Kvant. Постоянные магниты

Практическая работа №11

Изучение магнитного поля постоянных магнитов

Ганс Кристиан Эрстед (1777-1851) в 1820 г. Открыл связь между электрическим и магнитным полем, заметив действие электрического тока на магнитную стрелку.

Магнитное поле - это

Наглядную картину магнитного поля можно получить с помощью

Особенности:

Согласно гипотезе, внутри молекул и атомов циркулируют элементарные электрические токи - . Они образуются вследствие движения электронов в атомах. Если из-за теплового движения молекул плоскости (рис 11.1), в которых циркулируют эти токи, размещены хаотично друг относительно друга, то действие токов взаимно компенсируется и магнитные свойства тел.

В намагниченном состоянии (рис 11.2) элементарные токи в теле ориентированы так, что их действия

Рис 11.1 Рис 11.2

По своим магнитным свойствам все вещества можно разделить на слабомагнитные и сильномагнитные. К слабомагнитным веществам относят, а к сильномагнитным - .

Ферромагнетики – это такие вещества

Какое явление лежит в основе создания искусственных магнитов?

Опишите понятие «точка Кюри»:

К ферромагнетикам относят:

Парамагнетики – это такие вещества

К парамагнетикам относят:

Диамагнетики – это такие вещества

К диамагнетикам относят:

Заполните таблицу.
Практическая часть.
Выберите правильное утверждение. Что наблюдается в опыте Эрстеда?

А. Проводник с током действует на электрические заряды.

Б. Магнитная стрелка поворачивается вблизи проводника с током.

В. Магнитная стрелка поворачивается вблизи заряженного проводника.

А. …магнитное поле, созданное движущимися в проводнике зарядами.

Б. …электрическое поле, созданное зарядами проводника.

В. …электрическое поле, созданное движущимися зарядами проводника.

А. …как неподвижными, так и движущимися электрическими зарядами.

Б. …неподвижными электрическими зарядами.

В. …движущимися электрическими зарядами.

А. …только на покоящиеся электрические заряды.

Б. …только на движущиеся электрические заряды.

В. …как на движущиеся, так и на покоящиеся электрические заряды.

А. …только электрическое поле.

Б. …как электрическое, так и магнитное.

В. …только магнитное поле.

А. Взаимодействием электрических зарядов.

Б. Действием электрического поля одного проводника с током на ток в другом проводнике.

В. Действием магнитного поля одного проводника на ток в другом проводнике.

А. Северный полюс одной стрелки притягивается к северному полюсу другой.

Б. Магнитная стрелка представляет собой маленький магнит.

В. Силовые линии магнитного поля постоянного магнита «выходят» из южного полюса и «входят» в северный.

А. Железные предметы притягиваются к полюсам магнита слабее, чем к его середине.

Б. Северный полюс магнита указывает на Северный магнитный полюс Земли.

В. Линии магнитного поля Земли замкнуты.

А. Слева находится северный магнитный полюс, а справа – южный.

Б. Вне магнита магнитные линии выходят из южного полюса магнита и входят в северный.

В. Линии магнитного поля замыкаются внутри магнита.

На рис 11.4 изображено расположение линий магнитного поля двух магнитов.

А. Магниты обращены друг к другу разноименными полюсами.

Б. Магниты обращены друг к другу одноименными полюсами.

В. Те места магнита, где обнаруживаются наиболее сильные магнитные действия называют полюсами магнита.

А. Если разрезать этот магнит посередине, то один из полученных магнитов будет иметь только северный полюс, а другой – только южный.

Б. Те места магнита, где обнаруживаются наиболее слабые магнитные действия, называют полюсами магнита.

В. У всякого магнита обязательно есть два полюса.

Рис 11.4 Рис 11.5

Пример: Северный полюс магнита подносят к положительно заряженному теннисному шарику, висящему на нити.. Что будет наблюдаться – притяжение или отталкивание? Как изменится ответ, если шарик заряжен отрицательно?

Решение: В обоих случаях будет наблюдаться притяжение, обусловленное разделением зарядов в нейтральном теле (магните) под действием электрического поля. Замена положительного заряда на отрицательный и (или) северного магнитного полюса на южный никак не повлияет на результат: магнитное поле вообще не действует на неподвижные электрические заряды.

Средний уровень

Можно ли изготовить полосовой магнит так, чтобы на концах его были одноименные полюсы?

Как направлены линии магнитного поля Земли – с севера на юг или с юга на север?

Железные опилки, притянувшись к полюсу м-та, образуют расходящихся кистей. Почему?

Почему стальные полосы и рельсы, лежащие на складах, через некоторое время оказываются намагниченными?

На дно стеклянной бутылки упала стальная булавка. Как можно вынуть булавку, не опрокидывая бутылки и не опуская внутрь нее каких-либо предметов?
Смешавшиеся на полу мастерской железные и цинковые опилки потребовалось отделить друг от друга. Как это быстрее всего сделать?
В чем проявляется магнитное действие электрического тока?
Каким образом можно обнаружить наличие в пространстве магнитного поля?
На полу лаборатории под слоем линолеума проложен прямой изолированный провод. Как определить местонахождение провода и направление тока в нем, не вскрывая линолеума?

Как убедиться в том, что катушка с током имеет полюсы – северный и южный? Где они находятся?

Достаточный уровень

К южному полюсу магнита притянулись две стальные булавки (рис 11.6). Почему их свободные концы отталкиваются? Объясните свой ответ.

К полюсам двух совершенно одинаковых магнитов притянулось по гвоздю (рис 11.7). Однако если привести оба полюса в соприкосновение, гвозди сразу же отпадут. Почему?

К северному полюсу прямого магнита притянулась цепочка гвоздиков (рис 11.8). Что произойдет, если на этот магнит положить другой так, чтобы над северным полюсом оказался южный полюс?

Начертите (приблизительно) расположение нескольких линий магнитного поля для двух магнитов, расположенных так, как показано на рисунке 11.9.

Намагниченная стальная игла (рис 11.10), воткнутая в пробку, плавает на поверхности воды. Можно ли заставить перемещаться такой поплавок, приближая к нему железный ненамагниченный предмет? Объясните свой ответ.

По проводу (рис 11.11) идет электрический ток. В каком направлении повернется магнитная стрелка, помещенная в точку А? В точку С?

В каком направлении надо пропустить ток по проводнику АВ (рис 11.12), чтобы магнитная стрелка SN повернулась северным полюсом к наблюдателю?

По витку провода (рис 11.13) идет электрический ток. В каком направлении повернется магнитная стрелка, помещенная в точку А? В точку С?

Как повернется магнитная стрелка вблизи провода, если по проводу пропустить достаточно сильный электрический ток? Рассмотрите два случая: а) провод проходит над стрелкой (рис 11.14); б) провод проходит под стрелкой(рис 11.15). S

Укажите направление электрического тока в катушке (рис 11.16).

Высокий уровень

Представьте себе, что Земля «потеряла» свое магнитное поле. Какие это повлекло бы последствия? Как вы оцениваете существование у Земли магнитного поля – положительным для жизни на нашей планете или отрицательным?

Имеются два одинаковых стальных стержня, один из которых намагничен сильнее другого. Как найти этот стержень?

Полосовой магнит разделили на две равные части и получили два магнита. Будут ли эти магниты оказывать такое же действие, как и целый магнит, из которого они изготовлены?

Стальной, хорошо отполированный шар имеет идеально круглую форму. Можно ли намагнитить этот шар?

К середине стальной полосы поднесли магнитную стрелку. Стрелка притянулась к полосе. Можно ли утверждать, что стальная полоса намагничена?

Когда к компасу приблизили ножницы, стрелка компаса отклонилась. Можно ли утверждать, что ножницы были предварительно намагничены?

Будет ли действовать магнит на магнитную стрелку, если между ними поместить руку? Алюминиевый лист? Железный лист?

Намагниченный стальной стержень и ненамагниченный железный имеют одинаковый внешний вид. Как определить, какой стержень намагничен, а какой – нет, не пользуясь никакими приборами?

Почему магниты при хранении замыкают стальными якорями?

К чему приведет постукивание по намагниченному гвоздю или его встряхивание, если внешнее магнитное поле отсутствует? Домашнее задание. Ответить на вопросы высокого уровня, дорешать практическую часть. Решите кроссворд.

По горизонтали:

1. Сила, текущего в каждом из двух бесконечно длинных параллельных проводников, находящихся в на расстоянии 1 м друг от друга, которая вызывает силу в Н, действующую на каждый метр длины проводника? 2. Какими зарядами создается магнитное поле? 3. Конец стрелки, направленный на Северный полюс Земли? 4. Чем определяется магнитная индукция? 5. Одноименные полюса магнитов… . 6. Как существует магнитное поле и электрический ток? 7. Разноименные полюса… . 8. Ферромагнетик с большой площадью петли гистерезиса называют… . 9. Вещества, у которых магнитная проницаемость . 10. Полюс магнита, в который входят линии магнитной индукции? 11. Тело, изготовленное из специальных сортов стали прочно сохраняет свою намагниченность после удаления его из внешнего поля, т. е. становится каким магнитом? 12. Вещество, намагничивающееся под действием внешнего магнитного поля? 13. Поле, посредством которого осуществляется взаимодействие электрических токов.

По вертикали:

1. Поле, векторы индукции которого во всех точках поля одинаковы по модулю и направлению. 2. Магнитные полюса существуют… 3. Небольшое физическое тело удлинённой формы, помещенное на острие. 4. Магнитные силовые линии. 5. Концы магнита. 6. Поле внутри соленоида. 7. Вещества, у которых магнитная проницаемость . 8. Поле, линии индукции которого всегда замкнуты. 9. Характеризует магнитную индукцию. 10. Величина, характеризующая магнитное поле в какой-либо точке пространства. 11. Первым обнаружил магнитное поле. 12. Если атомы тела имеют сильные поля и расположены упорядоченно, то их поля взаимно усиливаются. Назовите эти тела. 13. Сильное магнитное поле, которое отбрасывает влетающие в него заряженные частицы. 14. Если магнит неподвижен, то индукция в данной точке остается… . 15. Поле, линии индукции которого всегда замкнуты.

Опишите использование магнитов и магнитных полей в медицине.

Магнитотерапия

Применение магнитных полей в медицине

Постоянный глазной магнит

Глазной электромагнит

Магнитная запись звука и изображения

Посмотрим, одинаковы ли магнитные свойства естественного или искусственного магнита в разных точках его поверхности. Возьмем железный шарик, укрепленный на одном конце слабой спиральной пружинки. Прикоснемся этим шариком к какому-нибудь месту магнита, а затем будем отрывать шарик, растягивая пружинку (рис. 195). Растяжение пружинки в момент отрыва шарика дает нам наглядное представление о той силе, которая необходима, чтобы преодолеть притяжение шарика к данному месту магнита. Оказывается, что в одних точках – у концов магнита, – для того чтобы оторвать шарик, требуется довольно значительное усилие, а в других точках – у середины магнита – шарик почти не притягивается к нему. По этой же причине, если погрузить магнит в железные опилки и затем вынуть его, мы увидим, что опилки пристают в виде густой «бороды» к концам магнита и не пристают к его середине (рис. 196).

Рис. 195. У середины магнита сила притяжения мала, у концов его – велика. Об этом можно судить по растяжению пружины в момент отрыва железного шарика от магнита

Рис. 196. Железные опилки пристают в виде «бороды» к концам магнита и не пристают к его середине

Те части поверхности магнита, в которых притяжение железных предметов проявляется заметным образом, называют полюсами магнита, а та часть поверхности магнита, в которой силы притяжения не обнаруживаются или очень слабы, называется нейтральной зоной магнита.

Обычно искусственным магнитам придают вид полосы – прямой или подковообразной (рис. 197). Такие магниты почти всегда имеют два полюса на концах полосы и нейтральную зону между ними. Можно, однако, намагнитить кусок стали так, чтобы он имел не 2, а 4, 6, ... полюсов, разделенных нейтральными зонами. Но, что особенно важно отметить, никогда не удается получить магнит с нечетным числом полюсов. В частности, невозможно получить магнит с одним полюсом.

Рис. 197. Обычные формы постоянных полосовых магнитов: а) прямая; б) подковообразная. При хранении концы магнита соединяют железным бруском (якорем), чтобы предохранить магниты от размагничивания

Соотношение между размерами, полюсных областей и нейтральной зоны зависит от формы магнита.

Если изготовить магнит в виде очень длинного и тонкого стержня, то полюсные области его сводятся почти к точкам, лежащим у концов магнита, а вся остальная поверхность представляет собой нейтральную зону. Подобный удлиненный магнит можно назвать магнитной стрелкой. Часто магнитной стрелке придают вид вытянутого ромба (рис. 198). Если такую стрелку подвесить или укрепить на острие так, чтобы она могла свободно вращаться, то она всегда устанавливается так, чтобы один из ее полюсов был обращен к северу, а другой к югу; точно так же ориентируется и любой магнит, подвешенный на тонкой, легко закручивающейся нити. Тот полюс магнита, который поворачивается к северу, называют северным полюсом, а другой полюс – южным.

Рис. 198. Магнитные стрелки в виде вытянутого ромба: слева – подвешенная на нити, справа – укрепленная на острие

Магнитные стрелки особенно удобны для обнаружения магнитных свойств естественного или искусственного магнита. Приближая к стрелке магнит, мы увидим, что ее северный полюс притягивается к южному полюсу магнита и отталкивается от северного (и наоборот), так что магнитная стрелка под действием магнита поворачивается на своей оси. Способность магнита поворачивать и притягивать железные тела сводится к таким же действиям: приближение магнита к железу прежде всего намагничивает железо, т. е. обращает его в слабый магнит, который поворачивается нашим магнитом и притягивается к нему.

С помощью магнитной стрелки можно легко различить, имеем ли мы дело с ненамагниченным куском железа или с магнитом. Поднося к концу стрелки магнит, мы вызовем или притяжение или отталкивание в зависимости от того, сближаются ли одноименные или разноименные полюсы стрелки и исследуемого магнита. При поднесении же к концу стрелки железа мы всегда обнаружим притяжение; ближайший к полюсу стрелки конец железа всегда намагничивается противоположно этому полюсу; второй, удаленный конец железного куска намагничивается, конечно, противоположно ближнему концу, т. е. одноименно с рассматриваемым полюсом стрелки, но его взаимодействие со стрелкой будет гораздо слабее, и мы обнаружим только взаимодействие разноименных полюсов, т. е. притяжение стрелки к железу.

113.1. Имеется стальная спица. Как узнать, намагничена ли она, не пользуясь ничем, кроме этой спицы?

113.2. Имеются два стальных бруска, из которых только один намагничен. Как узнать, какой именно брусок намагничен, не пользуясь ничем, кроме этих брусков?

Обобщающий урок по теме «Электромагнитные явления»

Класс: 9
Тип урока: Урок обобщения, закрепления знаний и умений.

Продолжительность: 40 мин

Цели урока:

Образовательная : закрепить умение применять знания к решению качественных и экспериментальных задач;

Развивающая : создать условия для развития исследовательских и творческих навыков, навыков общения и совместной деятельности;

Воспитательная : воспитывать умение работать в группе, чувство ответственности каждого за свой выбор, трудовой процесс и его результат.

Форма организации учебной деятельности: групповая.

Технологии: игровые, исследовательские, технологии групповой деятельности.

Оборудование: батарейка (4 шт.), кусок изолированного провода (4шт.), железный стержень (4 шт.), ключ (4 шт.), реостат (4 шт.), железные опилки, раздаточный материал для учащихся.

Подготовка: класс делим на четыре команды, выбираем капитана.

План урока:

1. Организационный момент – 1мин

2. Основной этап – 36 мин

Решение качественных задач – 10 мин

Решение графических задач, групповая экспериментальная работа учащихся – 10 мин

Представление результатов эксперимента – 8 мин

Решение кроссворда – 5 мин

Подведение итогов – 3 мин

3. Домашнее задание – 1 мин

4. Рефлексия –2 мин

Ход урока:

Организационный этап. Приветствие учителя.

У Киплинга есть замечательные строки:

Есть у меня шестерка слуг,

Проворных, удалых.

И все, что вижу я вокруг, -

Все знаю я от них.

Они по знаку моему

Являются в нужде.

Зовут их: Как и Почему,

Кто, Что, Когда и Где.

Ребята, давайте сегодня на уроке, обратимся к этим слугам.

Основной этап.

Первый тур: решение качественных задач (Приложение 1).

Пояснение: вопросы задаем командам по очереди. На обсуждение – 1 мин. За верный ответ – 3б. Если команда не дает ответа или отвечает не верно, соперники могут ответить и получить 1,5 балла.

Второй тур: решение графических задач (Приложение 2).

Пояснение: приглашаем к доске по одному человеку от команды. На выполнение задания 3 мин. За верное решение – 5 б. Кто выполнит первым правильно, получает дополнительно – 0,5 б. Учащийся объясняет решение учителю. После присоединяется к выполнению эксперимента (третий тур).

Третий тур: решение экспериментальной задачи «Сборка простейшего электромагнита» (Приложение 3).

Пояснение: команда получает задание и выполняет его, в то время пока один из представителей решает у доски графическую задачу.

На отдельном листе указать название команды, записать решение, обязательно с поясняющими рисунками. По окончании сдать лист учителю продемонстрировать работу электромагнита. За верное решение – 10 б.

Четвертый тур: решение кроссворда. (Приложение 4).

В это время учитель проверяет задания третьего тура.

Пояснение: За верно угаданное слово – 0,5 б. Чем больше слов разгадаете, тем больше общий балл за этот конкурс.

Подведение итогов. Учащиеся изкоманды победителей получают оценку пять за урок, отмечаются хорошими отметками активные участники из других команд.

Домашнее задание: повторить строение атома и атомного ядра за курс 8-го класса.

Рефлексия.

Учитель: Ребята, скажите, слуги Киплинга помогли нам сегодня на уроке? Обоснуйте свой ответ.

Возможный ответ ученика: Благодаря этим слугам мы проявили изобретательность и находчивость, показали свои знания.

Приложение 1.

Качественные вопросы:

1. Чем отличаются стали, применяемые для постоянных магнитов и электромагнитов?

Ответ: сталь для постоянных магнитов должна обладать большим остаточным магнетизмом.

2. Можно ли на Луне ориентироваться с помощью магнитного компаса?

Ответ: нет магнитного поля.

3. Почему железные опилки, притянувшись к полюсу магнита, образуют кисти, отталкивающиеся друг от друга?

Ответ: Опилки – маленькие магнитики располагаются вдоль силовых линий магнитного поля.

4. Как при помощи магнитной стрелки узнать намагничена ли стальная полоска?

Ответ: надо подносить к одному из полюсов магнитной стрелки поочередно оба конца полоски. Если один из концов его оттолкнет полюс стрелки, значит, полоса намагничена.

5. Намагниченная спица разломана поперек оси на мелкие части. Какой из полученных обломков окажется намагниченным сильнее – находившийся ближе к концам спицы или к середине? Объясните явление.

Ответ: все обломки будут намагничены одинаково.

6. Если поднести несколько раз к часам сильный магнит, то показания часов будут неправильными. (Иногда только через несколько дней они вновь восстанавливают правильный ход.) Как можно объяснить это явление?

Ответ: стальная пружина и другие стальные детали часов намагничиваются, взаимодействуют друг с другом, вследствие чего правильный ход часов нарушается.

7. Почему удобно пользоваться намагниченной отверткой?

8. Почему магниты размагничиваются, если их хранить сложенными одноименными полюсами?

9. При хранении прямых магнитов их полюса замыкают железными якорями. Почему это предохраняет магниты от размагничивания?

Приложение 2.

Графические задачи:

1. Через соленоид (катушка с однослойной намот­кой провода) пропускают ток (рис. 89). Определите полюсы катушки.

Ответ: у конца А – южный полюс.

2. Какие полюсы получаются на концах электро­магнита, изображенного на рисунке 93?

Ответ: оба полюса южные.

3. Намотка катушки А (рис. 92) произведена по ходу часовой стрелки, а катушки В - против хода часовой стрелки. Одинаковые ли полюсы имеют левые концы электромагнитов?

Ответ: одинаковые – южные.

4. Намагнитится ли одно­родный кусок железа, если пу­стить ток через катушку, намо­танную так, как изображено на рисунке 185?

Ответ: да, на концах будут одноименные полюсы.

Приложение 3.

Экспериментальное задание:

Вам даны батарейка, кусок изолированного провода, железный стержень, ключ, реостат, железные опилки. Сделайте простейший электромагнит, и посмотрите, как он действует. Где у вашего электромагнита полюсы? Как вы их определили? Проверьте с помощью магнитной стрелки, на каком конце электромагнита образуется северный полюс, на каком – южный. Можно ли поменять местами полюсы? Как это сделать? Можно ли регулировать подъемную силу вашего электромагнита? Как?

Приложение 4. Разгадайте кроссворд.

Слова по горизонтали должны означать: 1. Ученый, впервые обнаруживший взаимодействие электрического тока с магнитной стрелкой. 2. Место магнита, где наблюдается наиболее сильное магнитное действие. 3. Устройство, работающее на слабых токах, при помощи которого можно управлять цепью, сила тока в которой велика. 4. Русский физик, построивший первый электродвигатель; телеграфный аппарат, печатающий буквы. 5. Тела, длительное время сохраняющие намагниченность. 6. Английский физик, открывший явление электромагнитной индукции. 7. Особое устройство в обмотке якоря для автоматического изменения направления тока. 8. Ученый, объяснивший намагниченность железа и стали электрическими токами, которые циркулируют внутри каждой молекулы этих веществ. 9. Прибор, служащий для ориентации на местности, основной частью которого является магнитная стрелка. 10. Устройство, в котором механическая энергия преобразуется в электрическую. 11. Длинная цилиндрическая катушка из некоторого числа витков проволоки намотанной по винтовой линии. 12. Приемник тока, служащий для превращения электрической энергии в механическую. 13. Вещество, из которого делают постоянные магниты.

Если все слова вами отгаданы правильно, то в выделенных клетках по вертикали получится слово, означающее катушку проводов с железным сердечником внутри.

Ответы. 1.Эрстед. 2. Полюс. 3. Реле. 4. Якоби. 5. Магнит. 6. Фарадей. 7. Коллектор. 8. Ампер. 9. Компас. 10. Генератор. 11. Соленоид. 12. Электродвигатель. 13. Сталь.