Эрл Гейтс - Введение в электронику

Магнит поворачивается в направлении север-юг благодаря закону, аналогичному для положительных и отрицательных зарядов: одноименные магнитные полюса отталкиваются, а разноименные — притягиваются. Магнитные полюса обозначаются цветом: Северный полюс — красным, а Южный полюс — синим.

Природа магнетизма — свойств магнита — имеет в своей основе свойства атома. Электроны, двигаясь по орбитам вокруг ядра атома, вращаются также вокруг своей оси, подобно Земле, двигающейся по орбите вокруг Солнца. Это движение электростатических зарядов создает магнитное поле. Направление магнитного поля зависит от направления вращения электронов. Только железо, никель и кобальт являются природными магнитными элементами.

Каждый из этих материалов имеет по два валентных электрона, которые вращаются в одном и том же направлении.

Электроны в других материалах имеют тенденцию вращаться в противоположных направлениях, что лишает их магнитных свойств.

Ферромагнитными материалами называются материалы, реагирующие на действие магнитных полей. В ферромагнитных материалах атомы объединяются в домены — группы атомов с упорядоченными магнитными полями, вроде микромагнитов. В ненамагниченном материале магнитные домены расположены хаотично, и суммарный магнитный эффект равен нулю (образец не является магнитом) (рис. 9–3).

Рис. 9–3. Домены в ненамагниченном материале ориентированы хаотично и образец не создает магнитного поля.

Если материал намагнитить, то домены выстраиваются в одном направлении, и материал становится магнитом (рис. 9–4).

Рис. 9–4. Когда материал намагничен, все домены ориентируются в одном направлении.

Если намагниченный образец разделить на маленькие кусочки, каждый кусочек станет магнитом со своими собственными полюсами.

Доказательством «доменной теории» является то, что магнит при нагревании или механическом сотрясении теряет свой магнетизм (домены возвращаются в неупорядоченное состояние). Искусственный магнит, оставленный в покое, постепенно теряет свой магнетизм. Для предотвращения этого прямоугольные магниты должны укладываться стопкой противоположными полюсами друг к другу; подковообразные магниты должны быть замкнуты предохранительным бруском (рис. 9–5). Оба метода позволяют сохранить магнитное поле.

Рис. 9–5. Для предотвращения потери магнитных свойств плоские магниты укладываются в стопку один на другой ( А); между полюсами подковообразного магнита размещается замыкающий брусок ( Б).

Магнитное поле состоит из невидимых силовых линий, окружающих магнит. Эти линии можно «увидеть», поместив над магнитом лист бумаги, посыпанный железными опилками. Если бумагу слегка потрясти, то опилки сами упорядочатся в виде определенных линий, отражающих притягивающие их силы (рис. 9–6).

Рис. 9–6. Магнитные силовые линии можно увидеть с помощью железных опилок.

Силовые линии имеют несколько важных особенностей: они направлены от севера к югу и всегда образуют замкнутую кривую; никогда не пересекаются, так как одинаковые полюсы отталкиваются; стремятся образовать замкнутую линию наименьшего возможного размера, так как противоположные полюсы притягиваются и стремятся к объединению.

Характеристика, определяющая, является вещество ферромагнитным или нет, называется магнитной проницаемостью. Магнитная проницаемость — это способность материала воспринимать магнитные силовые линии. Материал с высокой проницаемостью оказывает меньшее сопротивление силовым линиям, чем воздух.

9–1. Вопросы

1. Каковы три типа магнитов?

2. Каковы основные формы магнитов?

3. Как обозначаются концы магнита?

4. Какие две теории магнетизма вы знаете?

5. Что такое силовые линии?

Когда ток течет по проводу, он создает вокруг провода магнитное поле(рис. 9–7).

Рис. 9–7. Ток, текущий через проводник, создает магнитное поле вокруг проводника.

Это можно доказать, размещая компас сначала вблизи провода, по которому ток не течет. Стрелка компаса устанавливается по направлению магнитного поля Земли. Если затем пропускать через проводник электрический ток, стрелка компаса отклоняется и устанавливается вдоль магнитного поля, создаваемого током.

Направление силовых линий можно определить по известному направлению тока. Если провод обхватить левой рукой так, чтобы большой палец указывал направление тока, остальные пальцы укажут направление силовых линий (рис. 9–8). Если поменять полярность источника тока, то направление силовых линий также изменится на противоположное.

Рис. 9–8. Определение направления силовых линий вокруг проводника по правилу левой руки при известном направлении тока.

Если два провода с токами, текущими в противоположных направлениях, разместить рядом друг с другом, они создадут противоположно направленные магнитные поля, которые будут отталкивать друг друга (рис. 9–9).

Рис. 9–9. Когда токи текут в противоположных направлениях через два расположенных рядом проводника, создаваемые магнитные поля отталкивают их друг от друга.

Если по двум рядом расположенным проводам текут токи одинакового направления, то их поля объединяются (рис. 9-10).

Рис. 9-10. Когда токи текут в одном направлении через два расположенных рядом проводника, их магнитные поля складываются, а сами они притягиваются друг к другу.

Простой отрезок провода, создающий магнитное поле небольшой величины, не имеет практического значения.

Если провод свернуть в кольцо, то имеют место три явления: во-первых, силовые линии собираются вместе, во-вторых, силовые линии концентрируются в центре кольца, в-третьих, появляются Северный и Южный полюсы. В этом состоит принцип работы электромагнита.

Электромагнит состоит из большого количества витков провода, уложенных близко друг к другу. Это позволяет силовым линиям собраться вместе, при протекании тока по проводу. Чем больше витков провода, тем больше силовых линий собирается вместе, и чем больше ток, тем больше создается силовых линий. Следовательно, величина магнитного поля прямо пропорциональна количеству витков в катушке и величине протекающего по ней тока.

Третьим методом увеличения магнитного поля является помещение внутрь катушки ферромагнитного сердечника. Обычно используется железный сердечник, так как он имеет более высокую восприимчивость (может поддерживать больше силовых линий), чем воздух.