XVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Особенности устройства электромагнита
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Мы учимся в 8 классе и нам нравится предмет физика. В ней много всего интересного. Однажды при просмотре видеороликов нам попался ролик про электромагниты, а там рассказывалось не именно про электромагниты, а про строительство высотных домов и показали как кран поднял стройматериалы без тросов, автор ролика пояснял, что использовали электромагнит. Нам захотелось разобраться в этой теме.
Цель работы: изучение устройства электромагнита, изготовление электромагнита из доступных материалов, выяснение, что влияет на мощность магнита.
Задачи работы:
1)изучить и проанализировать литературу,
2) изучить принцип действия электромагнита,
3) изготовить электромагнит,
4) провести исследование.
Основные результаты: создана «Технологическая карта изготовления изделия», изготовлен электромагнит, проведено исследование.
Гипотеза: сила электромагнита зависит от напряжения на источнике тока.
1. Что такое магнит
Устройство, принцип работы и классификация
Электромагнит – это устройство, которое при прохождении через него тока, создает магнитное поле.
В 1820 году Эрстед обнаружил, что электрический ток создаёт магнитное поле. А затем, в 1824 году, Уильям Стёржден, создал первый электромагнит. Он представлял из себя кусок железа, который был согнут в форме подковы и на котором было намотано 18 витков медного провода. При подключении к источнику тока, эта конструкция начинала притягивать железные предметы. Причем было замечено, что хотя весил этот электромагнит около 200 гр., он мог притянуть предметы до 4 кг.
Принцип действия: при протекании тока через проводник, вокруг него создается магнитное поле. Это магнитное поле можно усилить, если придать проводнику форму катушки. Но все же это еще не электромагнит. Вот если в эту катушку поместить сердечник из ферромагнитного материала (например, железа), тогда он станет электромагнитом (рисунок 1). Рисунок 1 - электромагнит
К огда ток протекает по обмотке электромагнита, он создает магнитное поле, линии которого пронизывают сердечник, то есть ферромагнитный материал. Под действием этого поля, в сердечнике, мельчайшие области, которые обладают миниатюрными магнитными полями, называющиеся доменами, принимают упорядоченное положение. В результате, их магнитные поля складываются, и образуется одно большое и сильное магнитное поле, способное притянуть большие предметы. Причем, чем сильнее ток, тем сильнее магнитное поле, которое образуется электромагнитом. Но так будет про рисунок 2 исходить только до магнитного насыщения. Затем при увеличении тока, магнитное поле будет увеличиваться, но незначительно. Если ток в электромагните убрать, то домены снова примут безупорядоченное положение, но часть их все же останется направленными одинаково. Эти оставшиеся направленными домены, будут создавать небольшое магнитное поле. Это явление называется магнитным гистерезисом.
Простейший электромагнит представляет из себя катушку с сердечником из ферромагнитного материала. В нем также присутствует якорь, который служит для передачи механического усилия. Например, в реле, якорь притягивается к электромагниту, и одновременно замыкает контакты. Так как линии магнитного поля замыкаются на якоре, это еще больше усиливает это магнитное поле.
Электромагниты по способу создания магнитного потока делятся на три вида:
Электромагниты переменного тока
Нейтральные электромагниты постоянного тока
Поляризованные электромагниты постоянного тока
В электромагнитах переменного тока, магнитный поток изменяется, как по направлению, так и по значению, разница только в том, что изменяется он с удвоенной частотой тока.
В нейтральных электромагнитах постоянного тока, направление магнитного потока не зависит от направления тока.
В поляризованных электромагнитах постоянного тока, как вы уже поняли, направление магнитного потока зависит от направления тока. При этом эти электромагниты обычно состоят из двух. Один – постоянный магнит, создает поляризующий магнитный поток, который нужен при отключении основного, рабочего электромагнита. 1
1.2 Использование электромагнита
Большинство применений электромагнитов основано на их способности притягивать и удерживать предметы, в состав которых входит железо и некоторые его сплавы. Рассмотрим несколько примеров.
|
|
Э лектромагнитный подъёмный крансодержит очень мощный электромагнит и применяется на металлургических заводах для перемещения готовых изделий или металлического «лома», собранного для переработки (рисунок 3).
Рисунок 3- кран
Электромагнитные столы часто применяют в станках на металлообрабатывающих предприятиях. Сверление, фрезерование и штамповка только тогда будут качественными, когда заготовка будет надёжно закреплена. На электромагнитном столе будущее изделие прочно удерживается притяжением мощных электромагнитов. Достаточно включить ток, чтобы закрепить заготовку в нужном положении на столе и выключить ток, чтобы освободить её.
|
|
М агнитные сепараторы (рисунок 4)применяют для отделения магнитных материалов от немагнитных. Это, например, необходимо для «обогащения руды» путём отделения кусков железной руды от не содержащей руды породы (см. рисунок). Это, например, очищение семян сельскохозяйственных растений от
семян сорняков. Рисунок 4- сепаратор
Происходит это следующим образом. Семена сорняков, как правило, покрыты многочисленными ворсинками, в которых «запутываются» специально добавляемые мелкие железные опилки. Поэтому в сильном магнитном поле семена сорняков отклоняются в сторону, отделяясь от полезных семян.
Электромагниты в военном деле применяются, например, в магнитных минах, взрывающихся при прохождении над ними кораблей или подводных лодок. Во время и после второй мировой войны большую роль играли специальные корабли - электромагнитные тральщики. Они очищали акватории от магнитных мин, заставляя их взрываться специально созданным магнитным полем вокруг корабля, плывущего на безопасном расстоянии.
|
|
Э лектромагнитные реле (рисунок 5) применяются в системах автоматики. Когда по обмотке электромагнита проходит ток, якорь притягивается к сердечнику и замыкает или размыкает контакты. В результате происходит включение или выключение тех приборов, которыми управляет реле. В каких случаях это необходимо?
Рисунок 5- реле
Например, когда нужно создать «гальванический разрыв», то есть не допустить тока из управляемой цепи в управляющую. Или, например, когда нужно током малой силы (и, соответственно, тонкими и поэтому недорогими и негромоздкими проводами) управлять током большой силы в толстых, громоздких и дорогостоящих проводах (с целью удешевить проводку и сделать её более безопасной на всём протяжении). Способность переключения электрических цепей при помощи слабого сигнала важна для безопасной работы промышленных устройств большой мощности. При этом электромагнитные реле выполняют функцию усилителя сигнала.
Электромагнитные замки надёжно запирают стальные ворота на заводах и двери в подъездах домов. Для их открывания нужно набрать особый код. Цепь размыкается, притяжение исчезает, и замок можно легко открыть.
Э лектромагнитные дороги (рисунок 6)для скоростных транспортных средств создают над своей поверхностью так называемую «магнитную подушку». Взаимодействующие магнитные поля магнитов дороги и днища поезда удерживают его на высоте нескольких сантиметров и одновременно толкают вперёд, включаясь в момент приближения поезда и выключаясь после его проезда.
Рисунок 6
Электромагниты в ускорителях (специальных научных устройствах, в которых изучаются заряженные частицы) своим магнитным полем поддерживают круговую траекторию частиц постоянного радиуса. Пучки таких частиц, летящих с огромными скоростями, являются основным средством изучения природы и свойств элементарных частиц. Крупнейший в мире электромагнит является частью детектора L3, используемого в экспериментах на большом коллайдере Европейского совета ядерных исследований, Швейцария. Габариты электромагнита, превосходящие высоту 4 этажного здания, составляют 12х12х12 м, а общая масса 7810 т. 2
2. Изготовление электромагнита
2.1. Технологическая карта
Нами была разработана технологическая карта изготовления электромагнита, которая представлена в таблице 1.
Таблица 1 – Технологическая карта
|
№ п/п |
Наименование операций, переходов |
Фото операций |
|
1 |
Приготовить всё необходимое для изготовления электромагнита: проволоку и гвоздь |
|
|
2 |
Намотать проволоку на гвоздь. |
|
|
3 |
Прикрепить концы к батарейке. |
|
|
4 |
Электромагнит готов! |
2.2 Исследовательская часть
Мы провели исследование зависимости силы магнитного поля от величины напряжения на источнике тока. Сначала подключили электромагнит к батарейке напряжением 4,5 В. Потом взяли две батарейки по 4,5 В и получили напряжением 9 В. Последний опыт – соединили три батарейки по 4,5 В и получили общее напряжение 12В. Результаты приведены в таблице 2.
Таблица 2 – Результаты исследований
|
№ опыта |
Напряжение на источнике тока, В |
Результат |
Фото |
|
1 |
4,5 |
Притянулась одна скрепка с каждой стороны магнита |
|
|
2 |
9 |
Удерживает по две скрепки с каждой стороны |
|
|
3 |
12 |
удерживает много скрепок |
Вывод:
в результате проведенного нами исследования мы выяснили, что при увеличении напряжения на источнике тока, сила магнитного поля электромагнита увеличивается, он может удерживать больший груз. Значит наша гипотеза верная.
Заключение
Таким образом, технический прогресс и изобретательный ум человека заставил работать силу магнетизма в свое благо. Сейчас трудно найти прибор или механизм, в котором не используются магнитные свойства. Мир магнитов распространяется на компьютеры и стиральные машины, на термоядерные генераторы электроэнергии и нанотехнологии. Мы столетиями изучаем магнит, но, не смотря на значительные знания в этой области, еще не все тайны магнетизма раскрыты.
В ходе выполнения работы мы нашли информацию об электромагнитах, обобщили её, собрали необходимые материалы для сборки электромагнита и сделали его. Мы узнали интересные факты об электромагнитах и их применении. Собрали свой электромагнит. Исследование - это очень интересно и увлекательно. Можно изменять магнитное поле электромагнита (усиливать или уменьшать), изменяя силу тока в обмотке.
А ещё мы разработали «Технологическую карту изготовления изделия». Теперь любой желающий может, пользуясь этой картой, создать свой электромагнит! Теперь наш прибор можно будет использовать по назначению, например, притягивать им различные металлические предметы. Показывать на уроках физики.
Трудно представить нашу жизнь без электромагнитов, потому что они применяются везде: в сельском хозяйстве, в промышленности, в электроизмерительных приборах, в медицине, в быту. Нет области прикладной деятельности человека, где бы ни применялись магниты. Можно сделать вывод, что магниты имеют огромное значение для человека в современном мире.
Список использованных источников и литературы
1) Сайт Классная физика, ссылка http://class-fizika.ru/8_m3a.html(дата обращения: 10.11.2022)
2) Сайт Классная физика, ссылка http://class-fizika.ru/8_m3.html
(дата обращения: 10.11.2022)
3).Сайт Новости ИТ и высоких технологий, ссылка http://information-technology.ru/sci-pop-articles/23-physics/232-kak-rabotaet-elektromagnit (дата обращения: 10.11.2022)
4). сайт Энергетику, Ссылка: http://energ2010.ru/Fizika/Fizika_Krivchenko/El_magnity_primenenie.html (дата обращения: 10.11.2022)
5) Сайт electroandi.ru, Ссылка https://electroandi.ru/elektrichestvo-i-magnetizm/elektromagnit.html (дата обращения: 09.11.2022)