Магнитное поле. Магниты на железных дорогах

В различных устройствах - электрических звонках, электродвигателях, генераторах, спидометрах и т.д-используются два типа магнитов: постоянные магниты и электромагниты. Постоянные магниты, изготовленные в основном из сплавов железа, сохраняют свои магнитные свойства все время. Электромагнит, состоящий из соленоида-иногда с сердечником из мягкого железа,-ведет себя как магнит только в том случае, когда в соленоиде проходит электрический ток.

Магнитное поле. Когда магнитное поле используется для создания механического движения (например, в электрическом звонке), энергия (электрическая), затрачиваемая на питание магнита, оказывается больше энергии, полученной в механической форме. Тем не менее магнитное поле (изменение или «вращение» его) лежит в основе действия многих важных устройств, которые было бы трудно или дорого создать другим путем. Поле постоянного магнита нельзя повернуть, не разрушив сам магнит, однако магнитный поток можно отклонять.

Во время второй мировой войны магнитные мины послужили причиной гибели многих торговых кораблей. Расставленные на оживленных морских линиях мины, в которые были встроены сильные магниты, притягивались к металлическим корпусам кораблей и взрывали их. Чтобы противодействовать минам, старались уменьшить магнитное поле корабля, используя для этого электрические кабели.

Это, в частности, можно сделать с помощью магнитного зажима. Такое устройство используется для удержания ферромагнитных материалов на рабочем столе. В точильных машинах применяются практически только такие зажимы, ибо тисками можно повредить металл или не удержать его на уровне, необходимом для заточки.

Зажим состоит из нескольких слегка разделенных небольших магнитов, вставленных в подвижную металлическую пластину так, что их северные и южные полюсы расположены по вертикали и чередуются. Металлическая пластина изготовлена из материала со слабыми магнитными свойствами. Над этой магнитной системой помещена вторая металлическая пластина. Она включает кусочки мягкого железа, расположение которых соответствует положению магнитов на основной пластине.

Система постоянных магнитов, притягивающаяся к подвижным металлическим пластинам, может быть подвешена над помещенными внизу магнитами. Подобный аппарат, снабженный направляющими рельсами, можно использовать для передвижения тяжелых грузов в цехах или на площадке, где удобно построить магнитный «путь». Такой способ передвижения исключает трение.

Когда на верхнюю пластину помещают заготовку, она обеспечивает прохождение магнитного потока к магнитам, вделанным в нижнюю пластину, через кусочки мягкого железа и притягивается к ним, удерживаясь в нужном положении. Однако с помощью простого рычага нижнюю пластину можно сдвинуть таким образом, что положение магнитных полюсов не будет более соответствовать положению кусочков магнито-мягкого железа на верхней пластине. Это приводит к отклонению магнитного потока от заготовки. Теперь магнитный поток направляется через металл верхней пластины, замыкая магниты нижней пластины друг на друга. После этого заготовку можно свободно вынуть.

В бытовом электросчетчике используются электромагниты. Потребляемый ток протекает по катушкам электромагнитов, заставляющих вращаться диск. Диск связан со счетчиком, проградуированным в киловатт-часах

Применение магнитных окислов металлов произвело революцию в индустрии звукозаписи.

Окислы металлов в виде порошка наносятся на движущуюся гибкую пластиковую ленту (1), на которой записываются звуковые, видео- или другие сигналы, преобразующиеся в магнитные. Система для звукозаписи включает стирающую головку (2), в которой для размагничивания старой записи используется высокочастотный сигнал (3), а также головки для записи (4) и воспроизведения (5). Они либо намагничивают ленту соответственно поступающему на вход сигналу (6), либо преобразуют ранее записанные магнитные сигналы в звуковые (7), видео- и т.д. При стереозаписи записывающая и воспроизводящая головки совмещаются. При воспроизведении стирающая головка отключается от цепи во избежание ошибочного стирания.

Магниты на железных дорогах. На железных дорогах обычно используются системы, в которых в целях большей безопасности электромагниты и постоянные магниты дополняют друг друга. Сильный постоянный магнит прикрепляют вплотную к рельсу на определенном расстоянии от светофоров. Когда поезд проходит над магнитом, ось постоянного плоского магнита в кабине машиниста поворачивается на малый угол, после чего магнит остается в новом положении. Движение плоского магнита включает сигнальный звонок или сирену. Через несколько секунд кабина проходит над электромагнитом, связанным со светофором. Если тот дает поезду зеленую улицу, то электромагнит оказывается под напряжением и ось постоянного магнита в вагоне поворачивается в свое первоначальное положение, выключая сигнал в кабине.

Когда же на светофоре горит красный или желтый свет, электромагнит бывает выключен, и тогда после некоторой задержки автоматически включается тормоз-если, конечно, это забыл сделать машинист. Тормозная цепь (как и звуковой сигнал) подключается к сети с момента поворота оси магнита. Если магнит во время задержки возвращается в первоначальное положение, то тормоз не включается.

Поле постоянного магнита нельзя выключить. Вместо этого можно отклонить его магнитный поток. В магнитном зажиме магнитный поток удерживает заготовку в точильном аппарате (А). Если поток отклонить, заготовка освобождается (Б).

Счетчики и медицинские инструменты. С магнитными полями связано возникновение вихревых токов. Они обусловлены относительным движением электрического проводника и магнитного поля. Вихревые токи в свою очередь индуцируют новое магнитное поле противоположной полярности.

Этот принцип лежит в основе действия автомобильного спидометра. Внутри полости прибора вращается постоянный магнит, частота вращения которого задается коленчатым валом двигателя. Магнит вращается внутри алюминиевого диска специальной формы, который и сам может поворачиваться, но только на 270°, так как его движение ограничено пружиной. При вращении магнита в диске индуцируются вихревые токи, заставляющие диск следовать за движением магнита. Сила этих токов пропорциональна скорости вращения, и поэтому диск поворачивается в соответствии со скоростью автомобиля.

Стрелка, присоединенная к диску, движется по шкале, откалиброванной в километрах в час.

Электросчетчик работает по аналогичному принципу. Ток, который потребляют работающие приборы, проходит через электромагнит, индуцируя вихревые токи в алюминиевом диске. В этом случае диск может свободно поворачиваться на 360°, а его движение связано с цепной передачей, управляющей движением циферблата счетчика.

Медицина также находит применение мощным магнитам. Проводились эксперименты по использованию «пилюль», движением которых внутри тела управляет магнит. «Пилюля» (ее можно проглотить или ввести в вену) представляет собой миниатюрный радиопередатчик, способный передавать информацию о таких факторах, как температура или содержание соли в крови. Он снабжен «наконечником» из соответствующего металла, и его можно направлять к исследуемым органам, манипулируя магнитом, находящимся снаружи.

Показания электрических счетчиков обычно трудно считывать. Цикломер изображенного на рисунке типа избавлен от этого недостатка, поскольку в нем цифры, соответствующие большим значениям, вращаются медленнее. Небольшой магнит связан с каждым колесиком позади цифры 7; плоский магнит устанавливается над колесиками. При вращении колесиков от 9 до 0 быстрая смена цифр обеспечивается притяжением магнитом. Только колесико, отвечающее самому высшему разряду, исключено из этого устройства, поскольку при изменении цифр на нем до нуля цифры на всех других колесиках также должны стать нулями.

Термостат часто содержит биметаллическую пластинку, которая замыкает и размыкает цепь в соответствии с изменением температуры. Для быстрого включения и выключения термостата можно использовать постоянный магнит и шарик (якорь) из магнито-мягкого железа. Как только биметаллическая пластинка начинает изгибаться, она либо быстро притягивается к магниту, либо внезапно освобождается, размыкая цепь.