- 17.06.2017
- 5974
- 311
Урок №1
Тема: Магнитное взаимодействие. Магнитное поле.
Цели урока:
Методические приемы: лекция с элементами проблемного обучения и с применением ИКТ.
Приборы и материалы:
1. батарейка,
2. лампочка,
3. ключ,
4. провода,
5. магнитная стрелка,
6. два гибких проводника, укрепленных вертикально, присоединенных нижними концами к полюсам источника тока.
Ход урока.
1. Организационный момент.
2. Актуализация опорных знаний.
Итак, как вам уже известно, существуют два вида зарядов: подвижные и неподвижные. Мы знаем, что между неподвижными зарядами действует сила - сила Кулона. Также вам известно, что неподвижные заряды образуют электрическое поле.
А что же происходит с подвижными зарядами? ….
Верно, они образуют электрический ток и электрическое поле. Однако помимо этого есть ещё очень важное явление, связанное с подвижными электрическими зарядами. А для того, чтобы выяснить, что наблюдается во время движения электрических зарядов, рассмотрим опыты, которые провел Ханс Эрстед.
3. Объяснение нового материала.
В 1820г. Ханс Эрстед, профессор Копенгагенского университета, демонстрировал на лекции студентам нагревание проводника электрическим током. Эрстед обратил внимание на то, что стрелка компаса, случайно оказавшегося на столе под проводником, располагается в отсутствие тока параллельно проводнику, а при включении тока почти перпендикулярно проводнику. При изменении направления тока стрелка отклонялась в противоположную сторону.
Эксперимент №1. Опыт Эрстеда.
Давайте соберем с Вами простую электрическую цепь, состоящую из источника питания, лампочки и ключа. Расположите под любым проводником с током компас (или магнитную стрелку). Замкните цепь и пронаблюдайте за поведением стрелки.
Итак, что Вы можете сказать, после проведенного Вами эксперимента
Анализ опыта:
а). когда ток был не включен, магнитная стрелка оставалась в покое.
б). как только ток был включен, т.е. электрические заряды пришли в движение, стрелка отклонилась.
Из проделанного опыта Эрстед сделал следующий вывод: электрический ток воздействует на магнитную стрелку. Это воздействие называется магнитным полем. Значит, магнитное поле порождается движущимися зарядами. А, следовательно, проводники с током обладают магнитными свойствами. Эрстед, в отличии от нас пошел чуть дальше.
В частности Эрстед обнаружил следующее: «Если расстояние от проволоки до стрелки не превосходит 2-х сантиметров, отклонение стрелки составляет 45°. Если расстояние увеличивать, то угол пропорционально уменьшается. Абсолютная величина отклонения изменяется в зависимости от мощности тока».
Эрстед проверил и действие проводников из различных металлов на стрелку. Для этого он брал проволоки из платины, золота, серебра, латуни, свинца, железа. И выяснил, что металлы, которые никогда не обнаруживали магнитных свойств, приобретают их, когда через них протекает электрический ток.
Ну а когда Эрстед поставил
провод вертикально, то магнитная стрелка совсем не указывала на
него, а располагалась как бы по диаметру окружности с центром по оси
провода. Это и вовсе стало новой тайной, не
укладывающейся в рамки ньютоновских законов и прямо нарушающей,
как казалось, третий из них: направления возмущающей силы – электричества
(определяемого направлением провода) и силы реакции – магнетизма
(определяемого направлением магнитной стрелки) были перпендикулярны.
Ученые впервые видели «противодействие», не противоположное по направлению
«действию».
Однако чтобы и дальше исследовать магнитное поле постоянного электрического тока, нужно было договориться, как количественно описывать магнитное поле. Для количественного описания магнитных явлений ученые ввели силовую характеристику магнитного поля, и назвали ее магнитной индукцией.
Магнитная индукция – это векторная величина, количественно характеризующая магнитное поле.
Обозначается она обычно большой латинской буквой B, измеряется в тесла [Тл].
Направление магнитного поля определяется
по аналогии с моделью электростатики, в которой поле характеризуется
действием на пробный покоящийся заряд. Только здесь в качестве «пробного
элемента» используется магнитная стрелка.
За направление магнитного поля в какой-либо точке принято направление, которое укажет северный полюс N магнитной стрелки после переориентации.
Полную и наглядную картину магнитного поля можно получить, если построить так называемые силовые линии магнитного поля.
Это линии, показывающие направление вектора магнитной индукции (то есть направления полюса N магнитной стрелки) в каждой точке пространства. С помощью магнитной стрелки, таким образом, можно получить картину силовых линии различных магнитных полей. Вот, например, картина силовых линий магнитного поля постоянного магнита.
Магнитное
поле существует в каждой точке, но линии мы изображаем на некотором
расстоянии друг от друга. Это просто способ изображения магнитного
поля, аналогично мы поступали с напряженностью электрического
поля.
Чем
более плотно нарисованы линии – тем больше модуль магнитной индукции
в данной области пространства. Как видите, силовые линии выходят из
северного полюса магнита и входят в южный полюс. Внутри магнита силовые
линии поля также продолжаются. В отличие от силовых линий электрического
поля, которые начинаются на положительных зарядах и заканчиваются
на отрицательных, силовые линии магнитного поля замкнутые
Поле,
силовые линии которого замкнуты, называется вихревым векторным
полем. Электростатическое поле не является вихревым, оно потенциальное.
Принципиальное различие вихревых и потенциальных полей в том, что работа
потенциального поля на любом замкнутом пути равна нулю, для вихревого
поля это не так. Земля тоже является огромным магнитом, она обладает
магнитным полем, которое мы обнаруживаем с помощью стрелки компаса.
Наша планета
Земля является большим магнитом, полюса которого находятся неподалеку
от пересечения поверхности с осью вращения. Географически это
Южный и Северный полюса. Именно поэтому стрелка в компасе, которая
тоже является магнитом, взаимодействует с Землей. Она ориентируется
таким образом, что один конец указывает на Северный полюс, а другой –
на Южный
Тот, который указывает на Северный полюс Земли, обозначили N, что означает North – в переводе с английского «Север». А тот, который указывает на Южный полюс Земли – S, что означает South – в переводе с английского «Юг». Так как притягиваются разноименные полюса магнитов, то северный полюс стрелки указывает на Южный магнитный полюс Земли (см. рис. 8).
Получается, что Южный магнитный полюс находится у Северного географического. И наоборот, Северный магнитный находится у Южного географического полюса Земли.
Теперь, познакомившись с моделью магнитного поля,
исследуем поле проводника с постоянным током.
Практика показывает, что в магнитном поле прямолинейного проводника с током магнитная стрелка в каждой точке будет устанавливаться по касательной к некоторой окружности. Плоскость этой окружности перпендикулярна проводнику с током, а ее центр лежит на оси проводника
Если изменить направление протекания тока по проводнику,
то магнитная стрелка в каждой точке развернется в противоположную
сторону.
То есть направление магнитного поля зависит от направления протекания тока по проводнику.
Описать эту зависимость можно при помощи простого экспериментально установленного метода – правила буравчика:
Если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения его ручки совпадает с направлением магнитного поля, создаваемого этим проводником.
Итак, магнитное поле проводника с током направлено в каждой точке по касательной к окружности, лежащей в плоскости, перпендикулярной проводнику. Центр окружности совпадает с осью проводника. Направление вектора магнитного поля в каждой точке связано с направлением тока в проводнике правилом буравчика. Опытным путем, при изменении силы тока и расстояния от проводника, установлено, что модуль вектора магнитной индукции пропорционален току I и обратно пропорционален расстоянию от проводника r. Модуль вектора магнитной индукции поля, создаваемого бесконечным проводником с током, равен:
где µ0 – коэффициент пропорциональности, который нередко встречается в магнетизме. Называется магнитной проницаемостью вакуума. Численно равен:
Для магнитных полей, как и для электрических, справедлив принцип суперпозиции. Магнитные поля, создаваемые разными источниками в одной точке пространства, складываются.
Суммарная силовая характеристика такого поля будет векторной суммой силовых характеристик полей каждого из источников. Величину магнитной индукции поля, создаваемого током в определенной точке, можно увеличить, если согнуть проводник в окружность. Это будет понятно, если рассмотреть магнитные поля небольших сегментов такого витка провода в точке, находящейся внутри этого витка. Например, в центре.
Сегмент, обозначенный ∆х1 , по правилу буравчика создает в ней поле, направленное вверх. Сегмент ∆х2 аналогично создает в этой точке магнитное поле, направленное туда же. Аналогично и для других сегментов. Тогда суммарная силовая характеристика (то есть вектор магнитной индукции B) в этой точке будет суперпозицией силовых характеристик магнитных полей всех малых сегментов в этой и будет направлено вверх.
Рис. Магнитное поле сегментов Рис. Суммарная силовая характеристика в центре витка
Для произвольного витка, не обязательно в форме окружности, например для квадратной рамки, величина вектора магнитной индукции внутри витка будет, естественно, зависеть от формы, размеров витка и силы тока в нем, но направление вектора магнитной индукции всегда будет определяться таким же способом (как суперпозиция полей, создаваемых малыми сегментами).
Рис. Магнитное поле сегментов квадратной рамки
Итак, мы подробно разобрали определение направления поля внутри витка, но в общем случае его можно находить гораздо проще, по немного измененному правилу буравчика:
если вращать рукоятку буравчика в том направлении, куда течет ток в витке, то острие буравчика укажет направление вектора магнитной индукции внутри витка.
То есть теперь вращение рукоятки соответствует направлению тока, а перемещение буравчика – направлению поля. А не наоборот, как было в случае с прямым проводником. Если длинный проводник, по которому течет ток, свернуть в пружину, то это устройство будет представлять из себя множество витков. Магнитные поля каждого витка катушки по принципу суперпозиции будут складываться. Таким образом, поле, создаваемое катушкой в некоторой точке, будет суммой полей, создаваемых каждым из витков в этой точке. Картину силовых линий поля такой катушки вы видите на рис. 1.
Такое устройство называется катушкой, соленоидом или электромагнитом. Нетрудно заметить, что магнитные свойства катушки будут такими же, как у постоянного магнита (см. рис. 2).
Рис. 1. Силовые линии катушки Рис. 2. Магнитные свойства катушки и постоянного магнита
Одна
сторона катушки (которая на рисунке сверху) играет роль северного
полюса магнита, а другая сторона – южного полюса. Такое устройство
широко применяется в технике, потому что им можно управлять: оно становится
магнитом только при включении тока в катушке. Обратите внимание,
что линии магнитного поля внутри катушки почти параллельны, их плотность
велика. Поле внутри соленоида очень сильное и однородное. Поле снаружи
катушки неоднородно, оно намного слабее поля внутри и направлено в
противоположную сторону. Направление магнитного поля внутри катушки
определяется по правилу буравчика как для поля внутри одного витка.
За направление вращения рукоятки мы принимаем направление тока,
который течет по катушке, а перемещение буравчика указывает направление
магнитного поля внутри нее (см. рис. 3).
Рис. 3. Правило буравчика для катушки
Если
поместить виток с током в магнитное поле, он будет переориентироваться,
подобно магнитной стрелке. Момент силы, вызывающий поворот, связан
c модулем вектора магнитной индукции в данной точке, площадью витка
и силой тока в нем следующим соотношением:
Теперь становится понятно, откуда берутся магнитные свойства постоянного магнита: электрон, движущийся в атоме по замкнутой траектории, подобен витку с током, и, как и виток, он обладает магнитным полем. А, как мы увидели на примере катушки, множество витков с током, упорядоченных определенным образом, обладают сильным магнитным полем.
Поле, создаваемое постоянными магнитами, – результат движения зарядов внутри них. И эти заряды – электроны в атомах (см. рис. 4).
Объясним механизм его возникновения на качественном уровне. Как известно, электроны в атоме находятся в движении. Так вот, каждый электрон, в каждом атоме создает свое магнитное поле, таким образом, получается огромное количество магнитов размером с атом. У большинства веществ эти магниты и их магнитные поля ориентированы хаотично. Поэтому суммарное магнитное поле, создаваемое телом, равно нулю. Но есть вещества, у которых магнитные поля, создаваемые отдельными электронами, ориентированы одинаково (см. рис. 5).
Поэтому магнитные поля, создаваемые каждым электроном, складываются. В итоге тело из такого вещества обладает магнитным полем и является постоянным магнитом. Во внешнем магнитном поле отдельные атомы или группы атомов, обладающие, как мы выяснили, собственным магнитным полем, поворачиваются как стрелка компаса (см. рис. 6).
Рис. 4. Рис. 5. Рис. 6.
Движение электронов в атомах. Магнитные поля ориентированы одинаково. Поворачивание атомов во внешнем
магнитном поле
Если они до этого не были ориентированы в одну сторону и не образовывали сильное суммарное магнитное поле, то после упорядочивания элементарных магнитов их магнитные поля сложатся. И если после действия внешнего поля упорядоченность сохранится, вещество останется магнитом. Описанный процесс называется намагничиванием.
А теперь давайте пронаблюдаем, как взаимодействуют проводники с током?
4. Фронтальная лабораторная работа №1:
«Наблюдение действие магнитного поля на проводник с током».
Вы видите два гибких проводника, укрепленных вертикально, присоединенных нижними концами к полюсам источника тока.
Если проводники не замкнуты, то взаимодействие не наблюдается, т. е. притяжения или отталкивания нет. Если проводники замкнуть проволокой так, чтобы в проводниках возникли токи противоположного направления, то проводники начнут отталкиваться друг от друга. Если проводники замкнуть проволокой так, чтобы в проводниках возникли токи одного направления, то проводники начнут притягиваться друг к другу
Схематически зарисуйте картинки и сделайте под каждым вывод о том, как взаимодействуют проводники с током.
5. Объяснение нового материала.
Кстати впервые эти опыты провел французский физик Анре Ампер. И именно он впервые выяснил, что если ток в обоих проводниках будет идти в противоположных направлениях, то проводники отталкиваются, если же в одном направлении – притягиваются. Это взаимодействие между проводниками с током, т.е. взаимодействие между движущимися электрическими зарядами, называются магнитным. Значит между проводниками с током проявляются магнитные силы. Как же они действую друг на друга? Оказывается, что ток в первом проводнике создает вокруг себя магнитное поле, которое действует на ток во втором проводнике. А ток во втором проводнике в свою очередь создаёт вокруг себя магнитное поле, которое действует на ток в первом проводнике. Результат воздействия магнитных полей на токи в проводниках проявляется в виде отталкивания или притяжения проводников.
В пространстве окружающем токи, возникает поле, называемое магнитным.
Магнитное поле – особый вид материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными частицами.
Магнитное поле обладаем рядом свойств:
· магнитное поле порождается только движущимися зарядами, в частности электрическим током;
· в отличие от электрического поля магнитное поле обнаруживается по его действию на движущиеся заряды (заряженные тела);
· магнитное поле материально, так как оно действует на тела, и, следовательно, обладает энергией;
· магнитное поле обнаруживается по действию на магнитную стрелку.
· магнитное поле вокруг проводника с током носит вихревой характер.
Кстати это именно Эрстед предложил считать действие проводника с током вихревым, так как именно вихрям свойственно действовать в противоположных направлениях на двух концах одного диаметра.
И еще, подобно электрическому полю, магнитное поле существует реально, независимо от нас, от наших знаний о нем.
Для изучения магнитного поля можно взять замкнутый контур малых (по сравнению с расстояниями, на которых магнитное поле заметно изменяется) размеров. Например, можно взять маленькую плоскую проволочную рамку произвольной формы. Подводящие ток проводники нужно расположить близко друг к другу или сплести их вместе. Тогда результирующая сила, действующая со стороны магнитного поля на эти проводники, будет равна нулю.
Выяснить характер действия магнитного поля на контур с током можно с помощью следующего опыта.
Если подвесить на тонких гибких проводниках,
сплетенных вместе, маленькую плоскую рамку, состоящую из нескольких витков
проволоки, а на расстоянии, значительно большем размеров рамки, вертикально
расположить провод (рис. 7, а), то при пропускании электрического тока через
провод и рамку рамка повернется и расположится так, что провод окажется в
плоскости рамки (рис. 7, б). При изменении же направления тока в
проводе рамка повернется на 180°.
А, если подвесить на гибких проводах рамку с током
между полюсами магнита, то рамка будет поворачиваться до тех пор, пока
плоскость ее не установится перпендикулярно к линии, соединяющей полюсы магнита
.
Таким образом, магнитное поле оказывает на рамку с током ориентирующее действие.
Анализ проведенных экспериментов позволил
Амперу вывести свой знаменитый закон взаимодействия токов: сила
взаимодействия двух параллельных проводников с током пропорциональна
произведению величин токов в этих проводниках на длину проводников
и обратно пропорциональна расстоянию между проводниками.
Кроме того, он выяснили, что проводники с током оказывают магнитное действие, а проводник, скрученный в катушку (соленоид), ведет себя подобно постоянному плоскому магниту (см. рис. 8).
Рис. 8. Соленоид
Определить полярность такого магнита также можно по правилу правой руки (см. рис. 9).
Если обхватить соленоид ладонью правой руки так, чтобы четыре пальца были направлены вдоль тока в витках, то отставленный большой палец покажет направление линий магнитного поля внутри соленоида.
Рис. 9. Определение полярности магнита
6. Домашнее задание.
· сделать опорный конспект по презентации
· У. §1, выполнить рисунки для заданий 5, 9, 10
· З. §1, №3, №5, №6, №11
Рабочие листы
к вашим урокам
Скачать
6 671 976 материалов в базе
Настоящий материал опубликован пользователем Томилина Ольга Александровна. Инфоурок является информационным посредником и предоставляет пользователям возможность размещать на сайте методические материалы. Всю ответственность за опубликованные материалы, содержащиеся в них сведения, а также за соблюдение авторских прав несут пользователи, загрузившие материал на сайт
Если Вы считаете, что материал нарушает авторские права либо по каким-то другим причинам должен быть удален с сайта, Вы можете оставить жалобу на материал.
Удалить материал
Ваша скидка на курсы
40%
Курс повышения квалификации
72 ч.
Курс профессиональной переподготовки
300 ч. — 1200 ч.
Курс повышения квалификации
36 ч. — 180 ч.
Мини-курс
4 ч.
Мини-курс
3 ч.
Мини-курс
4 ч.
Оставьте свой комментарий
Авторизуйтесь, чтобы задавать вопросы.