§ 32. Электрические устройства с элементами автоматики. Электромагниты

        Каждый из вас, конечно, встречался с явлением магнетизма. Почему же магнит — кусок железной руды — притягивает гвозди, булавки и другие стальные предметы? Из физики вы знаете, что это происходит потому, что в пространстве вокруг магнита имеется особое силовое поле, называемое магнитным.

         Магнитное поле существует не только вокруг природных магнитов. Его можно создать и при помощи электрического тока. Так, если по проводнику пропускать электрический ток, вокруг него тоже возникает магнитное поле. Если электрический ток выключить, то магнитное поле сразу же исчезнет.

         Магнитное поле, возникающее в проводе при прохождении по нему тока, очень слабое. Чтобы значительно усилить его, провод наматывают на полый каркас в виде катушки из диэлектрика и получают электромагнит. Электромагниты различных размеров и форм применяют в электродвигателях, подъёмных кранах, в телеграфном и телефонном аппаратах, для изготовления реле, автоматических устройств, электрических звонков и др.

        Электромагнит на практике представляет собой катушку изолированной медной проволоки, по которой протекает электрический ток, сообщая катушке свойства магнита. Для ещё большего усиления магнитных свойств в катушку вставляется стальной сердечник (рис. 1).

Рис. 1. Электромагнит: а — катушка с сердечником, б — схематическое изображение

На рисунке 2 показано условное обозначение электромагнита на электрических схемах и схема включения электромагнита в электрическую цепь.

Рис. 2. Условное обозначение (а) и схема включения (б) электромагнита в электрическую цепь

       Для изготовления катушек, или обмоток, электромагнитов применяют специальное приспособление — намоточный станок (рис. 3). Каркас 1 закрепляют на валу 3 резиновыми кольцами 2, а катушку 5, с которой сматывают провод, — на металлическом вертикальном стержне 4. Конец провода пропускают в отверстие щеки 6 каркаса и закрепляют. Наматывают провод слоями, плотно укладывая витки и одновременно направляя их рукой.

Рис. 3. Намотка провода электромагнита: 1 — каркас обмотки, 2 — резиновые кольца, 3 — вал, 4 — стержень, 5 — катушка, 6 — отверстие для закрепления провода

      После того как намотано нужное количество витков, провод отрезают, конец пропускают через отверстие в щеке каркаса и закрепляют. Поверхность обмотки изолируют несколькими слоями бумаги, на катушке указывают количество витков в обмотке и сечение провода, которым она выполнена.

        В обмотках электромагнитов, которые используются для лабораторно-практических работ, выводы (концы) изготовляют из монтажного (гибкого) провода. Монтажный провод к обмоточному присоединяют пайкой, а место пайки изолируют и закрепляют.

      Многочисленные опыты показали, что для усиления магнитного поля электромагнита нужно либо увеличить число витков при одном и том же сердечнике, либо усилить ток в катушке, либо увеличить размер сердечника.

     Электромагнит, как и постоянный магнит, имеет два магнитных полюса. Но в отличие от постоянного магнита электромагнитом можно управлять. Электромагнит притягивает к себе материалы только тогда, когда ток проходит по его обмотке. Если же ток выключен, электромагнит теряет магнитные свойства.

        В электромагнитах, применяемых в различных приборах, обмотка изготовляется из изолированной медной проволоки. В зависимости от назначения она имеет различное сечение и число витков. Обмотка наматывается на каркас, который может быть изготовлен из картона, текстолита, пластмассы и других изоляционных материалов. Он удерживает обмотку и изолирует её от сердечника.

Рис. 4. Электромагнит с дугообразным сердечником и притяжным якорем

Сердечники, или магнитопроводы, электромагнита могут быть разной конструкции. Широко применяются электромагниты с протяжным (рис. 4) и втяжным сердечником — якорем (рис. 5).

Рис. 5. Электромагнит с втяжным якорем

       Если к полюсам электромагнита притягивается специальная железная пластинка (якорь), — это притяжная конструкция. Она используется в технике для выполнения какого-либо действия, например для замыкания или размыкания электрических контактов. После выключения электрического тока в катушке сердечник и якорь практически полностью размагничиваются, т. е. притяжение якоря к полюсам электромагнита прекращается.

      Электромагниты с втяжным якорем, или тяговые электромагниты, используются в электротехнике в качестве привода. С помощью такого электромагнита можно привести в движение, например, стрелку электроизмерительного устройства. Втяжной якорь находится в состоянии устойчивого равновесия, если его концы одинаково удалены от середины катушки. Если же сердечник выведен из этого положения, то сила F, действующая на него со стороны магнитного поля катушки, стремится направить его обратно (см. рис. 5).       

Новые слова и понятия

Магнит, магнитное поле, электромагнит, сердечник, реле, обмотка, намоточный станок, якорь.

Проверяем свои знания

1. Что такое электромагнит?
2. Каково назначение сердечника в электромагните?
3. Как усилить магнитное поле электромагнита?
4. Какое применение имеют электромагниты в технике?
5. От чего зависит сила притяжения электромагнита?
6. Как выполняют монтаж обмоток электромагнита?

Правила безопасной работы с электроприборами

1. Электрический ток, протекающий через тело человека, опасен для жизни. Нельзя собирать электрические схемы, устранять возникшие неисправности и прикасаться к оголённым проводам и токопроводящим деталям при включённом источнике тока!
2. При сборке электрической цепи следите за тем, чтобы изоляция проводов была исправна, а соединения надёжно изолированы.
3. Собранную схему можно подключать к источнику тока с напряжением не более 4 В.
4. Собранную цепь подключайте к источнику питания только после проверки и с разрешения учителя.
5. По окончании работы отключите источник электропитания и разберите цепь.

Практическая работа № 1

        Инструменты и материалы: катушка электромагнита, прямой и дугообразный сердечники, «пробник», выключатель, источник постоянного тока с напряжением 4 В.

        Задание 1. Собрать электромагнит из деталей конструктора.

1. Для записи результатов опытов подготовьте таблицу:

2. Изучите электрическую схему подключения катушки электромагнита к источнику питания (рис. 6).

Рис. 6. Подключение электромагнита к источнику питания: 1, 2, 3 — обмотки электромагнита

3. Подключите катушку электромагнита через выключатель к источнику питания в соответствии со схемой на рисунке 81.
4. После проверки правильности сборки электрической схемы учителем замкните электрическую цепь.

        Задание 2. Исследовать зависимость силы притяжения электромагнита от величины сердечника.

1. С помощью специального «пробника» измерьте величину притяжения полюса катушки. Измерение проведите три раза и результаты занесите в таблицу.
2. Соберите простейший электромагнит, вставив в отверстие катушки прямой сердечник.
3. С помощью «пробника» измерьте величину притяжения полюсов электромагнита с прямым сердечником. Измерение проведите три раза и результаты занесите в таблицу.
4. С помощью «пробника» измерьте величину притяжения полюсов электромагнита с дугообразным сердечником. Измерение проведите три раза и данные занесите в таблицу.
5. По результатам опытов сделайте выводы и запишите их.
6. Отключите источник электропитания.
7. Разберите схему.

        Задание 3. Исследовать зависимость величины магнитного поля электромагнита от числа витков обмотки.

1. Для записи результатов опытов подготовьте таблицу:

2. Изучите схему подключения обмоток электромагнита к источнику питания, приведённую на рисунке 6.
3. К источнику питания напряжением 4 В через переключатель подключите обмотку № 1.
4. С помощью «пробника» измерьте величину притяжения полюсов электромагнита. Измерение проведите три раза и результаты занесите в таблицу.
5. К источнику питания напряжением 4 В через переключатель к секции № 1 обмотки подключите секцию № 2. «Пробником» трижды измерьте силу притяжения полюсов магнита и данные занесите в таблицу.
6. К источнику питания напряжением 4 В через переключатель к секциям № 1 и 2 подключите секцию № 3. Измерьте силу притяжения полюсов (3 раза) и результаты занесите в таблицу.
7. Отключите источник питания.
8. Разберите схему.
9. По результатам опытов сделайте вывод и запишите в отчёт.
10. Приведите в порядок рабочее место.

Практическая работа № 2

       Инструменты и материалы: каркас катушки электромагнита; сердечник из отожжённой стали; 1 м обмоточного медного провода в эмалевой изоляции (ПЭЛ); кусок тонкого многожильного провода в полихлорвиниловой изоляции; электромонтажные инструменты; электрический паяльник; оловянный припой; флюс (канифоль); изоляционная лента; источник переменного тока с напряжением 42 В для питания электропаяльника; монтажный нож.

        Задание 1. Познакомиться с разными конструкциями электромагнитов по учебнику и представленным образцам. Выявить их особенности и области применения.

      Задание 2. Изготовить электромагнит.

1. Выберите заготовки — каркас катушки и сердечник — так, чтобы сердечник был выше катушки на 2—3 мм (каркасом катушки может служить деревянная катушка из-под ниток). Подготовьте конец обмоточного провода длиной 1 м, два куска тонкого многожильного провода в полихлорвиниловой изоляции длиной 100—120 мм.
2. В одном из бортиков каркаса катушки ручной дрелью просверлите два отверстия диаметром 0,5 мм для выводов обмотки.
3. К концу обмоточного провода припаяйте 80—100 мм тонкого многожильного провода в полихлорвиниловой изоляции. Это необходимо сделать, чтобы избежать обрывов при последующем использовании катушки электромагнита в изделиях. При этом соблюдайте технологию пайки. Выполняемые операции описаны в инструкционной карте № 2.
4. Намотайте на каркас катушки вручную несколько витков, чтобы 60—80 мм изолированного мягкого провода было выведено наружу.
5. Намотайте на каркас катушки 150—160 витков обмоточного провода диаметром 0,3—0,35 мм — вручную или с использованием моталки (инструкционная карта № 1). При намотке вручную равномерно перемещайте провод вдоль каркаса катушки, стараясь плотно укладывать виток к витку в несколько рядов.

Инструкционная карта № 1.
Намотка катушки

6. Соберите электромагнит, поместив в отверстие катушки железный сердечник.
7. Испытайте электромагнит, подключив его к источнику постоянного тока напряжением 4 В (см. практическую работу № 1) и измерив силу притяжения полюсов «пробником».
8. Оцените качество изготовленного электромагнита. Выводы о проделанной работе запишите.
9. Приведите в порядок рабочее место.

¹ При намотке катушки любым способом следите, чтобы не было резких изгибов и скручивания обмоточного провода, так как при этом нарушается его изоляция.