Глава 8. Магнитные и электромагнитные явления. Параграф 59. Магнитное поле проводника с током - номер 59.14, страница 210.

Условие.

59.14 [ $1466^0$ ] Почему магнитное действие катушки, по которой идёт ток, усиливается, когда в неё вставляют железный сердечник?

Решение.

Решение 3.

Решение 4.

Решение 5.

Решение 6.

Решение 7.

Магнитное действие катушки с током усиливается при введении в нее железного сердечника из-за уникальных магнитных свойств железа, которое является ферромагнетиком. Этот эффект можно объяснить в несколько этапов.

1. Магнитное поле катушки без сердечника

Катушка, по которой протекает электрический ток (соленоид), создает внутри себя магнитное поле. Индукция этого поля, обозначим ее $B_0$, зависит от силы тока $I$, числа витков на единицу длины $n$ и магнитных свойств среды внутри катушки. В вакууме или воздухе индукция поля определяется формулой: $B_0 = \mu_0 n I$, где $\mu_0$ — магнитная постоянная.

2. Свойства железного сердечника

Железо является ферромагнитным материалом. Его структура состоит из микроскопических областей, называемых магнитными доменами. В каждом домене существует сильное внутреннее магнитное поле, так как магнитные моменты атомов в нем сориентированы в одном направлении. Однако в обычном, ненамагниченном куске железа, эти домены ориентированы хаотично, и их поля взаимно компенсируют друг друга. В результате суммарное магнитное поле равно нулю.

3. Процесс намагничивания сердечника

Когда железный сердечник вставляют в катушку с током, он оказывается во внешнем магнитном поле $B_0$. Под действием этого поля магнитные домены в железе начинают выстраиваться преимущественно в направлении этого поля. Чем сильнее внешнее поле, тем больше доменов ориентируется по его направлению. В результате этого процесса железо само становится сильным магнитом и создает собственное магнитное поле $B_{серд}$.

4. Усиление общего поля

Собственное магнитное поле намагниченного сердечника $B_{серд}$ направлено в ту же сторону, что и первоначальное поле катушки $B_0$. Согласно принципу суперпозиции, результирующее магнитное поле $B$ внутри катушки становится равным сумме этих полей: $B = B_0 + B_{серд}$.

Поскольку железо — сильный ферромагнетик, создаваемое им поле $B_{серд}$ может быть в сотни и тысячи раз больше, чем поле катушки $B_0$, которое его вызвало. Способность вещества усиливать магнитное поле характеризуется относительной магнитной проницаемостью $\mu$. Для железа $\mu \gg 1$. Итоговая индукция поля выражается формулой: $B = \mu \mu_0 n I = \mu B_0$. Таким образом, магнитное действие катушки усиливается в $\mu$ раз.

Ответ: Железный сердечник является ферромагнетиком и под действием магнитного поля катушки сильно намагничивается. Его собственное мощное магнитное поле складывается с полем катушки, что приводит к многократному усилению результирующего магнитного поля.