Глава 3. Электромагнитные явления. § 53. Магнитное поле катушки с током. Электромагниты и их применение — с. 196
§ 53. Дополнительный вопрос 1. В каком направлении устанавливается катушка с током, подвешенная на длинных тонких проводниках?
Подвешенная на длинных тонких проводниках катушка с током ведёт себя как магнитная стрелка: магнитное поле Земли поворачивает её так, что ось катушки устанавливается вдоль линии север — юг. При этом конец катушки, на котором возникает северный полюс (откуда выходят линии поля), поворачивается к северу, а противоположный конец (южный полюс катушки) — к югу. Если изменить направление тока, катушка развернётся на 180°, так как её полюсы поменяются местами. Для определения полюсов катушки используют правило правой руки.
§ 53. Дополнительный вопрос 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?
Когда электромагнит неподвижно удерживает груз, механическая работа не совершается: груз не перемещается, и его энергия не меняется. Но ток в обмотке продолжает идти, а провод обмотки обладает сопротивлением R. По закону Джоуля — Ленца в нём выделяется количество теплоты Q = I²Rt, поэтому подводимая к электромагниту электрическая энергия расходуется на нагревание обмотки (а затем и окружающего воздуха) и частично на нагревание сердечника. Именно поэтому обмотки мощных электромагнитов делают из толстого провода и при необходимости охлаждают. Энергия на «удержание» груза, таким образом, переходит во внутреннюю энергию проводника и рассеивается в окружающую среду.
§ 53. Дополнительный вопрос 3. Почему при повороте барабана (см. рис. 138) семена сорняков и частицы порошка отпадают, а не остаются на его поверхности?
Электромагнит внутри барабана неподвижен и действует только на тот участок барабана, который находится рядом с его полюсами. Пока барабан вращается и семена сорняков с магнитным порошком находятся в этой зоне, магнит притягивает частицы порошка и прижимает семена к барабану. Когда барабан поворачивается дальше, семена вместе с порошком выходят из зоны действия электромагнита; магнитное притяжение быстро убывает с расстоянием и практически исчезает. Удерживать их на гладкой поверхности барабана больше нечему (сами семена не магнитны), поэтому под действием силы тяжести (и инерции при вращении) они отпадают и попадают в свою ёмкость.
Упражнение 44. Задача 1. Определите направление тока в катушке и полюсы источника тока (рис. 139), если при прохождении тока в катушке возникают указанные на рисунке магнитные полюсы. [на рисунке: горизонтальная катушка, слева полюс N, справа полюс S; концы обмотки соединены с двумя электродами источника тока]
Решение. Магнитные линии выходят из северного полюса и входят в южный, поэтому снаружи катушки они идут от N (слева) к S (справа), а внутри катушки — от S к N, то есть справа налево. Применяем правило правой руки: большой палец направляем по линиям поля внутри катушки (влево, к полюсу N) и обхватываем катушку ладонью. Четыре пальца при этом показывают направление тока в витках: в передних (обращённых к нам) частях витков ток направлен снизу вверх (если смотреть со стороны наблюдателя, он идёт против часовой стрелки со стороны полюса N). По рисунку обмотки это соответствует движению тока по катушке справа налево: ток входит в катушку с её правого конца и выходит с левого.
Значит, во внешней цепи ток идёт от правого электрода источника к правому концу катушки и от левого конца катушки к левому электроду. Во внешней цепи ток течёт от положительного полюса источника к отрицательному, поэтому правый электрод — положительный полюс (+), левый электрод — отрицательный полюс (−).
Ответ: ток в катушке направлен справа налево (из правого конца в левый); положительный полюс источника — правый электрод, отрицательный — левый.
Оговорка: направление тока в витках определяется по тому, как намотан провод на рисунке (наклон передних участков витков); при другом направлении намотки полюсы источника поменялись бы местами.
Значит, во внешней цепи ток идёт от правого электрода источника к правому концу катушки и от левого конца катушки к левому электроду. Во внешней цепи ток течёт от положительного полюса источника к отрицательному, поэтому правый электрод — положительный полюс (+), левый электрод — отрицательный полюс (−).
Ответ: ток в катушке направлен справа налево (из правого конца в левый); положительный полюс источника — правый электрод, отрицательный — левый.
Оговорка: направление тока в витках определяется по тому, как намотан провод на рисунке (наклон передних участков витков); при другом направлении намотки полюсы источника поменялись бы местами.
Упражнение 44. Задача 2. Направление тока в витках обмотки подковообразного электромагнита показано стрелками (рис. 140). Определите полюсы электромагнита. [на рисунке: два круга — торцы сердечников; линия обмотки проходит по часовой стрелке вокруг левого круга и против часовой стрелки вокруг правого, на верхней дуге у левого круга и на нижней дуге у правого круга стрелки направлены вправо]
Решение. Рассмотрим каждый сердечник отдельно, глядя на его торец, как на рисунке.
Левый сердечник: ток обходит его по часовой стрелке (над кругом вправо, снизу влево). Правило правой руки: четыре пальца направляем по току, большой палец показывает направление линий поля внутри сердечника. Для тока по часовой стрелке, если смотреть на торец, линии поля идут внутри сердечника от нас (в плоскость рисунка). Линии входят в торец, который мы видим, значит, этот торец — южный полюс S, а противоположный (скрытый) торец — северный N.
Правый сердечник: ток обходит его против часовой стрелки (под кругом вправо, над кругом влево). Линии поля внутри сердечника направлены к нам, выходят из видимого торца, значит, видимый торец — северный полюс N, а скрытый — южный S.
Проверка: у подковообразного магнита на одном конце подковы полюсы разноимённые, а на каждом сердечнике торцы противоположны, как и должно быть.
Ответ: видимый торец левого сердечника — южный полюс S, видимый торец правого сердечника — северный полюс N (скрытые торцы, соединённые ярмом, имеют противоположные полюсы).
Левый сердечник: ток обходит его по часовой стрелке (над кругом вправо, снизу влево). Правило правой руки: четыре пальца направляем по току, большой палец показывает направление линий поля внутри сердечника. Для тока по часовой стрелке, если смотреть на торец, линии поля идут внутри сердечника от нас (в плоскость рисунка). Линии входят в торец, который мы видим, значит, этот торец — южный полюс S, а противоположный (скрытый) торец — северный N.
Правый сердечник: ток обходит его против часовой стрелки (под кругом вправо, над кругом влево). Линии поля внутри сердечника направлены к нам, выходят из видимого торца, значит, видимый торец — северный полюс N, а скрытый — южный S.
Проверка: у подковообразного магнита на одном конце подковы полюсы разноимённые, а на каждом сердечнике торцы противоположны, как и должно быть.
Ответ: видимый торец левого сердечника — южный полюс S, видимый торец правого сердечника — северный полюс N (скрытые торцы, соединённые ярмом, имеют противоположные полюсы).