Что понадобится для сборки

Для простого школьного опыта понадобятся обычные бытовые предметы, которые можно найти дома или в строительном магазине.

  • Большой железный или стальной строительный гвоздь длиной от 70 до 120 миллиметров без следов сильной ржавчины
  • Около полутора-двух метров медного обмоточного провода в лаковой изоляции толщиной от 0,3 до 0,8 миллиметра
  • Обычная пальчиковая батарейка формата AA или бочонок формата D на 1,5 вольта
  • Наждачная бумага или канцелярский нож для аккуратной зачистки контактов
  • Изолента или бумажный скотч для фиксации витков и крепления проводов к батарейке
  • Горсть металлических канцелярских скрепок или мелких шайб для проверки подъёмной силы

Пошаговая инструкция по сборке

Сборка электромагнита занимает около пятнадцати минут, если действовать последовательно и аккуратно укладывать проволоку.

  1. Оставь свободный хвостик провода длиной примерно 5-7 сантиметров с одной стороны гвоздя, чтобы его было удобно подключать к батарейке.
  2. Начни плотно наматывать медную проволоку вокруг тела гвоздя, укладывая каждый следующий виток вплотную к предыдущему в одном постоянном направлении.
  3. Дойдя почти до острия гвоздя, можно намотать второй слой прямо поверх первого, двигаясь назад к шляпке в том же направлении накрутки.
  4. Сделай от 50 до 100 витков, после чего оставь второй свободный конец провода длиной 5-7 сантиметров и аккуратно обрежь излишек проволоки.
  5. Зафиксируй намотку узкой полоской изоленты или скотча, чтобы катушка случайно не размоталась под собственным натяжением.
  6. Сними лаковый защитный слой наждачной бумагой или лезвием ножа с обоих свободных концов провода на длину около двух сантиметров, обнажив блестящую медь.
  7. Прижми один зачищенный конец к плюсовому контакту батарейки, а второй к минусовому контакту пальцами или зафиксируй их изолентой.

Физический механизм работы устройства

В основе работы электромагнита лежит фундаментальное явление электромагнетизма. Когда электрический ток течёт по медному проводнику, вокруг него возникает невидимое вихревое магнитное поле. В одиночном прямом проводе это поле рассеяно в пространстве и остаётся крайне слабым, поэтому его едва хватает для отклонения стрелки чувствительного компаса.

Сворачивание провода в плотную спираль превращает его в соленоид. Внутри такой катушки магнитные поля каждого отдельного витка складываются вместе, многократно усиливая общее магнитное действие. На концах соленоида образуются полноценные северный и южный магнитные полюса точно так же, как у привычного полосового магнита.

Железный гвоздь выступает в роли сердечника и кардинально меняет свойства конструкции. Железо относится к классу ферромагнетиков. Внутри него расположены микроскопические области самопроизвольного намагничивания, называемые магнитными доменами. В обычном состоянии эти домены ориентированы в кристаллической решётке хаотично в разные стороны, поэтому снаружи гвоздь совершенно нейтрален и не притягивает металлические предметы.

Магнитное поле соленоида заставляет все внутренние домены гвоздя мгновенно развернуться в одну общую сторону вдоль оси катушки. Собственное магнитное поле железа складывается с полем провода, концентрируя магнитный поток внутри стержня. Благодаря этому трюку общая сила притяжения возрастает в сотни раз по сравнению с пустой катушкой без металлического сердечника.

От чего зависит сила получившегося магнита

В школьном проекте можно провести серию сравнительных измерений, наглядно меняя параметры установки и фиксируя количество удерживаемых скрепок.

Количество витков катушки

Каждый дополнительный виток добавляет свою порцию магнитного поля в общую копилку. Если намотать 30 витков, магнит сможет удержать всего две или три скрепки. При увеличении числа витков до 100 или 120 штук тот же самый гвоздь с лёгкостью удержит гроздь из пятнадцати металлических предметов. Зависимость здесь практически прямая при условии, что батарейка ещё не разрядилась.

Сила электрического тока

По закону Ома сила тока зависит от напряжения источника питания и сопротивления провода. Большая толстая батарейка формата D выдаёт те же 1,5 вольта, что и маленькая пальчиковая типа AA, но способна дольше отдавать высокий ток без резкой просадки напряжения. Если соединить две пальчиковые батарейки последовательно, напряжение вырастет до 3 вольт, ток увеличится в два раза, и подъёмная сила электромагнита заметно подскочит.

Материал и толщина сердечника

Сердечник должен быть сделан из магнитомягкого материала, который легко намагничивается и быстро теряет поле при выключении питания. Обычный серый строительный гвоздь из низкоуглеродистой стали подходит отлично. Деревянная палочка, алюминиевая проволока, латунный болт или пластиковый стержень внутри катушки вообще не дадут эффекта усиления, поскольку эти материалы не обладают ферромагнитными свойствами.

Кто и когда изобрёл электромагнит

Связь между электричеством и магнетизмом случайно обнаружил датский физик Ханс Кристиан Эрстед в 1820 году во время университетской лекции, заметив отклонение стрелки компаса рядом с включённым проводом. Спустя пять лет, в 1825 году, британский изобретатель Уильям Стёрджен развил эту идею и построил первый в мире электромагнит. Он взял изогнутый подковообразный железный стержень, покрыл его слоем лака для изоляции и намотал сверху всего шестнадцать витков неизолированной медной проволоки. Устройство весило около двухсот граммов и удерживало груз массой до четырёх килограммов, поразив научное сообщество того времени.

Частые вопросы

Почему гвоздь продолжает притягивать скрепки после отключения батарейки?

Это явление называется остаточной намагниченностью. Часть магнитных доменов в стальном сердечнике остаётся ориентированной в одном направлении даже после исчезновения внешнего магнитного поля. Если слегка постучать гвоздем о край стола или уронить его на пол, механическая вибрация собьёт упорядоченность доменов, и остаточный магнетизм исчезнет.

Можно ли использовать аккумулятор от смартфона или повербанк?

Использовать такие источники категорически запрещено. Литий-ионные аккумуляторы обладают огромным током короткого замыкания, моментально перегреваются, могут вздуться, загореться или взорваться при подключении к низкоомной катушке. В повербанках установлена электронная плата защиты, которая просто отключит порт при фиксации замыкания.

Имеет ли значение направление намотки провода на гвоздь?

На общую силу притяжения направление намотки не влияет совершенно. Оно задаёт исключительно полярность магнитного поля. При намотке по часовой стрелке на острие гвоздя получится один магнитный полюс, а при намотке против часовой стрелки полюса поменяются местами, что легко проверить поднесённым компасом.

Где электромагниты применяются в реальной жизни?

Электромагниты стоят в дверных домофонах, реле автомобильной электроники, динамиках наушников и колонок, аппаратах магнитно-резонансной томографии, автоматических выключателях в электрощитках и гигантских подъёмных кранах на свалках металлолома.