Номер 2, страница 297 - гдз по физике 9 класс учебник Хижнякова, Синявина

Примерные темы учебных проектов. III. Практические приложения физических знаний - номер 2, страница 297.

Условие.

Электромагниты и их применение.

Решение.

Электромагниты

Электромагнит — это устройство, магнитное поле которого создаётся при протекании через него электрического тока. Это его ключевое отличие от постоянного магнита, чьи магнитные свойства постоянны. Основой электромагнита является катушка из изолированного провода (обмотка). Для значительного усиления магнитного поля внутрь катушки помещают сердечник из ферромагнитного материала, чаще всего из мягкого железа.

Принцип действия электромагнита основан на фундаментальном явлении электромагнетизма: электрический ток, протекающий по проводнику, порождает вокруг себя магнитное поле. В катушке магнитные поля от каждого отдельного витка складываются, создавая единое сильное поле, направленное вдоль оси катушки. Железный сердечник, попадая в это поле, намагничивается и сам становится сильным временным магнитом, многократно усиливая общее магнитное поле.

Важнейшими свойствами электромагнита являются управляемость и регулируемость. Магнитное поле существует только пока есть ток. Полярность электромагнита (северный и южный полюса) зависит от направления тока в обмотке и может быть изменена на противоположную. Силу магнитного поля можно регулировать, изменяя следующие параметры:

1. Силу тока ($\text{I}$) в обмотке: чем больше сила тока, тем сильнее магнитное поле.

2. Количество витков ($\text{N}$) в обмотке: чем больше витков на единицу длины, тем сильнее поле.

3. Наличие и материал сердечника: введение сердечника из ферромагнетика (железо, сталь) резко усиливает магнитное поле. Для длинного соленоида с сердечником индукция магнитного поля внутри него определяется формулой: $B = \mu_0 \mu \frac{N}{L} I$, где $\mu_0$ — магнитная постоянная, $\mu$ — относительная магнитная проницаемость материала сердечника, $\text{L}$ — длина катушки.

Ответ: Электромагнит — это устройство, создающее управляемое магнитное поле с помощью электрического тока. Он состоит из катушки-обмотки и, как правило, железного сердечника. Его магнитное поле можно включать, выключать, менять полярность и регулировать его силу, изменяя силу тока, число витков или свойства сердечника.

Их применение

Способность быстро включать, выключать и регулировать сильное магнитное поле сделала электромагниты незаменимыми во многих областях техники, науки и быта.

В промышленности:

• Грузоподъемные электромагниты. Мощные электромагниты на подъемных кранах используются для перемещения тяжелых грузов из черных металлов (сталь, чугун) на металлургических комбинатах, в портах и на складах металлолома.

• Магнитные сепараторы. Используются для очистки сыпучих материалов (зерно, руда, уголь) от случайных металлических предметов или для обогащения руды путем отделения магнитной фракции от немагнитной.

В технике и быту:

• Электромагнитное реле. Ключевой компонент автоматики. Электромагнит, управляемый слабым током, замыкает или размыкает контакты в цепи с гораздо большим током, позволяя безопасно управлять мощными устройствами (например, стартером в автомобиле).

• Электрический звонок. Классический пример, где электромагнит притягивает якорь с молоточком, который ударяет по чаше звонка и одновременно размыкает цепь питания самого электромагнита, после чего процесс циклически повторяется.

• Динамики и наушники. Переменный ток (аудиосигнал) проходит по звуковой катушке, которая под действием поля постоянного магнита колеблется вместе с прикрепленным к ней диффузором, создавая звуковые волны.

• Электродвигатели и генераторы. Вращающееся магнитное поле, необходимое для работы большинства электродвигателей, создается именно электромагнитами (обмотками статора и/или ротора).

• Магнитные замки. Используются в системах контроля доступа, надежно удерживая дверь закрытой, пока на электромагнит подается питание.

На транспорте:

• Поезда на магнитной левитации (Маглев). Системы мощных электромагнитов обеспечивают как отрыв поезда от рельсов (левитацию для устранения трения), так и его разгон и торможение.

В науке и медицине:

• Ускорители заряженных частиц. В установках вроде Большого адронного коллайдера сверхпроводящие электромагниты создают сильнейшие магнитные поля для удержания и фокусировки пучков частиц, движущихся со скоростью, близкой к скорости света.

• Магнитно-резонансная томография (МРТ). Гигантский сверхпроводящий электромагнит в томографе создает постоянное магнитное поле высокой напряженности, необходимое для получения послойных изображений внутренних органов человека.

Ответ: Благодаря управляемости магнитного поля электромагниты применяются повсеместно: в грузоподъемных кранах, сепараторах, реле, звонках, динамиках, электродвигателях, поездах Маглев, ускорителях частиц и медицинских томографах.