Номер 11, страница 158 - гдз по физике 8 класс учебник Кронгарт, Насохова

11. Почему магнитное поле электромагнита сильнее поля соленоида?

10. Решение:

Магнитное действие катушки с током (которую также называют соленоидом) определяется величиной индукции создаваемого ею магнитного поля. Для длинного соленоида индукция магнитного поля $B$ внутри него можно рассчитать по формуле:

$B = \mu_0 \mu n I$

где $\mu_0$ – это магнитная постоянная, $\mu$ – относительная магнитная проницаемость вещества внутри катушки, $n$ – число витков на единицу длины катушки ($n = N/L$, где $N$ – общее число витков, а $L$ – длина катушки), $I$ – сила тока в обмотке катушки.

Анализируя эту формулу, можно выделить три основных способа усиления магнитного поля катушки:

1. Увеличить силу тока $I$ в обмотке. Индукция магнитного поля прямо пропорциональна силе тока. Увеличивая ток, мы прямо пропорционально увеличиваем и силу магнитного поля.

2. Увеличить число витков на единицу длины $n$. Этого можно достичь либо увеличив общее количество витков $N$ на той же длине, либо сделав намотку более плотной, то есть уменьшив длину $L$ при том же числе витков. Чем гуще намотан провод, тем сильнее поле.

3. Ввести внутрь катушки сердечник из ферромагнитного материала. Ферромагнетики (например, железо, кобальт, никель и их сплавы) обладают свойством значительно усиливать магнитное поле. Это свойство характеризуется относительной магнитной проницаемостью $\mu$. Для воздуха $\mu$ приблизительно равна 1, а для мягкой стали может достигать нескольких тысяч. Сердечник намагничивается и создает собственное мощное магнитное поле, которое складывается с полем катушки, многократно усиливая его.

Ответ: Магнитное действие катушки с током можно усилить следующими способами: увеличить силу тока в обмотке, увеличить число витков на единицу длины катушки или ввести внутрь катушки сердечник из ферромагнитного материала (например, железа).

11. Решение:

Соленоид представляет собой катушку из провода, по которой пропускают электрический ток для создания магнитного поля. Электромагнит — это тот же соленоид, но с важным дополнением: внутрь него помещен сердечник из ферромагнитного материала, обычно из мягкого железа.

Причина, по которой магнитное поле электромагнита намного сильнее поля соленоида (без сердечника), кроется именно в свойствах этого ферромагнитного сердечника.

Ферромагнитные материалы состоят из множества микроскопических областей, называемых доменами. Каждый домен ведет себя как крошечный постоянный магнит. В обычном состоянии ориентация этих доменов хаотична, и их магнитные поля взаимно компенсируют друг друга, поэтому материал в целом не проявляет магнитных свойств.

Когда соленоид (катушку) подключают к источнику тока, создаваемое им магнитное поле пронизывает сердечник. Под действием этого внешнего поля домены в сердечнике начинают переориентироваться, выстраиваясь преимущественно в одном направлении — по направлению поля катушки. В результате их собственные магнитные поля складываются, и сердечник сам становится сильным магнитом, создающим мощное магнитное поле.

Итоговое магнитное поле электромагнита является суммой двух полей:

• поля, создаваемого непосредственно витками с током (как в обычном соленоиде);
• поля, создаваемого намагниченным ферромагнитным сердечником.

Поле, создаваемое сердечником, оказывается во много раз (в сотни, а то и в тысячи раз) сильнее исходного поля катушки. Эта способность вещества усиливать магнитное поле описывается относительной магнитной проницаемостью $\mu$. Для поля соленоида в воздухе ($\mu \approx 1$) индукция равна $B_{сол} = \mu_0 n I$. Для электромагнита с сердечником индукция $B_{эм} = \mu_0 \mu n I$. Поскольку для железа $\mu \gg 1$, то и поле электромагнита $B_{эм}$ значительно сильнее поля соленоида $B_{сол}$.

Ответ: Магнитное поле электромагнита сильнее поля соленоида, так как внутри электромагнита находится сердечник из ферромагнитного материала (например, железа). Под действием поля катушки сердечник сильно намагничивается и создает собственное мощное магнитное поле, которое складывается с полем катушки, многократно усиливая результирующее поле.