Проект исследовательской работы ученика 7б класса Махненко Дениса "Занимательный магнетизм"

Муниципальное автономное образовательное учреждение среднеобразовательная школа №6 с углубленным изучением иностранных языков

Исследовательская работа

Занимательный магнетизм

                                                            Автор: ученик 7 «б» класса
Махненко Денис Алексеевич

                                                            Руководитель:     
Быстров Михаил Васильевич

Северодвинск

2018

Оглавление

Введение. 3

Глава 1. Природа магнетизма. 3

Глава 2. Катушка индуктивности. 5

Глава 3. Практическая работа. 6

Глава 4. Применение магнитных полей в промышленности и хозяйстве. 7

Заключение. 9

Библиография. 10

Введение

Цель данной работы заключается в том, чтобы изучить основы магнетизма, понять его суть и возможности практического применения.

Магнетизм является одним из важнейших свойств вещества, так же как, например, масса или электрическое поле. Явления магнетизма, впрочем, как и электричества, были известны давно, вот только тогдашняя наука не могла объяснить сути этих явлений. Непонятное явление получило название «магнетизм» по имени города Магнезия, что был когда-то в Малой Азии. Именно из руды, добываемой поблизости, и получались постоянные магниты. ^[1]

Хоть мы этого и не замечаем, но в нашей жизни нас повсюду окружают магниты. Мы можем пользоваться ими каждый день и не обращать внимание. Все электрические двигатели и многое электрическое оборудование используют магнетизм в своей работе. Выходя из дома, мы пользуемся лифтом, двигатель которого использует магнетизм для вращения, а постоянный магнит домофона блокирует входную дверь подъезда.

Так или иначе, но мы постоянно сталкиваемся с магнетизмом, и эта работа посвящена его полезным свойствам и применениям.

Глава 1. Природа магнетизма

С 1813 года датский физик Эрстед усердно пытался экспериментально установить связь электричества с магнетизмом. В качестве индикаторов исследователь использовал компасы, но долго не мог достичь цели, ведь он ожидал, что магнитная сила параллельна току, и располагал электрический провод под прямым углом к стрелке компаса. Стрелка никак не реагировала на возникновение тока.

Весной 1820 года, во время одной из лекций, Эрстед натянул провод параллельно стрелке, причем не ясно, что привело его к этой идее. И вот стрелка качнулась. Эрстед почему-то прекратил эксперименты на несколько месяцев, после чего вернулся к ним и понял, что «магнитное воздействие электрического тока направлено по окружностям, охватывающим этот ток».

Рисунок 1. Опыт с проводником с током и магнитной стрелкой.

Вывод был парадоксальным, ведь раньше вращающиеся силы не проявляли себя ни в механике, ни где-либо еще в физике. Эрстед написал статью, где изложил свои выводы, и больше электромагнетизмом так и не занимался.

Осенью того же года француз Андре-Мари Ампер приступил к опытам. Перво-наперво повторив и подтвердив результаты и выводы Эрстеда, в начале октября он обнаружил притяжение проводников, если токи в них направлены одинаково, и отталкивание, если токи противоположны.

Ампер изучил также взаимодействие между непараллельными проводниками с током, после чего описал его формулой, названой позже законом Ампера. Ученый показал и то, что свернутые в спираль провода с током поворачиваются под действием магнитного поля, как это происходит со стрелкой компаса.

Наконец, он выдвинул гипотезу о молекулярных токах, согласно которой внутри намагниченных материалов имеют место непрерывные микроскопические параллельные друг другу круговые токи, служащие причиной магнитного действия материалов.

И вот, к концу 1821 года Майкл Фарадей, уже работавший в Лондоне, изготовил устройство, в котором проводник с током вращался вокруг магнита, а другой магнит поворачивался вокруг другого проводника.

Фарадей выдвинул предположение, что и магнит, и провод окутаны концентрическими силовыми линиями, которые и обуславливают их механическое воздействие.

Он сделал открытие, что причиной возникающей электродвижущей силы является изменение магнитного поля.

В ноябре 1857 года Фарадей написал письмо в Шотландию профессору Максвеллу с просьбой придать математическую форму знаниям об электромагнетизме. Максвелл просьбу выполнил.

Максвелл ввел термин «поле» для обозначения части пространства, которая окружает и содержит тела, пребывающие в магнитном или электрическом состоянии, причем он особо подчеркнул, что само это пространство может быть и пустым и заполненным совершенно любым видом материи, а поле все равно будет иметь место.

По теории Максвелла магнетизм – это взаимодействие особого рода между электрическими токами. Это фундамент, на котором построены все теоретические и экспериментальные работы, относящиеся к магнетизму. ^[2]

Сегодня мы знаем, что магнетизм неразрывно связан с электрическим током. Даже свойства постоянных магнитов связаны с микроскопическими кольцевыми токами, которые протекают в атомах веществ и образуются вращением электронов вокруг ядра, а также собственным вращением частиц, т.е. их спином.

Глава 2. Катушка индуктивности

Если проводник с током выполнить в виде кольца (витка), то у него появляются свои магнитные полюса, северный и южный. Но магнитное поле одного витка, как правило, невелико. Гораздо лучших результатов можно добиться, намотав провод в виде катушки. Такую деталь называют катушкой индуктивности. В этом случае магнитные поля отдельных витков складываются, взаимно усиливая друг друга.

Рисунок 2. Магнитное поле катушки индуктивности.

Совершенно очевидно, что чем большее количество витков у катушки, тем сильнее ее магнитное поле. Также магнитное поле зависит и от тока через катушку. Поэтому вполне правомерно оценивать способность катушки создавать магнитное поле просто умножив ток через катушку (А) на количество витков (W). Такая величина так и называется ампер – витки. ^[1]

Глава 3. Практическая работа

В качестве практической работы мы решили провести опыт, который демонстрирует магнитные свойства катушки индуктивности и ее взаимодействия с постоянными магнитами.

Как уже говорилось в предыдущей главе, виток проволоки с током создает магнитное поле, проходящее сквозь виток. Если таких витков множество, их магнитные поля складываются, образуя постоянный электромагнит. А что будет, если в такое поле поместить обычный магнит? Очевидно, что он начнет двигаться в постоянном магнитном поле катушки индуктивности.

Для практической работы нам потребуется:

·        проволока медная, Ø 0,7 мм, без изоляции - 20 м;

·        сильные неодимовые магниты Ø12мм, толщиной 3мм - 4 шт;

·        элемент питания типоразмера ААА (LR03) с высоким током короткого замыкания (желательно марки GP Super).

Проволоку виток к витку наматываем на обрезок металлопластиковой трубы ДУ 15мм, образуя непрерывную катушку индуктивности.

К элементу питания с торцов прикрепляем по 2 неодимовых магнита таким образом, чтобы их магнитные поля были направлены встречно друг другу, как показано на рисунке 3.

 

Рисунок 3. Элемент питания с прикрепленными магнитами.

Теперь, если внутрь катушки индуктивности поместить наш элемент питания с магнитами, получится примитивный электропоезд, который немедленно начнет движение внутри катушки.

Рассмотрим, как он работает:

Магниты, находящиеся на торцах элемента питания, являются токопроводными, поэтому элемент питания накоротко замыкается через магниты на проволоку, образующую катушку индуктивности.

Через катушку начинает течь большой ток короткого замыкания элемента питания. Поскольку между передними и задними магнитами помещается множество витков, все они генерируют постоянное магнитное поле, направленное в одном направлении и суммирующееся друг с другом.

Катушка между передними и задними магнитами превращается в мощный электромагнит, поле которого, взаимодействуя с постоянными магнитами на элементе питания, перемещает элемент питания вдоль катушки.

Передние магниты при этом касаются все новых и новых витков, а с задних магнитов витки будут соскальзывать, перемещая таким образом рабочую зону катушки, которая формирует движущее магнитное поле.

 

Рисунок 4. Элемент питания внутри катушки индуктивности

Если катушку индуктивности замкнуть в кольцо, такой электропоезд будет ездить внутри до тех пор, пока ток короткого замыкания элемента питания не упадет до уровня, которого уже не хватит для преодоления сил трения магнитов по катушке.

Глава 4. Применение магнитных полей в промышленности и хозяйстве

Применения магнитных полей в науке и технике так многочисленны и разнообразны, что их трудно перечислить. Поэтому ограничимся не­сколькими примерами.

Основное применение магнит находит в электротехнике, радиотехнике, приборостроении, автоматике и телемеханике. Здесь ферромагнитные материалы идут на изготовление магнитопроводов, реле и т.д.

Электромашинные генераторы и электродвигатели - машины вращательного типа, преобразующие либо механическую энергию в электрическую (генераторы), либо электрическую в механическую (двигатели). Действие генераторов основано на принципе электромагнитной индукции: в проводе, движущемся в магнитном поле, наводится электродвижущая сила (ЭДС). Действие электродвигателей основано на том, что на провод с током, помещенный в поперечное магнитное поле, действует сила.

Электрические наручные часы питаются миниатюрной батарейкой. Для их работы требуется гораздо меньше деталей, чем в механических часах; так, в схему типичных электрических портативных часов входят два магнита, две катушки индуктивности и транзистор.

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

Магнитохимия - раздел физической химии, в котором изучается 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 связи между магнитными и химическими свойствами позволяет выяснить особенности химического строения вещества.

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

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

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

В медицинской терапии и диагностике ускорители играют важную практическую роль. Многие больничные учреждения во всем мире сегодня имеют в своем распоряжении небольшие электронные линейные ускорители, генерирующие интенсивное рентгеновское излучение, применяемое для терапии опухолей. В меньшей мере используются циклотроны или синхротроны, генерирующие протонные пучки. Преимущество протонов в терапии опухолей перед рентгеновским излучением состоит в более локализованном энерговыделении. Поэтому протонная терапия особенно эффективна при лечении опухолей мозга и глаз, когда повреждение окружающих здоровых тканей должно быть по возможности минимальным.

Среди технологических революций конца XX века одной из самых главных является перевод потребителей на атомное топливо. И снова магнитные поля оказались в центре внимания. Только они смогут обуздать своенравную плазму в «мирной» термоядерной реакции, которая должна прийти на смену реакциям деления радиоактивных ядер урана и тория.

Исходя из вышесказанного, можно сделать вывод, что в настоящее время нет отрасли, в которой бы не применялся магнит или явление магнетизма. ^[3]

Заключение

Несмотря на то, что проделанный нами опыт не имеет непосредственного полезного применения в науке и технике, и электропоезд, построенный по такому принципу, вряд ли будет экономически эффективным, он наглядно демонстрирует основные принципы магнетизма и взаимосвязь между магнетизмом и электричеством.

Библиография

1.     Катушки индуктивности и магнитные поля
http://electrik.info/main/school/798-katushki-induktivnosti-i-magnitnye-polya.html

2.     Магнетизм - от Фалеса до Максвелла
http://electrik.info/main/fakty/948-magnetizm-ot-falesa-do-maksvella.html

3.     Применение магнитов в разных сферах деятельности современного общества
https://www.kazedu.kz/referat/199468/2