Повні розв’язки, як у зошиті. Хочеш розібратися самостійно — під кожним завданням є «Пояснення з репетитором».
Сторінка 97
§ 14. Електромагніти та їх застосування
Завдання 1
Що таке електромагніт?
Поясніть, що називають електромагнітом, і наведіть приклади його будови (котушка з феромагнітним осердям).
Розв’язання
Котушка — це провідник (дріт), намотаний у вигляді спіралі.
Осердя — це матеріал (наприклад, залізо або сталь), який знаходиться всередині котушки.
Коли по котушці протече струм, вона створює магнітне поле, а наявність феромагнітного осердя значно посилює цю дію.
Відповідь:
Електромагнітом називають котушку з введеним усередину осердям із феромагнітного матеріалу, яка створює магнітне поле за допомогою електричного струму.
Сторінка 98
Завдання 1 (с. 98)
Перевірка полюсів електромагніту
Дано схему саморобного електромагніту з батареєю (плюс праворуч, мінус ліворуч) та котушкою. Потрібно перевірити правильність позначення північного (N) і південного (S) полюсів на рисунку та пояснити, чи зміняться вони при витягуванні осердя.
Розв’язання
Струм тече від плюса батареї до мінуса. На схемі джерело з'єднане так, що струм у котушці йде проти годинникової стрілки (якщо дивитися зверху).
Згинаємо правою рукою пальці в напрямку струму: великий палець вказує на лівий кінець котушки, отже, це північний полюс (N).
На рисунку правильно позначено N ліворуч і S праворуч. Якщо витягнути осердя, полюси не зміняться, оскільки напрямок струму той самий, але магнітна сила стане слабшою.
Відповідь:
Позначення полюсів на рисунку правильне (N — ліворуч). При витягуванні осердя розташування полюсів не зміниться, оскільки напрямок струму залишається незмінним.
Завдання 2
Визначення полюсів на двох схемах
Дано два електромагніти з однаковою схемою підключення джерела струму (ліворуч «–», праворуч «+»). Тарас вважає, що в обох випадках північний полюс буде ліворуч. Кіра стверджує, що напрямок струму різниться. Потрібно визначити правильне розташування полюсів N і S для кожного електромагніту.
Розв’язання
Для верхнього електромагніту струм від «+» (права сторона) йде вниз по правому краю котушки і вгору по лівому. Отже, у верхній частині витків струм йде зліва направо. Пальці правої руки спрямовані вправо, великий палець вказує наліво — це N.
Для нижнього електромагніту дріт прокладений навпаки: від «+» (права сторона) йде вниз по лівому краю котушки і вгору по правому. У верхній частині струм йде справа наліво. Пальці правої руки спрямовані вліво, великий палець вказує вправо — це N.
Відповідь:
1) Верхній електромагніт: N ліворуч; 2) Нижній електромагніт: N праворуч.
Сторінка 100
Завдання 1 (с. 100)
Порівняння магнітної дії котушок
Дано дві котушки А та Б з однаковою силою струму в обмотці. Котушка А має залізний стрижень (осердя), котушка Б — без осердя. Яка з них виявляє більшу магнітну дію?
Розв’язання
Порівнюємо будову обох котушок: у першої (А) є осердя з заліза, у другої (Б) його немає.
За умовою сила струму в обох випадках однакова, тому вирішальним фактором є наявність феромагнітного осердя.
Залізо має високу магнітну проникність, що призводить до значного посилення індукції магнітного поля всередині котушки.
Відповідь:
Більшу магнітну дію виявляє котушка А (з залізним стрижнем), оскільки феромагнітне осердя посилює магнітне поле в рази порівняно з повітрям.
Завдання 2 (с. 100)
Визначення найслабшого електромагніту
Дано два варіанти підключення котушки до джерела струму (А та Б). На якому рисунку зображено електромагніт із найменшою силою притягання? Обґрунтуйте відповідь.
Розв’язання
Аналізуємо схему А: використано одну батарейку, що забезпечує певну напругу та силу струму.
Аналізуємо схему Б: використано дві батареї, з'єднані послідовно, що дає подвійну напругу й більшу силу струму.
Оскільки сила притягання залежить від сили струму, менша кількість батарейок означає слабший електромагніт.
Відповідь:
Найменшу силу притягання має електромагніт на рисунку А, оскільки в його ланцюзі використовується лише одна батарейка, що забезпечує меншу силу струму порівняно з двома батареями у варіанті Б.
Завдання 3
Недоліки магнітожорсткого матеріалу в осерді
Замість звичайної магнітом'якої сталі для виготовлення осердя електромагніту використали магнітожорсткий матеріал. Які недоліки матиме такий електромагніт?
Розв’язання
При включенні струму такий матеріал намагнічується і притягує предмети (як і звичайне осердя).
При вимкненні струму магнітожорсткий матеріал не розмагнічується миттєво, а залишається постійним магнітом.
Це означає, що електромагніт перестане працювати як перемикач: він не відпустить предмет після вимкнення струму і буде намагнічений навіть без живлення.
Відповідь:
Недоліком такого електромагніту є те, що він не розмагнічується після вимкнення струму. Він залишається постійним магнітом, через що не може виконувати функцію включення/вимкнення (наприклад, у електричному дзвінку чи замку).
Завдання 4
Визначення полюсів електромагніту
За рисунком Рис. 1 визначити положення північного (N) та південного (S) полюсів електромагніта, враховуючи напрямок струму в обмотці.
Розв’язання
Аналізуємо схему: ліва частина котушки підключена до мінусового полюса джерела, права — до плюсового. Отже, струм виходить з плюсу і йде по верхній частині дроту від правої частини до лівої (або навпаки, залежно від намотування, але за правилом: якщо дивитися зверху, струм тече від нас у правій частині? Ні, краще подивитися на саму обмотку).
Звертаємо увагу на те, що в обох половинах котушки (ліва і права) дріт намотано однаково. Струм виходить з плюсової клемі батареї, йде по дроту до мінусової.
Застосовуємо правило правої руки: якщо пальці спрямовані за напрямком струму (від плюса до мінуса), то великий палець вказує на північний полюс. Оскільки дріт намотано однаково, а батарея однакова, але розташування клем відносне: зліва «–», справа «+». Струм тече від правого боку до лівого через верхній шар дроту? Ні, струм йде від плюса (справа) по замкненому колу. У витках, що йдуть від правої частини до лівої, струм тече «від нас» у верхньому шарі? Давайте уважніше: якщо дивитися на котушку спереду, то від плюса (справа) струм йде по дроту, який йде вгору/вниз.
Простіше: правило правої руки показує, що північний полюс завжди знаходиться з того боку, куди вказує великий палець. Для цієї конкретної схеми (звичайна намотка): якщо струм йде від плюса (справа) і повертає до мінуса (зліва), то при стандартній намотці (як на малюнку) північний полюс буде зліва, а південний — справа.
Відповідь:
Північний полюс (N) знаходиться ліворуч, південний полюс (S) — праворуч.
Завдання 5
Порівняння постійних магнітів та електромагнітів
Провести порівняльний аналіз властивостей постійних магнітів і електромагнітів, використовуючи знання з параграфа.
Розв’язання
Розглядаємо умову існування поля: у постійного магніта поле завжди є, тоді як у електромагніту — лише коли тече струм.
Аналізуємо регулюваність: силу дії електромагніту можна змінити (збільшити або зменшити), змінюючи силу струму або кількість витків; у постійного магніта сила поля фіксована.
Розглядаємо форму та розмір: електромагніт можна виготовити будь-якої форми (наприклад, підковоподібний), а постійні магніти часто мають стандартну форму.
Відповідь:
1) Електромагніт працює лише за умови протікання струму, постійний магніт — завжди; 2) Магнітну дію електромагніту можна регулювати (змінюючи силу струму або кількість витків), у постійного магніта це неможливо; 3) Електромагніт можна виготовити будь-якої форми та розміру, постійний магніт має фіксовані параметри.
Завдання 6
Роль осердя в електромагніті
Пояснити, чому використання осердя з феромагнітного матеріалу посилює магнітну дію котушки зі струмом.
Розв’язання
Котушка зі струмом сама по собі створює відносно слабе магнітне поле.
Коли всередину котушки вставляється феромагнетик (залізо), він сам намагнічується під впливом поля котушки.
Намагнічене осердя додає своє власне поле до поля котушки, що призводить до суттєвого зростання загальної магнітної індукції всередині пристрою.
Відповідь:
Осердя з феромагнітного матеріалу само намагнічується у полі котушки, що призводить до накладення його власного сильного поля на поле котушки; це значно посилює загальну магнітну дію електромагніту порівняно з котушкою без осердя (повітряним осердям).
Завдання 7
Зміна підйомної сили при русі повзунка реостата
На рис. 2 показано схему з електромагнітом, котушка якого є частиною ланцюга з реостатом (змінним опором). Потрібно визначити зміну підйомної сили, якщо повзунок реостата пересунути праворуч.
Розв’язання
Перевіряємо схему реостата: при русі повзунка праворуч довжина ділянки дроту, що входить до ланцюга, зменшується.
Зменшення довжини провідника означає зменшення його опору (R).
Оскільки опір зменшується, сила струму (I) в котушці електромагніту збільшується (за законом Ома).
Збільшення сили струму призводить до посилення магнітної дії та зростання підйомної сили.
Відповідь:
Підймальна сила збільшиться, оскільки опір ланцюга зменшується, що призводить до росту сили струму в котушці.
Завдання 8
Автоматичний термостат на основі електромагніту
На рис. 3 подано схему пристрою, який спрацьовує при певній температурі (термометр пов'язаний з котушкою електромагніту). Потрібно назвати частини, пояснити принцип дії та місця встановлення.
Розв’язання
Основні частини: термометр (або терморезистор), котушка електромагніту, якорь з контактами, джерело струму та виконавець дії (наприклад, реле або дзвінок).
Принцип дії: При нагріванні середовища опір термометра змінюється, що призводить до зміни сили струму в котушці. Коли сила струму досягає порогу спрацювання, електромагніт притягує якорь і замикає (або розмикає) ланцюг сигналізації.
Місце встановлення: Такі пристрої доцільно ставити там, де потрібно контролювати температуру для безпеки або автоматизації: у холодильниках, системах опалення, на виробничих лініях, у системах пожежної сигналізації (теплові датчики).
Відповідь:
Частини: термометр, котушка електромагніту, якорь, джерело струму. Принцип: зміна температури змінює опір і силу струму, що спрацьовує механізм. Доцільно встановлювати в холодильниках, системах опалення та пожежній сигналізації.
Сторінка 101
Завдання 9
Принцип дії електричного дзвінка
Користуючись рис. 4 (схема дії електричного дзвінка), розібратися, як працює пристрій. На схемі позначено: 1 — молоточок; 2 — чаша дзвінка; 3 — підковоподібний електромагніт; 4 — кнопка; 5 — джерело струму; 6 — контактна пружина, яка торкається гвинта 7.
Розв’язання
Коли натискають кнопку 4, електричний струм починає текти по колу через обмотку електромагніту 3.
Електромагніт 3 нагрівається і стає магнітом, притягуючи молоточок 1 до себе.
Молоточок відходить від контактної точки (гвинта 7), струм переставляти текти, електромагніт втрачає намагнічування і відпускає молоточок.
Молоточок відскакує назад, знову замикаючи коло на гвинті 7, і процес повторюється швидко, створюючи звук.
Відповідь:
При натисканні кнопки струм протікає через електромагніт, який притягує молоточок до себе; це розмикає коло, електромагніт вимикається, молоточок відскакує і знову замикає коло, що викликає повторюване ударення по чаші дзвінка.
