Электромагниты
Катушка с 200 витками на длине 10 см при токе 2 А создаёт внутри поле примерно 5 мТл, что примерно в 100 раз сильнее земного.
Ток создаёт магнитное поле
В 1820 году датский учёный Ханс Кристиан Эрстед заметил отклонение стрелки компаса, когда по находившемуся рядом проводу шёл ток. Это стало первым ясным свидетельством связи электричества и магнетизма. Если исследовать компасами поле длинного прямого провода, окажется, что его линии представляют собой окружности вокруг провода. Направление задаёт правило, которое OpenStax называет правилом правой руки 2: направь большой палец правой руки по току, а согнутые пальцы покажут направление поля вокруг провода.
Поле слабеет с расстоянием: B = μ₀ I ÷ (2π r), где r обозначает расстояние от провода. Постоянная μ₀ называется магнитной постоянной. В учебниках её записывают как 4π × 10⁻⁷ Тл·м/А; современное значение NIST равно 1.25663706127 × 10⁻⁶ Н/А² и отличается от него меньше чем на одну миллиардную. В OpenStax предлагается найти ток, создающий на расстоянии 5.0 см от провода поле 1.0 × 10⁻⁴ Тл, вдвое сильнее земного. Ответ: I = 2π r B ÷ μ₀ = 25 А. Геодезисты хорошо знают этот эффект: воздушные линии электропередачи могут искажать показания компаса.
Катушки создают сильное однородное поле
Согни провод в кольцо: поля всех его участков сложатся в центре. Намотай много витков в длинную катушку, соленоид, и поле внутри станет сильным и почти однородным, а сразу снаружи обмотки будет близко к нулю. Внутри длинного соленоида B = μ₀ n I, где n обозначает число витков на метр, N ÷ L. Больше витков на той же длине или сильнее ток означают более сильное поле. Снаружи поле соленоида по форме такое же, как у полосового магнита, с северным и южным концами.
Какой конец северный? Обхвати катушку правой рукой так, чтобы согнутые пальцы шли по току в витках. Большой палец укажет северный конец. Измени направление тока, и полюса поменяются местами. Катушка в лаборатории имеет длину 10 см. При 200 витках и токе 2 А получаем n = 2000 на метр и B = 1.2566 × 10⁻⁶ × 2000 × 2 = 5.03 × 10⁻³ Тл, около 5 мТл. Это примерно в 100 раз сильнее 50 мкТл, взятых для поля Земли. В крупном примере OpenStax по соленоиду длиной 2.00 м с 2000 витками идёт ток 1600 А: n = 1000 на метр и B = 2.01 Тл, как у магнита МРТ. Такой ток перегрел бы обычную медь, поэтому в аппаратах МРТ используют сверхпроводящие катушки.
Перетащи, чтобы повернуть. Для изменения масштаба прокрути колёсико или сведи и разведи два пальца.
Железные сердечники и применение электромагнитов
Помести в катушку железный сердечник: поле тока упорядочит домены железа. Железо тоже станет магнитом и добавит своё поле к полю катушки. Если требуется сильное магнитное действие, электромагниты снабжают ферромагнитными сердечниками. В отличие от постоянного магнита, электромагнит можно выключить, усилить или изменить его полярность. Краны на свалках поднимают ими автомобили и сбрасывают груз, отключая ток. В ускорителях частиц ими направляют пучки, а в МРТ пациента помещают внутрь большой сверхпроводящей катушки. Сопротивление катушки ограничивает ток: при слишком большом токе провод перегревается.
| Эрстед, 1820 год | Ток отклоняет стрелку компаса |
| Поле длинного прямого провода | B = μ₀ I ÷ (2π r), окружности вокруг провода |
| Поле внутри соленоида | B = μ₀ n I, n обозначает число витков на метр |
| μ₀ | 4π × 10⁻⁷ T·m/A ≈ 1.2566 × 10⁻⁶ |
| Какой конец катушки является N? | Пальцы правой руки идут по току, большой палец указывает на N |
- Ток создаёт магнитное поле (Эрстед, 1820 год).
- Вокруг длинного прямого провода силовые линии представляют собой окружности; B = μ₀ I ÷ (2π r).
- Внутри соленоида B = μ₀ n I; больше витков на метр или сильнее ток означают более сильное поле.
- Правило обхвата правой рукой указывает конец N; при изменении направления тока полюса меняются местами.
- Железный сердечник значительно усиливает электромагнит.
- Кто первым заметил в 1820 году, что ток отклоняет стрелку компаса?
- Ханс Кристиан Эрстед
- Майкл Фарадей
- Уильям Гильберт
- Исаак Ньютон
- Силовые линии вокруг длинного прямого провода имеют форму:
- Окружностей вокруг провода
- Прямых вдоль провода
- Прямых, расходящихся от провода
- Поля нет
- Чему равно поле на расстоянии 5.0 см от длинного провода с током 25 А в единицах 10⁻⁴ Тл? (μ₀ = 4π × 10⁻⁷)
- Лабораторная катушка: 200 витков, длина 0.10 м, ток 2 А. Чему равно поле внутри в мТл? (два знака после точки)
- Сколько витков на метр, если 2000 витков занимают 2.00 м?
- По этому соленоиду идёт ток 1600 А. Чему равно поле внутри в тесла? (два знака после точки)
- Число витков и ток соленоида неизменной длины увеличили вдвое. Поле станет:
- В 4 раза сильнее
- В 2 раза сильнее
- Таким же
- В 8 раз сильнее
- Ты изменил направление тока в электромагните. Что произойдёт?
- Концы N и S поменяются местами
- Он перестанет быть магнитом
- Он станет вдвое сильнее
- Ничего не изменится
- Почему краны на свалках используют электромагниты, а не постоянные магниты?
- Их можно выключить, чтобы сбросить груз
- Они легче воздуха
- Они притягивают алюминий
- Им не нужно электричество
- Добавление железного сердечника в катушку:
- Значительно усиливает поле
- Компенсирует поле
- Меняет полюса местами
- Прекращает ток
Источники курса (16)
- OpenStax College Physics 2e (openstax.org/books/college-physics-2e): 22.1 Magnets (all magnets have N and S poles, north-seeking and south-seeking, like poles repel and unlike attract, poles cannot be separated, the magnetic pole near the geographic North Pole is a south magnetic pole, sunspots come in N/S pairs)
- 22.2 Ferromagnets and electromagnets (iron, cobalt, nickel, gadolinium; neodymium alloys; domains grow to millimetre size; Curie temperature of iron 1043 K (770 °C); Oersted saw a compass needle deflected by a current; electromagnets in scrapyard cranes, particle accelerators and MRI; electric current is the source of all magnetism; no monopoles observed)
- 22.3 Magnetic fields and field lines (direction = where a compass north end points; four rules: tangent, density = strength, never cross, closed loops from N to S outside)
- 22.7 Magnetic force on a current-carrying conductor (F = I l B sin θ, 1 T = 1 N/(A·m), example 20.0 A, 5.00 cm, 1.50 T gives 1.50 N; motors)
- 22.9 Magnetic fields produced by currents (Oersted 1820, right hand rule 2, B = μ0 I ÷ (2π r), μ0 = 4π × 10⁻⁷ T·m/A, Earth's field about 5.0 × 10⁻⁵ T, 25 A at 5.0 cm gives twice that; loop centre B = N μ0 I ÷ 2R; solenoid B = μ0 n I, 2000 loops over 2.00 m with 1600 A gives 2.01 T, MRI; ferromagnetic cores)
- 23.1 Induced emf and magnetic flux (Faraday's iron-ring apparatus, emf only while the field changes, magnet pushed into a coil, faster motion gives more emf, generators, Φ = B A cos θ)
- NIST CODATA 2022 vacuum magnetic permeability μ0 = 1.25663706127(20) × 10⁻⁶ N/A² (physics.nist.gov/cgi-bin/cuu/Value?mu0)
- NOAA NCEI Geomagnetism Frequently Asked Questions (ncei.noaa.gov/products/geomagnetism-frequently-asked-questions): field like a dipole at Earth's centre, over 90% from the outer core, intensity roughly 25,000 to 65,000 nT (0.25 to 0.65 gauss)
- 1 gauss = 100,000 nT, declination = angle between magnetic north and true north (east positive)
- inclination, dip poles, dipole axis 9.41° from the rotation axis (WMM2020, 2020.0)
- north magnetic pole moving about 55 km per year north-northwest (2001 and 2007 surveys)
- last reversal about 750,000 to 780,000 years ago, reversals spaced 5 thousand to 50 million years, a reversal would take several thousand years, models renewed every five years, blackout zones where H < 2000 nT, compass balance weights differ by hemisphere, true bearing = magnetic bearing + declination
- NOAA NCEI news "World Magnetic Model 2025 Released" (17 December 2024)
- NOAA NCEI "December 2025 State of the Geomagnetic Field" (north dip pole 36 km/yr and south dip pole 9 km/yr since 1 January 2025)
- USGS, "Pre-gilbertian conceptions of terrestrial magnetism" (pubs.usgs.gov/publication/70009843): Gilbert's De Magnete (1600) first suggested that Earth behaves as a great magnet. Royal Institution, Michael Faraday's ring-coil apparatus (rigb.org): made August 1831, success on 29 August 1831, the first electric transformer
- APS News "This Month in Physics History" (Aug 2001): Faraday's electromagnetic rotation experiments of September 1821, the principle behind the electric motor.
Проверено: 2026-10-17