Страница 186 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин, Иванов

1. В каком направлении устанавливается катушка с током, подвешенная на длинных тонких проводниках? В чём её сходство с магнитной стрелкой?

1. В каком направлении устанавливается катушка с током, подвешенная на длинных тонких проводниках? В чём её сходство с магнитной стрелкой?

Катушка с током, подвешенная таким образом, чтобы она могла свободно вращаться (например, на длинных тонких проводниках), ведёт себя как магнитный диполь. Протекающий по виткам электрический ток создает вокруг катушки магнитное поле, аналогичное полю постоянного стержневого магнита. У этой катушки, как и у любого магнита, есть два полюса — северный (N) и южный (S). Определить их расположение можно по правилу правой руки: если обхватить катушку правой рукой так, чтобы четыре пальца указывали направление тока в витках, то отогнутый большой палец укажет на северный полюс катушки.

Находясь в магнитном поле Земли, катушка с током испытывает ориентирующее действие этого поля. В результате она поворачивается и устанавливается так, чтобы её собственная ось была направлена вдоль линий индукции магнитного поля Земли. Это означает, что катушка ориентируется по направлению "север-юг": её северный полюс будет указывать на Северный географический полюс Земли (где находится Южный магнитный полюс), а южный полюс — на Южный географический полюс.

Сходство катушки с током и магнитной стрелки заключается в том, что обе они по своей сути являются магнитными диполями. И катушка, и стрелка компаса создают собственное магнитное поле с двумя полюсами и, будучи помещенными во внешнее магнитное поле, испытывают вращающий момент, который стремится сориентировать их вдоль силовых линий этого поля. Таким образом, свободно подвешенная катушка с током является полным аналогом магнитной стрелки.

Ответ: Катушка с током, подвешенная на длинных тонких проводниках, устанавливается своей осью вдоль линий магнитного поля Земли, то есть в направлении "север-юг". Её сходство с магнитной стрелкой в том, что они обе являются магнитными диполями, имеют северный и южный полюсы и ориентируются во внешнем магнитном поле.

2. Перечислите способы, которыми можно усилить магнитное поле катушки с током.

Магнитное поле, создаваемое катушкой с током (соленоидом), можно усилить несколькими способами. Величина индукции магнитного поля внутри длинного соленоида описывается формулой: $B = \mu_0 \mu_r n I$, где $B$ — индукция магнитного поля, $\mu_0$ — магнитная постоянная, $\mu_r$ — относительная магнитная проницаемость сердечника, $n$ — число витков на единицу длины катушки ($n = N/L$), $I$ — сила тока. Исходя из этой формулы, можно выделить три основных способа усиления поля:

1. Увеличить силу тока $I$, протекающего по виткам катушки. Индукция магнитного поля прямо пропорциональна силе тока, поэтому, например, удвоение тока приведет к удвоению индукции поля.

2. Увеличить число витков на единицу длины $n$. Этого можно достичь двумя путями: либо намотать большее общее число витков $N$ на ту же длину $L$, либо уменьшить длину катушки $L$, сохранив прежнее число витков (то есть сделать намотку более плотной).

3. Ввести внутрь катушки сердечник из ферромагнитного материала. Ферромагнетики (например, железо, сталь, никель и их сплавы) имеют очень высокую относительную магнитную проницаемость $\mu_r$, которая может быть в сотни и тысячи раз больше единицы. Сердечник из такого материала концентрирует и значительно усиливает исходное магнитное поле катушки.

Ответ: Способы усиления магнитного поля катушки: 1) увеличить силу тока в обмотке; 2) увеличить число витков на единицу длины катушки (увеличить общее число витков или сделать намотку более плотной); 3) ввести внутрь катушки сердечник из ферромагнитного материала (например, железа).

2. Перечислите способы, которыми можно усилить магнитное действие катушки с током?

2. Перечислите способы, которыми можно усилить магнитное действие катушки с током?

Магнитное действие катушки с током (соленоида) характеризуется величиной магнитной индукции $B$. Для длинного соленоида она определяется по формуле: $B = \mu_0 \mu n I = \mu_0 \mu \frac{N}{L} I$ где $\mu_0$ — магнитная постоянная, $\mu$ — магнитная проницаемость среды внутри катушки, $N$ — число витков, $L$ — длина катушки, $n$ — число витков на единицу длины, $I$ — сила тока в катушке.

Исходя из этой формулы, существуют три основных способа усилить магнитное действие катушки с током:

1. Увеличение силы тока в катушке. Магнитное поле прямо пропорционально силе тока ($B \sim I$). Чем больше сила тока, проходящего по виткам катушки, тем сильнее создаваемое ею магнитное поле.

2. Увеличение числа витков в катушке. При сохранении длины катушки увеличение общего числа витков $N$ приводит к увеличению плотности намотки $n$, что усиливает магнитное поле ($B \sim N$).

3. Введение внутрь катушки сердечника из ферромагнитного материала. Материалы, такие как железо, сталь, никель, кобальт и их сплавы, являются ферромагнетиками. Они обладают очень высокой магнитной проницаемостью ($\mu \gg 1$). Внесение такого сердечника внутрь катушки многократно (в сотни и тысячи раз) усиливает ее магнитное поле.

Ответ: Усилить магнитное действие катушки с током можно путем увеличения силы тока в ней, увеличения числа ее витков или введения внутрь катушки железного сердечника (или сердечника из другого ферромагнетика).

3. Что называют электромагнитом?

Электромагнит — это устройство, создающее магнитное поле при прохождении через него электрического тока. В простейшем виде электромагнит представляет собой катушку из изолированного провода, намотанного на каркас.

Ключевой особенностью электромагнита является то, что его магнитное поле существует только тогда, когда по обмотке течет ток. При отключении тока магнитное поле практически полностью исчезает. Это позволяет управлять магнитным полем — включать и выключать его, а также изменять его величину, регулируя силу тока.

Для значительного усиления магнитного поля внутрь катушки обычно помещают сердечник из магнитомягкого материала (например, мягкой стали), который легко намагничивается и размагничивается. Такая конструкция и называется электромагнитом в наиболее распространенном понимании.

Ответ: Электромагнитом называют катушку с железным сердечником внутри, которая становится магнитом при пропускании через ее обмотку электрического тока.

3. Что называют электромагнитом?

3. Электромагнит — это устройство, которое создаёт магнитное поле при прохождении через него электрического тока. Как правило, он состоит из обмотки (катушки с изолированным проводом) и ферромагнитного сердечника (чаще всего из мягкой стали), который находится внутри обмотки.

Принцип действия электромагнита заключается в следующем: когда по виткам катушки начинает течь электрический ток, вокруг неё возникает магнитное поле. Ферромагнитный сердечник, помещенный в это поле, намагничивается и значительно (в сотни и тысячи раз) усиливает его, так как он обладает высокой магнитной проницаемостью и концентрирует магнитные силовые линии.

Главное преимущество и особенность электромагнита в том, что его магнитное поле легко управляемо. Его можно включать и выключать, подавая или прекращая подачу тока. Силу магнитного поля можно регулировать, изменяя силу тока в обмотке, количество витков или материал сердечника. Магнитная индукция $B$ внутри длинного соленоида с сердечником может быть рассчитана по формуле: $B = \mu_0 \mu n I$, где $\mu_0$ — магнитная постоянная, $\mu$ — магнитная проницаемость материала сердечника, $n$ — число витков на единицу длины катушки, а $I$ — сила тока.

Ответ: Электромагнитом называют катушку с железным сердечником внутри, которая проявляет магнитные свойства (становится магнитом) только во время протекания по её обмотке электрического тока.

4. На заводах электромагниты применяются для выполнения различных технологических операций, где требуется мощное и управляемое магнитное поле. Основные цели их использования:

• Подъем и транспортировка грузов. Мощные грузоподъемные электромагниты, устанавливаемые на краны, служат для захвата и перемещения массивных изделий из черных металлов (сталь, чугун). Это очень удобно для работы с металлоломом, стальными плитами, рельсами, трубами, так как не требует строповки груза.
• Сепарация материалов. Электромагнитные сепараторы используются для отделения ферромагнитных материалов от немагнитных. Например, на обогатительных фабриках так отделяют железную руду от пустой породы, а на заводах по переработке мусора — извлекают стальные и железные предметы из общего потока отходов.
• Привод и управление. Электромагниты являются основой многих исполнительных устройств. В электромагнитных реле они замыкают и размыкают контакты в силовых цепях по команде от слаботочного сигнала. В электромагнитных клапанах они открывают или закрывают проход для жидкостей и газов в промышленных установках.
• Фиксация деталей. На металлообрабатывающих станках (например, плоскошлифовальных) применяют электромагнитные плиты, которые позволяют быстро и надежно закрепить стальную заготовку для ее обработки.

Ответ: На заводах электромагниты используют для подъема и перемещения грузов из черных металлов (электромагнитные краны), для отделения магнитных материалов от немагнитных (сепараторы), для фиксации деталей на станках, а также в качестве составных частей различных устройств автоматики (реле, клапаны).

4. Для каких целей используют на заводах электромагниты?

Решение

Электромагниты находят широкое применение на заводах и в промышленности благодаря своей уникальной способности создавать сильное магнитное поле, которым можно управлять. В отличие от постоянных магнитов, электромагнит можно включать, выключать и регулировать его силу, изменяя электрический ток в обмотке. Это свойство делает их незаменимыми для множества технологических процессов.

Основные цели использования электромагнитов на заводах:

• Подъем и перемещение грузов

  Мощные грузоподъемные электромагниты, устанавливаемые на кранах, служат для подъема и транспортировки ферромагнитных материалов, таких как металлолом, стальные листы, слитки, трубы и стружка. Это позволяет быстро и безопасно перемещать большие объемы металла без необходимости использовать стропы или крюки. При отключении тока магнитное поле исчезает, и груз мгновенно освобождается в нужном месте.

• Магнитная сепарация

  Электромагнитные сепараторы применяются для отделения ферромагнитных материалов от немагнитных. Например:

  • На горно-обогатительных комбинатах они служат для извлечения железной руды из пустой породы.
  • На мусороперерабатывающих заводах — для отделения черных металлов (железа, стали) от других видов отходов (пластика, стекла, бумаги).
  • В пищевой, химической и других отраслях промышленности — для удаления случайных металлических примесей из сыпучего сырья, что обеспечивает чистоту конечного продукта и защищает технологическое оборудование от повреждений.

• Фиксация и зажим деталей

  Электромагнитные патроны и плиты используются на металлообрабатывающих станках (например, шлифовальных, фрезерных) для надежной и быстрой фиксации заготовок из стали и чугуна. При подаче тока электромагнит создает мощную силу притяжения, которая неподвижно удерживает деталь во время ее обработки, что повышает точность и ускоряет производственный процесс.

• Исполнительные механизмы в системах автоматики

  Электромагниты являются ключевыми компонентами во многих устройствах автоматического управления:

  • Электромагнитные клапаны (соленоиды) мгновенно открывают или перекрывают потоки жидкостей и газов в трубопроводах по электрическому сигналу.
  • Электромагнитные реле и контакторы используются для коммутации (включения и выключения) мощных электрических цепей (например, двигателей) с помощью слабого управляющего сигнала, обеспечивая дистанционное и автоматическое управление.
  • Электромагнитные тормоза и муфты применяются в станках, конвейерах и подъемниках для быстрого и точного останова или для плавного соединения/разъединения вращающихся валов.

• Индукционный нагрев и плавка металлов

  Хотя здесь используется переменное магнитное поле, принцип основан на электромагнетизме. В индукционных печах мощная катушка-индуктор создает переменное магнитное поле, которое наводит в находящемся внутри металле сильные вихревые токи (токи Фуко). Эти токи, протекая по металлу, вызывают его интенсивный разогрев и плавление. Это современный, быстрый, точный и экологически чистый способ плавки металлов.

Ответ: На заводах электромагниты используют для следующих основных целей: подъем и перемещение ферромагнитных грузов (металлолома, стали); сепарация (отделение) магнитных материалов от немагнитных; фиксация деталей на станках; в качестве исполнительных механизмов в системах автоматики (реле, клапаны, тормоза); для индукционного нагрева и плавки металлов.

5. Как устроен магнитный сепаратор для зерна?

5. Магнитный сепаратор для зерна — это устройство, предназначенное для удаления из зерновой массы металломагнитных примесей (частиц железа, стали, их сплавов), которые могут попасть в продукт во время сбора урожая, транспортировки или переработки. Работа сепаратора основана на различии магнитных свойств зерна и металлических включений.

Принцип действия сепаратора базируется на силе магнитного притяжения. Зерно является диамагнетиком, то есть оно практически не взаимодействует с магнитным полем. Металлические примеси (ферромагнетики), в свою очередь, сильно притягиваются к магниту. Когда смешанный поток зерна и примесей проходит через сильное магнитное поле, создаваемое сепаратором, ферромагнитные частицы задерживаются на магнитном элементе, в то время как зерно свободно продолжает свое движение под действием силы тяжести и инерции.

Наиболее распространенной конструкцией является барабанный магнитный сепаратор. Он включает в себя следующие основные части: загрузочный бункер, куда поступает неочищенное зерно; питающий механизм (например, вибролоток) для равномерной подачи зерна тонким слоем; вращающийся барабан из немагнитного материала (нержавеющей стали); стационарную магнитную систему из мощных магнитов, расположенную неподвижно внутри барабана и занимающую часть его окружности; разделительную планку (делитель) для физического разделения потоков; и два выходных патрубка — один для очищенного зерна, другой для металлических отходов.

Процесс очистки происходит следующим образом: зерновая масса подается на вращающийся барабан. При прохождении над магнитной системой чистое зерно не меняет своей траектории и, сходя с барабана, попадает в соответствующий патрубок. Металлические примеси прилипают к поверхности барабана под действием магнитного поля. Вращающаяся внешняя часть барабана переносит их дальше, за пределы действия магнитного поля, где они теряют сцепление с поверхностью и падают в отдельный патрубок для отходов. Таким образом происходит эффективное разделение зерна и металлических примесей.

Ответ: Магнитный сепаратор для зерна — это устройство, которое использует сильное магнитное поле для отделения ферромагнитных примесей (частиц металла) от зерновой массы. Его типичная конструкция включает вращающийся барабан с неподвижной мощной магнитной системой внутри. Во время работы зерно, не реагируя на магнитное поле, движется по естественной траектории в один канал, а металлические частицы притягиваются к поверхности барабана и отводятся в другой, что обеспечивает эффективную очистку продукта.

Когда нет перемещения тела, то, согласно определению работы, которое вы узнали в 7 классе, работа не совершается. На что, по вашему мнению, расходуется энергия, подводимая к электромагниту, когда он «держит» груз?

Действительно, с точки зрения механики, когда электромагнит удерживает груз, перемещение груза равно нулю ($s=0$), и, следовательно, механическая работа $A$, определяемая как $A = F \cdot s$, не совершается. Сила магнитного притяжения электромагнита уравновешивает силу тяжести, действующую на груз, но не перемещает его.

Энергия, подводимая к электромагниту, расходуется не на совершение механической работы, а на поддержание электрического тока в его обмотке. Вот на что конкретно она тратится:

Для создания и поддержания магнитного поля, способного удержать груз, через обмотку электромагнита должен протекать постоянный электрический ток. Обмотка электромагнита, как и любой проводник, обладает электрическим сопротивлением ($R$). Согласно закону Джоуля-Ленца, при прохождении тока ($I$) через проводник с сопротивлением, в нём выделяется теплота. Количество выделяемой теплоты ($Q$) за время ($t$) определяется формулой:

$Q = I^2 \cdot R \cdot t$

Таким образом, вся электрическая энергия, потребляемая электромагнитом от источника питания в данном случае, преобразуется во внутреннюю энергию обмотки и рассеивается в окружающую среду в виде тепла. Именно на этот процесс нагрева и расходуется подводимая энергия. Этот расход энергии является "платой" за поддержание магнитного поля, которое противодействует силе тяжести.

Ответ: Энергия, подводимая к электромагниту, когда он «держит» груз, полностью преобразуется в теплоту из-за электрического сопротивления его обмотки (согласно закону Джоуля-Ленца) и рассеивается в окружающем пространстве. Механическая работа при этом не совершается, так как отсутствует перемещение груза.