XXVI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Исследование принципа работы электромагнита

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Лебедь М.Д. 1

---

1МБОУ Филиал "Лицей № 11 г. Челябинска"

Пахомова И.В. 1

---

1МБОУ Филиал "Лицей № 11 г. Челябинска"

Работа в формате PDF

720.9 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Каждый раз при входе в подъезд нашего дома нас встречает дверь, которая открывается только с помощью специального брелока или приложения. Но однажды, когда во всём доме не было электричества, эта дверь осталась открытой. Что же произошло, подумали мы, может быть, сломался замок? Оказывается, нет, когда восстановили подачу электричества, дверь оказалась снова плотно закрыта и все стало как прежде. Нам стало интересно, почему так произошло. Мы выяснили, что дверь запирается с помощью электромагнитного замка. Принцип работы электромагнитов оказался для нас очень интересным, поэтому мы решили изучить данную тему, чтобы получить ответ на этот вопрос.

Актуальность данной темы исследования обусловлена тем, что изучение электромагнитов позволяет получить начальные знания в области физики и понять принцип работы устройств, которые широко распространены и используются в различных областях.

Цель работы – выяснить почему электромагнитный замок не работает без электричества, изучить взаимосвязь магнетизма и электричества.

Область исследования – физика.

Объект исследования – электромагнетизм.

Предмет исследования – принцип работы электромагнита.

Задачи:

1. Выяснить, что такое электромагнит и чем он отличается от постоянного магнита;

2. Выяснить, как связаны магнетизм и электричество;

3. Применить полученные знания на практике.

Гипотеза: с помощью электрического тока и проводников можно сделать электромагнит, который сравним по некоторым свойствам с постоянным магнитом.

Методы, используемые в исследовании:

1. Изучение терминологии;

2. Проведение эксперимента;

3. Поиск способов применения электромагнита с учётом его выявленных свойств.

Для проведения исследования нам потребуются: проволочная рамка с подставками, пористый коврик, батарейный блок, батарейки, лампа накаливания, провода со штекерами, компас, 2 зажима «крокодил», толстый медный провод, 2 малых неодимовых магнита, фольга, пробирка, светодиод, гвоздь, скрепки, изолента.

Теоретическая часть

Что такое электромагнит и его особенности

Электромагнит — это устройство, создающее магнитное поле при прохождении через него электрического тока. 

Сила магнитного поля электромагнита зависит от нескольких факторов:

1. Количество витков катушки: чем больше витков, тем сильнее магнитное поле.

2. Сила тока: чем больше ток, тем интенсивнее создаваемое поле.

3. Материал сердечника: например, если использовать феррит или сплавы с высоким уровнем магнитной проницаемости, поле будет мощнее при том же токе.

Таким образом, магнитное поле электромагнита можно регулировать, если увеличить или уменьшить силу тока или количество витков в обмотке. 

Особенности электромагнита:

1. Управление магнитным полем: электромагниты могут регулировать силу своего магнитного поля, управляя электрическим током, что обеспечивает точное воздействие магнитного поля.

2. Временный магнетизм: проявляет магнитные свойства только при наличии электрического тока, что позволяет гибко активировать и деактивировать его для решения конкретных задач.

3. Универсальность конструкции: доступны различные формы и размеры, в том числе плоские, цилиндрические и специализированные конфигурации, которые можно приспособить к различным промышленным и технологическим потребностям.

4. Промышленное применение: используется в промышленности для таких задач, как погрузочно-разгрузочные работы, сортировка и эффективный подъём материалов из чёрного металла благодаря мощным магнитным полям.

5. Безопасность: временное магнитное поле повышает безопасность, позволяет легко контролировать магнитную силу и управлять ею в различных условиях.

6. Энергоэффективность: потребляет энергию только во время активной генерации магнитного поля, что способствует экономичному расходованию энергии.

7. Технологическое применение: используется в различных технологиях, в том числе в электрогенераторах, магнитно-резонансных томографах (аппаратах МРТ) и электрических дверных замках, что демонстрирует его универсальность в разных технологических областях.

Несмотря на универсальность и эффективность электромагнитов, у них есть ряд недостатков:

• Зависимость от питания: для поддержания магнитного поля электромагнитам требуется постоянное питание (при отключении питания магнетизм исчезает).

• Выделение тепла: при прохождении электрического тока через катушки может выделяться тепло, и в некоторых случаях необходимо контролировать этот процесс, чтобы предотвратить повреждение электромагнита.

• Сложность: создание и обслуживание электромагнитов может быть более сложным процессом, чем работа с постоянными магнитами.

• Стоимость: оборудование и технологии, необходимые для создания электромагнитов и управления ими, могут быть дороже, чем те, которые используются для работы с постоянными магнитами [1].

Постоянные магниты против электромагнитов

Что такое постоянный магнит и его свойства, мы узнали в процессе написания прошлой работы.

Ключевое различие между электромагнитом и постоянным магнитом можно рассмотреть с помощью таблицы:

Вывод: постоянные магниты и электромагниты отличаются способом создания магнитного поля. Это различие влияет на характеристики и применение этих типов магнитов.

Связь магнетизма с электричеством

Магнетизм – это свойство магнита притягивать к себе или отталкивать от себя некоторые тела [2].

Одним из важных открытий в физике оказалось обнаружение тесной связи магнетизма с электричеством. На такую связь впервые указал датский учёный Ганс Христиан Эрстед в начале XIX века. Он выяснил, что электрический ток создает вокруг себя магнитное поле. А ток, который течёт по круговой или спиральной проволоке, действует точно так же, как магнит, и создает магнитную силу.

Практическое изучение электромагнитов мы решили начать с проведения экспериментов, которые демонстрируют выявленные Эрстедом закономерности. А завершим мы наше исследование различными увлекательными экспериментами, основанными на работе электромагнитов.

Практическая часть

Эксперимент 1. Магнитное поле и проводник с током

Оборудование: батарейный блок, 3 батарейки, 3 провода со штекерами, лампа накаливания, компас.

Мы собрали электрическую цепь так, как показано на рисунке 1. Для наглядности включили в цепь лампочку, если она горит, значит, образовалась электрическая цепь. Батарейный блок в данном случае является источником питания этой цепи.

При выключенном питании расположили с помощью компаса один из проводов вдоль направления «север-юг». Поставили компас на провод и замкнули электрическую цепь. В момент протекания через проводник электрического тока стрелка отклонилась от исходного положения и встала перпендикулярно к проводу. Если повернуть провод вместе с компасом, то стрелка продолжает сохранять свое направление, потому что она указывает направление круговых магнитных силовых линий, которые появились благодаря току.

Вывод: вокруг проводника с током возникает магнитное поле, которое воздействует на магнитную стрелку.

Эксперимент 2. Направление магнитного поля проводника

Оборудование: проволочная рамка с подставками, пористый коврик, батарейный блок, батарейки, лампа накаливания, 2 провода со штекерами, компас, 2 зажима «крокодил», 25 см толстого медного провода.

Мы расположили провод, по которому проходит ток, вертикально и попробовали определить направление силовых линий магнитного поля. Собрали установку, как показано на рисунке 2.

Концы медного провода зачистили с помощью абразивной шкурки. Сделали с помощью кнопки маленькое отверстие в центре пористого коврика и продели через него распрямлённый подготовленный провод. Далее закрепили провод на проволочной рамке, один раз крепко обернув его вокруг перекладины. С помощью зажимов «крокодил» соединили батарейный блок, лампочку и провод в единую цепь. В результате цепь замкнута, лампочка загорелась, значит, по проводу идёт ток.

Выровняли пористый коврик на проводе, чтобы он был горизонтальным, и положили на него компас. После этого разъединили цепь и медленно перемещали компас по кругу.

Далее замкнули цепь и проделали то же исследование. Магнитные стрелки ориентируются вдоль силовых линий магнитного поля, которое создал электрический ток, и образуют замкнутые линии.

При перемене полярности батарейного блока (если поменять его выводы местами) ток течёт в противоположном направлении, но магнитная стрелка снова будет ориентироваться по кругу, только будет направлена в другую сторону (см. Рисунок 3).

Вывод:направление магнитных линий связано с направлением тока.

Эксперимент 3. Изготовление и испытание электромагнита

Оборудование: гвоздь, зажим, медный провод, батарейный блок, батарейки, скрепки.

Сначала намотали на гвоздь 70 витков тонкого лакированного медного провода. Мы следили за тем, чтобы изоляция по всей длине проводника была однородной и целой, тогда не будет межвитковых замыканий. Намотка должна идти в одну сторону, как на катушке с нитками, то есть нельзя изогнуть провод на 180 градусов и пойти в обратном направлении. В результате мы получили катушку. После этого мы оставили свободные концы провода длиной 5 см и очистили их от лака шкуркой.

Далее мы собрали электрическую схему (см. Рисунок 4). Перед тем, как замкнуть цепь, поднесли гвоздь к скрепкам и убедились, что он не взаимодействует с ними. Затем мы включили электрический ток.

Было интересно наблюдать, как скрепки примагнитились к гвоздю. Это говорит о том, что гвоздь превратился в электромагнит. Притяжение проявляется только при протекании по катушке электрического тока.

Электрический ток создаёт магнитное поле вокруг проволоки. Это явление называется электромагнетизмом. Гвоздь внутри катушки концентрирует и усиливает поле, делая его достаточно сильным, чтобы притягивать мелкие металлические предметы, например, скрепки (см. Рисунок 5).

Вывод: электромагнит работает только тогда, когда через катушку течёт ток. Если отключить батарейку, магнитное поле исчезнет и гвоздь перестанет быть магнитом.

Эксперимент 4. Изготовление простейшего электродвигателя

Оборудование: 2 булавки, изолента, 2 маленьких магнита, медный провод, батарейка.

В первую очередь наматываем катушку той части электродвигателя, которая будет вращаться. Чтобы сделать катушку, мы намотали 20 витков жесткой проволоки на батарейку и ставили свободными по 5 см провода с каждого конца.

Далее мы сняли катушку с каркаса, стараясь сохранить полученную форму. Затем мы обернули свободные концы провода вокруг витков и продели в получившуюся петлю, наблюдая за тем, чтобы новые скрепляющие витки были точно напротив друг друга.

Держа катушку вертикально, положили один из свободных концов катушки на край стола. Шкуркой мы удалили верхнюю половину изоляции, но при этом оставили нижнюю половину в эмалевой изоляции. Проделали то же со вторым концом катушки, наблюдая за тем, чтобы неизолированные концы провода были направлены вверх У двух свободных концов катушки. Дело в том, что катушка будет лежать на двух держателях, которые изготовлены из обычных булавок. Эти держатели будут присоединены к разным концам батареи так, чтобы электрический ток мог проходить от одного держателя через катушку к другому держателю. Но это будет происходить только тогда, когда неизолированные половины провода будут опущены вниз, касаясь держателей.

На следующем этапе мы изготовили поддержку для катушки. Для этого взяли большие булавки и прикрепили их изолентой к батарейке. Сначала мы собрали двигатель без магнита, но затем положили на батарейку магнит и аккуратно подтолкнули катушку. Катушка начала быстро вращаться (см. Рисунок 6).

Как работает полученный в ходе эксперимента электродвигатель? Катушка становится электромагнитом тогда, когда неизолированная половина выступающего провода катушки касается неизолированного держателя. В этот момент по катушке начинает течь ток, у катушки появляется северный полюс, который притягивается к южному полюсу постоянного магнита, и южный полюс, который отталкивается от южного полюса постоянного магнита. Мы снимали изоляцию с верхней части провода, когда катушка стояла вертикально, поэтому полюса электромагнита будут направлены вправо и влево. Это значит, что полюса придут в движение, чтобы расположиться в одной плоскости с полюсами лежащего магнита, которые будут направлены вверх и вниз, поэтому катушка повернется к магниту. При этом изолированная часть провода катушки коснётся держателя, ток прервётся, а катушка больше не будет электромагнитом. Она провернётся по инерции дальше, ещё раз коснётся неизолированной частью держателя, и процесс повторится вновь и вновь, пока батарейка не разрядится [3].

Вывод: простейший электродвигатель – это устройство, которое демонстрирует принцип работы электрического двигателя, основанный на взаимодействии магнитного поля и электрического тока. Такой электродвигатель работает только на постоянном токе, например, от батарейки.

Эксперимент 5. Самодвижущаяся магнитная тележка

Оборудование: батарейный блок, батарейки, фольга, болт, гайка, 2 малых магнита, изолента, двусторонний скотч.

Мы вырезали из фольги две длинные цельные полосы и расположили их параллельно на столе на расстоянии 2 см друг от друга. Приклеили полосы к столу скотчем так, чтобы с одной стороны полос можно было отогнуть вверх края фольги длиной 1 см. В роли двухколесной тележки будет выступать винт с гайкой на конце. На шляпку и гайку мы прикрепили круглые малые магниты, причем наружу должны быть направлены одноименные полюсы магнитов. То есть у нас получится магнит-тележка с тремя полюсами: «S-N-S» или наоборот «N-S-N», что сделает магнитное поле равномерным по всей длине фольги. Винт и магниты проводят электрический ток.

Далее мы подсоединили с помощью зажимов «крокодил» батарейный блок к подготовленным заранее полоскам из фольги и ненадолго замкнули электрическую цепь магнитом-тележкой, положили её на середину полос. В результате тележка начала быстро катиться.

Мы попробовали изменить направление тока в цепи, поменяв местами штекеры блока питания, и наша магнитная тележка поехала в обратном направлении (см. Рисунок 7).

К сожалению, наблюдать за результатами этого эксперимента получилось недолго, так как батарейки быстро разрядились.

Явление возникновения электрического тока в замкнутом контуре при изменении магнитного потока, который пронизывает этот контур, называется электромагнитной индукцией. Это явление открыл Майкл Фарадей в 1831 году [4]. 

Вывод: в данном эксперименте мы выяснили, что ток, который проходит по проводнику в магнитном поле, может создать такую движущую силу, которая способна привести тележку в движение.

Эксперимент 6. Магнитный фонарик

Оборудование: пробирка, 2 малых магнита, изолента, тонкая проволока, пористый пластик, светодиод.

Поскольку батарейки у нас разрядились во время прошлого эксперимента, то мы решили сделать фонарик без них.

С помощью карандаша мы опустили на дно пробирки небольшой кусочек пористого пластика. Намотали 532 витка тонкой проволоки на пробирку. В результате у нас получилась катушка. Для того, чтобы она не соскальзывала с пробирки, мы зафиксировали её с обеих сторон изолентой, после чего оставили выводы 7 см. Затем с помощью шкурки мы очистили контакты и изолентой подсоединили к ним один светодиод. Далее опустили двойной магнит в пробирку и плотно её закрыли. Изолентой прикрепили подсоединенный к катушке светодиод к корпусу пробирки, затем потрясли пробирку. В результате магнитное поле произвело ток в катушке, и светодиод загорелся (см. Рисунок 8).

При каждом встряхивании магнитов ток в цепи меняет направление на обратное. Таким образом у нас получилось зажечь светодиод без батареек.

Вывод: у нас получилось устройство, которое не нуждается в батарейках, а источником энергии будет колебательное движение магнита.

Выводы на основании проведённых экспериментов:

1. Магнитное поле создаётся током, протекающим по проводнику.

2. Направление магнитного поля связано с направлением тока в проводнике.

3. Электромагнит работает только тогда, когда через катушку течёт ток.

4. Взаимодействие тока с магнитным полем создаёт движущую силу

5. Источником энергии может стать колебательное движение магнита.

Использование результатов

Электромагнит, сделанный своими руками, можно использовать для поиска мелких предметов из металла, например, иголки, скрепки или булавки. При этом электромагнит можно регулировать по мощности и выключать, что обеспечивает большую безопасность, чем, например, работа с неодимовыми магнитами.

В результате экспериментов с магнитной тележкой и простейшим электродвигателем получились увлекательные игрушки. Также можно собрать простейший электропоезд или электромагнитную пушку.

Мне особенно понравился эксперимент с фонариком, который работает без батареек. Пусть он светит не так ярко, как обычный электрический, зато его свет зависит только от того, что я делаю.

Заключение

Мы пришли к выводу, что с помощью электрического тока и проводников можно сделать электромагнит, который имеет некоторые свойства постоянного магнита:

• Создаёт магнитное поле. Однако источник магнитного поля отличается. Если постоянный магнит генерирует поле самостоятельно, без внешнего источника энергии, то электромагнит создаёт поле при прохождении через него электрического тока.

• Полюса электромагнита, как и у постоянного магнита, состоят из северного и южного. При этом, в отличие от постоянных магнитов, полярность можно менять, если изменить направление тока. 

Из выводов на основании проведённых экспериментов следует, что магнетизм и электричество – это два взаимосвязанных явления. Вместе они образуют электромагнетизм.

В процессе исследования мы получили ответ на интересующий нас вопрос. Электромагнитный замок состоит из двух частей: электромагнита и металлической пластины. Когда замок подключён к электричеству, через электромагнит проходит ток, он создаёт мощное магнитное поле. Мы выяснили, что электромагнит работает только если есть электрический ток, поэтому, чтобы открыть замок, необходимо отключить подачу тока на электромагнит. Когда ток прекращается, магнитное поле исчезает, и пластина больше не удерживает дверь, что позволяет её открыть.

Таким образом, гипотеза подтвердилась, цель достигнута, а поставленные задачи решены.

Список использованной литературы

1. Электромагнит : материалы сайта // https://www.geeksforgeeks.org : сайт. — URL: https://www.geeksforgeeks.org/physics/electromagnet/ (дата обращения: 29.08.2025).

2. Значение слова «магнетизм» : материалы сайта // https://kartaslov.ru : сайт. — URL: https://kartaslov.ru/значение-слова/магнетизм (дата обращения: 29.08.2025).

3. Надольсткая, Я. Н. Природа магнетизма. Юный физик / Я. Н. Надольсткая. — Москва : ЮВЕНТА , 2021. — 151 c.

4. Ди Специо, М. Занимательные опыты. Электричество и магнетизм / М. Ди Специо. — Москва : АСТ, 2015. — 160 c

5. Кривеллини, М. Магниты, батарейки и компасы / М. Кривеллини. — Москва : РОСМЭН, 2021. — 48 c.

6. Проневский, А. Г. Удивительные опыты с электричеством и магнитами / А. Г. Проневский. — Москва : Эксмо, 2015. — 44 c.

7. Леенсон, И. А. Загадочные заряды и магниты. Занимательное электричество / И. А. Леенсон — Москва : ОлмаМедиаГрупп ; Просвещение, 2014. — 128 c.

Приложение

Рисунок 1. Электрическая цепь

Рисунок 2. Установка, с помощью которой мы определим направление магнитного поля проводника

Рисунок 3. Связь направления магнитных линий с направлением тока

Рисунок 4. Электромагнит

Рисунок 5. Работа электромагнита

Рисунок 6. Простейший электродвигатель

Рисунок 7. Самодвижущаяся магнитная тележка

Рисунок 8. Магнитный фонарик