Физика

Урок 9: Часть 1. Электромагнетизм

Электромагнитные явления. Часть 1

В древние времена на берегу моря около города Магнесия дети играли мелкими камушками, которые притягивались к железным предметам. Древнегреческий драматург Еврипид (V век до н. э.) назвал волшебные камни «магнитами», что означает «камени из Магнесии». А как же теперь рассматриваются магнитные свойства предметов, как их использует человек? Ответы – в следующем уроке.

Обложка урока взята с источника.

slide9

Занятия с репетитором    ОНЛАЙН от 200 руб / час

Перейти

Бесплатный подбор репетитора на нашем сайте

Перейти slide8

План урока:

Постоянные магниты. Что это?

Указатель юга и севера – компас. Полюсы магнитные

Графическое изображение полей

Магнитное поле тока прямого проводника

Соленоид и его магнитные свойства. Электромагниты

 

Постоянные магниты. Что это?

Китайцы, как и греки, тоже замечали интересное свойство некоторых минералов притягивать к себе железосодержащие предметы. Слово «притягивать» китайцы ассоциируют со словами «прижиматься», «любить» и поэтому назвали такие минералы «чу-ши», что значит «любящий камень». Так как эти минералы создала природа, и человек не мог повлиять на естественное действие камней, их стали называть постоянными магнитами.

Теперь уже известно, что так интересно проявляется природный минерал магнитный железняк (магнетит). Это достаточно хрупкий черного цвета минерал, плотность его примерно 5000 кг/м3.

1sdgshg
Магнитный железняк. Источник

Древние люди приписывали магнитному железняку свойства «живой души». Минерал, по их словам, устремлялся к железу, как собака к куску мяса. Ученые объясняют отношение древних к явлениям природы незнанием физики.

На самом деле, все заключается в особом виде материи – поле.

2fhsdf

Магнитное поле и притягивает к постоянному магниту железные предметы, ведь, например, мелкие гвоздики или кнопки устремляются к магниту даже без соприкосновения с ним, а на некотором расстоянии.

Магнетит (природный магнитный железняк) проявляет свойства притягивания не очень сильно. Человеком на его основе созданы искусственные магниты с более мощным магнитным полем. В качестве материала в них используются такие металлы, как кобальт, никель и, конечно же, железо. Такие металлы способны намагничиваться, попадая в магнитное поле, а потом становятся самостоятельными магнитами.

3dfdh
Разные формы искусственных магнитов. Источник

Какую бы форму не имел магнит, у него есть участки, где наиболее сильно проявляются магнитные свойства. Эти участки называют магнитными полюсами. У каждого, даже самого маленького магнита, есть два полюса. Современные технологии позволяют намагничивать металлические предметы так, что у них образуется и 4 и 6 полюсов.

Увидеть, как по-разному притягиваются железные опилки к магниту, можно на простейшем опыте с дугообразным школьным магнитом. Просто поднести к опилкам магнит, опилки тут же «прилипнут» к нему:

4gdfg
Дугообразный магнит. Источник

Полюсами такого магнита будут края дуги, где больше всего скопилось железных опилок.

У полосового магнита, форма которого прямоугольный параллелепипед, полюса находятся далеко друг от друга. Чем ближе к середине, тем меньше проявляются магнитные свойства.

5gfgs
Полосовой магнит. Источник

 

Указатель юга и севера – компас. Полюсы магнитные

«Указатель юга» - так называли древние китайцы свое изобретение. Это был прибор в форме ложки, изготовленный из природного магнита. Ложка могла вращаться вокруг вертикальной оси.

6fg
Древний китайский компас. Источник

Ручка ложки указывала южное направление. Она была северным полюсом ложки-магнита.

Развитие науки не остановилось, и современные компасы уже имеют другой вид:

7gfg
Разные виды компасов. Источник

Магнитная стрелка, главный элемент компаса, - это постоянный магнит и имеет два полюса. Конец стрелки, указывающий на географический Север, называют северным (N), а противоположный – южным (S) полюсом. Отсюда и название полюсов различных магнитов.

8gfdsfh

Раскраска магнитов в красный и синий цвета условна, реже используются и другие цвета. Существенным является то, что полюсы магнитов существуют только парами. Если распилить, например, полосовой магнит, получатся два полосовых магнита, и у них будет снова по два полюса: северный и южный.

9hdggh

В школьных лабораторных работах используются маленькие магниты на подставке, которые насаживаются на тонкую иглу и могут свободно вращаться вокруг этой иглы. Такие устройства называются магнитными стрелками, как подобие стрелок компасов.

10hgfdh

С помощью стрелок изучается взаимодействие полюсов магнитов. Если приблизить стрелки друг к другу, они начинают поворачиваться и установятся по следующему правилу:

11fdhh
Источник

12dfgsdg

Земной шар является огромным магнитом, у которого есть свои полюсы. Но нельзя путать магнитные полюсы Земли с географическими. Согласно правилу, синий (северный) конец стрелки должен поворачиваться к Южному полюсу земного шара, так как притягиваются разноименные полюсы. Да, действительно, это так. Южный магнитный полюс Земли находится вблизи Северного географического полюса, но не в той же точке, а чуть в стороне, на острове Принца Уэльского. Северный магнитный полюс находится в Антарктиде, где и Южный географический.

13fdgs
Источник

Месторасположение магнитных полюсов Земли не остается постоянным. Полюсы смещаются на расстояние нескольких десятков километров в год.

Очень широк список областей, где применяются магниты:

  • автомобилестроение;
  • приборостроение;
  • автоматика;
  • телемеханика;
  • тормозные системы;
  • компасы;
  • медицина;
  • радиотехника;
  • электротехника.

От изучения природных магнитных явлений человек давно шагнул к элетромагнитным явлениям, без чего невозможно развитие знаний об электричестве и электрическом токе.

 

Графическое изображение полей

Магниты действуют друг на друга и на железосодержащие предметы посредством магнитного поля. Поле не имеет цвета, запаха, его нельзя ощущать. Это особый вид материи, который проявляется по его действию на другое поле или на физические тела.

Условно изображают магнитное поле с помощью силовых линий, так же, как электрическое поле.

14gfdhg

Эти линии замкнуты, то есть не имеют ни начала, ни конца. Направление, куда показывают северные полюсы магнитных стрелок, попавших в поле магнита, принято за направление силовых магнитных линий поля. Таковым оказывается направление от северного полюса к южному.

Хотя изображение силовых линий принято за условное, они все же проявляются в простом опыте с железными опилками. Если положить магнит на лист бумаги и посыпать мелкими опилками из железа, то можно увидеть, как они выстроятся вдоль определенных линий, как маленькие магнитные стрелки.

15gdfg
Источник

Частота линий вокруг магнита различна. Это подчеркивает более сильное действие магнитного поля около полюсов, где силовые линии плотнее.

 

Магнитное поле тока прямого проводника

Определить наличие магнитного поля можно, если к магниту поднести магнитную стрелку. Если поле есть, то стрелка повернется и займет положение по правилу взаимодействия полюсов. Северный полюс стрелки повернется к южному полюсу магнита.

Будет ли оказывать действие на стрелку электрический ток?

Проверить это можно с помощью опыта. Стрелка установлена на острие, над нею параллельно ее оси помещен проводник. Если замкнуть цепь, стрелка повернется в другое положение, при выключенной цепи вернется обратно.

16hdfhh

Впервые проведя этот опыт в 1820 году, датский ученый Ганс Христиан Эрстед, не имея достаточно знаний о магнетизме, не сумел объяснить поведение стрелки около проводника с током. Это было сделано позднее, а опыт получил название «Опыта Эрстеда».

Получается, что электрический ток может быть источником магнитного поля, которое возникает вокруг движущихся зарядов (вокруг не движущихся зарядов есть только электрическое поле).

17fdsfg

Нет ли противоречия в наличии магнитного поля вокруг тока, где направленно движутся частицы, и магнитного поля около постоянных магнитов? Оказывается, в магнитах существуют так называемые молекулярные токи, циркулирующие внутри молекул. Во времена Эрстеда природа таких токов была еще не открыта. Теперь же известно, что в атоме постоянно движутся электроны, поэтому и возникают магнитные свойства некоторых природных веществ, например, железа.

18fhgdh

По примеру магнитов для графического изображения поля вокруг тока используют силовые магнитные линии. Направление их указывают северные полюсы магнитных стрелок, помещенных в это поле.

19fdshj

Расположение стрелок показывает, что:

20gjdj

Существует так называемое первое правило правой руки, по которому можно указать направление силовых линий магнитного поля вокруг проводника с током. При изменении направления тока меняется и направление силовых линий поля. Правая рука человека помогает разобраться в этих направлениях.

21fdfh

22dgadg

Конечно, правило применяется не буквально. Не нужно провод брать в руки, надо мысленно представить эту ситуацию с проводником и рукой.

 

Соленоид и его магнитные свойства. Электромагниты

Короткие провода применяются редко. Тем более, что при небольшом токе вокруг них возникает и небольшое магнитное поле. Для усиления магнитного действия прямой провод сворачивают в виде спирали на непроводящем трубчатом каркасе (дереве, пластмассе, керамике). Такое устройство называется соленоидом (от греч. «солен» - «трубка»). Проще говоря, это катушка с током.

23cgxg

Магнитные поля полосового магнита и катушки-соленоида очень похожи. Силовые линии катушки выходят с северного полюса, в южный полюс входят.

24dgsd

Определить полюсы соленоида можно, поднеся к краю катушки магнит. Если цепь замкнута, и по катушке идет ток, то магнит или притянется к соленоиду, или оттолкнется от него. Например, к катушке приблизили северный полюс магнита, подвешенный на нити.

25gfg

Магнит оттолкнулся от края катушки. Но ведь отталкиваются одноименные полюсы. Значит, приблизили магнит к северному полюсу соленоида. С другой стороны будет находиться южный полюс.

26gfsdg

Магнит будет притягиваться к катушке, значит, рядом с магнитом находится южный полюс катушки, так как притягиваются разноименные полюсы.

27gdfs

Направление линий магнитного поля катушки с током помогает определить второе правило правой руки.

28hfdh

29gfdsg

Получается, что соленоид можно использовать как магнит, если подключить такой магнит к источнику тока. Это будет уже не постоянный магнит, а созданный с использованием электрического тока, который срабатывает при включении в электрическую сеть.

30gfh

При изменении (увеличении или уменьшении) магнитного действия соленоида можно пойти тремя путями:

  • регулированием силы тока цепи (можно с помощью реостата);

31dgsd

  • увеличением (уменьшением) количества витков катушки;

32gsdfg

  • использованием внутри катушки сердечника (чаще всего из железа).

33sfhgjk

Приспособление, состоящее из катушки с током и сердечника внутри нее, называется электромагнитом. Это одна из главных частей большинства электротехнических приборов, систем и устройств:

  • телеграфная связь;
  • стационарные телефонные аппараты;
  • электрические звонки;
  • электродвигатели;
  • трансформаторы;
  • электромагнитные реле;
  • домофоны;
  • производственные электромагниты.

34fhdj
Грузоподъемный магнит. Источник

35gkld
Домофон с электромагнитом. Источник

36hfdj
Вентилятор с электродвигателем. Источник

Самый первый электромагнит был изготовлен англичанином У. Стердженом в 1825 году. Его магнит массой 200 г сумел удержать тело в 3 кг 600 г. Через шесть лет американец Дж. Генри создал электромагнит, который поднимал уже 1000 кг.

Интересно и просто на основе электромагнита работает электрический звонок.

37sfhj

Схема электрозвонка.

Цифрами на схеме обозначены основные детали звонка. Это;

  1. Провода, идущие через замыкающую кнопку к источнику тока.
  2. Контактная пластинка.
  3. Контактный винт.
  4. Якорь – тонкая железная пластинка.
  5. Обмотка катушки.
  6. Сердечник.
  7. Ударный элемент звонка – молоточек.
  8. Чаша звонка.

При нажатой кнопке звонка происходит замыкание цепи. По обмотке 5 идет ток, и катушка с сердечником 6 превращается в электромагнит. Якорь 4 притягивается электромагнитом к сердечнику 6. В этот момент молоточек 7 ударяет по чаше звонка 8, слышен звонкий удар звонка. Контактный винт в результате движения якоря отходит от контактной пластинки 2, и цепь размыкается. Якорь «отлипает» от сердечника, возвращается в исходное положение, соединяя тем самым контактный винт с контактной пластинкой. Цепь снова замкнута, электромагнит снова срабатывает и т.д. Происходит все очень быстро: цепь то замыкается, то размыкается, магнит то притягивает, то отпускает якорь, молоточек быстро стучит по чаше звонка. Частые удары сливаются в почти сплошной звук.

Электромагниты после отключения от сети быстро размагничиваются и не приносят особых хлопот в применении.

 

ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ

Вопрос: 1
Магнетит – это …
1Железный камень
2Искусственный магнит
3Природный материал
Ответить
3
Вопрос: 2
Сколько полюсов получится при разделении полосового магнита на пополам?
1По одному на каждой половине
2По два на каждой части
3Полюсов не будет нисколько
Ответить
2
Вопрос: 3
Вокруг прямого тока линии магнитного поля…
1Образуют замкнутые окружности
2Параллельны проводнику
3Не существуют
Ответить
1
Вопрос: 4
Соленоид – это…
1Проводник с током
2Сердечник из металла
3Катушка с током
Ответить
3
Вопрос: 5
Сердечник электрического магнита…
1Уменьшает магнитные свойства
2Увеличивает магнитные свойства
3Не влияет на магнитные свойства
Ответить
2
Допущено ошибок:
Оценка:
Подробнее
Ваши ответы:
1 вопрос:

Магнетит – это …
1) Железный камень 2) Искусственный магнит 3) Природный материал
2 вопрос:

Сколько полюсов получится при разделении полосового магнита на пополам?
1) По одному на каждой половине 2) По два на каждой части 3) Полюсов не будет нисколько
3 вопрос:

Вокруг прямого тока линии магнитного поля…
1) Образуют замкнутые окружности 2) Параллельны проводнику 3) Не существуют
4 вопрос:

Соленоид – это…
1) Проводник с током 2) Сердечник из металла 3) Катушка с током
5 вопрос:

Сердечник электрического магнита…
1) Уменьшает магнитные свойства 2) Увеличивает магнитные свойства 3) Не влияет на магнитные свойства
Посмотреть ответы
Правильные ответы:
1 вопрос: Природный материал
2 вопрос: По два на каждой части
3 вопрос: Образуют замкнутые окружности
4 вопрос: Катушка с током
5 вопрос: Увеличивает магнитные свойства
slide9

Мы рекомендуем только    лучших РЕПЕТИТОРОВ

Перейти

Выбери своего репетитора    для онлайн-занятий сейчас

Перейти slide8