Landsberg-1985-T2

Простейший электромагнит каждый легко может приro­

товить себе сам. Достаточно намотать на какой-нибудь железный стержень - болт или кусок железного прута­

несколько десятков витков изолированной проволоки и

Рис. 366. Простейший самодельный элект. Рис. 367. Самодельный

присоединить концы этой обмотки к источнику постоянного

тока: аккумулятору или гальванической батарее (рис. 366)*).

Нередко электромагниту придают подковообразную форму

(рис. 367), более выгодную для удержания груза.

Поле катушки с железным сердечником Значительно сильнее, чем поле катушки без сердечника, потому что желе-

30 внутри катушки сильно намагничивается и поле его

складывается с полем катушки. Однако применение желез­

ных сердечников в электромагнитах для усиления поля мо­

жет оказаться полезным только до известного предела.

Действительно, поле электромагнита складывается из поля,

создаваемого обмоткой с током, и поля намагниченного сердечника, причем при небольших токах это последнее

значительно сильнее, чем первое. При увеличении тока в

обмотке оба эти поля возрастают сначала в одинаI<ОВОЙ

степени, а именно пропорционально току, так что роль

сердечника продолжает оставаться решающей. Однако

"')' Железо рекомендуется предварительно отжечь, т. е. накалить

его докрасна, например в печке, и затем дать ему медленно остыть. При. соединять обмотку к батарее следует через реостат сопротивлением t-2 Ом, чтобы не бра.ть от батареи слишком больших токоа.

4s4

при дальнейшем увеличении ТОКа в обмотке наМагничива­

ние железа начинащ: замедляться и железо приближается к

состоянию магнитного насыщения. Когда практически все

молекулярнЬrе токи ориентированы параллельно, дальней­

шее увмичение тока обмотки уже ничего не может добавить

к намагничиванию железа, тогда как поле обмотки продол­

жает расти пропорционально току. При большом токе в обмотке (точнее, когда число ампер-витков на метр дости­

гает значений порядка 106) поле, создаваемое самой обмот­ кой, оказывается гораздо сильнее поля насыщенного же­

лезного сердечника, так что сердечник становится практи­

чески бесполезным и лишь усложняет конструкцию электро­ магнита. ПОЭТ011У самые мощные электромагниты делают без железного сердеЧНI1ка.

НеТРУДIIО видеть, что создание весьма мощных электромагнитоа

предстаВ,1яет собой очень сложную техническую задачу. Действитель­ но, чтобы иметь возможность применить большие токи, надо иметь об­ мотку из толстой проволоки, иначе она сильно разогреется и может даже расплавиться. Иногда вместо проволоки применяют медные трубки, в

которых циркулирует Сильная струя воды для интенсивного охлаж;де­

ния стенок трубок, по которым течет электрический ток. Но при об­ мотке из толстой проволоки или трубки нельзя уложить много витков

на единице длины. Применение же сравнительно тонкой проволоки, обе­

спечивающей значительное число ВИТКОв на ~leTpj не дает возможности применять большие токи *).

Очень остроумный выход из этого положения нашел советский фи­ зик Петр Леонидович Капица (1894-1984). Он пропускал через соле­

ноид токи огромной силы - десятки тысяч ампер,- но только в тече­

ние короткого времени, ПрИ:.lерно 0,01 с. За это время обмотка соленоида

ие успевала чрезмерно нагреться и получались сильные, хотя и кратко­

временные магнитные поля. Однако специальные приборы успевали ре­

гистрировать результаты опытов, в которых изучаJlОСЬ влияиие созда­

ваемых в соленоиде мощиых магнитных полей на различные вещества.

в большинстве технических электромагнитов применя­

ются обмотки, у которых число ампер-витков на метр не

превышает нескольких десятков тысяч, так что для их пи­ тания можно ограничиться током в неско.пько ампер и

проволокой умеренной толщины. При наличии железного

сердечника В таких электромагнитах могут быть получены довольно сильные магнитные поля (с индукцией несколько

тесла).

§ 177. Применение электромагнитов. Большинство техни­

ческих применений магнитов основывается на их способ­ ности притягивать И удерживать железные предметы. И в

*) Большой прогресс в создании СИ.1ЬНЫХ магнитиых полей свя­

зан с ИСIюльЗованием в обмотках мггиитов сверхпроводников, что Jj.аЛQ во-эможность применить большие токи.

4SS

этих применениях электромагниты имеют огромные преи­

мущества перед постоянными магнитами, ибо изменение силы тока в обмотке электромагнита ПОЗБ.О.IIЯет быстро изм~­

нять его подъемную силу. Сила, с которой магнит при­

тягивает железо, резко убывает по мере увеличения рас­

стояния между магнитом и железом. Поэтому для опреде­

ленности подъемной силой магнита УСЛОВИJiИСЬ называть

силу, с которой магнит удерживает железо, расположенное

в непосредственной близости к нему; другими словами, nодъем,н,ая сила магнита равна той силе, которая необходи­ ма, чтобы omopeatnb от магнита притянутый" нему "усо"

чистого Jrtягкого железа.

Чтобы получить электромагнит с возможно большей подъемной силой, нужно увеличить площадь соприкосно­

вения полюсов магнита с притягиваемым железным пред­

метом (который носит название якоря) и добиться того, что­ бы линии магнитного поля проходили только в железе,

т. е. устранить всякие воз){ушные зазоры или щели между

якорем и полюсами магнита; для этого необходимо хорошо

(

Рис. 368. Горшкообразный электромагнит Б разобранном Биде (а) и в разрезе (6): 1 - тело электромагнита, на выступ которого надевается обмотка 2, 8 - эаЖIIМЫ обмотки, 4 - ЯКОРЬ

пришлифовать друг к другу их поверхности. Этим требова­

ниям хорошо удовлетворяет конструкция так называемого

горшкообразного магнита, изображенного на рис. 368.

Такой электромагнит, питаемый аккумулятором или бата­ реей от карманного фонаря, удерживает груз массы 80-

100 кг.

Электромагниты с большой подъемной силой применя­ ются в теХНИI{е для весьма различных целей. Например,

456

электромагнитныii подъемный крап Пj)JЩС!1яеТС;J IIС) ,1CTJJl-

лургических и металлообрабаТЫВШОЩI!Х заводах дJ1Я IIere-

носки железного ло:vrа I! готовых изделий. На :-'1ета/Iлообра­

батывающих заводзх часто ПРЮlеняют также станки с так

называемыыи маГIШТНЫ;\1!I СТО,lЮШ, на которых обрабатьшае­

мое жсл.сзное или СТС\.1ьное изделие закреПЛflется притяже­

нием СII,lЬНЫХ Э,1еКТРО:lJaПIИТОВ. Достаточно включить ток, чтобы надежно закреш!Ть изделие в ,1юбом положении на

СТО,lе; ,'J,остаточно I3ьшлючить ток, чтобы освободить его.

Пр!! отделении :'IaПШТНЫХ :-.!атериалов от немагнитных,

наПРШiер при отдеJlении кусков железной руды от пустой

породы (обогащение руды), применяют магнитные сепара­

торы, в которых очищаемый материал проходит через силь­

ное ыагнитное поле электромагнитов, вытягивающее из

него все магюпные частицы.

В последние годы мощные электромагниты с огромной

площадью полюсов получили новые важные применения

при конструировании ускорителей, т. е. специальных устройств, в которых электрически заряженные частицы -

электроны и протоны - разгоняются до огромных скоро­

стей, соответствующих энергич, равной сотням миллионов

имиллиардам электронвольт. Пучки таких частиц, летящих

согромной скоростью, являются основным средством иссле­

дования атомного ядра (см. том III). Электромагниты,

Гис. ЗfJ9. К

прнмеН5Jющиеся в таких устройствах, представляют собой

грандиозные сооружеIШЯ.

Когда нужно получить очень СП,lЬ!юе :\!агнитное ПО,lе,

хотя бы и в I!еБОJ!ЬШОМ пространстве, ПРИ:\lеняют электро­

маГ!!IПI,[ с !lOJlЮСНЬШ!! паконеЧ!-II!КЮII1 в ВI!Де усеченных

конусов; тогда в неоr),:!ЬШО:-'1 пространстве \!ежду НI!:VШ lliОЖ­

но пcг~\O \!Ос'I)'чать попе с \lагнитной индукцией до 5 TiJ.

Таюrе элеIпрол!аГfIllТЫ ПРЮ1СН5JЮТСЯ преЮlущественно в

фНЗJ!чесюrх лабораТО;:'IJЯХ ;'1ДЯ опытов с силЬ!!ыми магнит­

НЬШJ! ПОсl)f:\IИ.

Дл:r сrтеЩ!ClЛЬJJНХ Целей строят элеКТРО:\lагниты и других Tlr\1OLJ. I3раЧII, IJС!J1i'Шiер, пршrеняют электромагниты ДЛЯ

457

удаления из глаза случайно попавших в него железных

опилок.

? 177.1. Как построить электромагнит, подъемную силу которого

•!южно было бы регулировать?

177.2.Укажите, каковы особеиности конструкции сильного

алеКТРОМ41гнита. .

177.3. Как построить сильный электромагнит, если конструктору поставлено условие, чтобы ток в электромагните был сравнитель·

но малым?

177.4. Какой ИЗ элеКТРО~iагнитов, изображ~нных на рис. 369,

имеет большую подъемную силу, если OНlI сделаны ИЗ одинаково·

го ЖС.1сза и имсют одинаковое число ампер-витков?

§ 178. Реле и их применения в технике и автоматике. Элек­

тро\rаГIIИТЫ очень широко применяются в разного рода

устройствах для передачи сигналов с помощью электри­

ческого тока. Ток, ЗЮIыкаемый в одном месте, заставляет

электромагнит, расположенный на другом конце цепи,

притянуть якорь I! ЭТI!М подать тот или иной сигнал. При­

меры таких простейшнх устройств (молоточковый преры­ ватель, электрический звонок, простой телеграф) общеизве­

стны. В современной технике применяются и гораздо более сложные устройства этого типа.

К числу их принадлежат так называемые реле - при­ боры, которые при включении или выключении в их цепя

2'

о

f

УП!Jq8лnю­

щuu ток

о--­

ЦilПЬ ршJОlffifJО том

Рис. 370. Электромагнитное pc.~e

очень малого электрического тока замыкают или размы­

кают цепь с гораздо большим током, приводящим в движе­

ние какой-либо мотор или механиЗм. Типы и конструкции

реле очень разнообразны.

458

ОТВЕТЫ И РЕШЕНИЯ К УГIРАЖНЕНИЯМ

4.1. Если заряд, перешедший со стекла на электроскоп, не превышает по модулю удвоенный первоначальный заряд 9.':Iектроскопа, отклонение

JIИСТКОВ уменьшится; если же заряд, перешеДШИlI со стекла на электро­

скоп, превзойдет по модулю удвоенный первоначальный заряд, откло­ нение листков возрастет. 4.2. Латунный стержень электризуется в обо­ их СJIучаях. Однако если стержень ](асается руки, то возникающие на нем заряды уходят через тело экспериментатора. Если же стержень оСернуть в резину (хороший диэлектрик), заряды остаются на стержне. 4.3. Достаточно провести заряженный ДИЭ.JIектрик сквозь раскаленные газы вб.I1ИЗИ горе.!ки: раскаленные газы проводят ток, И поэтому заряд уйдет через OGJJaKO газа и тело экспериментатора. 4.4. При трении меха

о стол мех электризуется, и поэтому на теле экспериментатора, держаще­

го мех, также появляются ЭJlектрические заряды. 4.5. Для этого доста­

точно ПQ,ложить шелк, после трения его о стекдо, в стакан 3.1IеК1роскопа

(рис. 9). 7.1. Потому, Ч10 и волосы и гребень при трении друг о друга элек­

тризуются. 7.2. При натирании бумаги ладонью на бумаге возникают

э.JIектрические заряды. Опыт получается только с теплой, хорошо про­

сушенной бумагой, так как только в этом СЛУ'Iае она является хорошим

диэлектриком. 8.1. При поднесении Te.rra к шарику электроскопа иа

стержие электроскопа ПОЯВЛЯЮТСЯ индуцированные заряды: на внешнем

конце противоположного знака, на внутреннем - того же знака, что и

на теле. Поэтому, если на электроскопе был сначала заряд того же знака,

что и на теле, то суммарный заряд листков (первоначальный заряд плюс индуцированный) увеличится и отклонение листков станет боль­ ше. Если заряд электроскопа был противоположного знака, отклонеиие

листков уменьшится. 8.2. Когда мы ПОДIЮСИЫ к электроскопу положи­

тельно заряженную стек.~янную палочку, электроны движутся от вну.

треннего I\Онца стержня к внешнему. Когда, коснувшись предваритель­ но шарика паЛЬцем, мы убираем стеклянную палочку, движение элек­ тронов происходит в обратном направлении. 8.3. Отклонение листков !уменьшится, потому что заряд электроскопа вызовет на ближайшем к нему конце мета.~лического Тела индуцированный заряд противополож­ ного зиака, который будет уменьшать отклонение листков (см. упраж­

нение 8.1). 8.4. По мере приближеиия отрицательного заряда индуци­

рованный отрицательный заряд на внутреинем конце стержня и на лист­

ках увеличивается. Поэтому результирующий заряд листков, равный

сумме первоначального положительного и увеличивающегося отрица.

тельного, сначала уменьшается, при некотором положении тела обра.

щается в нуль, а затем становится отрицательным, т. е. листки переза.

ряжаются. 8.5. Потому, что на руке ПОЯВЛSjется индуцированный заряд лротивоположногозиака. 11.1.0,1 Н. 11.2.5,20.11.3.66 НКЛ. 11.4. l,6Х

1 еВ

Х 109 Н. 11.5. Сила притяжения электрона к ядру F=-4- ........ Эта сила

пво ,.

460

СОздает ускорение а=ё,2/г= (j)2r (с\!. TO~! 1). Стало быть, частота вращения

Эдектрона BOK~YГ ядра ;Щ.lжна быть такова, чтОбы УДОВ,lетворялось ра-

именный индуцированный Зi1РЯД остастся на кусочках ваты и осаабляет

силу притяжения между зарндом палочки и разноименным индуциро­

ванным заРЯДОil!. Во ВТОРШI СЛУ'lае 0,1F10именный индуцированный заряд

уходит через стол и притяжсни~ получается более сильиым. 14.1. 9 КВ/М.

14.2.45 ЕВЫ. 14.3.3 ыН. 15.1.0,8 мВ. 19.1. ЛИНИI! Э.'1ектрического поля

являются радиальными прнмыми, сходящимися К точке нахождения от­

рицательного заР'Сlа (ер. рис. 32, ОТfIОСЯЩИЙСЯ к подобному случаю для положительного заряда). 19.2. Нулю. 19.3. Нулю. 19.4. Потому, что

флажок, подобно БУШ1ЖflОЙ стрелке (§ ]2) и ВСЯКОМУ иному уд.1иненному

телу, стремится стать п)\оль линий поля. 20.1. Сходство: а) в Э.lектриче· ском поле (закои Кулона) сила взаимодействия между точечными за­

рядами обратно пропорциональна квадрату расстояния; для двух то­

чечных масс справедлипо то же самое (закои Ньютоиа); б) это приводит

К тому, что работа на зашшутом пути и в том и в другом поле всегда равна

нудю, т. е. оба поля Еонсервативны; в) из этого в свою очередь вытекает

как следствие, что и в Э.lектричес](ом поле, и в гравитационном поле (поле

тяжести) существует разность потенциалов. Раз.1ИЧИС: а) в электриuе.

ском поле существуют зарпды двух различных знаков, в то вре~!я ка'" n

гравитационном ПО.lе отрицательных масс нет; б) это приводит К ряду следствий: например, тело ~южет быть элсктрически нейтрально (не заряжено), т. е. не вызывать вокруг себя электрического по.1Я; гравита·

ционно нейтральных теЛ не существует, всякое ~!атериальное тело вызы·

вает вокруг себя поле тяжести, т. е. действует на окружающие тела.

23.1. ) Н. 23.2. Сила равна 2,08') 0-17 Н и направлена к Земле. Она в

Рис. 372. К упражнеJlШО 24.! Рис. 373. К упражнению 24.2

1,3 ·109 раз больше силы тяжести, действующей на ион. 24.1. Они пока.

заны на рис. 372. 13 псы сущестненно, что поверхность шарика и поверх­

ность ЗеМ.1И яв.1ПЮТСЯ эквипотснциа.lhIlЫМИ поверхностями, и поэтому

линии ПО.1Я перг;енднку.1НрНЫ и к поверхности Зе\1ЛИ и к поверхности

шарика. 24.2. С.!. рис. З73. 24.3. !-Те И3\lенится. 26.1. Стек.то в Э.'IСКТРИ·

ческом ПО.lе ЗnрЯЖСfIfIОГО элеКТРОСКОПа поляризуется: на ближайше~1

к электроскопу конце ПО~П.lяется j1fl31IOЮIСННЫЙ заряд, на удаленно;\ -

одноименный. Б,lИЗКО распо.l0жешIыJ'[[ к Э;Iектроскопу РаЗНОИ~lенный зil.

ряд действует на Э.1ектроскоп СИ.lьнсе и У,Iеньшает РJсхождение его

дистков. 27.1. Нет. 27.2. Нет, так как на 3.1ектроскопс останется теперь индуцированный телml заряд ПIЮТИIJО!10.10ЖНОГО знака. 27.3. Не из:,!е­

нится. 28.1. Разность потенциалов \IСЖДУ теми точкам!!, в I\OTOPbIX по~iе­

щены свечи. 29.1. Тело человека - проводник, и поэтому поверхность

его в поле при равновесии зарядов должна быть эквипотеициальной по·

в.ерхнсСтыо. Между от/\еЛЫJЫМИ ТО'[ками ее (головой и ногами) не может

461

быть разности потенциалов. Пока человека в данном месте нет, поле имеет вид, показанный на рис. 374, а, линии его направлены вертикально

вниз, а эквипотенциальные поверхности представляют собой горизон­

тальные плоскости. Между точками А и В действительно существует разность потенциалов 200 В. Появление в этом пространстве человека искажает поле, и оно принимает примерно такой вид, как на рис. 374, б.

Вблизи тела человеКа ход линий Э/1ектрического поля и эквипотеициаль­

ных поверхностей нзменяется, и одна из этих поверхностей совпадает с

'поверхностью тела человека, так что напряжение между точками А и

В становится равным нулю. Это происходит вследствие перераспределе­

ния зарядов в ~еле че.10века, но это перемещение зарядов (электрический ток) чрезвычайно кратковременно н слабс, так что мы не ощущаем его.

к.огда же мы прикасаемся к полюсам батареи или сети, то равиовесия

аарядов нет и через наше тело длительно идет ток, достаточио сильный,

чтобы вызвать известные всем неприятные ощущения. 29.2. Около 4,5.1O~ Кл. 30.1. З,I·10-~§ Кл. 31.1. Подвешенный грузик отклонится.

На поверхностях шара возникиут индуцированные заряды, равные по МОДУЛЮ: на внутренней поверхности противоположиого знака, на внеш­ ней - того же зиака, что и заряд в центре. Вне шара совокупное дей­ ствие заряда в центре и заряда на внутренней поверхиости равно ну­ лю, но останется действие заряда внешней поверхности: этот заряд будет действовать так, как если бы он был сосредоточен в центре, и поэтому на·

личие полого шара никак не скажется. Если же шар заземлен, то заря­ дов на внешней поверхности не будет, не будет и поля вне шара и грузик

не отклоиится. 31.2. Внутри металлической сетки (замкиутая полость) электрическое поле равио нулю, и поэтому нигде не может возникиуть электрическая искра. Если, однако, внутри полости имеется не соединен­ ная с ней труба, выходящая за преде.1ы полости, то между трубой и сет, кой может возникнуть разность потенциа.10В (например, во время грозы) и проскочит электрическая искра. 31.3. Нет, не мог бы. В первом слу­ чае заряды, снимаемые с' ленты кисточкой 5, ие переходили бы на внеш­ нюю поверхность шара, а остава,lИСЬ бы на ~lecTe и длительный переное заряда с ленты на шар был бы невозможс:!/. Во втором случае кнсточка 8, лента и поверхность шара представля.'1И бы собой одну эквипотенци­

альную поверхность и был бы невозможен длительный переход заряда с

кисточки 3 на ленту. 33.1.1 МККЛ. 33.2. Например, при ПОмощи электр()­

метра. Для ilTOfO можно, изолировав корпус электрометра, соединить

462

стержень а одннм нз шаров, а КОРПУС с другим. 33.3. Разност!> потен.

циалов межд}' отдельными частями тела птнцы (ее лапками) буд"т мала

одинаково. о.ли после этого, держа заряженную банку за CTep~~HЬ, по-

ставить ее на стол, то банка разрядится через Стол I! наще Teflo и мы

почувствуем сотрясение. 34.2. Заряд на лейденской банке в ЭТО)'\ ~лучае буд.ет очень мал. На изолированной обкладке возникнут вслеДс"вие ии­

дукции заряды обоих знаков, однако ни один из этих зарядов не сможет уйти с обкладки; она будет поэтому в целом не заряжена и леil.ценская

баика не будет конденсатором. 34.3. Когда мы касаемся ВНУтре1tней об­

кладки банкн, стоя на изолирующей скамейке, банка не МОЖе1' разря­ диться, так как на пути тока имеется диэдектрик (скамейка) и чеРез наще тело ток не проходит. 35.1. В первом, в 16 раз. 35.2.40 В; 80 8.35.3.

15 мкКл. зВ.4. 150 В. 35.5. Поровну. 42.1. 6,2·1018.46. t. 6,1 мА. 47.1.

0,02 Ом. 47.2. 492 м. 48.1. У лампочки с металлической нитью ток умень­

шается по мере раскаливания нити, так как сопротивление метаЛ,10В \'ве­

личивается с увеличением температуры. У угольной лампочки ПРОисходит

11 А. 52. t. Следует соединить последовательно 10 лампочек. 52.2. 217,3 В.

52.3.Напряжение на печке равно 17 В, а на лампочке 203 В. Печка

работать не будет, лампочка же будет накаливаться почти иормально.

52.4.Нужно ВЗять 37 6-вольтовых или 28 8-вольтовых лампочек. Если

одна из лампочек гирлянды перегорит, то остальные гореть ие будут.

Чтобы исправить гирлянду, нужно вырезать перегоревшую лампочку и соединить друг с другом оставшиеся свободными концы проводов.

Обнаженные места провода следует обязательно замотать изоляционной

лентой или надеть на это место трубочку из изолирующего материала.

Когда из гирлянды вырезано несколько лампочек, то сопротивление ос­ тавшихся становится настолько малым, а ток через них настолько боль­ шим, что оставшиеся лампочки очень быстро перегораlOТ. 52.5. а) 110 В;

б) 22 В; в) 167 В. 52.6.213,2 В. 52.7.8,5 В. 52.8. Включая приборы, по­

требляющие большой ток, мы увеличиваем ток в линии и подводящих

проводах, а следовательио, и увеличиваем падение напря)Кения в них

и= I " приходящееся на провода, отчего напряжение на лампочках

соответственно уменьшается. Яркость лаМПОчек постепенно увеличива­

ется, потому что по мере разогревания утюга его сопротивление увели­

чивается и падение иапряжения, вызmlllное его включением, уменьшает­

ся. 52.9. Сопротивление металлической нити возрастает с увеличением температуры, сопротивление уго.%ноЙ - падает. Поэтому две лампочки,

металлическая и угольная, которые имеют одинаковое сопротивление в

горячем состоянии, обладают различным сопротивлением в холодиом: V металлической оно малое, у угольной большое. Этим и объясняется Ъ'казанное различие. 53.1. Можно. Провода, между которыми измеряют

напряжеиие. следует присоедииить к зажимам электрометра, соединен­

ным с его корпусом и с листками. Градуировать нужно по нескольким заранее известным напря)Кениям. 54.1. 1 В. 54.2. 10 мА. 54.3. 12 кОм,

сопротивление нужно соединить последовательио с вольтметром; не

изменится. 54.4.440 Ом. 55.1.1/90 Ом. 58.1.25 Дж. 58.2. 0,176 коп.

158.3. 19360М1 Р8.4. Больший ток потребляет лампочка мощности 100 Вт;

463