Проект на тему: "Электромагниты"
проект по физике (9 класс)

Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение

«Средняя общеобразовательная школа р.п. Красный Октябрь

г.Саратов»

Проект

По физике по теме:

«Электромагниты».

Работу выполнил ученик: 10класса

Кебрич Артем

Руководитель: Каргина Ирина Александровна

р.п.Красный Октябрь

2024 г.

Оглавление

1. Введение                                                                                                            3стр.
2. Теоретическая часть                                                                                         4-5 стр.
3. Практическая часть                                                                                          6-8 стр.
4. Заключение                                                                                                       8 стр.
5. Список литературы                                                                                          9 стр.

Введение

Жизнь современного человека неразрывна связана с использованием различных технических средств и устройств, которые помогают ему в быту, производстве, лечении и пр. Но, мало кто задумывается, что этих «помощников» не было бы если бы не череда великих открытий и изобретений выдающихся ученых-физиков. Среди них, безусловно, можно назвать открытие в 1820 г. датским физиком Х.К. Эрстедом явлений электромагнетизма и изобретение в 1825 г. английским инженером У. Стёрдженом электромагнита. Сейчас электромагниты получили настолько широкое распространение, что трудно назвать область техники, где бы они не применялись в том или ином виде.

Примечательно то, что для образовательных целей впервые электромагнит демонстрировался уже в 1827 г. Американский физик Джозеф Генри собрал электромагнит во время подготовки к уроку физики, на котором он хотел продемонстрировать своим ученикам опыты по электромагнетизму, так как считал, что ничто так не будет способствовать пониманию сути физического опыта как прибор, наглядно демонстрирующий проявление закона физики на конкретном примере, в реальности. Но еще лучше ученик понимает материал, если он сам создает прибор для эксперимента. Изучая на уроке физики тему «электромагнетизма» мне стало интересно самому изготовить электромагнит, именно поэтому я выбрал тему «Электромагниты и их применение» для своего итогового индивидуального проекта.

Цель работы: изготовить электромагнит из доступных материалов, изучить принцип действия и область применения электромагнитов.

Задачи:

1. Изучить литературу и интернет-ресурсы по данной теме.
2. Изучить принцип действия электромагнита.
3. Изготовить электромагнит своими руками, для этого разработать его конструкцию. Объяснить принцип его действия и продемонстрировать его работу.
4. Изучить область применения электромагнитов в настоящее время и в будущем.

Практическое значение работы: результаты работы могут быть использованы обучающимися и учителями физики в нашей школе.  

Методы работы над проектом:

1. Поисковый метод с использованием научной и учебной литературы, а также поиск информации в сети Интернет.

2. Практический метод – создание электромагнита.    

3. Анализ полученных данных.

1. Теоретическая часть

Электромагнит, электротехническое устройство для создания магнитного поля.

Действие электромагнита основано на силовом взаимодействии магнитного поля с движущимися электрическими зарядами, электрическим током и намагниченным телом.

Различают электромагниты постоянного и переменного электрического тока. Также электромагниты разделяют на нейтральные, не создающие магнитного поля в отсутствие тока, и поляризованные – обладающие магнитным полем в отсутствие тока за счёт дополнительных источников магнитного поля (например, постоянных магнитов).

Устройство электромагнита. При всем разнообразии встречающихся на практике электромагнитов они состоят из основных частей одинакового назначения. К ним относятся катушка с расположенной на ней намагничивающей обмоткой (может быть несколько катушек и несколько обмоток), неподвижная часть магнитопровода, выполняемого из ферромагнитного материала (ярмо и сердечник) и подвижная часть магнитопровода (якорь). В некоторых случаях неподвижная часть магнитопровода состоит из нескольких деталей (основания, корпуса, фланцев и т. д.).

Катушка электромагнита представляет собой каркас, изготовленный чаще всего из прессшпана или фибры и имеющий различные формы в зависимости от назначения электромагнита. На каркас намотана в несколько слоев медная изолированная проволока — обмотка электромагнита. Она имеет различное число витков и изготовляется из проволоки различного диаметра, в зависимости от назначения электромагнита.

Для предохранения изоляции обмотки от механических повреждений обмотку покрывают одним или несколькими слоями бумаги или каким-либо другим изолирующим материалом. Начало и конец обмотки выводят наружу и присоединяют к выводным клеммам, укрепленным на каркасе, или к гибким проводникам с наконечниками на концах.

Катушка электромагнита насажена на сердечник из мягкого, отожженного железа или сплавов железа с кремнием, никелем и т. д. Такое железо обладает наименьшим остаточным магнетизмом. Сердечники чаще всего делают составными из тонких листов, изолированных друг от друга. Формы сердечников могут быть различными, в зависимости от назначения электромагнита.

Если по обмотке электромагнита пропустить электрический ток, то вокруг обмотки образуется магнитное поле, которое намагничивает сердечник. Так как сердечник сделан из мягкого железа, то он намагнитится мгновенно. Если затем выключить ток, то магнитные свойства сердечника также быстро исчезнут, и он перестанет быть магнитом. Полюсы электромагнита, как и соленоида, определяются по правилу правой руки. Если в обмотке электромагнита изменить направление тока, то в соответствии с этим изменится и полярность электромагнита.

Действие электромагнита подобно действию постоянного магнита. Однако между ними есть большая разница. Постоянный магнит всегда обладает магнитными свойствами, а электромагнит – только тогда, когда по его обмотке проходит электрический ток.

Кроме того, сила притяжения постоянного магнита неизменна, так как неизменен магнитный поток постоянного магнита. Сила же притяжения электромагнита не является величиной постоянной. Один и тот же электромагнит может обладать различной силой притяжения. Сила притяжения всякого магнита зависит от величины его магнитного потока.

Сила притяжения электромагнита, а, следовательно, и его магнитный поток зависят от величины тока, проходящего через обмотку этого электромагнита. Чем больше ток, тем больше сила притяжения электромагнита, и, наоборот, чем меньше ток в обмотке электромагнита, тем с меньшей силой он притягивает к себе магнитные тела.

Большинство применений электромагнитов основано на их способности притягивать и удерживать предметы, в состав которых входит железо и некоторые его сплавы, например, электромагнитный подъёмный кран содержит очень мощный электромагнит и применяется на металлургических заводах для перемещения готовых изделий или металлического «лома», собранного для переработки.

Электромагниты содержатся во многих бытовых приборах – электробритвах, магнитофонах, телевизорах и т.п. Устройства техники связи – телефония, телеграфия и радио немыслимы без их применения.

Электромагниты являются неотъемлемой частью электрических машин, многих устройств промышленной автоматики, аппаратуры регулирования и защиты разнообразных электротехнических установок. Развивающейся областью применения электромагнитов является медицинская аппаратура. Практически вся работа диагностического оборудования основана на работе постоянных магнитов. Примером могут служить тонометры для измерения давления человека.

Наконец, гигантские электромагниты для ускорения элементарных частиц применяются в синхрофазотронах.

Применение электромагнитов

Электромагнит создает магнитное поле с помощью обмотки, обтекаемой электрическим током. Для того чтобы усилить это поле и направить магнитный поток по определенному пути, в большинстве электромагнитов имеется магнитопровод, выполняемый из магнитномягкой.

Электромагниты получили настолько широкое распространение, что трудно назвать область техники, где бы они не применялись в том или ином виде. Они содержатся во многих бытовых приборах - электробритвах, магнитофонах, телевизорах и т.п. Устройства техники связи - телефония, телеграфия и радио немыслимы без их применения.

Электромагниты являются неотъемлемой частью электрических машин, многих устройств промышленной автоматики, аппаратуры регулирования и защиты разнообразных электротехнических установок. Развивающейся областью применения электромагнитов является медицинская аппаратура. Наконец, гигантские электромагниты для ускорения элементарных частиц применяются в синхрофазотронах.

Вес электромагнитов колеблется от долей грамма до сотен тонн, а потребляемая при их работе электрическая мощность - от милливатт до десятков тысяч киловатт.

Особой областью применения электромагнитов являются электромагнитные механизмы. В них электромагниты используются в качестве привода для осуществления необходимого поступательного перемещения рабочего органа или поворота его в пределах ограниченного угла, или для создания удерживающей силы.

Примером подобных электромагнитов являются тяговые электромагниты, предназначенные для совершения определенной работы при перемещении тех или иных рабочих органов; электромагнитные замки; электромагнитные муфты сцепления и торможения и тормозные электромагниты; электромагниты, приводящие в действие контактные устройства в реле, контакторах, пускателях, автоматических выключателях; подъемные электромагниты, электромагниты вибраторов и т.п.

В ряде устройств наряду с электромагнитами или взамен их используются постоянные магниты (например, магнитные плиты металлорежущих станков, тормозные устройства, магнитные замки и т.п.).

Классификация электромагнитов

электромагнит ток магнитный обмотка

Электромагниты весьма разнообразны по конструктивным выполнениям, которые различаются по своим характеристикам и параметрам, поэтому классификация облегчает изучение процессов, происходящих при их работе.

В зависимости от способа создания магнитного потока и характера действующей намагничивающей силы электромагниты подразделяются на три группы: электромагниты постоянного тока нейтральные, электромагниты постоянного тока поляризованные и электромагниты переменного тока.

Нейтральные электромагниты

В нейтральных электромагнитах постоянного тока рабочий магнитный поток создается с помощью обмотки постоянного тока. Действие электромагнита зависит только от величины этого потока и не зависит от его направления, а следовательно, от направления тока в обмотке электромагнита. При отсутствии тока магнитный поток и сила притяжения, действующая на якорь, практически равны нулю.

Поляризованные электромагниты

Поляризованные электромагниты постоянного тока характеризуются наличием двух независимых магнитных потоков: (поляризующего и рабочего. Поляризующий магнитный поток в большинстве случаев создается с помощью постоянных магнитов. Иногда для этой цели используют электромагниты. Рабочий поток возникает под действием намагничивающей силы рабочей или управляющей обмотки. Если ток в них отсутствует, на якорь действует сила притяжения, создаваемая поляризующим магнитным потоком. Действие поляризованного электромагнита зависит как от величины, так и от направления рабочего потока, т.е. от направления тока в рабочей обмотке.

Электромагниты переменного тока

В электромагнитах переменного тока питание обмотки осуществляется от источника переменного тока. Магнитный поток, создаваемый обмоткой, по которой проходит переменный ток, периодически изменяется по величине и направлению (переменный магнитный поток), в результате чего сила электромагнитного притяжения пульсирует от нуля до максимума с удвоенной частотой по отношению к частоте питающего тока.

Однако для тяговых электромагнитов снижение электромагнитной силы ниже определенного уровня недопустимо, так как это приводит к вибрации якоря, а в отдельных случаях к прямому нарушению нормальной работы. Поэтому в тяговых электромагнитах, работающих при переменном магнитном потоке, приходится прибегать к мерам для уменьшения глубины пульсации силы (например, применять экранирующий виток, охватывающий часть полюса электромагнита).

Кроме перечисленных разновидностей, в настоящее время большое распространение получили электромагниты с выпрямлением тока, которые по питанию могут быть отнесены к электромагнитам переменного тока, а по своим характеристикам приближаются к электромагнитам постоянного тока. Поскольку все же имеются некоторые специфические особенности их работы.

В зависимости от способа включения обмотки различают электромагниты с последовательными и параллельными обмотками.

Обмотки последовательного включения, работающие при заданном токе, выполняются с малым числом витков большого сечения. Ток, проходящий по такой обмотке, практически не зависит от ее параметров, а определяется характеристиками потребителей, включенных. последовательно с обмоткой.

Обмотки параллельного включения, работающие при заданном напряжении, имеют, как правило, весьма большое число витков и выполняются из провода малого сечения.

По характеру работы обмотки электромагниты разделяются на работающие в длительном, прерывистом и кратковременном режимах.

По скорости действия электромагниты могут быть с нормальной скоростью действия, быстродействующие и замедленно действующие. Это разделение является несколько условным и свидетельствует главным образом о том, приняты ли специальные меры для получения необходимой скорости действия.

Все перечисленные выше признаки накладывают свой отпечаток на особенности конструктивных выполнений электромагнитов.

Грузоподъемные электромагниты

Устройство электромагнита

Вместе с тем при всем разнообразии встречающихся на практике электромагнитов они состоят из основных частей одинакового назначения. К ним относятся катушка с расположенной на ней намагничивающей обмоткой (может быть несколько катушек и несколько обмоток), неподвижная часть магнитопровода, выполняемого из ферромагнитного материала (ярмо и сердечник) и подвижная часть магнитопровода (якорь). В некоторых случаях неподвижная часть магнитопровода состоит из нескольких деталей (основания, корпуса, фланцев и т.д.). а)

Якорь отделяется от остальных частей магнитопровода воздушными промежутками и представляет собой часть электромагнита, которая, воспринимая электромагнитное усилие, передает его соответствующим деталям приводимого в действие механизма.

Количество и форма воздушных промежутков, отделяющих подвижную часть магнитопровода от неподвижной, зависят от конструкции электромагнита. Воздушные промежутки, в которых возникает полезная сила, называются рабочими; воздушные промежутки, в которых не возникает усилия в направлении возможного перемещения якоря, являются-паразитными.

Поверхности подвижной или неподвижной части магнитопровода, ограничивающие рабочий воздушный промежуток, называют полюсами.

В зависимости от расположения якоря относительно остальных частей электромагнита различают электромагниты с внешним притягивающимся якорем, электромагниты со втягивающимся якорем и электромагниты с внешним поперечно движущимся якорем.

Характерной особенностью электромагнитов с внешним притягивающимся якорем является внешнее расположение якоря относительно обмотки. На него действует главным образом рабочий поток, проходящий от якоря к торцу шляпки сердечника. Характер перемещения якоря может быть вращательным (например, клапанный электромагнит) или поступательным. Потоки рассеяния (замыкающиеся помимо рабочего зазора) у таких электромагнитов практически не создают тягового усилия, и поэтому их стремятся уменьшить. Электромагниты этой группы способны развивать достаточно большое усилие, но обычно применяются при сравнительно небольших рабочих ходах якоря.

электромагнит ток магнитный обмотка

Особенностью электромагнитов со втягивающимся якорем являются частичное расположение якоря в своем начальном положении внутри катушки и дальнейшее перемещение его в катушку в процессе работы. Потоки рассеяния у таких электромагнитов, особенно при больших воздушных зазорах, создают определенное тяговое усилие, в результате чего они являются полезными, особенно при сравнительно больших ходах якоря. Такие электромагниты могут выполняться со стопом или без него, причем форма поверхностей, образующих рабочий зазор, может быть различной в зависимости от того, какую тяговую характеристику нужно получить.

Наибольшее распространение получили электромагниты с плоскими и усеченно коническими полюсами, а также электромагниты без стопа. В качестве направляющей для якоря чаще всего применяется трубка из немагнитного материала, создающая паразитный зазор между якорем и верхней, неподвижной, частью магнитопровода.

Электромагниты со втягивающимся якорем могут развивать усилия и иметь ход якоря, изменяющиеся в очень большом диапазоне, что обусловливает их широкое распространение.

В электромагнитах с внешним поперечно движущимся якорем якорь перемещается поперек магнитных силовых линий, поворачиваясь на некоторый ограниченный угол. Такие электромагниты обычно развивают сравнительно небольшие усилия, но они позволяют путем соответствующего согласования форм полюсов и якоря получать изменения тяговой характеристики и высокий коэффициент возврата.

В каждой из трех перечисленных групп электромагнитов в свою очередь имеется ряд конструктивных разновидностей, связанных как с характером протекающего по обмотке тока, так и с необходимостью обеспечения заданных характеристик и параметров электромагнитов.

2. Практическая часть

Изготовление электромагнита.

1. Инструменты и материалы:

1.Дугообразный стержень

2. Проволока

3. Крона (9В)

4. Соединительные провода

5. ВН9VA для кроны батарейный отсек на проводе

6. Металлические предметы

2. Изготовление прибора.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Я изучил литературу и интернет ресурсы по теме «Электромагниты и их применение».
2. Изучил принцип действия электромагнита и области его применения.
3. Были подобраны материалы и составлена принципиальная схема для изготовления электромагнита.
4. Согласно принципиальной схеме изготовил электромагнит.
5. Продемонстрировал работу и объяснил принцип действия электромагнита.
6. Данный прибор можно будет использовать для демонстрации на уроках физики при изучении темы «Электромагнитизм».

Список литературы

1. Перышкин, А.В. Физика. 8 кл. учеб. для общеобразоват. Учреждений / А.В. Перышкин. – М. Дрофа, 2014. – 240 с.
2. Электричество и магнетизм вокруг нас. – URL: https://rosuchebnik.ru/material/elektrichestvo-i-magnetizm-vokrug-nas-7493/. – интернет- ресурс.
3. Электромагнит // Большая российская энциклопедия. – URL: https://bigenc.ru/c/elektromagnit-968d70. – интернет- ресурс
4. Электромагниты и их применение // Образовательный сайт Школа для электрика. – URL: http://electricalschool.info/spravochnik/apparaty/499-jelektromagnity.html. – интернет- ресурс
5. Про магнитное поле, соленоиды и электромагниты // Образовательный сайт Школа для электрика. – URL: http://electricalschool.info/main/osnovy/398-pro-magnitnoe-pole-solenoidy-i.html – интернет- ресурс