Доклад: Физические опыты в теме МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ТОКА. Реферат по физике магнитное поле

Доклад - Магнитное поле 3

Содержание

1. Введение… 2

2. Основная часть… 3

2.1. История изучения магнитных явлений 4

2.2. Магнитное поле, свойства и характеристики 13

2.3. Действие магнитного поля на проводники с током. Сила Ампера 18

2.4. Закон Био-Савара-Лапласа… 25

2.5. Примеры решения задач… 35

3. Заключение… 39

4. Литература… 40

Тема моей работы магнитное поле. Магниты окружают нас повсюду и широко применяются в различных сферах нашей жизни. С магнитами мы знакомимся еще в детстве. Каждый из нас, я думаю, будучи ребенком, играл в магнитики. Это знакомство продолжается в школе на уроках физики. Наглядность и простота выполнения школьных экспериментов, при изучении магнитного поля, повышают интерес, делают материал доступным для понимания и более усваиваемым. Все это сыграло немалую роль при выборе темы курсовой работы. В первой главе своей работы я расскажу об истории открытия магнитного поля, о явлениях, предшествующих его открытию и способах его создания. Во второй главе я рассмотрю непосредственно само магнитное поле, раскрою его свойства и характеристики. В третьей главе я расскажу о действии магнитного поля на проводники и рассмотрю его на примере рамки с током, находящемся в магнитном поле. В четвертой главе я расскажу о методах нахождения значения основной характеристики магнитного поля, приведу несколько примеров. Также в моей работе будет представлены опыты, подтверждающие существование магнитного поля и иллюстрирующие характер его поведения.

Мы привыкли к магниту и относимся к нему чуточку снисходительно как к устаревшему атрибуту школьных уроков физики, порой даже не подозревая, сколько магнитов вокруг нас. В наших квартирах десятки магнитов: в электробритвах, динамиках, магнитофонах, в часах, в банках с гвоздями, наконец. Сами мы — тоже магниты: биотоки, текущие в нас, рождают вокруг нас причудливый узор магнитных силовых линий. Земля, на которой мы живём, — гигантский голубой магнит. Солнце — жёлтый плазменный шар — магнит ещё более грандиозный. Галактики и туманности, едва различимые телескопами, — непостижимые по размерам магниты. Термоядерный синтез, магнитодинамическое генерирование электроэнергии, ускорение заряженных частиц в синхротронах, подъём затонувших судов — всё это области, где требуются грандиозные, невиданные раньше по размерам магниты. Проблема создания си,.ьных, сверхсильных, ультрасильных и ещё более сильных магнитных полей стала одной из основных в современной физике и технике.

«Любящий камень»… Такое поэтическое название дали китайцы естественному магниту. «Любящий камень (тшу-ши), — говорят китайцы, — притягивает железо, как нежная мать привлекает своих детей». Замечательно, что у французов — народа, живущего на противоположном конце Старого Света, мы встречаем сходное название для магнита: французское слово «а1гпап{» означает и «магнит», и «любящий». Сила этой «любви» у естественных магнитов незначительна, и поэтому очень наивно звучит греческое название магнита, — «геркулесов камень». Если обитатели древней Эллады так поражались умеренной силой притяжения естественного магнита, то, что сказали бы они, увидев на современном металлургическом заводе магниты, поднимающие глыбы в целые тонны весом! Правда, это не естественные магниты, а «электромагниты», т.е. железные массы, намагниченные электрическим током, проходящим по окружающей их обмотке. Но в обоих случаях действует сила одной и той же природы — магнетизм.

Вещества, притягивающие железо, были известны человечеству более 2000 лет назад. Они получили название магнитов. Постоянный магнит в форме тонкой полоски, расположенный на плавающей в воде деревянной дощечке, поворачивается одним концом в направлении Северного пслюса Земли, а другим — в направлении Южного. Поэтому концы магнита так и называются северным и южным полюсами. Это наблюдение привело к созданию компаса. Первые компасы появились в Китае. В Европе компасом стали пользоваться с XII в. В 1600г. английский физик Уильям Гильберт(1544-1 603) опубликовал большой труд «О магните», в котором описал множество проведенных за 18 лет опытов. Он первым пришел к заключению, что Земля сама является большим магнитом. Казалось, что магнетизм и электричество — две разные области, не имеющие между собой ничего общего. Дальнейшее развитие научных знаний показало тесную связь электрических и магнитных явлений, а созданная Максвеллом теория позволила единым образом описать все электромагнитные явления.

После изобретения в 1800 г. источника постоянного тока возможности экспериментаторов значительно расширились. Первое фундаментальное открытие было сделано в 1820г. датским физиком Хансом Кристианом Эрстедом (1777- 1851).Убежденный в том, что электрические и магнитные

явления взаимосвязаны, он хотел выяснить, не производит ли электричество каких-либо действий на магнит. В феврале 1820г. Эрстед показывал студентам тепловое действие тока. Он поместил над магнитной стрелкой параллельно ей прямолинейный провод (рис.1). Стрелка могла свободно вращаться вокруг вертикальной оси. При пропускании по проводу электрического тока стрелка отклонялась в сторону и устанавливалась перпендикулярно к проводу. При изменении направления тока стрелка поворачивалась на 180°. То же самое происходило, когда провод переносился вниз и располагался под стрелкой. В этом эффекте Эрстед увидел подтверждение своих идей. Описание опыта вышло в свет 21 июля 1820г. Этот простой опыт произвел сильное впечатление на современников и положил начало новой области физики — электродинамике.

Дальнейшие исследования развивались стремительно. 11 сентября 1820г. опыт был показан на заседании Французской академии наук. Академики спокойно разошлись, и только один из них — Андре Мари Ампер (1775-1836) — поспешил заказывать приборы для проведения новых опытов. Он был уверен, что они должны были подтвердить его догадки, сводящие магнетизм к чисто электрическим явлениям. Все считали, что ток, проходя по проводнику, превращает его в магнит, который и заставляет отклоняться стрелку компаса. Ампер высказал гениальную мысль: магнит представляет совокупность токов, движущихся по замкнутым контурам; отклонение стрелки вызвано взаимодействием токов. 25 сентября он демонстрирует новый эффект: два незаряженных параллельных провода, по которым текут противоположно направленные токи, отталкиваются друг от друга (рис.2, а). На каждой из проводников действует сила, зависящая от величины силы тока и расстояния между проводами. При перемене направления одного из токов силы отталкивания сменяются силами притяжения (рис.2, б). В новой серии опытов спирали, по которым пропускали ток, вели себя подобно магнитам.

Для исследования линейных токов Ампер создал так называемый «станок Ампера». На рис.3 изображен станок Ампера с прямоугольным контуром.

Он содержит прямоугольную проволочную рамку, укрепленную на двух вертикальных остриях, опирающихся о днища двух чашек с ртутью. Вследствие ничтожного трения в игольчатых подшипниках рамка может свободно поворачиваться вокруг вертикальной оси, оставаясь все время включенной в цепь тока при помощи ртутных контактов. Если приблизить к подвижной рамке другую (неподвижную) рамку с током, то можно наблюдать взаимодействие токов. При достаточном сближении одного из ребер подвижной рамки с каким-либо из ребер неподвижной рамки можно считать, что практически взаимодействуют только сближенные ребра, и таким образом исследовать взаимодействие двух прямолинейных токов. При этом легко обнаружить, что токи, направленные одинаково (параллельные), притягиваются друг к другу, а токи направлеьдые противоположно (антипараллельные,, отталкиваются друг от друга. Пользуясь таким станком, можно исследовать взаимодействие тока и магнита и двух токов между собой. Если поднести к одному из вертикальных ребер подвижной рамки с током прямой магнит, то рамка поворачивается. При замене северного полюса магнита на южный направление силы изменяется и рамка начинает поворачиваться в обратную сторону. Направление силы изменяется и в том случае, если изменить направление тока в рамке. На рис.4 показан станок Ампера с прямой длинной катушкой (соленоид). Если подносить к концам такого соленоида прямой магнит, то обнаруживается, что один из концов соленоида отталкивается от северного полюса магнита, но притягивается к южному полюсу, в то время как для второго конца соленоида наблюдается обратное. Этот опыт показывает, что соленоид с током ведет себя как прямой магнит. Тот конец соленоида, который обтекается током против часовой стрелки (если смотреть в торец катушки), соответствует северному полюсу магнита (указывающему на север), а конец, обтекаемый током по часовой стрелке, соответствует южному полюсу магнита. Если убрать магнит, то соленоид с током устанавливается так же, как магнитная стрелка компаса, в направлении магнитного меридиана Земли.

Заменяя в предыдущем опыте магнит другим (неподвижным) соленоидом, можно исследовать взаимодействие двух соленоидов. При этом вновь легко убедиться, что каждый из соленоидов по своим действиям подобен прямому магниту.

Новую область знаний о явлениях, обусловленных протеканием токов, Ампер назвал электродинамикой. Открытие явлений электромагнетизма оказало влияние не только на развитие науки, но и техники. В том же году Доминик Франсуа Араго (1786-1853) изобрел электромагнит. В 1821г. Майклу Фарадею (1791-1867) удалось осуществить вращение магнита вокруг проводника с током и проводника с током вокруг магнита, создав тем самым лабораторную модель электродвигателя. Ампер предложил использовать отклонение электромагнитной стрелки для передачи сигналов в электромагнитном телеграфе.

В дальнейшем экспериментально исследовалось действие на магнитную стрелку электрического тока, протекающего по проводникам самой различной формы. Во всех случаях проводники с током оказывали ориентирующее действие на магнитную стрелку. Таким образом, можно сделать следующий вывод: при прохождении по проводнику электрического тока вокруг проводника возникает магнитное поле, действующее на помещенную в это поле магнитную стрелку.

Непосредственное измерение действия магнитного поля движущихся электронов на магнитную стрелку было произведено в 191] г. Абрам Федорович Иоффе (1880-1960). Принципиальная схема его установи.2 приведена на рис.5. Внутри стеклянной трубки М был создан высокий вакуум.

Электроны, вылетавшие из катода К, который нагревался током от батареи накала Бм, ускорялись электрическим полем, созданным между катодом К и анодом А батареей Ба .

В центре О анода трубки имелось небольшое отверстие, через которое проходила часть электронов. Узкий пучок электронов в пространстве за анодом попадал в цилиндр Фарадея Р, соединенный через гальванометр С с положительным полюсом батареи Ба. В средней части трубки по обе стороны электронного пучка располагались две одинаковые легкие магнитные стрелки N-8, антипараллельные друг другу. Стрелки были скреплены между собой легким кольцом, свободно охватывающим трубку. Вся эта система была подвешена на упругой нити. Применение двух параллельных и противоположно направленных магнитных стрелок (такая система называется астатической) позволило исключить влияние магнитного поля Земли, так как его действия на обе стрелки взаимно уничтожаются. При движении в трубке пучка электронов возникает магнитное поле, которое действовало на обе стрелки так, как показано на рисунке. Угол закручивания нити О, регистрировавшийся по смещению светового зайчика, отраженного от зеркальца 3, позволял судить о силе, с которой магнитное поле электронного пучка действовало на магнитные стрелки. Сила тока в трубке измерялась гальванометром С. Заменив катодную трубку М прямолинейным проводником, по которому шел ток такой же силы, как и в трубке, Иоффе установил, что угол закручивания нити не изменился. Таким образом, было доказано, что свободные электронные пучки по своему магнитному действию эквивалентны токам в проводниках.

Рядом исследований, в числе которых необходимо отметить опыты Александра Александровича Эйхенвальда (1864-1944), было доказано, что магнитное действие конвекционных токов, образованных движением в пространстве заряженных тел и поляризованных диэлектриков, также подобно магнитному действию токов проводимости. Упрощенная схема прибора Эйхенвальда приведена на рис.6. Внутри металлического корпуса находился сплошной диск 1, который мог вращаться вокруг оси. Диск был изготовлен из материала, обладающего высокими диэлектрическими свойствами. На этот диск по внешней его окружности наклеивался станиолевый ободок, представляющий собой незамкнутое кольцо. Корпус прибора и станиолевый ободок играли роль двух обкладок конденсатора, емкость С которого была предварительно измерена. Конденсатор заряжался от электростатической машины до разности потенциалов А.</> между обкладками. При этом заряд </ обкладки равнялся:

Я = С- Д(»_ (1)

Диск 1 приводился в быстрое вращение вокруг оси. Сила возникающего при этом конвекционного тока /,,. равна:

Iк = ц п = С■ А<р п ^2)

где и — число оборотов диска за единицу времени.

О магнитном поле конвекционного тока можно было судить по его действию на легкую магнитную стрелку 2, подвешенную на упругой нити внутри защитного металлического кожуха со стеклянным окошечком 4. Угол поворота стрелки определялся по смещению отраженного от зеркальца 3 светового луча, который падал на шкалу (она на рисунке не изображена). Затем диск 1 устанавливался неподвижно, и через отверстие в корпусе прибора к концам станиолевого ободка подводился ток от внешнего источника. Ток проводимости I в ободке подбирался таким, чтобы отклонение магнитной стрелки было равно ее отклонению при конвекционном токе 1К. Опыты показали, что 1 = 1 «. Этим было доказано, что конвекционные токи по своему магнитному действию подобны токам проводимости. Рассмотренные опыты показывают, что вокруг всякого движущегося заряда, будь то электрон, ион или заряженное тело, помимо электрического поля, существует также и магнитное поле. Электрическое поле действует как на неподвижные, так и на движущиеся в нем электрические заряды. Важнейшая особенность магнитного поля состоит в том, что оно действует только на движущиеся в этом поле электрические заряды. Следовательно, взаимодействие двух движущихся друг относительно друга электрических зарядов, т.е. взаимодействие между проводниками с током, не исчерпывается их электрическим взаимодействием, так как между ними существует еще и магнитное взаимодействие.

Силы, с которыми проводники с током действуют друг на друга, называют магнитными силами. Причиной возникновения сил магнитного взаимодействия является магнитное поле, которое создается движущимися зарядами и постоянными магнитами.

Магнитное поле представляет собой особую форму материи, посредством которой осуществляется

взаимодействие между движущимися заряженными частицами или телами, обладающими магнитным моментом. Магнитное поле является формой электромагнитного поля, оно непрерывно в пространстве, порождается движущимися зарядами и обнаруживается по действию на движущиеся заряды.

Термин «магнитное поле» в 1 845г. ввел Фарадей. Экспериментальным доказательством реальности магнитного, так же как и электрического поля, является факт существования электромагнитных волн.

Из опыта Эрстеда следует, что магнитное поле имеет направленный характер и должно характеризоваться векторной величиной. Эту величину принято обозначать буквой В. Логично было бы по аналогии с напряженностью электрического поля Е назвать В напряженностью магнитного поля. Однако по историческим причинам основную силовую характеристику магнитного поля назвали магнитной индукцией. Название же «напряженность магнитного поля» оказалось присвоенным вспомогательной величине Н, аналогичной вспомогательной характеристике О электрического поля. Вектор магнитной индукции В является основной характеристикой магнитного поля. Рассмотрим один из способов определения направления вектора В в различных точках магнитного поля. Условились считать, что вектор магнитной индукции В в произвольной точке поля совпадает по направлению с силой, которая действует на северный полюс бесконечно малой магнитной стрелки, помещенной в эту точку поля. Бесконечно малая магнитная стрелка не может своим присутствием искажать то поле, в которое она вносится. Сила, действующая со стороны магнитного поля на южный полюс стрелки, направлена в сторону, противоположную вектору В. Оба полюса такой магнитной стрелки лежат в бесконечно близких точках поля, так что силы, действующие на оба полюса, численно равны друг другу. Следовательно, в магнитном поле на магнитную стрелку действует пара сил, поворачивающая ее таким образом, чтобы ось стрелки, соединяющая южный полюс с северным, совпадала с направлением поля, т.е. с направлением вектора В.

Подобно тому, как электрические поля графически изображаются с помощью электрических силовых линий, магнитные поля изображаются с помощью линий магнитной индукции (или магнитных силовых линий). Линии магнитной индукции — это линии, касательные к которым в данной точке совпадают по направлению с вектором В в этой точке. Линии магнитной индукции можно сделать «видимыми» с помощью железных опилок. Если на стеклянную пластинку, через которую пропущен прямой проводник с током, насыпать железных опилок и слегка постучать по пластинке, то железные опилки расположатся вдоль силовых линий (рис.7).

Из опытов следует, что линии магнитной индукции прямого

проводника с током представляют концентрические окружности, лежащие в плоскости, перпендикулярной току. Центр этих окружностей находится на оси проводника. С помощью железных опилок можно получить изображение линий магнитной индукции проводников с током любой формы. Линии магнитной индукции всегда замкнуты и охватывают проводники с токами. Для сравнения магнитного поля с электростатическим полезно напомнить, что силовые линии электростатического поля разомкнуты. Они начинаются на положительны;, зарядах, оканчиваются на отрицательных и вблизи от заряженного проводника направлены перпендикулярно к его поверхности.

Направление линий магнитной индукции связано с направлением тока в проводнике. Направление силовых линий магнитного поля, создаваемого проводником с током, определяется по правилу буравчика (рис.7): если правовинтовой буравчик ввинчивать по направлению тока в проводнике, то направление движения его рукоятки укажет направление линий магнитной индукции. Из рис.8 видно, что магнитное поле вне соленоида, т. е. длинной катушки с током, подобно магнитному полю полосового магнита. Северный полюс магнита (рис.8, а) совпадает с тем концом соленоида, из которого ток в витках виден идущим против часовой стрелки (рис.8,6). Магнитное

поле кругового тока (рис.9), представляющего собой один виток соленоида, подобно полю очень короткого полосового магнита, расположенного в центре витка так, чтобы его ось была перпендикулярна к плоскости витка. Такой

полосовой магнитик естественно назвать магнитным диполем.

Из рис.8, а видно, что линии магнитной индукции постоянного магнита выходят из его северного полюса и входят в южный. На первый взгляд кажется, что здесь имеется полная аналогия с силовыми линиями электростатического поля, причем полюса магнита играют роль магнитных «зарядов» (магнитных масс), создающих магнитное поле. Если бы магнитные заряды существовали в природе, то их можно было бы разделить подобно электрическим, т.е. получить постоянный магнит только с одним полюсом. Однако если разделить магнит на две половины, то каждая часть снова будет иметь два полюса. Процесс деления можно продолжать сколько угодно, и каждый полученный маленький кусочек магнита будет представлять собой магнит с двумя полюсами. Следовательно, в отличие от электрических зарядов, свободные магнитные «заряды» в природе не существуют. Нет их и в полюсах постоянных магнитов. Поэтому полюсы постоянного магнита не могут являться особыми точками его магнитного поля, а линии магнитной индукции не могут обрываться на полюсах. Исследования показали, что внутри полосовых магнитов имеется магнитное поле, подобное полю внутри соленоида. Линии магнитной индукции этого поля являются продолжением линий индукции вне полосового магнита. Этим было доказано, что линии магнитной индукции поля постоянных магнитов тоже замкнуты.

Полная аналогия между магнитными полями полосовых магнитов и соленоидов позволила Амперу высказать гипотезу о том, что магнитные свойства постоянных магнитов обусловлены существующими в них микротоками. О природе и характере этих микротоков Ампер ничего не мог сказать, так как в то время учение о строении вещества находилось еще в начальной стадии. Лишь после открытия электрона и выяснения строения атомов и молекул, т. е. спустя почти 100 лет, гипотеза Ампера была блестяще подтверждена и легла в основу современных представлений о магнитных свойствах вещества. Гипотетические микротоки Ампера получили простое и наглядное истолкование. Известно, что в атомах всех тел имеются электроны, которые движутся по замкнутым орбитам. Быстро движущийся по замкнутой орбите электрон, подобно витку с током, создает магнитное поле. Если в каком- либо теле элементарные токи, обусловленные движением электронов, расположены так, что их магнитные поля взаимно усиливают друг друга (как у катушки с током, имеющей много витков), то результирующее магнитное поле тела может быть значительным и это тело является магнитом.

Мы говорили о том, что проводники с током создают вокруг себя магнитное поле и действуют на находящиеся около них постоянные магниты. В свою очередь магнитное поле действует на проводники с током. Для доказательства этого, проделаем следующий

опыт. Два параллельных металлических стержня 1 и 2 поместим между полюсами магнита (рис.10). Легкий металлический

стержень 3 опирается своими концами на стержни, может свободно перемещаться вдоль них. Стержни присоединены к аккумуляторной батарее через коммутатор, с помощью которого можно замыкать и размыкать электрическую цепь, образованную проводниками, также изменять направление электрического тока в ней. Опыт показывает, что при замыкании цепи проводник перемещается вдоль стержней. Направление перемещения проводника зависит от направления электрического тока в нем. Если ток / в проводнике идет перпендикулярно к плоскости чертежа «к нам», то проводник перемещается вправо. Если ток / идет в противоположном направлении, то проводник перемещается влево. Действие магнитного поля на проводники с током было обнаружено Г. Эрстедом и А. Ампером. Рассмотрим, с какой силой действует магнитное поле на проводник с током. С этой целью сначала рассмотрим малый элемент тока — ток на малом участке провода оII. Участок с11 заполнен зарядом г/^г. Заряд движется со скоростью V, и на него действует сила:

с1Р = с1д[и ■ В]

Произведение йцх можно представить в другом виде, выразиЕ заряд через силу тока:

йаи = с1а — = —сИ = 1Л Ж Ж

Еремя (И представляет собой тот промеж>; ок времени, за который заряд Ац проходит через сечение элемента провода Отношение (^^/(I^ представляет собой силу тока. Таким образом, сила, действующая на элемент тока /, определяется формулой:

ОР = 1[<Я-В] или йр = В-1 ■ <й %та,

где зта = зт[б//Л в]

Эта сила называется силой Ампера, а выражение с1Р = 1[жв] — законом Ампера в векторной форме. Она пропорциональна элементу тока (II, магнитной индукции В и синусу угла между элементом тока и магнитной индукцией. Так выражается сила Ампера для элемента тока. Сила же Ампера, действующая на конечный участок провода с током, находится путем интегрирования элементарных сил:

р -

(6)

Ограничимся рассмотрением частного случая: пусть прямолинейный участок провода с постоянным током помещен в однородное магнитное поле (рис.11). Магнитное поле называется

однородным, если векторы индукции во всех точках этого поля одинаковы, т, е. численно равны и имеют одинаковые направления. В этом случае все элементарные силы с1Р будут направлены одинаково, а потому векторное интегрирование может быть сведено к обычному, скалярному интегрированию:

Ь I

К = 51П ОССИ = /5 5111 |' <й = 1В151П а (7)

а О

Итак, сила Ампера

пропорциональна силе тока, магнитной индукции, длине проводника и синусу угла между направлением тока и вектором магнитной индукции.

Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки (рис.12): если расположить левую

магнитной индукции входили в ладонь, пальца расположить по направлению в проводнике отставленный большой палец укажет направление силы, действующей на проводник со стороны поля. Это правило очень удобно, когда элемент с11 проводника с током перпендикулярен к направлению магнитного поля. Во всех остальных случаях оно нуждается в дополнительных пояснениях. Поэтому для отыскания направления силы с1Р лучше пользоваться более универсальным правилом: вектор с1Р направлен перпендикулярно к плоскости, образованной векторами с11 и В таким образом, чтобы из конца вектора (1Р вращение от вектора с11 к вектору В по кратчайшему пути происходило против часовой стрелки. Иными словами, вектор с1Р совпадает по направлению с векторным произведением [(II, В]. Как видно из закона Ампера, силы, действующие на проводник с током, не являются центральными и всегда перпендикулярны и к току, и к индукции поля. Закон Ампера легко обобщить на случай неоднородного магнитного поля и проводника произвольной формы. Объясняется это тем, что бесконечно малый элемент с11 проводника любой формы можно считать прямолинейным, а магнитное поле в области, занятой элементом с!1, можно считать однородным. Закон Ампера позволяет определить численное значение магнитной индукции В. Предположим, что элемент проводника с11 с током / перпендикулярен к направлению магнитного поля (зт(с11Л В)= 1), тогда закон Ампера можно записать в виде:

вЛ.^ (8 )

I а

Из формулы (8) следует, что магнитная индукция В численно равна силе, действующей со стороны поля на единицу длины проводника, по которому течет электрический ток единичной силы и который расположен перпендикулярно к направлению магнитного поля. Таким образом, магнитная индукция является силовой характеристикой магнитного поля подобно тому, как напряженность Е является силовой характеристикой электростатического поля.

Рассмотрим теперь поведение в однородном магнитном поле с индукцией В прямоугольной рамки АВСБ с током (рис.14, а — вид сбоку; рис.14,6 — вид сверху), где обозначим АВ = а, АЭ = Ь, /? — угол между нормалью к рамке и вектором магнитной индукции. Допустим, что ось рамки неподвижна и ориентирована перпендикулярно к линиям магнитной индукции поля. Посмотрим, как будет двигаться рамка под действием сил Ампера. На участки АБ и ВС магнитное поле действуют с силами, которые меняются от нуля до максимального значения (в зависимости от угла поворота рамки /?) и стремятся растянуть рамку (на рис.14 эти силы не указаны). На участки АВ и СБ магнитное поле действуют с постоянными силами Рг и Г}, которые направлены в противоположные стороны (на рис.14 силы направлены перпендикулярно плоскости рисунка) и стремятся повернуть рамку вокруг оси 00'. Таким образом, эти силы Р, и Р2 создают вращающий момент:

М = Рг 11 +Р2 11, где = Р2 -1-В-1 (угол а=90°), (9)

/, =/2 =~^5т/? = |зт/?, / = АВ = СО = а. (10)

Тогда момент сил, вращающих рамку будет равен:

М = 2Р, •/, = 21В а -■$тР = 1В а-Ь %тР = 1 В З ътр, (11)

где 8 = аЬ — площадь рамки. Сначала этот момент будет увеличивать угловую скорость рамки, пока она не встанет перпендикулярно к линиям магнитной индукции поля. Затем по инерции рамка будет продолжать движение, но момент пары будет её тормозить, до тех пор, пока не остановит в положении, симметричному начальному. Затем рамка начнет двигаться в обратном направлении. Возникнут крутильные колебания рамки. Если в тот момент, когда рамка встанет перпендикулярно к линиям поля, изменить направление тока на противоположное, то рамка будет вращаться в одном направлении. По такому принципу работает двигатель постоянного тока, якорь которого имеет множество витков. Момент сил будет максимальным при /? = 90°.

Мяяк =1-В-3 (12)

Отметим, что эта формула справедлива не только для квадратной рамки, но и для плоской рамки другой формы.

Момент сил, вращающих рамку с током, зависит от произведения силы тока I на площадь, обтекаемую током 8=лК2. Это произведение, подобно электрическому моменту диполя, называют магнитным моментом рт. Единицей магнитного момента является ампер-квадратный метр (А-м2 ). Магнитный момент тока есть вектор. За его направление принимают направление нормали к плоскости витка. Если п есть единичный вектор вдоль нормали, то магнитный момент тока рт равен

Р,„ = Г5п. (13)

Силу тока в контуре / будем считать неизменяющейся, и следовательно, магнитный момент тока р,„ = 15 — постоянным. Тогда момент сил найдем как:

М = рш В&та.

Полученную формулу можно записать в векторной форме, дающей и модуль, и направление момента пары сил:

М = \рт В].

В неоднородном магнитном поле линии индукции не параллельны. Поэтому в этом случае сила Ампера будет иметь две составляющие: одна из них будет растягивать виток вдоль вертикальной оси, вторая — перемещать виток вдоль нормали.

Общий закон, позволяющий вычислять магнитную индукцию в каждой точке поля, создаваемого электрическим током, текущим по проводнику любой формы, пытались найти французские ученые Жан Батист Био (1774-1862) и Феликс Савар (1791-1 841). Они изучали магнитные поля, создаваемые в воздухе прямолинейным током, круговым током, катушкой с током и т.д. На основании многочисленных опытов они пришли к следующим выводам:

а) во всех случаях индукция В магнитного поля электрического тока пропорциональна силе тока I;

б) магнитная индукция зависит от формы и размеров проводника с током;

в) магнитная индукция В в произвольной точке поля зависит от расположения этой точки по отношению к проводнику с током.

Они определили, что если магнитную стрелку, помещенную в магнитное поле, слегка отклонить от положения равновесия, она будет колебаться с периодом, зависящим от величины действующей на стрелку пары сил. Поэтому индукция магнитного поля прямого проводника с током I ослабевает обратно пропорционально расстоянию г от него.

Однако получить такой закон им не удалось. По их просьбе этой задачей занялся известный в те времена французский физик Пьер Симон Лаплас (1749-1827). Он учел векторный характер магнитной индукции и предположил, что если разбить провод на малые отрезки (II, называемые элементами тока, то каждый такой элемент должен создавать магнитную индукцию с! В, которая будет изменяться обратно пропорционально квадрату расстояния (см. рис.15).

Лаплас обобщил результаты экспериментов Био и Савара в виде следующего дифференциального закона, называемого законом Био-Савара-Лапласа:

ав = кг ~[с11, г], (16)

где (И — вектор, численно равный длине с11 элемента проводника и совпадающий по направлению с электрическим током, г — радиус-вектор, проведенный из элемента проводника с11 в рассматриваемую точку поля, /• — модуль радиуса-вектора г, а к, — коэффициент пропорциональности, величина которого определяется опытным путем. Из закона

Био — Савара — Лапласа следует, что вектор магнитной индукции ЛВ в какой-либо точке магнитного поля

направлен перпендикулярно к плоскости, в которой лежат векторы с11 иг таким образом, что из конца вектора йВ поворот вектора с11 до совмещения с вектором г по кратчайшему пути виден происходящим против часовой стрелки (рис.16). Дальнейшие экспериментальные исследования показали, что при прочих равных условиях (т. е. при одинаковых силе тока, форме и размерах проводника) магнитная индукция зависит от свойств среды, в которой создается магнитное поле. Следовательно, коэффициент к1 в законе Био-Савара-Лапласа должен зависеть от свойств среды. Кроме того, как всякий коэффициент пропорциональности в формуле, выражающей тот или иной физический закон, коэффициент 1<1 должен зависеть от выбора единиц измерения величин, входящих в уравнение. Если среда однородна и изотропна, то К/ можно представить в виде:

к] = кг ц,

где к2 — коэффициент, зависящий только от выбора системы единиц измерения, а ц — безразмерная величина, характеризующая магнитные свойства среды и называемая относительной магнитной проницаемостью среды. Она не зависит от выбора системы единиц измерения и считается равной единице для вакуума. Таким образом, закон Био— Савара—Лапласа можно переписать в форме:

йВ^кг ц~\Л1, г]. (17)

В Международной системе единиц СИ принимается, что

кг =*±, (18) 47Г

где ц —«так называемая магнитная постоянная. Поэтому

<а = ИаЕ.1г [дз1 ]. (19)

4тг г' 1 ' 1

Такая форма записи закона Био-Савара-Лапласа и всех вытекающих из него уравнений электромагнитного поля называется рационализованной. Если учесть, что модуль векторного произведения [сП, г] равен:

|[<#, г] = «Я|вт(«И,л г)|, (20)

то численное значение с/В вектора г/В равно:

Ж = /дГ/5т(дП, г) ,

4тт г2 К '

Наряду с магнитной индукцией В вводится другая векторная

характеристика магнитного поля — напряженность Н, связанная с В следующим соотношением:

Н = —. (22)

МоМ

при условии однородности и изотропности среды. Как видно из формулы напряженность магнитного поля электрического тока не зависит от свойств среды:

I г,, т „, 1-<Я-8т[вМ,Л г| /т>\

сШ =--------- г -щ\, г и ЫН = V-2 —(23)

4яг -1 4 т-1

Магнитное поле часто изображают графически с помощью линий индукции и напряженности, касательные в каждой точке которых совпадают по направлению соответственно с векторами В и Н. Сравнение векторных характеристик электростатического и магнитного полей показывает, что аналогом вектора напряженности электростатического поля Е является вектор магнитной индукции В, так как Е и В определяют силовые действия этих полей и зависят от свойств среды, в которой создаются поля. В свою очередь аналогом вектора электрического смещения Б является вектор напряженности Н магнитного поля.

Закон Био-Савара-Лапласа позволяет найти индукцию В магнитного поля электрического тока, текущего по проводнику конечных размеров и произвольной формы. В соответствии с принципом суперпозиции магнитная индукция В в любой точке магнитного поля проводника с током / равна векторной сумме

индукций АВ; элементарных магнитных полей, создаваемых всеми отдельными участками А1/ этого проводника:

В = ХЛВ,, (24)

где п — общее число участков, на которые разбит проводник.

Неограниченно увеличивая число участков п и переходя к пределу при п, стремящемся к бесконечности, можно заменить стоящую в правой части уравнения, интегралом:

В=^В, (25)

1

где ЙВ — магнитная индукция поля, создаваемого элементом проводника с током /, а символ «/» означает, что интегрирование распространено на всю длину проводника /.

Выполнить такие действия может оказаться непростой задачей. Мы ограничимся примерами, в которых нетрудно выполнить интегрирование.

Рассмотрим магнитное поле от тонкого прямолинейного провода с током (рис.17). Элементарные поля от различных элементов тока в данном случае направлены по одной прямой и векторное интегрирование сводится к алгебраическому интегрированию.

В = Еч гМяпд (26)

4Л ,1СГ

30

Чтобы вычислить интеграл, выразим сII и /• через одну независимую переменную. В качестве такой переменной

примем угол а. Запишем очевидные соотношения:

/• = — и Д = —~—Ла (11) 8111 а зпга

где К — длина перпендикуляра, опущенного из точки на проводник. Их подстановка в формулу (26) приводит к

В = [зт ас! а, 4 лК^

где а.1 и а2 — значения угла а для краиних точек проводника АС.

Проинтегрируем это выражение. Итак, поле прямолинейного проводника с током выражается формулой:

В = ^-(со$а, — со за,). 4 жК 1

Если проводник АС бесконечно длинный, то <Х1=0, а а2 =я. Тогда магнитная индукция в любой точке поля такого проводника с током равна:

4тг К

Индукция в каждой точке магнитного поля бесконечно длинного проводника с током обратно пропорциональна кратчайшему расстоянию от этой точки до проводника. Очевидно, что магнитное поле в данном случае обладает цилиндрической симметрией, и его силовые линии представляют собой концентрические окружности.

Напряженность магнитного поля прямолинейного проводника с током выражается формулой:

Н = ——— (соза, — со5ссг ), 4тг г.

для бесконечно длинного проводника:

2/

4 л г.

Рассмотрим два параллельных тонких бесконечно длинных проводника, расположенных друг от друга на расстоянии Я (рис.18). Опыт показывает, что при пропускании через них электрического тока между ними возникают силы взаимодействия. Если токи в обоих проводниках направлены в одну сторону, то проводники притягиваются друг к другу, а

если направления токов взаимно

противоположны, то проводники отталкиваются друг от друга. Ток создает вокруг себя поле Вь в котором находится ток /?.. По закону Ампера на элемент I проводника с током 12

действует сила, численно равная Р = 1г Вх 1, где В, -магнитная индукция поля, создаваемого током /7, идущим по первому проводнику, причем вектор В} перпендикулярен к элементу I второго проводника. Так как индукция поля бесконечно длинного проводника определяется как

В^, (33)

то сила воздействия тока участка 1 на участок тока 2 длиной / определяется формулой:

= (34)

4 л Я '

На основании формулы взаимодействия параллельных постоянных токов определяется единица силы тока в СИ — Ампер. Ампером называется сила такого постоянного тока, при прохождении которого по двум параллельным и прямолинейным проводникам бесконечной длины, находящимся в вакууме на расстоянии 1 метра друг от друга, сила электромагнитного взаимодействия между проводниками равна 2 1(Г7 ньютона на каждый метр длины. Этим

определением задается значение коэффициента ^у^'. В самом

деле, согласно определению ампера имеем:

2-к=

4л 1 м

откуда

сек

//„ =4/г-10 .

За единицу магнитной индукции, называемой тесла (тл), принимается магнитная индукция такого однородного магнитного поля, которое действует с силой в 1 ньютон на каждый метр длины прямолинейного проводника, расположенного перпендикулярно к направлению поля, если по этому проводнику проходит ток в 1 ампер.

,, и, дж, в ■ сек \тл = 1 = 1 = 1 —.

а-м а-м м

За единицу напряженности магнитного поля, называемую ампер на метр (а/м), принимается напряженность такого поля,, магнитная индукция которого в вакууме равна, 4я-10 7 тесла.

Все коэффициенты в формулах электродинамики тем самым будут определены. В лабораториях палат мер и весов ампер реализуется не по взаимодействию параллельных токов (точное измерение сил взаимодействия в этом случае трудно выполнить), а по взаимодействию катушек, вставленных одна в другую: если по катушкам текут токи, то одна катушка будет втягиваться в другую за счет магнитных сил. Сила втягивания катушки в этом случае может быть точно измерена с помощью аналитических весов. С другой стороны, на основании законов электродинамики силу втягивания одной катушки в другую можно рассчитать. В расчетную формулу войдет коэффициент

/Ьл' значение которого определено на основании вышеприведенного определения ампера.

Рассмотрим применение полученных нами знаний при решении задач.

Задача №1

На рисунке изображены сечения трех прямолинейных бесконечно длинных проводников, по которым протекают токи в указанных направлениях. Расстояния между проводниками одинаковы и равны 5 см. /, = 1г = 1,1г = 21. Найти точку на прямой АС, в которой напряженность магнитного поля будет равна нулю.

АВ=ВС = 5 см /, =/2 = /,/, =21

Решение.

Поставленному условию удовлетворяет точка М (в точке N напряженность результирующего поля так как в ней по

принципу суперпозиции модули векторов индукции и в% будут складываться).

Для магнитного поля в вакууме В- иь Н, откуда В _ /

2яа»

так как проводники прямолинейные. Для точки М по принципу суперпозиции

Нг + Н2 + Я3 »О, ИЛИ Я, » Я2 + Я3 = 0.

Л Г1 —1 — + —1 = о,

2яг \а ЛВ — а АС — а)

где а ~расстояние от первого проводника до точки М. Решая это уравнение, получим а = 3,3 см. Ответ: искомая точка находится на прямой АС на расстоянии 3,3 см от первого проводника.

Задача №2

Два параллельных длинных провода О и С, по которым протекают в одном направлении токи силой по 60 А, расположены на расстоянии 10 см друг от друга. Определить индукцию магнитного поля в точке А, отстоящей от одного проводника на расстоянии 5 см, а от другого — на 12 см.

Дано:

I, =1г =6ОА, (1=10 см, ГI =5 см, Г2 = 12 см. Найти: В а.

Решение.

Согласно принципу суперпозиции полей

В л = в 1 +

Модуль индукции магнитного поля в точке А найдем по теореме косинусов:

ВА = ^В^ + В\ + 22?, Ва саз а.

Поля создаются прямолинейными токами, поэтому 2щ ' 2 тв\

тогда

_ _

§ — | + -г + -—саз 2яг у г? г/ г/2

Угол находим из треугольника И АС по теореме косинусов:

= г,2 + г22 - о»а,

откуда

г,2 + г,3 — А

еоз а,- —---------- .

2 г, г,

Г 2

Подставляя числовые значения, получим В, =3,08-10 Гд. Ответ: ^-3*8-10^

Задача №3.

Альфа-частица, имеющая скорость 106 м/с, влетела в однородное магнитное поле, индукция которого 0,3 Тл. Скорость ^-частицы перпендикулярна направлению линий магнитной индукции. Найти радиус окружности, по которой будет двигаться частица, и период ее обращения.

Дано:

V = 10е м/с, В = 0,3 Тл, <7 = 2е= 3,2 ■М~'9 Кл, т = 6,64 10~27 кг. Найти: Я, Т.

Решение.

На ^-частицу в магнитном поле действует сила Лоренца р, перпендикулярная вектору скорости V. Следовательно является

центростремительной силой, т.е.

К = или теу3 _ откуда ц> _ ту

Период обращения частицы 2яг где у следовательно,

у = — г —-

т К

V

Подставляя числовые данные, получим ^ = 6,92-10 ' м, Т = 43,4 -10* с. Ответ: Я » 7 см, Т ж 0,4 икс.

В своей курсовой работе я рассказала об истории открытия и изучении магнитных явлений, о том, что взаимодействие между проводниками с током, т.е взаимодействие между движущимися электрическими зарядами, осуществляется посредством особой формы материи — магнитного поля, которая является одной из сторон единого электромагнитного поля. Также я выяснила, что основной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции В, показала, что магнитное поле изображается с помощью линий магнитной индукции, которые всегда замкнуты и охватывают проводник с током. Направление силовых линий магнитного поля определяется по правилу буравчика. Далее я рассказала о другой характеристике магнитного поля — векторе напряженности Н. Я доказала, что на элемент проводника с током, помещенный в магнитное поле, действует со стороны поля сила, которая вычисляется по закону Ампера, а направление которой находится по правилу левой руки. Также я рассмотрела, что магнитная индукция поля, создаваемого элементом проводника с током, в некоторой точке определяется законом Био-Савара-Лапласа, и то, что магнитная индукция результирующего поля, создаваемого несколькими токами или движущимися зарядами, подчиняется принципу суперпозиции магнитных полей. Я считаю, что тему своей курсовой работы я раскрыла полностью и все цели, поставленные в начале работы, мною выполнены.

Список используемой литературы

1. Д.В. Сивухин, Общий курс физики, т.З. Издательство «Наука», Москва, 1977.

2. И.В. Савельев, Курс общей физики, т.2. Издательство «Наука», Москва, 1988.

3. Б.М. Яворский, Курс физики, т.2. Электричество и магнетизм.

4. С.Г. Калашников, Электричество. «Физматлит», Москва, 2008.

www.ronl.ru

Доклад - Физические опыты в теме МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ТОКА

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Учреждение образования ”Брестский Государственный Университет имени А. С. Пушкина”

Кафедра методики преподавания физики и ОТД

ФИЗИЧЕСКИЕ ОПЫТЫ В ТЕМЕ

«МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ТОКА»

Курсовая работа по

методике преподавания

физики студента

физического факультета

Потужного Александра

Научный руководитель

доц. Ворсин Н.Н.

Брест 2002

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 3

Цели и требования, предъявляемые к демонстрациям 4

Описание демонстрационных опытов:

Действие магнитного поля на ток 5

Взаимодействие двух параллельных токов 7

Отклонение электронного пучка магнитным полем 9

Модель доменной структуры ферромагнетика 10

Размагничивание стального образца при нагревании 12

Заключение 14

Список использованных источников 15

ВВЕДЕНИЕ

Тема «Магнитное поле постоянного тока » изучается в курсе физики 10-го класса. Для общеобразовательного и повышенного (пункты программы для повышенного уровня изучения взяты в квадратные скобки) уровней программа включает в себя следующие разделы:

Взаимодействие токов. Магнитные силовые линии. Индукция магнитного поля.

Проводник с током в магнитном поле. Сила Ампера. Действие магнитного поля на движущиеся заряды. Сила Лоренца. Движение заряженной частицы в магнитном поле.

Магнитное поле Земли.

Демонстрации

1. Взаимодействие параллельных токов. 2. Действие магнитного поля на ток. 3. Отклонение электронного пучка магнитным полем.

ОСНОВНЫЕ ЗНАНИЯ И УМЕНИЯ УЧАЩИХСЯ

Учащиеся должны знать:

Понятия: магнитное поле, магнитная индукция.

Законы: Ампера.

Формулы: FA =IBl sin a, FЛ =q u B sin a .

Учащиеся должны уметь: решать задачи на расчет магнитной индукции, силы Ампера, силы Лоренца; [рассчитывать период обращения, радиус окружности, описываемой заряженной частицей, влетающей в однородное магнитное поле перпендикулярно линиям магнитной индукции].

В предшествующей программе по физике для средней общеобразовательной школы в курсе 10-го класса изучался раздел «Магнитные свойства вещества».

В своей курсовой работе я также рассматриваю некоторые демонстрации из темы «Физика конденсированного состояния», которая изучается в курсе физики 11-го класса. Для общеобразовательного и повышенного (пункты программы для повышенного уровня изучения взяты в квадратные скобки) уровней программа включает в себя следующий раздел:

Магнитная проницаемость вещества. Три класса магнитных веществ. Объяснение пара- и диамагнетизма. Основные свойства ферромагнетиков. Природа ферромагнетизма. Магнитная запись и хранение информации.

Демонстрации

1. Модель доменной структуры ферромагнетика. 2. Размагничивание стального образца при нагревании. 3.Магнитная запись звука.

ОСНОВНЫЕ ЗНАНИЯ И УМЕНИЯ УЧАЩИХСЯ

Учащиеся должны знать:

Понятия: магнитная проницаемость.

ЦЕЛИ И ТРЕБОВАНИЯ,

ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ДЕМОНСТРАЦИЯМ

Демонстрация – это показ учителем физических явлений и связи между ними.

Цель:

Создание физических представлений, физических понятий, проиллюстрировать явления и приучить учащихся искать источник знания в явлениях физического мира и опытах.

Требования:

· темп изложения должен совпадать с темпом демонстрации;

· должны быть на каждом уроке;

· должны логически соединять предшествующие опыты с последующими. для этого можно использовать одну и туже установку, но проводить измерения в ней;

· не должны загромождать урок;

· должна присутствовать новизна и заинтересованность.

Перед демонстрацией можно уяснить проведение ее с помощью схемы на доске. В некоторых случаях полезно собирать схему перед учащимися. Можно использовать проблемный подход, т.е. поставить проблему и решить с помощью эксперимента. Установка должна быть простой, на столе не должно быть лишних предметов, лучше использовать в вертикальной плоскости, использовать экраны (для темных предметов светлый, для светлых — темный), использовать подсветки, использовать индикаторы. Эксперимент готовить заранее, он должен быть убедительным.

ДЕЙСТВИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ТОК

Оборудование: 1) весы аэродинамические, 2) амперметр демонстрационный, 3) метр демонстрационный, 4) магниты дугообразные — 4 шт., 5) скоба проволочная, 6) выключатель демонстрационный, 7) штатив универсальный, 8) провода соединительные, 9) циркуль-измеритель демонстрационный.

Действие магнитного поля на ток, так же как и способы определения направления движения проводника с током в магнитном поле, учащимся хорошо известно. Основываясь на этих знаниях, можно определить факторы, от которых зависит величина силы, действующей на проводник с током, и затем ввести понятие о магнитной индукции и единице ее измерения. Числовые результаты проведенного опыта позволят затем приблизительно определить среднюю магнитную индукцию между полюсами постоянных магнитов. Это будет способствовать большей конкретизации нового понятия.

1. Демонстрационная установка для проведения опыта изображена на рисунке 1. В ней основной деталью служит скоба из голой медной проволоки, помещенная между полюсами двух магнитов. Форма скобы, ее размеры и способ подвеса показаны на рис. 2. Колечки с крючками, прилагаемые к универсальному штативу, изолированы от стержня листом обыкновенной бумаги. Этого вполне достаточно ввиду того, что подводимое напряжение мало. Между бумагой и колечками зажаты концы соединительных проводов. Надежность контактов в точках подвеса скобы вполне обеспечивается ее достаточным весом.

Для измерения силы, действующей на проводник с током, служат универсальные чувствительные весы. При подготовке их к измерению в отверстие втулки весов вставляют стержень l (рис. 1) с малым диском из аэродинамического набора и изготовляют рейтер массой в 500 мг в виде согнутой металлической полоски. Толкателем 2, соединяющим весы со скобой, служит мягкая тонкая проволочка, один конец которой огибают вокруг стержня над самым диском, а другой конец, согнутый в виде крючка, свободно накладывают на середину скобы между магнитами.

При определении цены деления весов надо применить правило моментов. Если длина стержня 10 см, а рейтер весом 0,005 Н находится, например, на расстоянии 20 см от оси, то

F·0,1 м=0,005 Н·0,2 м.

Отсюда сила F равна 0,01 Н, когда рейтер находится на расстоянии 20 см от оси; значит, перемещение рейтера на 1 см соответствует изменению силы F на 1/20 Н=0,0005 Н.

Для измерения силы тока служит демонстрационный амперметр с шунтом на 10 А и соответствующей шкалой для постоянного тока.

2. Приступая к проведению опыта, от весов отцепляют толкатель и снимают с рычага рейтер. При помощи уравнительного винта добиваются совпадения указателей.

Постоянный ток можно получить от выпрямителя.

Сначала устанавливают рукоятку регулятора напряжения на нуль, затем включают ток, доводят его до 8 А и наблюдают за движением скобы. Изменяя направление тока или переворачивая магниты, показывают изменение направления движения проводника. Эти опыты дают повод вспомнить правило левой руки, связывающее направления тока, силовых линий поля и движения проводника.

Выключив ток, при котором наблюдалось выталкивание скобы влево, соединяют скобу с вертикальным стержнем весов при помощи проволочного толкателя, как было указано выше, и передвигают весы по столу так, чтобы указатели равновесия вновь совпали. На этом заканчивается подготовка установки.

Включают ток и замечают, что рычаг весов приподнимается. Насадив на рычаг рейтер и, передвигая его, вдоль рычага, находят для него такое положение, при котором весы вновь уравновешиваются. Зная цену деления шкалы, находят силу, с которой магнитное поле действует на проводник с током.

Опыт повторяют при иных значениях силы тока. Затем удаляют один из магнитов и тем уменьшают почти вдвое длину той части проводника, которая находится в магнитном поле. Снова измеряют величину выталкивающей силы. Длину проводника определяют циркулем-измерителем и демонстрационным метром.

На доске записывают результаты опытов:

Анализ полученных результатов приводит к заключению, что сила, с которой данное магнитное поле действует на проводник, пропорциональна силе тока и длине части проводника, находящейся в магнитном поле: F ~ I · l .

После этого, заменяют магниты двумя другими магнитами тех же размеров и формы, но более слабыми и обнаруживают, что при тех же I и l сила, действующая на проводник, оказывается меньше. На этом основании полагают, что сила зависит также от величины, характеризующей интенсивность поля и называемой магнитной индукцией В. Таким образом, F = kBIl, где k — коэффициент пропорциональности.

Полагая в полученной формуле коэффициент пропорциональности равным единице, устанавливают из выражения B = F /( I · l ), единицу магнитной индукции в системе СИ:

Н/(А·м) = Тл,

и определяют среднюю величину магнитной индукции между полюсами выбранных для опыта магнитов. Для этого можно воспользоваться, например, данными первого опыта:

l =10 см =0,1 м, I = 8 А, F= 0,009 Н.

Подставив эти данные в формулу, находят:

B = 0,01 Тл.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ДВУХ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ТОКОВ

Оборудование: 1) ленты из фольги с наконечниками — 2 шт., 2) моток проволочный на подставке, 3) рамка от прибора «Виток в магнитном поле», 4) штатив универсальный, 5) проводники соединительные, 6) штепсельная розетки с вилкой или двухполюсный переключатель демонстрационный.

Взаимодействие токов целесообразно показать в наиболее «чистом» виде, т. е. показать притяжение и отталкивание двух прямых проводников с токами одинакового и противоположного направлений.

1. В опыте для получения надлежащего, эффекта необходимы гибкие и легкие проводники, которые вместе с тем должны выдерживать достаточно сильный ток. В противоречивости этих требований и заключается некоторая трудность проведения опыта.

Хорошие результаты можно получить, если воспользоваться лентами из алюминиевой фольги, идущей на изготовление бумажных конденсаторов. Фольга от рулона, вынутого из коробочки конденсатора, обычно развертывается вместе с приставшей к ней бумагой. Надо, не отслаивая бумаги, отрезать от фольги две узкие ленты шириной 10 мм и длиной 50 см. Слой бумаги между двумя полосками из фольги придаст ленте большую прочность.

Концы каждой ленты заделывают в наконечники (рис. 3), при помощи которых обе ленты зажимают в изолирующих стержнях на универсальном штативе, как показано на рисунке 4. Такая лента выдерживает кратковременный ток до 8 А. Ленты не следует натягивать. Слегка изгибая, их сближают на расстояние 0,5 — 1 см и концы присоединяют к выпрямителю через штепсельную розетку, как показано на рисунке. Вместо штепселя можно воспользоваться двухполюсным переключателем. При включении тока в пределах 5 — 8 А ленты отталкиваются, а при выключении вновь сближаются. Чтобы изменить направление тока в одном из проводников, достаточно штекеры в розетке поменять местами. Теперь токи в проводниках будут иметь одинаковые направления и проводники притянутся друг к другу.

При проведении опыта не следует включать ток на длительное время. Для улучшения видимости можно воспользоваться теневой проекцией.

Иногда в этом опыте ленты соединяют сначала последовательно, а затем параллельно. Этот способ имеет тот недостаток, что при переключении с параллельного соединения на последовательное сила тока в каждом проводнике увеличивается вдвое. В способе, представленном на рисунке 4, соединение проводников в любом случае остается последовательным и величина тока при переключении не изменяется.

Учитывая, что описанный опыт требует тщательной подготовки, а изготовленные надлежащим образом проводники трудно сохранять в целости, можно рекомендовать для этого опыта специальный самодельный прибор для проецирования на экран. Устройство прибора и все необходимые размеры показаны на рисунке 5. Прибор состоит из двух вертикальных планок. из органического стекла, между которыми параллельно расположены почти без натяжения две ленты из алюминиевой фольги. Прибор устанавливают на рейтере проекционного аппарата у самого конденсора и передвижением объектива добиваются получения на экране резкого изображения лент. Достаточно заметное притяжение и отталкивание получается при токе 1 — 2 А.

ОТКЛОНЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА

МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ

Оборудование: 1) электроннолучевая трубка на подставке, 2) кенотронный выпрямитель, 3) катушка от универсального трансформатора на 120 В, 4) две отклоняющие катушки, 5) батарея аккумуляторов, 6) реостат на 40 Ом и 6 А, 7) выключатель демонстрационный, 8) магнит дугообразный, 9) провода соединительные.

Электроннолучевые трубки с магнитным управлением (фокусировкой и отклонением) широко применяются в телевидении для приема изображения. Такие трубки (кинескопы) несколько отличаются от трубок с электростатическим управлением по форме колбы, а главное — более простым устройством электронного прожектора. Фокусировка и отклонение осуществляются магнитными полями катушек, которые надеваются снаружи трубки на ее более узкую часть — горловину.

Сначала демонстрируют отклонение электронного пучка в магнитном поле постоянного магнита.

Для этого включают трубку и получают на экране достаточно яркое светящееся пятно. Затем подносят сбоку трубки дугообразный магнит и наблюдают смещение пятна. Изменяют направление магнитного поля и наблюдают отклонение пятна в противоположную сторону.

При этом полезно предварительно поставить перед учащимися задачу определить, пользуясь правилом левой руки, направление смещения пятна на экране, учитывая, что пучок представляет собой поток электронов.

После этого демонстрируют смещение электронного пучка в магнитном поле отклоняющих катушек с током 1 и 2, которые закрепляют сбоку трубки под винтовые зажимы вертикально (или горизонтально) отклоняющих пластин, как показано на рисунке 6. Фокусирующая катушка 3 при этом отсутствует. Катушки соединяют между собой так, чтобы на концах, обращенных к трубке, образовались противоположные магнитные полюсы (соединяют конец обмотки одной катушки с концом другой или начало с началом). Подключают к катушкам аккумулятор через рубильник и реостат и наблюдают отклонение светящегося пятна на экране при включении тока в катушки.

Изменяя реостатом величину тока, показывают плавное смещение пятна по экрану. Затем меняют направление тока в катушках и демонстрируют отклонение пятна в противоположную сторону.

Заменяют аккумулятор магнитоэлектрической машиной и показывают образование светящейся линии на экране — результат колебательного движения электронного пучка в переменном магнитном поле отклоняющих катушек.

После этого переходят к демонстрации магнитной фокусировки электронного пучка при помощи катушки 3 от универсального трансформатора (рис. 6). Отклоняющие катушки снимают, чтобы они не отвлекали внимание. Для установки катушки вынимают трубку (при отключенном источнике питания) и на боковые панели освободившейся подставки помещают катушку. Снова вставляют трубку в подставку и к катушке присоединяют батарею аккумуляторов через выключатель и реостат.

Подключают кенотронный выпрямитель, и при помощи ручек «яркость» и «фокус» устанавливают на экране размытое (не сфокусированное), но достаточно яркое светящееся пятно. За тем замыкают выключатель и реостатом подбирают необходимую величину тока в катушке (0,4 — 0,5 А). Этим и заканчивается подготовка.

Демонстрацию опыта проводят в такой последовательности. Включают выпрямитель в сеть и наблюдают на экране трубки размытое пятно достаточных размеров.

После этого демонстрируют предварительную магнитную фокусировку путем перемещения катушки с током вдоль горловины трубки. На экране при этом наблюдают заметное изменение размеров пятна.

Затем показывают более точную фокусировку. Оставив катушку в том положении, в котором получалось пятно меньших размеров, изменяют реостатом величину тока в катушке. Наблюдают, как светящееся пятно постепенно сводится в небольшую светящуюся точку.

МОДЕЛЬ ДОМЕННОЙ СТРУКТУРЫ ФЕРРОМАГНЕТИКА

Оборудование: 1) модель строения ферромагнетика, 2) магнит постоянный прямой, 3) проекционный аппарат.

Для объяснения доменной структуры ферромагнетика пользуются небольшим самодельным прибором (рис. 7). Он состоит из рамки с дном из органического стекла и установленными на нем двадцатью остриями. Острия расположены в четыре ряда на расстоянии примерно 15 мм друг от друга. На каждое острие насажен стальной намагниченный цилиндрик с одним закругленным торцом. «Сверху рамка закрыта стеклом, предохраняющим цилиндрики от соскакивания с острия.

С помощью приспособления для горизонтальной диапроекции прибор проецируют на экран и обращают внимание учащихся на случайную самопроизвольную ориентацию магнитиков в приборе. Наблюдаемая картина аналогична воображаемой картине расположения частиц в ферромагнетике.

На рисунке 8, а показан один из случаев возможного расположения цилиндриков. На нем можно заметить группы магнитиков с одинаковой ориентацией. Это вполне соответствует наличию областей самопроизвольного намагничивания (доменов) в ненамагниченном ферромагнетике.

Подводя с двух противоположных сторон модели разноименные полюсы прямых магнитов, заставляют цилиндрики повернуться закругленными концами в одну сторону. В этом случае на экране получится картина, изображающая магнитное насыщение (рис. 8, б).

Если двигать над прибором полюс магнита и этим способом привести магнитики в быстрое вращение, то они вновь образуют по-разному ориентированные группы. Подобно этому происходит размагничивание образца в переменном магнитном поле при ударах, при нагревании.

При выполнении этой модели главное внимание надо обратить на изготовление магнитиков. Их нарезают длиной по 12 мм из стальной проволоки диаметром 5 мм. В середине заготовленного цилиндрика сверлят глухое отверстие диаметром 2 мм, не доходя до конца на 1 — 1,5 мм (рис. 9). Чтобы вершина отверстия для иглы была более узкой, полезно сделать небольшую дополнительную сверловку тонким сверлом (0,5 — 0,8 мм).

Если изготовленный цилиндрик не уравновешивается в горизонтальном положении, более тяжелый конец подпиливают сверху или снизу (образовавшиеся плоскости на проекции не будут видны). После этого все цилиндрики закаливают и намагничивают при помощи электромагнита, собранного из деталей универсального трансформатора.

РАЗМАГНИЧИВАНИЕ СТАЛЬНОГО ОБРАЗЦА ПРИ НАГРЕВАНИИ

Оборудование: 1) магнит постоянный, 2) шуруп или гвоздь железный на нихромовой проволоке, 3) штатив универсальный, 4) горелка газовая, 5) осветитель для теневой проекции.

На универсальном штативе закрепляют сильный магнит и на тонкой нихромовой проволоке подвешивают небольшой железный шуруп или гвоздь, как показано на рисунке 10. Шуруп должен притягиваться полюсом магнита и удерживаться на рас стоянии 2 — 3 см от него, а проволока с подвешенным шурупом — образовывать угол 30° с вертикалью.

Затем подставляют газовую горелку так, чтобы шуруп попал в наиболее горячую часть пламени и мог нагреться до ярко-красного каления. Когда температура шурупа достигнет точки Кюри (753°С), он потеряет свои ферромагнитные свойства, перестанет притягиваться и отпадает от магнита: проволока, на которой он подвешен, займет вертикальное положение.

Если магнит достаточно силен, а проволочный подвес не слишком тяжел и отклонен на небольшой угол, то шуруп, отпадая, успевает слегка остыть и, как маятник, вновь возвращается и притягивается к магниту. Таким образом, опыт сам собой периодически повторяется. В дальнейшем будет полезно напомнить его учащимся как один из примеров релаксационных колебаний.

Обычно шуруп или гвоздь плохо виден учащимся. Поэтому приходится прибегать к теневой проекции. Приборы надо размещать так, чтобы вся установка в целом была учащимся видна непосредственно, а мелкие детали в увеличенном виде проецировались на экран.

Длина шурупа или гвоздя, подобранного для опыта, не должна превышать 10 — 12 мм, иначе трудно будет добиться одновременного сильного накаливания его по всей длине.

Проволоку для подвешивания надо брать не более 0,5 мм толщиной и лучше нихромовую (от нагревательной спирали), так как стальная или медная проволока быстро перегорает в пламени газовой горелки (при отсутствии газа можно воспользоваться паяльной лампой).

Для успешного проведения опыта нужен сильный постоянный магнит из специального сплава. Если такого магнита нет, его можно заменить электромагнитом.

Можно воспользоваться и обычным дугообразным магнитом, но в этом случае постановка опыта будет иной. В промежуток между полюсами такого магнита вводят железный гвоздь. Он тотчас будет притянут одним из полюсов и расположится вдоль линий магнитного поля (рис. 11). Если после этого нагреть гвоздь в пламени газовой горелки, то при надлежащей степени нагрева гвоздь опустится. Однако, как только пламя будет удалено, гвоздь снова поднимется и примет прежнее положение. Для улучшения видимости и в этом случае следует воспользоваться методом теневой проекции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В курсовой работе рассматривается методика и техника демонстрационных опытов, которые входят в курс изучения темы «Магнитное поле постоянного тока » (изучается в курсе физики 10-го класса), а также некоторые демонстрации из темы «Физика конденсированного состояния» (изучается в курсе физики 11-го класса).

А именно, рассматриваются следующие демонстрации:

Действие магнитного поля на ток;

Взаимодействие двух параллельных токов;

Отклонение электронного пучка магнитным полем;

Модель доменной структуры ферромагнетика;

Размагничивание стального образца при нагревании.

Автор не стремился везде и во всех деталях истолковывать физику демонстрируемых явлений и закономерностей. Эту задачу решают соответствующие курсы физики. В описаниях подробно раскрывается методика и техника эксперимента.

При описании демонстрационных опытов применялось учебное оборудование по физике, имеющееся в школах. В тех случаях, когда этого оборудования оказывалось недостаточно, приведены самодельные приборы и методы их изготовления.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. В. В. Жилко, А.В. Лавриненко, Л.Г. Маркович. Физика. Учебное пособие для 10 класса общеобразовательной школы с русским языком обучения. – Мн., «Народная асвета», 2001г.

2. А.А. Покровский. Демонстрационный эксперимент по физике. Том 2. – М. «Просвещение», 1972г.

3. Программы средней общеобразовательной школы. Физика. X-XI классы. – Мн., 2001 г.

www.ronl.ru

Реферат - Урок физики в 9 классе «Магнитное поле»

Цель: 1. Научить обучающихся рассчитывать силу Ампера, определять её направление по правилу левой руки, находить направление силовых линий магнитного поля вокруг проводника с током.

2. Развитие знаний о свойствах магнитного поля, навыков логического мышления учащихся и речи учащихся.

3. Воспитание внимательности, пространственных представлений.

«Способности, как и мускулы, растут при тренировке».

(Академик В. Обручев)

По необозримым просторам пустыни идёт караван. В жёлтой мгле утонул горизонт. Кругом, куда ни глянь, - безжизненные пески. Путь каравана далёк и труден. Но люди уверенно продвигаются к своей цели. Их ведёт небольшая полоска намагниченного железа, плавающая на пробке в воде, в глиняном сосуде, который надёжно установлен в деревянной клетке между горбами белого верблюда, шагающего впереди. Стороны сосуда-путеводителя раскрашены в различные цвета. Время от времени человек, сидящий впереди, бросает взор на полоску железа: она чуть вздрагивает в такт шагам животного, но неизменно показывает одним концом на красный край кувшина, другим – на чёрный.

^ Вопрос: Как называется прибор, описанный выше? (компас)

Вопрос: В узкую щель между досками пола упала стальная игла. Как вынуть иглу, используя магнит, который не проходит в щель?

(Взять тонкую железную пластинку, которая проходит в щель, приложить к ней полюс магнита, то она временно станет магнитом. Вторым её концом, опущенным в щель, можно притянуть и вынуть иглу).

Вопрос: В известном романе Жуль Верна «Пятнадцатилетний капитан», скрывавшийся на судне злоумышленник Негеро, желая сбить корабль с правильного курса, незаметно подложил под судовой компас железный брусок. Злой умысел удался: корабль пошёл по неверному курсу. Почему?

(Железный брусок намагничивается из-за магнитного поля Земли, т.е. сам становится постоянным магнитом. Постоянный магнит действует на магнитную стрелку компаса).

№^ 1 Исследовательская работа.

Исследовать, как изменяется сила магнитного действия электромагнита при изменении силы тока в цепи электромагнита. Исследовать, как при этом изменяется мощность электромагнита.

Приборы и материалы: источник тока, ключ, электромагнит, амперметр, вольтметр, ползунковый реостат, соединительные провода.

^ Вывод по итогам работы:

а) при увеличении силы тока в цепи сила магнитного поля тока возрастает;

б) при увеличении силы тока в цепи мощность электромагнита возрастает)

№^ 2 С остальными учащимися работаем устно:

1) Изобразить магнитное поле полосового магнита при помощи силовых линий магнитного поля.

2) Изобразить поле одноимённых полюсов постоянных магнитов при помощи силовых линий магнитного поля.

№3 «Задание наоборот»: Для перечисленных физических понятий сформулировать вопрос и дать определение данного физического понятия.

(физические понятия: магнитное поле, магнит, компас, силовые линии, вихревое поле, электромагнит, полюса магнита).

Проверить результаты исследовательской работы.

№4 Проводник длиной 15см перпендикулярен вектору магнитной индукции однородного магнитного поля, модуль которого 0,4 Тл. Сила тока в проводнике 8А. Найти работу, которая совершена при перемещении проводника на 2,5см по направлению действия силы Ампера.

№5 На проводник, помещённый в магнитное поле под углом 30 градусов к линиям магнитной индукции, действует сила 2Н. Найти силу тока в проводнике длиной 50см, если магнитная индукция 38мТл.

Мы сами не ощущаем окружающего нас магнитного поля, но многие животные способны реагировать даже на малые его изменения. Так, например, лесные мыши могут ориентироваться в лесу по направлению магнитного поля. Доказали это следующим образом. Мышь, пойманную в парке, сразу же помещали в специальный герметичный контейнер, снабжённый двумя катушками электромагнита. Катушки электромагнита были расположены так, что, пропуская ток через них, можно было менять направление магнитного поля. Потом мышь переносили. Оказалось, что если во время переноса мыши катушки обесточены, то среднее направление движения мыши после освобождения совпадало с направлением к месту её поимки. Если же направление вектора индукции магнитного поля в контейнере меняли на обратное, то после освобождения мышь двигалась в противоположную сторону.

Вопрос: Как можно определить существование магнитного поля и направление индукции магнитного поля?

№6 Изучив направление силовых линий магнитного поля головы человека, укажите направление биотока в головном мозге.

(направление тока находим по правилу буравчика).

№7 Дома вы готовили сообщения о применении электромагнитов в жизни, технике, о роли магнитного поля Земли в жизни человека, животных, птиц (заслушать несколько сообщений).

№8 Какое физическое явление описывает А. Николаев в стихотворении

Магнитная бомба

Магнитная бомба, летевшая в воду,

Застряла в песке, на мели,

Нас с командиром сапёрного взвода

Её посмотреть повели.

Магнитная бомба, когда и промажет,

Опасную силу таит:

На нож, на часы реагирует даже

Её смертоносный магнит.

У кромки воды, у сухого уреза,

На грани опасной межи

Нам всем предложили оставить железо:

Часы, зажигалки, ножи…

Всё это оставить не трудно нисколько,

И нож, и часы я достал.

Но восемь оставшихся с фронта осколков,

Как выбросить этот металл?

Под взглядами долго топтаться неловко,

Стою у людей на виду.

Ну как объясню им свою остановку,

Какую причину найду?

И всё объясняю понятной причиной,

Что просто привык на войне.

С коварно молчащей бомбой и миной

Беседовать наедине.

Не помню, как шёл к ней

В молчании долгом

Но память навек сохранит,

Как остро я чувствовал каждым осколком,

Как тянет проклятый магнит.

№9 На рисунке представлен случай взаимодействия магнитного поля двух разноимённых полюсов магнита с током в проводнике, расположенном перпендикулярно плоскости чертежа. Сформулируйте задачу и решите её.

Три каравеллы Х.Колумба отправились в неведомые дали на рассвете 3 августа 1492года. Уже через месяц многие матросы желали только одного – возвращения домой. Неизведанный океан грозил гибелью. Между тем корабли покинули последний из Канарских островов; что было впереди, никто не знал. В корабельной книге «Санта Марии», которой командовал Колумб, 9 сентября была сделана запись: «Адмирал принял решение отсчитывать доли пути меньшие, чем проходили в действительности, в том случае, если бы плавание оказалось длительным, чтобы людьми не овладел страх и растерянность». А через четыре дня после этого вдруг начал «шалить» компас. Вместо того чтобы показывать на север с небольшим смещением к востоку, магнитная стрелка отклонилась к северо-западу. Весть о необычном поведении компаса, которому моряки уже привыкли доверять, распространилась среди матросов. И без того возбуждённые суеверные люди готовы были поднять бунт, потребовать немедленного возвращения домой. Оценив опасность, адмирал пошёл на необычную меру. Таясь от команды, он передвинул катушку компаса с угловыми делениями так, что склонение стрелки снова стало обычным.

Вопрос: Объясните «шальное» поведение компаса.

^ Домашняя работа: Решить задачи

F,мН

l,см

B,мТл

I,А

угол

0,2

20

?

5

30

4

?

5

2

60

^ Сообщения обучающихся:

«Электромагнитный тральщик»

В период второй мировой войны очень большую роль играли магнитные мины. Их обычно сбрасывали на парашюте с самолёта в различных местах моря. После падения в воду парашют автоматически отделялся от мины, и она погружалась на дно, где и «поджидала» корабль. Корпус современного корабля делают из стали. Все эти части корабля намагничиваются под действием магнитного поля Земли, и корабль, по существу, становится огромным плавучим магнитом. На расстоянии 10-15 метров от корабля чувствительная магнитная стрелка мины отклонится на некоторый угол. Магнитная стрелка связывается со специальным реле, которое срабатывает под воздействием магнитного поля, в результате чего мина всплывает и взрывается вблизи корпуса корабля. Электромагнитный тральщик-корабль, предназначенный для очистки прибрежных районов от магнитных мин. Мину можно обезвредить, т.е. заставить взорваться тогда, когда корабль находится от неё на значительном расстоянии.

«Постоянный магнит»

«Любящий камень» такое поэтическое название дали китайцы магниту. Любящий камень – говорят китайцы, притягивает железо, как нежная мать привлекает своих детей. Жидкости и газы тоже испытывают на себе действие постоянного магнита, только в весьма слабой степени. Если наполнить кислородом мыльный пузырь и поместить его между полюсами сильного электромагнита, пузырь заметно вытягивается от одного полюса к другому, растягиваемый невидимыми магнитными силами.

На металлургических заводах можно видеть электромагнитные подъёмные краны, переносящие огромные грузы. Массивные железные глыбы или части машин в десятки тонн с удобством переносятся электромагнитными подъёмными кранами без прикрепления.

Силой электромагнитов пользуются иногда и фокусники. Используя силу мощного электромагнита, они делают «беспомощными» силачей, которые не могут поднять, казалось-бы небольшой металлический ящик. Неожиданное применение нашёл себе сильный магнит для тренировок тяжелоатлетов. Электромагнит подвешивается на некоторой высоте под потолком. Атлет держит в руках железный утюг и стремится побороть магнитное притяжение электромагнитного аппарата. В зависимости от тока, который регулируется тренером, притяжение бывает различным.

Ещё любопытнее та полезная служба, которую несёт магнит в сельском хозяйстве. Если семена засорённых культурных растений обсыпать железным порошком, то крупинки железа плотно облепят семена шероховатых семян сорняков. Попадая затем в поле действия сильного электромагнита, смесь семян автоматически разделяется на чистые семена и на сорную примесь.

www.ronl.ru

Реферат - Применение магнитов - Физика

   В самом начале работы  полезно будет дать несколькоопределений ипояснений.                                                                                                                       

    Если, в каком то месте, на движущиеся тела, обладающиезарядом, действует сила, которая не действует на неподвижные или лишенныезаряда тела, то говорят, что в этом месте присутствует магнитное поле– одна из форм более общего электромагнитного поля.

   Есть тела, способные создавать вокруг себя магнитноеполе (и на такое тело тоже действует сила магнитного поля), про них говорят,что эти тела намагничены и обладают магнитным моментом, который и определяетсвойство тела создавать магнитное поле.  Такие тела называют магнитами.

  Следует отметить, что разные материалы по разномуреагируют на внешнее магнитное поле.

  Есть материалы ослабляющие действие внешнего поля внутрисебя– парамагнетики и усиливающие внешнее поле внутри себя– диамагнетики.

  Есть материалы с огромной способностью (в тысячи раз) усиливать внешнее поле внутри себя — железо,кобальт, никель, гадолиний, сплавы и соединения этих металлов, их называют– ферромагнетики.

  Есть среди ферромагнетиков материалы которыепосле воздействия на них достаточно сильного внешнего магнитного поля самистановятся магнитами – это магнитотвердые материалы.

ВВЕДЕНИЕ.

   Мы привыкли к магниту иотносимся к нему чуточку снисходительно как к устаревшему атрибуту школьныхуроков физики, порой даже не подозревая, сколько магнитов вокруг нас. В нашихквартирах десятки магнитов: в электробритвах, динамиках, магнитофонах, в часах,в банках с гвоздями, наконец. Сами мы – тоже магниты: биотоки, текущие в нас,рождают вокруг нас причудливый узор магнитных силовых линий. Земля, на котороймы живём, — гигантский голубой магнит. Солнце – жёлтый плазменный шар – магнитещё более грандиозный. Галактик и туманности, едва различимые телескопами, — непостижимые по размерам магниты. Термоядерный синтез, магнитодинамическоегенерирование электроэнергии, ускорение заряженных частиц в синхротронах,подъём затонувших судов – всё это области, где требуются грандиозные,невиданные раньше по размерам магниты. Проблема создания сильных, сверхсильных,ультрасильных и ещё более сильных магнитных полей стала одной из основных всовременной физике и технике.

   Магнит известен человеку снезапамятных времён. До нас дошли упоминания

о магнитах и их свойствах втрудах  Фалеса Милетского (прибл. 600 до н.э.) и Платона (427–347 дон.э.). Само слово «магнит» возникло в связи с тем, что природные магниты былиобнаружены греками в Магнесии (Фессалия).

  Естественные (илиприродные) магниты встречаются в природе в виде залежей магнитных руд. ВТартуском университете находится самый крупный известный естественный магнит. Его масса составляет 13 кг, и он способен поднять груз в 40 кг.

  Искусственные магниты  — это магниты созданные человеком на основе различных ферромагнетиков. Такназываемые «порошковые» магниты (из железа, кобальта и некоторых другихдобавок) могут удержать груз более чем 5000 раз превышающий их собственнуюмассу.

   Существуютискусственные магниты двух разных видов:

      Одни – так называемыепостоянныемагниты,изготовляемые из «магнитно-твердых» материалов.Их магнитные свойства не связаны с использованием внешних источников или токов.

      К другому виду относятся так называемые электромагниты с сердечником из «магнитно-мягкого» железа.Создаваемые ими магнитные поля обусловлены в основном тем, что по проводуобмотки, охватывающей сердечник, проходит электрический ток.

   В 1600 году в Лондоне вышла книга королевского врачаВ. Гильберта “О магните, магнитных телах и большом магните — Земле”. Этосочинение явилось первой известной нам попыткой исследования магнитных явленийс позиций науки. В этом труде собраны имевшиеся тогда сведения об электричествеи магнетизме, а также результаты собственных экспериментов автора.

  Из всего, с чемсталкивается человек, он прежде всего стремится извлечь практическую пользу. Неминовал этой судьбы и магнит

    В моей работе я попытаюсь проследить, как используютсямагниты человеком не для войны, а в мирных целях, в том числе применениемагнитов в биологии,  медицине, в быту.

ИСПОЛЬЗОВАНИЕ МАГНИТОВ.

   Далее дан краткий обзор приборов и областей науки итехники где используются магниты.

  КОМПАС, прибор для определения горизонтальных направлений на местности.Применяется для определения направления, в котором движется морское, воздушноесудно, наземное транспортное средство; направления, в котором идет пешеход;направления на некоторый объект или ориентир. Компасы подразделяются на дваосновных класса: магнитные компасы типа стрелочных, которыми пользуютсятопографы и туристы, и немагнитные, такие, как гирокомпас и радиокомпас.

     К 11 в. относитсясообщение китайцев Шен Куа и Чу Ю об изготовлении компасов из природныхмагнитов и использовании их в навигации.Если                                                                                                                     

длинная игла из природногомагнита уравновешена на оси, позволяющей ей свободно поворачиваться в горизонтальнойплоскости, то она всегда обращена одним концом к северу, а другим – к югу.Пометив указывающий на север конец, можно пользоваться таким компасом дляопределения направлений.

      Магнитные эффектыконцентрировались у концов такой иглы, и поэтому их назвали полюсами(соответственно северным и южным).

  Основное применение магнитнаходит в электротехнике, радиотехнике, приборостроении, автоматике ителемеханике. Здесь ферромагнитные материалы идут на изготовлениемагнитопроводов, реле и т.д.

  В 1820 Г.Эрстед (1777–1851) обнаружил, что проводник стоком воздействует на магнитную стрелку, поворачивая ее. Буквально неделейпозже Ампер показал, что два параллельных проводника с током одного направленияпритягиваются друг к другу. Позднее он высказал предположение, что всемагнитные явления обусловлены токами, причем магнитные свойства постоянныхмагнитов связаны с токами, постоянно циркулирующими внутри этих магнитов. Этопредположение полностью соответствует современным представлениям.

  Электромашинныегенераторы и электродвигатели — машинывращательного типа, преобразующие либо механическую энергию в электрическую(генераторы), либо электрическую в механическую (двигатели). Действиегенераторов основано на принципе электромагнитной индукции: в проводе,движущемся в магнитном поле, наводится электродвижущая сила (ЭДС). Действиеэлектродвигателей основано на том, что на провод с током, помещенный впоперечное магнитное поле, действует сила.

   Магнитоэлектрическиеприборы. В таких приборахиспользуется сила взаимодействия магнитного поля с током в витках обмоткиподвижной части, стремящаяся повернуть последнюю

   Индукционныесчетчики электроэнергии. Индукционныйсчетчик представляет собой не что иное, как маломощный электродвигательпеременного тока с двумя обмотками – токовой и обмоткой напряжения. Проводящийдиск, помещенный между обмотками, вращается под действием крутящего момента,пропорционального потребляемой мощности. Этот момент уравновешивается токами,наводимыми в диске постоянным магнитом, так что частота вращения дискапропорциональна потребляемой мощности.

   Электрические наручные часы питаются миниатюрной батарейкой. Для их работытребуется гораздо меньше деталей, чем в механических часах; так, в схемутипичных электрических портативных часов входят два магнита, две катушкииндуктивности и транзистор.

  Замок-  механическое, электрическое или электронное устройство,ограничивающее возможность несанкционированного пользования чем-либо. Замокможет приводиться в действие устройством (ключом), имеющимся в распоряженииопределенного лица, информацией (цифровым или буквенным кодом), вводимой этимлицом, или какой либо индивидуальной характеристикой (например, рисункомсетчатки глаза) этого лица. Замок обычно временно соединяет друг с другом два узлаили две детали в одном устройстве. Чаще всего замки бывают механическими, новсе более широкое применение находят электромагнитные замки.

  Магнитные замки. Вцилиндровых замках некоторых моделей применяются магнитные элементы. Замок иключ снабжены ответными кодовыми наборами постоянных магнитов. Когда в замочнуюскважину вставляется правильный ключ, он притягивает и устанавливает в нужноеположение внутренние магнитные элементы замка, что и позволяет открыть замок.

   Динамометр — механический или электрический прибор для измерениясилы тяги или крутящего момента машины, станка или двигателя.

   Тормозные динамометры бывают самых различныхконструкций; к ним относятся, например, тормоз Прони, гидравлический иэлектромагнитный тормоза.

    Электромагнитный динамометр может бытьвыполнен в виде миниатюрного прибора, пригодного для измерений характеристикмалогабаритных двигателей.

    Гальванометр –чувствительный прибор для измерения слабых токов. В гальванометре используетсявращающий момент, возникающий при взаимодействии подковообразного постоянногомагнита с небольшой токонесущей катушкой (слабым электромагнитом), подвешеннойв зазоре между полюсами магнита. Вращающий момент, а следовательно, иотклонение катушки пропорциональны току и полной магнитной индукции в воздушномзазоре, так что шкала прибора при небольших отклонениях катушки почти линейна.Приборы на его базе  — самый распространенный вид приборов.

/>

/>

/>

/>

  Спектр выпускаемых приборов широк иразнообразен: приборы щитовые постоянного и переменного тока(магнитоэлектрической, магнитоэлектри- ческой с выпрямителем и электромагнитнойсистем), комбинированные приборы ампервольтомметры, для диагностирования ирегулировки электрооборудования автомашин, измерения температуры плоскихповерхностей, приборы для оснащения школьных учебных кабинетов, тестеры иизмерители всевозможных электрических параметров

  Производство абразивов- мелких, твердых, острых частиц, используемых в свободном или связанномвиде для механической обработки (в т.ч. для придания формы, обдирки,шлифования, полирования) разнообразных материалов и изделий из них (от большихстальных плит до листов фанеры, оптических стекол и компьютерных микросхем).Абразивы бывают естественные или искусственные. Действие абразивов сводится кудалению части материала с обрабатываемой поверхности. Впроцессе производства искусственных абразивов ферросилиций, присутствующий всмеси, оседает на дно печи, но небольшие его количества внедряются в абразив ипозже удаляются магнитом.

  Магнитные свойства вещества находят широкое применение внауке и технике как средство изучения структуры различных тел. Так возникли науки:

    Магнетохимия (магнитохимия) — раздел физической химии, в которомизучается связь между магнитными и химическими свойствами веществ; кроме того,магнитохимия исследует влияние магнитных полей на химические процессы.магнитохимия опирается на современную физику магнитных явлений. Изучение связимежду магнитными и химическими свойствами позволяет выяснить особенностихимического строения вещества.

   Магнитная дефектоскопия, методпоиска дефектов, основанный на исследовании искажений магнитного поля,возникающих в местах дефектов в изделиях из ферромагнитных материалов.

 . Техника сверхвысокочастотного диапазона

   Сверхвысокочастотный диапазон (СВЧ)-  частотный диапазон электромагнитногоизлучения (100¸300 000 млн. герц), расположенный в спектре между ультравысокимителевизионными частотами и частотами дальней инфракрасной области

  Связь. Радиоволны СВЧ-диапазона широкоприменяются в технике связи. Кроме различных радиосистем военного назначения,во всех странах мира имеются многочисленные коммерческие линии СВЧ-связи.Поскольку такие радиоволны не следуют за кривизной земной поверхности, араспространяются по прямой, эти линии связи, как правило, состоят изретрансляционных станций, установленных на вершинах холмов или на радиобашнях синтервалами около 50 км.

   Термообработка пищевых продуктов. СВЧ-излучениеприменяется для термообработки пищевых продуктов в домашних условиях и в пищевойпромышленности. Энергия, генерируемая мощными электронными лампами, может бытьсконцентрирована в малом объеме для высокоэффективной тепловой обработкипродуктов в т.н. микроволновых или СВЧ-печах, отличающихся чистотой,бесшумностью и компактностью. Такие устройства применяются на самолетныхбортовых кухнях, в железнодорожных вагонах-ресторанах и торговых автоматах, гдетребуются быстрые подготовка продуктов и приготовление блюд. Промышленностьвыпускает также СВЧ-печи бытового назначения.

  Быстрый прогресс в области СВЧ-техники в значительной мересвязан с изобретением специальных электровакуумных приборов – магнетрона иклистрона, способных генерировать большие количества СВЧ-энергии. Генератор наобычном вакуумном триоде, используемый на низких частотах, в СВЧ-диапазонеоказывается весьма неэффективным.

  Магнетрон. В магнетроне, изобретенном в Великобританииперед Второй мировой войной, эти недостатки отсутствуют, поскольку за основувзят совершенно иной подход к генерации СВЧ-излучения – принцип объемногорезонатора

  В магнетроне предусмотрено несколько объемных резонаторов,симметрично расположенных вокруг катода, находящегося в центре. Прибор помещаютмежду полюсами сильного магнита.

  Лампа бегущей волны (ЛБВ). Еще одинэлектровакуумный прибор для генерации и усиления электромагнитных волнСВЧ-диапазона – лампа бегущей волны. Она представляет собой тонкую откачаннуютрубку, вставляемую в фокусирующую магнитную катушку.

  Ускоритель частиц, установка, в которой с помощью электрических и магнитных полейполучаются направленные пучки электронов, протонов, ионов и других заряженныхчастиц с энергией, значительно превышающей тепловую энергию.

  В современных ускорителях используются многочисленные иразнообразные виды техники, в т.ч.  мощные прецизионные магниты.

  В медицинскойтерапии и диагностике ускорители играют важную практическую роль. Многиебольничные учреждения во всем мире сегодня имеют в своем распоряжении небольшиеэлектронные линейные ускорители, генерирующие интенсивное рентгеновскоеизлучение, применяемое для терапии опухолей. В меньшей мере используютсяциклотроны или синхротроны, генерирующие протонные пучки. Преимущество протоновв терапии опухолей перед рентгеновским излучением состоит в болеелокализованном энерговыделении. Поэтому протонная терапия особенно эффективнапри лечении опухолей мозга и глаз, когда повреждение окружающих здоровых тканейдолжно быть по возможности минимальным.

 Представители различных наук учитывают магнитные поля всвоих исследованиях. Физик измеряет магнитные поля атомов и элементарныхчастиц, астроном изучает роль космических полей в процессе формирования новыхзвёзд, геолог по  аномалиям магнитного поля Земли отыскивает залежи магнитныхруд, с недавнего времени биология тоже активно включилась в изучение ииспользование магнитов.

 Биологическая наукапервой половины XX века уверенно описывала жизненные функции, вовсе неучитывая существования каких-либо магнитных полей. Более того, некоторыебиологи считали нужным подчеркнуть, что даже сильное искусственное магнитноеполе не оказывает никакого влияния на биологические объекты.

 В энциклопедиях о влияниимагнитных полей на биологические процессы ничего не говорилось. В научнойлитературе всего мира ежегодно появлялись единичные позитивные соображения отом или ином биологическом эффекте магнитных полей. Однако этот слабый ручеёкне мог растопить айсберг недоверия даже к постановке самой проблемы… И вдругручеёк превратился в бурный поток. Лавина магнитобиологических публикаций,словно сорвавшись с какой – то вершины, с начала 60 – х годов непрестанноувеличивается и заглушает скептические высказывания.

  От алхимиков XVIвека и до наших дней биологическое действие магнита много раз находилопоклонников и критиков. Неоднократно в течение нескольких веков наблюдалисьвсплески и спады интереса к лечебному действию магнита. С его помощью пыталисьлечить (и не безуспешно) нервные болезни, зубную боль, бессонницу, боли впечени и в желудке – сотни болезней.

 Для лечебных целей магнитстал употребляться, вероятно, раньше, чем для определения сторон света.

 Как местное наружноесредство и в качестве амулета магнит пользовался большим успехом у китайцев,индусов, египтян, арабов. ГРЕКОВ, римлян и т.д. О его лечебных свойствахупоминают в своих трудах философ Аристотель и историк Плиний.

 Во второй половине XXвека широко распространились магнитные браслеты, благотворно влияющие набольных с нарушением кровяного давления (гипертония и гипотония).

 Кроме постоянных магнитовиспользуются и электромагниты. Их также применяют для широкого спектра проблемв науке, технике, электронике, медицине (нервные заболевания, заболеваниясосудов конечностей, сердечно – сосудистые заболевания, раковыезаболевания).                                                                                                             

 Более всего учёныесклоняются к мысли, что магнитные поля повышают сопротивляемость организма.

 Существуют электромагнитныеизмерители скорости движения крови, миниатюрные капсулы, которые с помощью внешнихмагнитных полей можно перемещать по кровеносным сосудам чтобы расширять их,брать пробы на определённых участках пути или, наоборот, локально выводить изкапсул различные медикаменты.

 Широко распространёнмагнитный метод удаления металлических частиц из глаза.

 Большинству из нас известноисследование работы сердца с помощью электрических датчиков –электрокардиограмма. Электрические импульсы, вырабатываемые сердцем, создаютмагнитное поле сердца, которое в max значениях составляет 10-6  напряжённостимагнитного поля Земли. Ценность магнитокардиографии в том, что она позволяетполучить сведения об электрически “немых” областях сердца.

 Надо отметить, что биологисейчас просят физиков дать теорию первичного механизма биологического действиямагнитного поля, а физики в ответ требуют от биологов побольше проверенныхбиологических фактов. Очевидно, что успешным будет тесное сотрудничестворазличных специалистов.

 Важным звеном, объединяющиммагнитобиологические проблемы, является реакция нервной системы на магнитныеполя. Именно мозг первым реагирует на любые изменения во внешней среде. Именноизучение его реакций будет  ключём к решению многих задач магнитобиологии.

 Самый простой вывод, которыйможно сделать из выше сказанного – нет области прикладной деятельностичеловека, где бы не применялись магниты.

Использованная литература:

1)  БСЭ, второе издание, Москва, 1957г.

2)  Холодов Ю.А. “Человек в магнитнойпаутине”, “Знание”, Москва, 1972 г.

3)  Материалы из интернет — энциклопедии   

4)  Путилов К.А. «Курс физики»,«Физматгиз», Москва, 1964г.

www.ronl.ru

Реферат - Физические опыты в теме МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ТОКА

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ

Учреждение образования ”Брестский Государственный Университет имени А. С. Пушкина”

Кафедра методики преподавания физики и ОТД

ФИЗИЧЕСКИЕ ОПЫТЫ В ТЕМЕ

«МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ТОКА»

Курсовая работа по

методике преподавания

физики студента

физического факультета

Потужного Александра

Научный руководитель

доц. Ворсин Н.Н.

Брест 2002

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 3

Цели и требования, предъявляемые к демонстрациям 4

Описание демонстрационных опытов:

Действие магнитного поля на ток 5

Взаимодействие двух параллельных токов 7

Отклонение электронного пучка магнитным полем 9

Модель доменной структуры ферромагнетика 10

Размагничивание стального образца при нагревании 12

Заключение 14

Список использованных источников 15

ВВЕДЕНИЕ

Тема «Магнитное поле постоянного тока » изучается в курсе физики 10-го класса. Для общеобразовательного и повышенного (пункты программы для повышенного уровня изучения взяты в квадратные скобки) уровней программа включает в себя следующие разделы:

Взаимодействие токов. Магнитные силовые линии. Индукция магнитного поля.

Проводник с током в магнитном поле. Сила Ампера. Действие магнитного поля на движущиеся заряды. Сила Лоренца. Движение заряженной частицы в магнитном поле.

Магнитное поле Земли.

Демонстрации

1. Взаимодействие параллельных токов. 2. Действие магнитного поля на ток. 3. Отклонение электронного пучка магнитным полем.

ОСНОВНЫЕ ЗНАНИЯ И УМЕНИЯ УЧАЩИХСЯ

Учащиеся должны знать:

Понятия: магнитное поле, магнитная индукция.

Законы: Ампера.

Формулы: FA =IBl sin a, FЛ =q u B sin a .

Учащиеся должны уметь: решать задачи на расчет магнитной индукции, силы Ампера, силы Лоренца; [рассчитывать период обращения, радиус окружности, описываемой заряженной частицей, влетающей в однородное магнитное поле перпендикулярно линиям магнитной индукции].

В предшествующей программе по физике для средней общеобразовательной школы в курсе 10-го класса изучался раздел «Магнитные свойства вещества».

В своей курсовой работе я также рассматриваю некоторые демонстрации из темы «Физика конденсированного состояния», которая изучается в курсе физики 11-го класса. Для общеобразовательного и повышенного (пункты программы для повышенного уровня изучения взяты в квадратные скобки) уровней программа включает в себя следующий раздел:

Магнитная проницаемость вещества. Три класса магнитных веществ. Объяснение пара- и диамагнетизма. Основные свойства ферромагнетиков. Природа ферромагнетизма. Магнитная запись и хранение информации.

Демонстрации

1. Модель доменной структуры ферромагнетика. 2. Размагничивание стального образца при нагревании. 3.Магнитная запись звука.

ОСНОВНЫЕ ЗНАНИЯ И УМЕНИЯ УЧАЩИХСЯ

Учащиеся должны знать:

Понятия: магнитная проницаемость.

ЦЕЛИ И ТРЕБОВАНИЯ,

ПРЕДЪЯВЛЯЕМЫЕ К ДЕМОНСТРАЦИЯМ

Демонстрация – это показ учителем физических явлений и связи между ними.

Цель:

Создание физических представлений, физических понятий, проиллюстрировать явления и приучить учащихся искать источник знания в явлениях физического мира и опытах.

Требования:

· темп изложения должен совпадать с темпом демонстрации;

· должны быть на каждом уроке;

· должны логически соединять предшествующие опыты с последующими. для этого можно использовать одну и туже установку, но проводить измерения в ней;

· не должны загромождать урок;

· должна присутствовать новизна и заинтересованность.

Перед демонстрацией можно уяснить проведение ее с помощью схемы на доске. В некоторых случаях полезно собирать схему перед учащимися. Можно использовать проблемный подход, т.е. поставить проблему и решить с помощью эксперимента. Установка должна быть простой, на столе не должно быть лишних предметов, лучше использовать в вертикальной плоскости, использовать экраны (для темных предметов светлый, для светлых — темный), использовать подсветки, использовать индикаторы. Эксперимент готовить заранее, он должен быть убедительным.

ДЕЙСТВИЕ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА ТОК

Оборудование: 1) весы аэродинамические, 2) амперметр демонстрационный, 3) метр демонстрационный, 4) магниты дугообразные — 4 шт., 5) скоба проволочная, 6) выключатель демонстрационный, 7) штатив универсальный, 8) провода соединительные, 9) циркуль-измеритель демонстрационный.

Действие магнитного поля на ток, так же как и способы определения направления движения проводника с током в магнитном поле, учащимся хорошо известно. Основываясь на этих знаниях, можно определить факторы, от которых зависит величина силы, действующей на проводник с током, и затем ввести понятие о магнитной индукции и единице ее измерения. Числовые результаты проведенного опыта позволят затем приблизительно определить среднюю магнитную индукцию между полюсами постоянных магнитов. Это будет способствовать большей конкретизации нового понятия.

1. Демонстрационная установка для проведения опыта изображена на рисунке 1. В ней основной деталью служит скоба из голой медной проволоки, помещенная между полюсами двух магнитов. Форма скобы, ее размеры и способ подвеса показаны на рис. 2. Колечки с крючками, прилагаемые к универсальному штативу, изолированы от стержня листом обыкновенной бумаги. Этого вполне достаточно ввиду того, что подводимое напряжение мало. Между бумагой и колечками зажаты концы соединительных проводов. Надежность контактов в точках подвеса скобы вполне обеспечивается ее достаточным весом.

Для измерения силы, действующей на проводник с током, служат универсальные чувствительные весы. При подготовке их к измерению в отверстие втулки весов вставляют стержень l (рис. 1) с малым диском из аэродинамического набора и изготовляют рейтер массой в 500 мг в виде согнутой металлической полоски. Толкателем 2, соединяющим весы со скобой, служит мягкая тонкая проволочка, один конец которой огибают вокруг стержня над самым диском, а другой конец, согнутый в виде крючка, свободно накладывают на середину скобы между магнитами.

При определении цены деления весов надо применить правило моментов. Если длина стержня 10 см, а рейтер весом 0,005 Н находится, например, на расстоянии 20 см от оси, то

F·0,1 м=0,005 Н·0,2 м.

Отсюда сила F равна 0,01 Н, когда рейтер находится на расстоянии 20 см от оси; значит, перемещение рейтера на 1 см соответствует изменению силы F на 1/20 Н=0,0005 Н.

Для измерения силы тока служит демонстрационный амперметр с шунтом на 10 А и соответствующей шкалой для постоянного тока.

2. Приступая к проведению опыта, от весов отцепляют толкатель и снимают с рычага рейтер. При помощи уравнительного винта добиваются совпадения указателей.

Постоянный ток можно получить от выпрямителя.

Сначала устанавливают рукоятку регулятора напряжения на нуль, затем включают ток, доводят его до 8 А и наблюдают за движением скобы. Изменяя направление тока или переворачивая магниты, показывают изменение направления движения проводника. Эти опыты дают повод вспомнить правило левой руки, связывающее направления тока, силовых линий поля и движения проводника.

Выключив ток, при котором наблюдалось выталкивание скобы влево, соединяют скобу с вертикальным стержнем весов при помощи проволочного толкателя, как было указано выше, и передвигают весы по столу так, чтобы указатели равновесия вновь совпали. На этом заканчивается подготовка установки.

Включают ток и замечают, что рычаг весов приподнимается. Насадив на рычаг рейтер и, передвигая его, вдоль рычага, находят для него такое положение, при котором весы вновь уравновешиваются. Зная цену деления шкалы, находят силу, с которой магнитное поле действует на проводник с током.

Опыт повторяют при иных значениях силы тока. Затем удаляют один из магнитов и тем уменьшают почти вдвое длину той части проводника, которая находится в магнитном поле. Снова измеряют величину выталкивающей силы. Длину проводника определяют циркулем-измерителем и демонстрационным метром.

На доске записывают результаты опытов:

Анализ полученных результатов приводит к заключению, что сила, с которой данное магнитное поле действует на проводник, пропорциональна силе тока и длине части проводника, находящейся в магнитном поле: F ~ I · l .

После этого, заменяют магниты двумя другими магнитами тех же размеров и формы, но более слабыми и обнаруживают, что при тех же I и l сила, действующая на проводник, оказывается меньше. На этом основании полагают, что сила зависит также от величины, характеризующей интенсивность поля и называемой магнитной индукцией В. Таким образом, F = kBIl, где k — коэффициент пропорциональности.

Полагая в полученной формуле коэффициент пропорциональности равным единице, устанавливают из выражения B = F /( I · l ), единицу магнитной индукции в системе СИ:

Н/(А·м) = Тл,

и определяют среднюю величину магнитной индукции между полюсами выбранных для опыта магнитов. Для этого можно воспользоваться, например, данными первого опыта:

l =10 см =0,1 м, I = 8 А, F= 0,009 Н.

Подставив эти данные в формулу, находят:

B = 0,01 Тл.

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ДВУХ ПАРАЛЛЕЛЬНЫХ ТОКОВ

Оборудование: 1) ленты из фольги с наконечниками — 2 шт., 2) моток проволочный на подставке, 3) рамка от прибора «Виток в магнитном поле», 4) штатив универсальный, 5) проводники соединительные, 6) штепсельная розетки с вилкой или двухполюсный переключатель демонстрационный.

Взаимодействие токов целесообразно показать в наиболее «чистом» виде, т. е. показать притяжение и отталкивание двух прямых проводников с токами одинакового и противоположного направлений.

1. В опыте для получения надлежащего, эффекта необходимы гибкие и легкие проводники, которые вместе с тем должны выдерживать достаточно сильный ток. В противоречивости этих требований и заключается некоторая трудность проведения опыта.

Хорошие результаты можно получить, если воспользоваться лентами из алюминиевой фольги, идущей на изготовление бумажных конденсаторов. Фольга от рулона, вынутого из коробочки конденсатора, обычно развертывается вместе с приставшей к ней бумагой. Надо, не отслаивая бумаги, отрезать от фольги две узкие ленты шириной 10 мм и длиной 50 см. Слой бумаги между двумя полосками из фольги придаст ленте большую прочность.

Концы каждой ленты заделывают в наконечники (рис. 3), при помощи которых обе ленты зажимают в изолирующих стержнях на универсальном штативе, как показано на рисунке 4. Такая лента выдерживает кратковременный ток до 8 А. Ленты не следует натягивать. Слегка изгибая, их сближают на расстояние 0,5 — 1 см и концы присоединяют к выпрямителю через штепсельную розетку, как показано на рисунке. Вместо штепселя можно воспользоваться двухполюсным переключателем. При включении тока в пределах 5 — 8 А ленты отталкиваются, а при выключении вновь сближаются. Чтобы изменить направление тока в одном из проводников, достаточно штекеры в розетке поменять местами. Теперь токи в проводниках будут иметь одинаковые направления и проводники притянутся друг к другу.

При проведении опыта не следует включать ток на длительное время. Для улучшения видимости можно воспользоваться теневой проекцией.

Иногда в этом опыте ленты соединяют сначала последовательно, а затем параллельно. Этот способ имеет тот недостаток, что при переключении с параллельного соединения на последовательное сила тока в каждом проводнике увеличивается вдвое. В способе, представленном на рисунке 4, соединение проводников в любом случае остается последовательным и величина тока при переключении не изменяется.

Учитывая, что описанный опыт требует тщательной подготовки, а изготовленные надлежащим образом проводники трудно сохранять в целости, можно рекомендовать для этого опыта специальный самодельный прибор для проецирования на экран. Устройство прибора и все необходимые размеры показаны на рисунке 5. Прибор состоит из двух вертикальных планок. из органического стекла, между которыми параллельно расположены почти без натяжения две ленты из алюминиевой фольги. Прибор устанавливают на рейтере проекционного аппарата у самого конденсора и передвижением объектива добиваются получения на экране резкого изображения лент. Достаточно заметное притяжение и отталкивание получается при токе 1 — 2 А.

ОТКЛОНЕНИЕ ЭЛЕКТРОННОГО ПУЧКА

МАГНИТНЫМ ПОЛЕМ

Оборудование: 1) электроннолучевая трубка на подставке, 2) кенотронный выпрямитель, 3) катушка от универсального трансформатора на 120 В, 4) две отклоняющие катушки, 5) батарея аккумуляторов, 6) реостат на 40 Ом и 6 А, 7) выключатель демонстрационный, 8) магнит дугообразный, 9) провода соединительные.

Электроннолучевые трубки с магнитным управлением (фокусировкой и отклонением) широко применяются в телевидении для приема изображения. Такие трубки (кинескопы) несколько отличаются от трубок с электростатическим управлением по форме колбы, а главное — более простым устройством электронного прожектора. Фокусировка и отклонение осуществляются магнитными полями катушек, которые надеваются снаружи трубки на ее более узкую часть — горловину.

Сначала демонстрируют отклонение электронного пучка в магнитном поле постоянного магнита.

Для этого включают трубку и получают на экране достаточно яркое светящееся пятно. Затем подносят сбоку трубки дугообразный магнит и наблюдают смещение пятна. Изменяют направление магнитного поля и наблюдают отклонение пятна в противоположную сторону.

При этом полезно предварительно поставить перед учащимися задачу определить, пользуясь правилом левой руки, направление смещения пятна на экране, учитывая, что пучок представляет собой поток электронов.

После этого демонстрируют смещение электронного пучка в магнитном поле отклоняющих катушек с током 1 и 2, которые закрепляют сбоку трубки под винтовые зажимы вертикально (или горизонтально) отклоняющих пластин, как показано на рисунке 6. Фокусирующая катушка 3 при этом отсутствует. Катушки соединяют между собой так, чтобы на концах, обращенных к трубке, образовались противоположные магнитные полюсы (соединяют конец обмотки одной катушки с концом другой или начало с началом). Подключают к катушкам аккумулятор через рубильник и реостат и наблюдают отклонение светящегося пятна на экране при включении тока в катушки.

Изменяя реостатом величину тока, показывают плавное смещение пятна по экрану. Затем меняют направление тока в катушках и демонстрируют отклонение пятна в противоположную сторону.

Заменяют аккумулятор магнитоэлектрической машиной и показывают образование светящейся линии на экране — результат колебательного движения электронного пучка в переменном магнитном поле отклоняющих катушек.

После этого переходят к демонстрации магнитной фокусировки электронного пучка при помощи катушки 3 от универсального трансформатора (рис. 6). Отклоняющие катушки снимают, чтобы они не отвлекали внимание. Для установки катушки вынимают трубку (при отключенном источнике питания) и на боковые панели освободившейся подставки помещают катушку. Снова вставляют трубку в подставку и к катушке присоединяют батарею аккумуляторов через выключатель и реостат.

Подключают кенотронный выпрямитель, и при помощи ручек «яркость» и «фокус» устанавливают на экране размытое (не сфокусированное), но достаточно яркое светящееся пятно. За тем замыкают выключатель и реостатом подбирают необходимую величину тока в катушке (0,4 — 0,5 А). Этим и заканчивается подготовка.

Демонстрацию опыта проводят в такой последовательности. Включают выпрямитель в сеть и наблюдают на экране трубки размытое пятно достаточных размеров.

После этого демонстрируют предварительную магнитную фокусировку путем перемещения катушки с током вдоль горловины трубки. На экране при этом наблюдают заметное изменение размеров пятна.

Затем показывают более точную фокусировку. Оставив катушку в том положении, в котором получалось пятно меньших размеров, изменяют реостатом величину тока в катушке. Наблюдают, как светящееся пятно постепенно сводится в небольшую светящуюся точку.

МОДЕЛЬ ДОМЕННОЙ СТРУКТУРЫ ФЕРРОМАГНЕТИКА

Оборудование: 1) модель строения ферромагнетика, 2) магнит постоянный прямой, 3) проекционный аппарат.

Для объяснения доменной структуры ферромагнетика пользуются небольшим самодельным прибором (рис. 7). Он состоит из рамки с дном из органического стекла и установленными на нем двадцатью остриями. Острия расположены в четыре ряда на расстоянии примерно 15 мм друг от друга. На каждое острие насажен стальной намагниченный цилиндрик с одним закругленным торцом. «Сверху рамка закрыта стеклом, предохраняющим цилиндрики от соскакивания с острия.

С помощью приспособления для горизонтальной диапроекции прибор проецируют на экран и обращают внимание учащихся на случайную самопроизвольную ориентацию магнитиков в приборе. Наблюдаемая картина аналогична воображаемой картине расположения частиц в ферромагнетике.

На рисунке 8, а показан один из случаев возможного расположения цилиндриков. На нем можно заметить группы магнитиков с одинаковой ориентацией. Это вполне соответствует наличию областей самопроизвольного намагничивания (доменов) в ненамагниченном ферромагнетике.

Подводя с двух противоположных сторон модели разноименные полюсы прямых магнитов, заставляют цилиндрики повернуться закругленными концами в одну сторону. В этом случае на экране получится картина, изображающая магнитное насыщение (рис. 8, б).

Если двигать над прибором полюс магнита и этим способом привести магнитики в быстрое вращение, то они вновь образуют по-разному ориентированные группы. Подобно этому происходит размагничивание образца в переменном магнитном поле при ударах, при нагревании.

При выполнении этой модели главное внимание надо обратить на изготовление магнитиков. Их нарезают длиной по 12 мм из стальной проволоки диаметром 5 мм. В середине заготовленного цилиндрика сверлят глухое отверстие диаметром 2 мм, не доходя до конца на 1 — 1,5 мм (рис. 9). Чтобы вершина отверстия для иглы была более узкой, полезно сделать небольшую дополнительную сверловку тонким сверлом (0,5 — 0,8 мм).

Если изготовленный цилиндрик не уравновешивается в горизонтальном положении, более тяжелый конец подпиливают сверху или снизу (образовавшиеся плоскости на проекции не будут видны). После этого все цилиндрики закаливают и намагничивают при помощи электромагнита, собранного из деталей универсального трансформатора.

РАЗМАГНИЧИВАНИЕ СТАЛЬНОГО ОБРАЗЦА ПРИ НАГРЕВАНИИ

Оборудование: 1) магнит постоянный, 2) шуруп или гвоздь железный на нихромовой проволоке, 3) штатив универсальный, 4) горелка газовая, 5) осветитель для теневой проекции.

На универсальном штативе закрепляют сильный магнит и на тонкой нихромовой проволоке подвешивают небольшой железный шуруп или гвоздь, как показано на рисунке 10. Шуруп должен притягиваться полюсом магнита и удерживаться на рас стоянии 2 — 3 см от него, а проволока с подвешенным шурупом — образовывать угол 30° с вертикалью.

Затем подставляют газовую горелку так, чтобы шуруп попал в наиболее горячую часть пламени и мог нагреться до ярко-красного каления. Когда температура шурупа достигнет точки Кюри (753°С), он потеряет свои ферромагнитные свойства, перестанет притягиваться и отпадает от магнита: проволока, на которой он подвешен, займет вертикальное положение.

Если магнит достаточно силен, а проволочный подвес не слишком тяжел и отклонен на небольшой угол, то шуруп, отпадая, успевает слегка остыть и, как маятник, вновь возвращается и притягивается к магниту. Таким образом, опыт сам собой периодически повторяется. В дальнейшем будет полезно напомнить его учащимся как один из примеров релаксационных колебаний.

Обычно шуруп или гвоздь плохо виден учащимся. Поэтому приходится прибегать к теневой проекции. Приборы надо размещать так, чтобы вся установка в целом была учащимся видна непосредственно, а мелкие детали в увеличенном виде проецировались на экран.

Длина шурупа или гвоздя, подобранного для опыта, не должна превышать 10 — 12 мм, иначе трудно будет добиться одновременного сильного накаливания его по всей длине.

Проволоку для подвешивания надо брать не более 0,5 мм толщиной и лучше нихромовую (от нагревательной спирали), так как стальная или медная проволока быстро перегорает в пламени газовой горелки (при отсутствии газа можно воспользоваться паяльной лампой).

Для успешного проведения опыта нужен сильный постоянный магнит из специального сплава. Если такого магнита нет, его можно заменить электромагнитом.

Можно воспользоваться и обычным дугообразным магнитом, но в этом случае постановка опыта будет иной. В промежуток между полюсами такого магнита вводят железный гвоздь. Он тотчас будет притянут одним из полюсов и расположится вдоль линий магнитного поля (рис. 11). Если после этого нагреть гвоздь в пламени газовой горелки, то при надлежащей степени нагрева гвоздь опустится. Однако, как только пламя будет удалено, гвоздь снова поднимется и примет прежнее положение. Для улучшения видимости и в этом случае следует воспользоваться методом теневой проекции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В курсовой работе рассматривается методика и техника демонстрационных опытов, которые входят в курс изучения темы «Магнитное поле постоянного тока » (изучается в курсе физики 10-го класса), а также некоторые демонстрации из темы «Физика конденсированного состояния» (изучается в курсе физики 11-го класса).

А именно, рассматриваются следующие демонстрации:

Действие магнитного поля на ток;

Взаимодействие двух параллельных токов;

Отклонение электронного пучка магнитным полем;

Модель доменной структуры ферромагнетика;

Размагничивание стального образца при нагревании.

Автор не стремился везде и во всех деталях истолковывать физику демонстрируемых явлений и закономерностей. Эту задачу решают соответствующие курсы физики. В описаниях подробно раскрывается методика и техника эксперимента.

При описании демонстрационных опытов применялось учебное оборудование по физике, имеющееся в школах. В тех случаях, когда этого оборудования оказывалось недостаточно, приведены самодельные приборы и методы их изготовления.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. В. В. Жилко, А.В. Лавриненко, Л.Г. Маркович. Физика. Учебное пособие для 10 класса общеобразовательной школы с русским языком обучения. – Мн., «Народная асвета», 2001г.

2. А.А. Покровский. Демонстрационный эксперимент по физике. Том 2. – М. «Просвещение», 1972г.

3. Программы средней общеобразовательной школы. Физика. X-XI классы. – Мн., 2001 г.

www.ronl.ru

Смотрите также

• 
  Темы рефератов по уголовному процессу
• 
  Западная европа реферат по истории
• 
  Россия в первой мировой реферат
• 
  Культура в современной россии реферат
• 
  Реферат права собственности на землю
• 
  Нарушение интеллекта у детей реферат
• 
  Развитие науки и техники реферат
• 
  Реферат по роману что делать
• 
  Реферат объект и предмет исследования
• 
  Реферат по социологии социология личности
• 
  Информационные системы в управлении реферат