Страница 196 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

4. Что называют электромагнитом?

Электромагнит — это устройство, которое создаёт магнитное поле при прохождении через него электрического тока. В отличие от постоянного магнита, магнитные свойства электромагнита проявляются только при наличии тока в его обмотке, что делает его полностью управляемым.

Конструктивно простейший электромагнит состоит из двух основных частей:

• Катушка (обмотка): Представляет собой проводник (обычно изолированный медный провод), намотанный на каркас в виде спирали (такую катушку называют соленоидом). Когда по виткам катушки пропускают электрический ток, вокруг неё возникает магнитное поле.
• Сердечник: Это стержень из ферромагнитного материала (например, мягкого железа, электротехнической стали), который помещается внутрь катушки. Сердечник служит для многократного усиления магнитного поля, так как ферромагнетики обладают высокой магнитной проницаемостью и концентрируют в себе линии магнитной индукции.

Ключевыми особенностями и преимуществами электромагнитов являются:

1. Управляемость: Магнитное поле можно легко включать и выключать, просто замыкая и размыкая электрическую цепь.
2. Регулировка силы: Сила магнитного поля напрямую зависит от силы тока в обмотке и количества витков. Магнитную индукцию $B$ внутри длинного соленоида можно примерно описать формулой $B = \mu \mu_0 n I$, где $\mu$ — относительная магнитная проницаемость сердечника, $\mu_0$ — магнитная постоянная, $n$ — число витков на единицу длины катушки, а $I$ — сила тока. Таким образом, изменяя силу тока, можно плавно регулировать силу магнита.
3. Смена полярности: Направление магнитного поля (расположение северного и южного полюсов) определяется направлением тока в катушке (по правилу буравчика или правилу правой руки). Изменив направление тока на противоположное, можно мгновенно поменять полюса магнита местами.

Благодаря этим свойствам электромагниты широко применяются в различных областях: в грузоподъемных механизмах для перемещения металлических грузов, в электромагнитных реле для коммутации цепей, в электродвигателях, динамиках, электромагнитных замках, а также в сложном научном и медицинском оборудовании, таком как ускорители частиц и аппараты магнитно-резонансной томографии (МРТ).

Ответ: Электромагнит — это устройство, создающее управляемое магнитное поле за счёт протекания электрического тока через его обмотку (катушку). Как правило, он содержит ферромагнитный сердечник для значительного усиления этого поля. Его ключевое свойство — возможность управлять магнитным полем: включать, выключать, изменять его силу и полярность.

5. Для каких целей используют на заводах электромагниты?

Электромагниты находят широкое применение на заводах и в промышленности благодаря своей способности создавать сильное и, что особенно важно, управляемое магнитное поле. В отличие от постоянных магнитов, электромагнит можно включать и выключать, а также регулировать силу его магнитного поля, изменяя силу тока в обмотке. Основные цели использования электромагнитов на заводах следующие:

• Подъем и транспортировка грузов. Мощные электромагниты, установленные на подъемных кранах, используются для перемещения тяжелых ферромагнитных материалов, таких как стальной лом, листовая сталь, рельсы, чугунные болванки и готовые изделия из стали. Это позволяет быстро и безопасно захватывать и отпускать груз простым включением и выключением тока, что значительно эффективнее механических захватов.
• Магнитная сепарация. Электромагниты применяются для отделения ферромагнитных материалов от неферромагнитных. Например, в горно-обогатительной промышленности они извлекают железную руду из породы. На мусороперерабатывающих заводах с их помощью отделяют железные и стальные отходы от других материалов (пластика, стекла, алюминия). В пищевой промышленности электромагнитные сепараторы удаляют случайные металлические частицы из сырья для обеспечения безопасности продукции.
• Применение в станках и оборудовании. Электромагниты являются ключевыми компонентами многих промышленных машин:
  • Электромагнитные муфты и тормоза: используются для быстрого и точного управления пуском и остановом различных механизмов, например, в приводах станков и конвейерных лент.
  • Электромагнитные патроны (плиты): применяются на металлообрабатывающих станках (шлифовальных, фрезерных) для надежной фиксации стальных и чугунных заготовок во время обработки. Включение электромагнита обеспечивает мгновенный и прочный зажим детали.
  • Электродвигатели и генераторы: являются основой практически любого промышленного оборудования. Электромагниты (статор) создают вращающееся магнитное поле, которое приводит в движение ротор.
• Индукционный нагрев и плавка металлов. В индукционных печах мощные электромагниты создают переменное магнитное поле высокой частоты. Это поле наводит в металле (заготовке) вихревые токи (токи Фуко), которые из-за электрического сопротивления металла вызывают его быстрый разогрев и плавление. Этот метод широко используется в металлургии и машиностроении для плавки и термообработки металлов.
• Исполнительные механизмы (соленоиды). Соленоиды — это тип электромагнита, который используется для создания поступательного движения. На заводах они применяются в качестве приводов в электромагнитных клапанах (для управления потоками жидкостей и газов), реле (для коммутации электрических цепей), замках и различных автоматизированных системах для выполнения быстрых и точных механических действий.

Ответ: На заводах электромагниты используют для подъема и транспортировки ферромагнитных грузов (металлолома, стали), для сепарации магнитных материалов от немагнитных (например, в переработке отходов или обогащении руды), в качестве исполнительных механизмов в автоматике (реле, клапаны), для фиксации деталей на станках (магнитные патроны), в составе электродвигателей, а также для индукционной плавки и нагрева металлов.

6. Как устроен магнитный сепаратор для зерна?

5. На заводах электромагниты используют для выполнения широкого спектра задач, где требуется сильное и управляемое магнитное поле. Основные цели их применения:

• Подъем и перемещение грузов: Мощные грузоподъемные электромагниты, устанавливаемые на кранах, используются для захвата и транспортировки ферромагнитных материалов, таких как металлолом, стальные листы, рельсы, чугунные болванки и стружка. Их главное преимущество заключается в возможности быстрого захвата и освобождения груза путем простого включения и выключения электрического тока в обмотке.
• Магнитная сепарация: Электромагниты являются ключевым элементом сепараторов, которые отделяют магнитные материалы от немагнитных. Это широко используется в горнодобывающей промышленности для обогащения железной руды, а также на мусороперерабатывающих заводах для извлечения черных металлов из общего потока отходов.
• Привод и управление: Электромагниты служат основой для многих устройств. В электромагнитных реле они используются для коммутации электрических цепей. В соленоидных клапанах они управляют потоками жидкостей и газов. Также они применяются в электромагнитных тормозах и муфтах для управления движением механизмов.
• Фиксация деталей: На металлообрабатывающих станках (например, шлифовальных) используются электромагнитные плиты. Они создают сильное магнитное поле, которое надежно удерживает стальные заготовки во время их обработки, что обеспечивает высокую точность.

Ответ: На заводах электромагниты используются в качестве грузоподъемных механизмов для перемещения металлов, в сепараторах для очистки сырья от магнитных примесей, а также как исполнительные элементы в реле, клапанах, тормозах и для фиксации деталей на станках.

6. Магнитный сепаратор для зерна — это устройство, предназначенное для очистки зерновой массы от ферромагнитных примесей (частиц металла, гвоздей, проволоки) и, в некоторых случаях, от семян сорных растений.

Устройство и принцип работы сепаратора следующие:

1. Подача зерна: Исходная зерновая масса из загрузочного бункера равномерным слоем подается на рабочий орган сепаратора.
2. Рабочий орган: Чаще всего это вращающийся барабан или движущаяся лента, внутри которых установлены мощные электромагниты (или постоянные магниты), создающие сильное магнитное поле на внешней поверхности.
3. Процесс разделения: Поток зерна движется по поверхности барабана. Чистое зерно, не обладая магнитными свойствами, под действием силы тяжести и центробежной силы сходит с барабана по своей траектории и попадает в приемник для чистого продукта.
4. Удержание примесей: Ферромагнитные примеси (частицы железа и стали) притягиваются магнитным полем и прочно удерживаются на поверхности вращающегося барабана.
5. Сброс примесей: Барабан уносит прилипшие примеси из зоны потока чистого зерна. В нижней точке траектории, где магнитное поле отсутствует или ослабевает (либо с помощью специального скребка-очистителя), примеси отсоединяются от барабана и падают в отдельный лоток для отходов.

Особый случай — очистка от семян сорняка куколя. Его семена имеют шероховатую поверхность, в отличие от гладких зерен пшеницы. Зерновую смесь обрабатывают мелкодисперсным железным порошком, который прилипает к семенам куколя, делая их восприимчивыми к магнитному полю. После этого сепаратор легко отделяет их от основного зерна.

Ответ: Магнитный сепаратор для зерна состоит из вращающегося барабана с внутренними электромагнитами. Зерно, проходя по его поверхности, разделяется: чистое зерно падает в один лоток, а металлические примеси притягиваются к барабану и сбрасываются в другой лоток для отходов.

1. В каком направлении устанавливается катушка с током, подвешенная на длинных тонких проводниках?

1. Катушка с током, подвешенная на длинных и тонких проводниках, имеет возможность свободно вращаться в горизонтальной плоскости. Когда по виткам катушки протекает электрический ток, она создает вокруг себя магнитное поле и ведет себя как постоянный магнит или стрелка компаса. У такой катушки-электромагнита есть два полюса — северный (N) и южный (S).

Земля обладает собственным магнитным полем, которое оказывает ориентирующее действие на любые магниты, находящиеся в нем. Подобно магнитной стрелке компаса, катушка с током будет поворачиваться под действием сил этого поля до тех пор, пока ее собственная ось магнитного поля не установится вдоль силовых линий магнитного поля Земли.

В результате этого взаимодействия катушка займет устойчивое положение, сориентировавшись в пространстве. Ее ось установится вдоль направления «север-юг». Северный полюс катушки будет указывать на северный географический полюс Земли (где расположен южный магнитный полюс), а южный полюс катушки — на южный географический полюс Земли (где расположен северный магнитный полюс).

Ответ: Катушка с током, подвешенная на длинных тонких проводниках, устанавливается своей осью в направлении север-юг, ориентируясь вдоль силовых линий магнитного поля Земли, подобно магнитной стрелке компаса.

2. Когда нет перемещения тела, то, как вы уже знаете, работа не совершается. На что, по вашему мнению, расходуется энергия, подводимая к электромагниту, когда он «держит» груз?

2. Решение:

Вы правы, с точки зрения механики, когда электромагнит удерживает груз неподвижно, механическая работа не совершается. Это следует из определения механической работы, которая равна произведению силы на перемещение ($A = F \cdot s$). Поскольку перемещение груза равно нулю ($s=0$), то и работа равна нулю ($A=0$).

Однако электромагнит потребляет энергию для поддержания своего состояния. Электромагнит представляет собой катушку с проволочной обмоткой. Любой реальный проводник обладает электрическим сопротивлением ($R$). Для создания и поддержания магнитного поля, способного удержать груз, через эту обмотку необходимо пропускать постоянный электрический ток ($I$).

Согласно закону Джоуля-Ленца, при прохождении электрического тока через проводник с сопротивлением, выделяется тепло. Мощность тепловых потерь ($P$) вычисляется по формуле:

$P = I^2 \cdot R$

Эта мощность и есть причина расхода энергии. Электрическая энергия, подводимая от источника, непрерывно преобразуется во внутреннюю энергию обмотки, то есть в тепло, которое затем рассеивается в окружающую среду. Таким образом, энергия расходуется не на совершение работы над грузом, а на преодоление электрического сопротивления обмотки и её нагрев.

Ответ: Энергия, подводимая к электромагниту, когда он «держит» груз, расходуется на нагрев его обмотки из-за наличия у нее электрического сопротивления. Этот процесс непрерывного преобразования электрической энергии в тепловую описывается законом Джоуля-Ленца.

3. Почему при повороте барабана (см. рис. 138) семена сорняков и частички порошка отпадают, а не остаются на его поверхности?

Решение

На семена сорняков и частички порошка, которые находятся на поверхности вращающегося барабана, действуют две основные силы: сила тяжести, всегда направленная вертикально вниз, и сила сцепления с поверхностью барабана. Сила сцепления (адгезия, трение, электростатическое притяжение) удерживает частицы на поверхности.

Когда барабан вращается, он увлекает за собой частицы, поднимая их вверх. Сила тяжести при этом не меняет своего направления. Ее можно разложить на две составляющие: одна направлена перпендикулярно поверхности (прижимает частицу к барабану), а другая — по касательной к ней (пытается сместить частицу).

Пока частица поднимается, касательная составляющая силы тяжести направлена против движения и стремится стащить частицу вниз. Когда частица проходит верхнюю точку и начинает двигаться вниз по другой стороне барабана, сила тяжести начинает помогать движению и, что самое главное, постепенно "отрывать" частицу от поверхности.

Частица отпадает от барабана в тот момент, когда сила тяжести (а точнее, ее составляющая, направленная от центра барабана) становится больше, чем сила сцепления. У семян сорняков и частичек порошка эта сила сцепления с поверхностью барабана невелика. Поэтому они отрываются и падают под действием силы тяжести довольно быстро. Тела, которые должны остаться на барабане (например, семена культурных растений), обладают большей силой сцепления, которая позволяет им удерживаться на поверхности дольше.

Ответ: Семена сорняков и частички порошка отпадают, так как сила их сцепления с поверхностью вращающегося барабана является слабой. В процессе вращения наступает момент, когда сила тяжести, действующая на эти частицы, преодолевает слабую силу сцепления, в результате чего они отрываются от поверхности и падают вниз.

1. Определите направление тока в катушке и полюсы источника тока (рис. 139), если при прохождении тока в катушке возникают указанные на рисунке магнитные полюсы.

Решение:

Направление тока в катушке

Для определения направления тока в катушке (соленоиде) воспользуемся правилом правой руки. Оно гласит: если обхватить соленоид ладонью правой руки и направить большой палец в сторону северного магнитного полюса (N), то четыре согнутых пальца укажут направление тока в витках катушки.

На рисунке указано, что северный полюс (N) находится слева. Направляем большой палец правой руки влево вдоль оси катушки. Обхватываем катушку ладонью. Согнутые четыре пальца на передней, видимой нам стороне катушки будут направлены снизу вверх. Это означает, что ток втекает в катушку через левый провод и вытекает через правый.

Полюсы источника тока

По общепринятому соглашению, во внешней электрической цепи ток направлен от положительного полюса (+) источника тока к его отрицательному полюсу (-).

Так как мы установили, что ток течёт через катушку от левого провода к правому, это означает, что левая клемма источника, к которой подключена катушка, является положительной (+), а правая клемма — отрицательной (-).

Ответ: Ток в передних витках катушки направлен снизу вверх. Левый полюс источника тока — положительный (+), правый — отрицательный (-).

2. Направление тока в витках обмотки подковообразного электромагнита показано стрелками (рис. 140). Определите полюсы электромагнита.

Решение

Для определения полюсов электромагнита используется правило правой руки (или правило буравчика). Оно гласит: если обхватить катушку (соленоид) ладонью правой руки так, чтобы четыре пальца были направлены по току в витках, то отставленный на 90° большой палец укажет направление на северный полюс ($N$) магнита.

Применим это правило к каждому стержню подковообразного электромагнита, изображенного на рисунке.

Левый стержень

На рисунке видно, что ток в обмотке левого стержня течет против часовой стрелки (если смотреть на торец сверху). Мысленно обхватываем стержень правой рукой так, чтобы четыре пальца следовали направлению тока. В этом случае большой палец будет направлен вверх, то есть на нас из плоскости рисунка. Следовательно, верхний торец левого стержня является северным полюсом ($N$).

Правый стержень

Ток в обмотке правого стержня течет по часовой стрелке (если смотреть на торец сверху). Применяя правило правой руки, обхватываем стержень пальцами по направлению тока. В этом случае большой палец будет направлен вниз, то есть от нас в плоскость рисунка. Следовательно, верхний торец правого стержня является южным полюсом ($S$).

Ответ: у левого стержня электромагнита верхний полюс — северный (N), у правого — южный (S).