Нужно разобрать металлолом? На помощь приходят электромагниты!
Что общего между ремонтным двором, рок-концертом и входной дверью? Каждый из них использует электромагниты - устройства, которые создают магнитное поле за счет приложения электричества. На ремонтных площадках используются чрезвычайно мощные электромагниты для перемещения тяжелых кусков металлолома или даже целых автомобилей с одного места на другое. Ваша любимая группа использует электромагниты для усиления звука, исходящего из динамиков. А когда кто-то звонит в ваш дверной звонок, крошечный электромагнит толкает металлическую хлопушку по звонку.
Механически электромагнит устроен довольно просто. Он состоит из отрезка проводящего провода, обычно медного, намотанного на кусок металла. Подобно монстру Франкенштейна, это кажется не более чем беспорядочным набором деталей, пока в картину не войдет электричество. Но вам не нужно ждать шторма, чтобы оживить электромагнит. Ток вводится либо от батареи, либо от другого источника электричества, и течет по проводу. Это создает магнитное поле вокруг свернутого в спираль провода, намагничивая металл, как если бы он был постоянным магнитом. Электромагниты полезны, потому что вы можете включать и выключать магнит, замыкая или прерывая цепь соответственно.
Прежде чем мы зайдем слишком далеко, мы должны обсудить, чем электромагниты отличаются от обычных «постоянных» магнитов, таких как те, которые держат ваше эскимо в холодильнике. Как вы знаете, магниты имеют два полюса, «север» и «юг», и притягивают предметы из стали, железа или их комбинации . Как полюса отталкиваются, а противоположности притягиваются (ах, пересечение романтики и физики). Например, если у вас есть два стержневых магнита, концы которых помечены как «север» и «юг», северный конец одного магнита будет притягивать южный конец другого. С другой стороны, северный конец одного магнита будет отталкивать северный конец другого (и аналогично юг будет отталкивать юг). Электромагнит - то же самое, только «временный»
Дверной звонок - хороший пример того, как электромагниты можно использовать в приложениях, где постоянные магниты просто не имеют смысла. Когда гость нажимает кнопку на вашей входной двери, электронная схема внутри дверного звонка замыкает электрическую петлю, то есть цепь замыкается и «включается». Замкнутая цепь позволяет электричеству течь, создавая магнитное поле и вызывая намагничивание тарелки. Фурнитура большинства дверных звонков состоит из металлического звонка и металлической трещотки, которые, когда магнитные заряды заставляют их лязгать вместе, вы слышите звонок внутри и можете открыть дверь. Звонит звонок, гость отпускает кнопку, цепь размыкается, и дверной звонок прекращает свой адский звон. Этот магнетизм по требованию - вот что делает электромагнит таким полезным.
В этой статье мы более подробно рассмотрим электромагниты и узнаем, как эти устройства используют довольно интересную науку и применяют ее к окружающим нас вещам, которые облегчают нашу жизнь.
СОДЕРЖАНИЕ
- История электромагнитов
- Прилипающая сила электромагнитов
- Вкладываем «Электро» в «Электромагнит»
- Электромагниты вокруг нас
- Электромагниты своими руками и эксперименты, которые стоит попробовать
История электромагнитов
Вот магнит Майкла - то есть электро.
Взаимосвязь между электричеством и магнетизмом не была полностью изучена до 1873 года, когда физик Джеймс Максвелл наблюдал взаимодействие между положительными и отрицательными электрическими зарядами. В ходе продолжающихся экспериментов Максвелл определил, что эти заряды могут притягивать или отталкивать друг друга в зависимости от их ориентации. Он также был первым, кто обнаружил, что у магнитов есть полюса или отдельные точки, в которых фокусируется заряд. И, что важно для электромагнетизма, Максвелл заметил, что когда ток проходит через провод, он создает вокруг него магнитное поле.
Работа Максвелла была ответственна за многие из действующих научных принципов, но он не был первым ученым, который экспериментировал с электричеством и магнетизмом. Почти 50 лет назад Ганс Кристиан Эрстед обнаружил, что компас, которым он пользовался, срабатывал, когда в его лаборатории включалась и выключалась батарея. Это могло бы произойти только в том случае, если бы присутствовало магнитное поле, которое мешало бы стрелке компаса, поэтому он пришел к выводу, что магнитное поле было создано электричеством, текущим от батареи. Но Эрстед тяготел к области химии и оставил исследования электричества и магнетизма другим.
Дедушкой электромагнетизма является Майкл Фарадей, химик и физик, который разработал многие теории, позже основанные на Максвелле. Одна из причин, по которой Фарадей занимает гораздо большее место в истории, чем Максвелл или Эрстед, вероятно, связана с тем, что он был таким плодовитым исследователем и изобретателем. Его широко называют пионером в области электромагнетизма, но ему также приписывают открытие электромагнитной индукции, о которой мы поговорим позже, когда будем исследовать некоторые реальные приложения. Фарадей также изобрел электродвигатель, и, помимо своей важной работы в области физики, он также был первым человеком, который был назначен на престижную должность фуллеровского профессора химии в Королевском институте Великобритании. Не так уж и плохо.
Так что же раскрыла работа этих людей? В следующем разделе мы рассмотрим, как работают электромагниты.
Прилипающая сила электромагнитов
Простой электромагнит.
КАК ЭТО РАБОТАЕТ
Как мы упоминали во введении, основные электромагниты не так уж и сложны; вы можете построить простую его версию самостоятельно, используя материалы, которые, вероятно, валяются у вас дома. На металлический стержень наматывается токопроводящий провод, обычно изолированный медным. Провод нагревается на ощупь, поэтому важна изоляция. Стержень, на который наматывается провод, называется соленоидом , и возникающее магнитное поле излучается вдали от этой точки. Сила магнита напрямую связана с количеством витков проволоки вокруг стержня. Для более сильного магнитного поля провод следует наматывать плотнее.
Хорошо, есть кое-что еще. Чем плотнее проволока наматывается на стержень или сердечник, тем больше витков делает ток вокруг него, увеличивая силу магнитного поля. В дополнение к тому, насколько плотно намотан провод, материал, используемый для сердечника, также может контролировать силу магнита. Например, железо - ферромагнитный металл, а это означает, что он очень проницаемый. Проницаемость - это еще один способ описания того, насколько хорошо материал может выдерживать магнитное поле. Чем более проводящим является определенный материал для магнитного поля, тем выше его проницаемость.
Вся материя, включая железный стержень электромагнита, состоит из атомов. Перед тем, как соленоид наэлектризован, атомы в металлическом ядре располагаются случайным образом, не указывая в каком-либо конкретном направлении. Когда вводится ток, магнитное поле проникает в стержень и выравнивает атомы. Когда эти атомы движутся в одном направлении, магнитное поле растет. Выравнивание атомов, небольших участков намагниченных атомов, называемых доменами, увеличивается и уменьшается в зависимости от уровня тока, поэтому, управляя потоком электричества, вы можете контролировать силу магнита. Наступает точка насыщения, когда все домены выровнены, а это означает, что добавление дополнительного тока не приведет к увеличению магнетизма.
Управляя током, вы можете включать и выключать магнит. Когда ток отключается, атомы возвращаются в свое естественное, случайное состояние, и стержень теряет свой магнетизм (технически он сохраняет некоторые магнитные свойства, но не очень и ненадолго).
В обычных постоянных магнитах, таких как те, которые держат изображение семейной собаки у холодильника, атомы всегда выровнены, а сила магнита постоянна. Знаете ли вы, что вы можете уменьшить прилипающую силу постоянного магнита, уронив его? Удар может привести к тому, что атомы выйдут из строя. Их можно снова намагнитить, потерев их магнитом.
Электроэнергии к власти электромагнит должен прийти откуда - то, не так ли? В следующем разделе мы рассмотрим некоторые способы, которыми эти магниты получают сок.
Вкладываем «Электро» в «Электромагнит»
Вот как выглядят магнитные поля в простом электромагните.
Поскольку для работы электромагнита требуется электрический ток, откуда он? Быстрый ответ заключается в том, что все, что производит ток, может приводить в действие электромагнит. От небольших батареек AA, используемых в пульте дистанционного управления телевизором, до крупных промышленных электростанций, которые получают электроэнергию напрямую из сети, если они накапливают и передают электроны, то они могут питать электромагнит.
Начнем с того, что посмотрим, как работают бытовые батарейки. У большинства батарей есть два легко идентифицируемых полюса: положительный и отрицательный. Когда аккумулятор не используется, электроны собираются на отрицательном полюсе. Когда батареи вставляются в устройство, два полюса входят в контакт с датчиками в устройстве, замыкая цепь и позволяя электронам свободно перемещаться между полюсами. В случае вашего пульта дистанционного управления устройство рассчитано на нагрузку или точку выхода для энергии, хранящейся в батарее. Нагрузка использует энергию для работы с пультом дистанционного управления. Если бы вы просто подключили провод напрямую к каждому концу батареи без нагрузки, энергия быстро исчезла бы из батареи.
Пока это происходит, движущиеся электроны также создают магнитное поле. Если вы вытащите батарейки из пульта ДУ, они, скорее всего, сохранят небольшой магнитный заряд. Вы не можете подобрать машину с помощью пульта дистанционного управления, но, может быть, какие-то небольшие железные опилки или даже скрепка для бумаг.
На другом конце спектра находится сама Земля. Согласно определению, которое мы обсуждали ранее, электромагнит создается, когда электрические токи протекают вокруг некоторого ферромагнитного сердечника. Ядро Земли железное, и мы знаем, что у него есть Северный и Южный полюсы. Это не просто географические обозначения, а действительные противоположные магнитные полюса. Эффект динамо, явление, которое создает в утюге огромные электрические токи благодаря движению жидкого железа по внешнему сердечнику, создает электрический ток. Этот ток генерирует магнитный заряд, и этот естественный магнетизм Земли заставляет компас работать. Компас всегда указывает на север, потому что металлическая стрелка притягивается к Северному полюсу.
Очевидно, что существует широкий спектр применений электромагнитов между небольшими самодельными научными экспериментами и самой Землей. Итак, где эти устройства появляются в реальном мире? В следующем разделе мы рассмотрим, как электромагнетизм влияет на нашу повседневную жизнь.
Электромагниты вокруг нас
Инженеры устанавливают гигантский магнит внутри Большого адронного коллайдера, огромного ускорителя частиц.
Многие электромагниты имеют преимущество перед постоянными магнитами, поскольку их можно легко включать и выключать, а увеличение или уменьшение количества электричества, протекающего вокруг сердечника, может контролировать их силу.
Современные технологии в значительной степени полагаются на электромагниты для хранения информации с помощью устройств магнитной записи. Когда вы сохраняете данные на жестком диске вашего компьютера, например, крошечные намагниченные кусочки металла встраиваются в диск в соответствии с шаблоном, характерным для сохраненной информации. Эти данные начали свою жизнь как двоичный цифровой компьютерный язык (нули и единицы). Когда вы извлекаете эту информацию, шаблон преобразуется в исходный двоичный шаблон и переводится в пригодную для использования форму. Так что же делает это электромагнитом? Ток, проходящий через компьютерную схему, намагничивает эти крошечные кусочки металла. Тот же принцип используется в магнитофонах, видеомагнитофонах и других магнитных носителях (и да, некоторые из вас все еще владеют магнитофонами и видеомагнитофонами). Вот почему магниты иногда может нанести ущерб памяти об этих устройствах.
Электромагниты также проложили путь для реального использования потенциала электричества. В электрических приборах двигатель движется, потому что ток, протекающий из сетевой розетки, создает магнитное поле. Двигатель питает не само электричество, а заряд, создаваемый магнитом. Сила магнита создает вращательное движение, что означает, что они вращаются вокруг фиксированной точки, подобно тому, как шина вращается вокруг оси.
Так почему бы не пропустить этот процесс и просто использовать розетку для питания двигателя? Потому что ток, необходимый для питания прибора, довольно велик. Вы когда-нибудь замечали, как включение большого прибора, такого как телевизор или стиральная машина, иногда может привести к мерцанию света в вашем доме? Это связано с тем, что прибор изначально потребляет много энергии, но это большое количество необходимо только для запуска двигателя. Как только это происходит, начинается цикл электромагнитной индукции.
От бытовой техники мы переходим к одному из самых сложных механизмов, когда-либо построенных, чтобы увидеть, как электромагниты используются для раскрытия происхождения Вселенной. Ускорители элементарных частиц - это машины, которые перемещают заряженные частицы друг к другу с невероятно высокой скоростью, чтобы наблюдать, что происходит, когда они сталкиваются. Эти пучки субатомных частиц очень точны, и контроль их траектории очень важен, чтобы они не сбились с курса и не повредили оборудование. Вот где вступают в силу электромагниты. Магниты расположены вдоль пути встречных лучей, и их магнетизм фактически используется для управления их скоростью и траекторией.
Неплохое резюме для нашего друга электромагнита, а? От того, что вы можете создать в своем гараже, до управления инструментами, которые ученые и инженеры используют для расшифровки происхождения Вселенной, электромагниты играют довольно важную роль в окружающем нас мире.
Готовы опробовать собственные электромагнитные эксперименты? Перейдите на следующую страницу, чтобы узнать о забавных идеях.
Электромагниты своими руками и эксперименты, которые стоит попробовать
Электромагниты легко сделать; всего несколько аппаратных средств и блок питания - все, что вам нужно. Для начала вам понадобятся следующие предметы:- один железный гвоздь длиной не менее 6 дюймов (15 сантиметров)
- изолированный медный провод 22 калибра
- одна батарея D-cell
Не можете насытиться практическими электромагнитными экспериментами? У нас есть еще несколько идей, которые вы можете попробовать:
- Какова магнитная сила одной катушки, намотанной на гвоздь? Из 10 витков провода? 100 оборотов? Поэкспериментируйте с разным количеством оборотов и посмотрите, что получится. Один из способов измерить и сравнить «силу» магнита - это посмотреть, сколько скоб он может поднять.
- В чем разница между железным и алюминиевым сердечником для магнита? Например, плотно сверните алюминиевую фольгу и используйте ее в качестве сердечника для магнита вместо гвоздя. Что случилось? Что делать, если использовать пластиковый стержень, например ручку?
- А как насчет соленоидов? Как вы помните, соленоид - это еще одна разновидность электромагнита. Это электромагнитная трубка, обычно используемая для линейного перемещения куска металла. Найдите трубочку для питья или старую ручку (снимите трубку с чернилами). Также найдите небольшой гвоздь (или выпрямленную канцелярскую скрепку), который легко войдет в трубку. Оберните вокруг трубки 100 витков проволоки. Поместите гвоздь или скрепку на один конец катушки, а затем подключите катушку к батарее. Заметили, как движется гвоздь? Соленоиды используются в самых разных местах, особенно в замках. Если в вашей машине есть электрические замки, они могут работать с соленоидом. Еще одно обычное дело с соленоидом - заменить гвоздь тонким цилиндрическим постоянным магнитом. Затем вы можете перемещать магнит внутрь и наружу, изменяя направление магнитного поля в соленоиде. (Будьте осторожны, если попытаетесь поместить магнит в соленоид, так как магнит может вылететь.)
- Как я узнаю, что магнитное поле действительно существует? Вы можете посмотреть на магнитное поле проволоки с помощью железных опилок. Купите железные опилки или найдите свои собственные, пропустив магнит через детскую площадку или пляжный песок. Нанесите легкую пыль на лист бумаги и поместите бумагу на магнит. Слегка коснитесь бумаги, и опилки выровняются с магнитным полем, позволяя вам увидеть ее форму!
