Постоянные магниты. Магнитное поле тока. Магнитное взаимодействие.
план-конспект урока по физике (10 класс) на тему

План – конспект

    Тема занятия: Постоянные магниты. Магнитное поле тока. Магнитное взаимодействие.

Цели занятия

• дать понятие “постоянного магнита”, магнитных силовых линий,
• рассмотреть свойства магнитов, применение их;
• ознакомить уч-ся с гипотезой молекулярных токов, ввести правило правой руки, по которому определяют направление магнитных силовых линий.

Форма занятия  учебное занятие                                                                                                     Тип занятия комбинированное                                                                                              Методы обучения:                                                                                                              словесные, наглядные                                                                                                                                           практические                                                                                                                                     Межпредметные связи:                                                                                                                                                                                                                                                        математика                                                                                                                                                                                                                                                                                       Материально- техническое оснащение:   постоянные магниты, стальная стружка, магнитные стрелки.                                                                                                                                                                                   Ход занятия

1. Организационный момент
2. Актуализация знаний ( повторение основных понятий  явлений).
3. Вступительное слово
4. Изложение темы                                                                                                                                  Закрепление
5. Итог занятия.
6. Домашнее задание

Изложение темы занятия по плану :                                                                                                             - историческая справка                                                                                                                                                   - постоянные магниты, взаимодействие магнитов                                                                                                                                                 - опыт Эрстеда                                                                                                                                              -- магнитное поле                                                                                                                                                    - силовые линии магнитного поля  

Вступительное слово   Возникает вопрос “Откуда же произошло слово “магнит”? История магнита насчитывает свыше двух с половиной тысяч лет.

Из древней Греции дошли легенды о горе, притягивающей железные предметы, настолько мощной, что вражеские корабли не могли близко подойти к ней - она выдёргивала гвозди из досок и корабли рассыпались в море.

Правоверные мусульмане убеждены в том, что гроб с останками пророка Магомеда покоится в воздухе, без всякой опоры между полом и потолком.

3000 лет назад в древнем Китае обнаружили свойство стрелок, изготовленных из особого вещества, устанавливаться в определённом направлении: с севера на юг. Стали их применять на колесницах и других средствах передвижения, как «югоуказатель» - на китайском языке «чи - нан».

Первые объяснения пытался дать Лукреций Кар, римский поэт и мыслитель в книге «О природе вещей»: он предположил, что магнитные свойства определяются отделением от магнита очень маленьких частиц.

В 1600г. английский врач Г.Х.Гилберт вывел основные свойства постоянных магнитов.

До Х1Х века новых данных не было. В 1820 г. датский учёный Эрстед обнаружил, действие электрического тока на магнитную стрелку и заставил задуматься учёных о взаимосвязи электрического и магнитного полей.

Описанный древними учёными камень называется естественный магнит, он содержит 72% железа, это минерал, называемый магнитный железняк или маг

Старинная легенда рассказывает о пастухе имени Магнус. Он однажды обнаружил, что железный наконечник его палки и гвозди сапог притягиваются к черному камню. Этот камень стали называть камнем “Магнуса” или просто “магнитом”. Но известно и другое предание о том, что слово “магнит” произошло от названия местности, где добывали железную руду (холмы Магнези в Малой Азии). Таким образом, за много веков до н. э. было известно, что некоторые каменные породы обладают свойством притягивать куски железа. Об этом упоминал в VI в до н. э. греческий физик и философ Фалес. В те времена свойства магнитов казались волшебными. В той же древней Греции их странное действие связывали напрямую с деятельностью богов; иначе магнит называли “камнем Геркулеса”.

Вот как описывал свойство этого камня древнегреческий мудрец Сократ: “Этот камень не только притягивает железное кольцо – он одаряет своей силой и кольцо, так что в свою очередь может притягивать др. кольцо, и таким образом может висеть друг на друге множество колец или кусков железа; это происходит благодаря силе магнитного камня.

Магнит был хорошо известен и в древней Индии, и в древнем Китае – именно там впервые догадались, что намагниченной иглой можно пользоваться как указателем севера, так и юга.

Каковы же свойства магнитов и чем определяются свойства магнитов?

 Поднесем  магниты к железным опилкам. Что вы наблюдаете? Обязательно ли близко надо поднести магнит, чтобы они притянулись?

Поднесем магниты друг к другу. Как взаимодействуют магниты?

Вывод делают учащиеся - свойства магнитов перечислить.

Почему куски, железные опилки притягиваются к магниту? Подобно тому, как заряженная стеклянная палочка притягивает к себе куски бумаги, подобно этому магнит притягивает к себе железные опилки. Вокруг магнита существует магнитное поле, отличается от вещества и существует только вокруг намагниченных тел

Наличие магнитного поля можно обнаружить с помощью магнитной стрелки, свободно поворачивающейся в эт. п. Вызывает ли отклонение магнитной стрелки электрический ток? Для этого обратимся к опыту, проведенному Эрстедом.

Опыт № 1

Он разместил магнитную стрелку под проводником. При замыкании цепи стрелка отклонится, при размыкании стрелка возвращается. Чем вызывается отклонение стрелки? Так как мы знаем, что электрический ток – упорядоченное движение заряженных частиц.

 Если эти частицы покоятся, то создают вокруг себя лишь электрическое поле. Вокруг движущихся зарядов, помимо электрического поля существует еще и магнитное, => проводник с током создает магнитное поле => электрический ток – источник магнитного поля. Это явление было обнаружено датским ученым Эрстедом в 1820 г.

Но почему же существует магнитное поле вокруг постоянных магнитов, если источником магнитного поля являются электрические токи? На этот вопрос ответил Ампер. В 1820 г. французский ученый Ампер выдвинул гипотезу. В атомах вещества имеются (железа) электроны, имеющие “-” заряд и движущиеся вокруг ядра. Их движение можно представить как круговой электрический ток, создающий магнитное поле. Эти очень маленькие магнитики ориентированы беспорядочно, если нет внешнего магнитного поля.

Для графического изображения магнитного поля используют магнитные силовые линии – воображаемые линии, вдоль которых устанавливаются оси маленьких магнитных стрелок, помещающихся в поле. Какой же вид имеют силовые линии магнитного поля тока?  силовые линии магнитного поля тока – окружности, охватывающие ток.

Вывод (делают учащиеся): силовые линии магнитного поля – окружности.

Направление силовых линий магнитного поля прямолинейного проводника тока определяются с помощью 1 правила правой руки – если обхватить проводник ладонью правой руки, направив отставленный большой палец вдоль тока, то отставленные пальцы этой руки укажут направление силовых линий магнитного поля тока.

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

Магнитное поле, что это? - особый вид материи;
Где существует? - вокруг движущихся электрических зарядов (в том числе вокруг проводника с током) Подобно тому как в пространстве, окружающем неподвижные электрические заряды, возникает электрическое поле, в пространстве, окружающем движущиеся заряды, возникает магнитное поле.    Магнитное поле представляет собой особую форму материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрическими заряженными частицами.                                                                                                                                               Магнитное поле создается не только электрическим током, но и постоянными магнитами.

Рассказываю о гипотезе Ампера (1775- 1836г.) о существовании электрических токов, циркулирующих внутри каждой молекулы вещества. В 1897г. гипотезу подтвердил английский учёный Томсон, а в 1910г. измерил токи американский учёный Милликен.                                                                                                       Вывод: движение электронов представляет собой круговой ток, а о том, что вокруг проводника с электрическим током существует магнитное поле, мы знаем из предыдущих уроков. Т.е. вещество обладает магнитными свойствами, если в нём наблюдается вращательное движение заряженных частиц в упорядоченных плоскостях. Необходимо подчеркнуть, что данная гипотеза ещё ищет окончательное подтверждение в мире науки.                                                                                                          На основании своих опытов Ампер сделал вывод, что взаимодействие токов с магнитом и магнитов между собой можно объяснить, если предположить, что внутри магнита существуют незатухающие молекулярные круговые токи.

Прохождение электрического тока может сопровождаться нагреванием и свечением вещества, различными его химическими превращениями, магнитным взаимодействием. Из всех известных действий тока только магнитной взаимодействие сопровождает электрический ток при любых условиях, в любой среде и в вакууме.  

           Основные свойства магнитного поля: 

· магнитное поле порождается электрическим полем.

· Магнитное поле обнаруживается по действию на ток.

· Магнитное поле материально, оно действует на тела, а следовательно, обладает энергией.

                                                                                                                                                                         Как обнаружить? - с помощью магнитной стрелки (или железных опилок) или по его действию на проводник с током.

Опыт Эрстеда:

Магнитная стрелка поворачивается, если по проводнику начинает протекать эл. ток, т.к. вокруг проводника с током образуется магнитное поле.

Взаимодействие двух проводников с током:

Каждый проводник с током имеет вокруг себя собственное магнитное поле, которое с некоторой силой действует на соседний проводник. В зависимости от направления токов проводники могут притягиваться или отталкиваться друг от друга.

МАГНИТНЫЕ ЛИНИИ
(или ЛИНИИ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ)

Как изобразить магнитное поле? - с помощью магнитных линий;
Магнитные линии, что это?

• воображаемые линии , вдоль которых располагаются магнитные стрелки,

помещенные в магнитное поле;

• можно провести через любую точку магнитного поля;
• имеют направление;
• всегда замкнуты.

НЕОДНОРОДНОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

Характеристики:

• магнитные линии искривлены;
• густота магнитных линий различна;
• сила, с которой магнитное поле действует на магнитную стрелку,

различна в разных точках этого поля по величине и направлению.

Где существует?

............................ 

• вокруг прямого проводника с током;
• вокруг полосового магнита;
• вокруг соленоида.

...............................

ОДНОРОДНОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

Характеристики:

• магнитные линии параллельные прямые;
• густота магнитных линий везде одинакова;
• сила, с которой магнитное поле действует на магнитную стрелку,

одинакова во всех точках этого поля по величине и направлению.

Где существует?

• внутри полосового магнита;
• внутри соленоида , если его длина много больше, чем диаметр.

Закрепление (опорный конспект )

                                          ИНТЕРЕСНО ?

Способность железа и его сплавов сильно намагничиваться исчезает при нагревании до высокой температуры. Чистое железо теряет такую способность при нагревании до 767 °С.

Мощные магниты, используемые во многих современных товарах, способны влиять на работу электронных стимуляторов сердца и вживленных сердечных устройств у кардиологических пациентов. Обычные железные или ферритовые магниты, которые легко отличить по тускло-серой окраске, обладают небольшой силой и практически не вызывают беспокойств.
Однако недавно появились очень сильные магниты - блестяще-серебристые по цвету и представляющие собой сплав неодима, железа и бора. Создаваемое ими магнитное поле очень сильно, благодаря чему они широко применяются в компьютерных дисках, наушниках и динамиках, а также в игрушках, украшениях и даже одежде.

Однажды на рейде главного города Майорки, появилось французское военное судно "Ля-Ролейн". Состояние его было настолько жалким, что корабль едва дошел своим ходом до причала.. Когда на борт судна взошли французские ученые, в том числе двадцати двухлетний Араго, выяснилось, что корабль был разрушен молнией. Пока комиссия осматривала судно, покачивая головами при виде обгоревших мачт и надстроек, Араго поспешил к компасам и увидел то, что ожидал: стрелки компасов указывали в разные стороны...

___

Через год, копаясь в останках разбившегося вблизи Алжира генуэзского судна, Араго обнаружил, что стрелки компасов были размагничены. В кромешной тьме туманной ночи капитан, направив по компасу судно к северу, подальше от опасных мест, на самом деле неудержимо двигался к тому, чего так старался избежать. Корабль шел к югу, прямо к скалам, обманутый пораженным молнией магнитным компасом.

В. Карцев. Магнит за три тысячелетия.

КОМПАС

Магнитный компас был изобретен в Китае.
Уже 4000 лет тому назад караванщики брали с собой глиняный горшок и "берегли его в пути пуще всех своих дорогих грузов". В нем на поверхности жидкости на деревянном поплавке лежал камень, любящий железо. Он мог поворачиваться и , все время указывал путникам в сторону юга, что при отсутствии Солнца помогало им выходить к колодцам.
В начале нашей эры китайцы научились изготавливать искусственные магниты, намагничивая железную иглу.
И только через тысячу лет намагниченную иглу для компаса стали применять европейцы.

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ

Земля - это большой постоянный магнит.
Южный магнитный полюс, хоть и расположен, по земным меркам, вблизи Северного географического полюса, их, тем не менее, разделяют около 2000 км.
На поверхности Земли имеются территории, где ее собственное магнитное поле сильно искажено магнитным полем железных руд, залегающих на небольшой глубине. Одна из таких территорий – Магнитная индукция поля Земли составляет 0,5Ч10–4 Тл, тогда как поле между полюсами сильного электромагнита – порядка 2 Тл и более.

Курская магнитная аномалия, расположенная в Курской области.

___

На магнитное поле Земли оказывает влияние повышенная солнечная активность. Примерно один раз в каждые 11.5 лет она возрастает настолько, что нарушается радиосвязь, ухудшается самочувствие людей и животных, а стрелки компасов начинают непредсказуемо "плясать" из стороны в сторону. В таком случае говорят, что наступает магнитная буря. Обычно она длится от нескольких часов до нескольких суток.

Магнитное поле Земли время от времени изменяет свою ориентацию, совершая и вековые колебания (длительностью 5–10 тыс. лет), и полностью переориентируясь, т.е. меняя местами магнитные полюсы (2–3 раза за миллион лет). На это указывают «вмороженное» в осадочные и вулканические породы магнитное поле отдаленных эпох. Поведение геомагнитного поля нельзя назвать хаотичным, оно подчиняется своеобразному «расписанию».

Геофизики последние 100 лет наблюдают уменьшение напряжённости магнитного поля Земли и предполагают через 1500 лет смену магнитных полюсов. Измерена скорость путешествия северного магнита. Причина магнитного поля земли до конца не установлена. Одна из гипотез говорит о том, что, так как ядро Земли сжато давлением 3,5 - 5•10 6 атм. и является жидким, в нём могут циркулировать круговые токи - источники магнитного поля.

Другая гипотеза возникла в 1958г., когда искусственные спутники СССР и США обнаружили существование двух радиационных поясов в экваториальной плоскости Земли, которые представляют собой движение заряженных частиц - электронов и протонов - кольцевой ток. магнитного полюса примерно 6 км/год в направлении на северо-восток.                                  Направление и величина геомагнитного поля задаются процессами, происходящими в ядре Земли. Характерное время переполюсовки, определяемое внутренним твердым ядром, составляет от 3 до 5 тыс. лет, а определяемое внешним жидким ядром – около 500 лет. Этими временами и может  объясняться  наблюдаемая динамика геомагнитного поля. Компьютерное моделирование с учетом различных внутриземных процессов показало возможность переполюсовки магнитного поля примерно за 5 тыс. лет.

«Полярное сияние».

Ах, как играет этот север!

Ах, как играет надо мной

Разнообразных радуг веер,

В его короне ледяной!

Ему, наверно, по натуре

Холодной страсти красота,

Усилием магнитной бури

Преображённая в цвета...

ФОКУСЫ С МАГНИТАМИ

"Храм очарований, или механический, оптический и физический кабинет г. Гамулецкого де Колла" известного русского иллюзиониста Гамулецкого, просуществовавший до 1842 года, прославился помимо всего прочего тем, что посетители, поднимавшиеся по украшенной канделябрами и устланной коврами лестнице, еще издали могли заметить на верхней площадке лестницы золоченую фигуру ангела, выполненную в натуральный человеческий рост, которая парила в горизонтальном положении над дверью кабинета не будучи подвешена, ни оперта. В том, что фигура не имела никаких подпорок, мог убедиться каждый желающий. Когда посетители вступали на площадку, ангел поднимал руку, подносил ко рту валторну и играл на ней, шевеля пальцами самым естественным образом. Десять лет - говорил Гамулецкий, - я трудился, чтобы найти точку и вес магнита и железа, дабы удержать ангела в воздухе. Помимо трудов немало и средств употребил я на это чудо".

___

В средние века весьма распространенным иллюзионным номером были так называемые "послушные рыбы", изготовлявшиеся из дерева. Они плавали в бассейне и повиновались малейшему мановению руки фокусника, который заставлял их двигаться во всевозможных направлениях. Секрет фокуса был чрезвычайно прост: в рукаве у фокусника был спрятан магнит, а в головы рыб вставлены кусочки железа.
Более близкими к нам по времени были манипуляции англичанина Джонаса. Его коронный номер: Джонас предлагал некоторым зрителям положить часы на стол, после чего он, не прикасаясь к часам, произвольно менял положение стрелок.
Современным воплощением такой идеи является хорошо известные электрикам электромагнитные муфты, с помощью которых можно вращать устройства, отделенные от двигателя какой-нибудь преградой, например, стеной.

В середине 80-х годов 19 века пронеслась молва об ученом слоне, который умел не только складывать и вычитать, но даже умножать, делить и извлекать корни. Делалось это следующим образом. Дрессировщик, например, спрашивал слона: "Сколько будет семью восемь?" Перед слоном стояла доска с цифрами. После вопроса слон брал указку и уверенно показывал цифру 56. Точно так же производилось деление и извлечение квадратного корня. Фокус был достаточно прост: под каждой цифрой на доске был спрятан небольшой электромагнит. Когда слону задавался вопрос, в обмотку магнита, расположенного означающей правильный ответ, подавался ток. Железная указка в хоботе слона сама притягивалась к правильной цифре. Ответ получался автоматически. Несмотря на всю простоту этой дрессировки, секрет фокуса долгое время не могли разгадать, и "ученый слон" пользовался громадным успехом.

Источник: Вл. Карцев "Магнит за три тысячелетия".

Самое мощное постоянное поле величиной 35,3 ± 0,3 Тесла было получено в Национальной магнитной лаборатории им. Фрэнсиса Биттера в Массачусетском технологическом институте, США, 26 мая 1988 г. Для его получения использовался гибридный магнит с гольмиевыми полюсами. Под его воздействием усиливалось магнитное поле, создаваемое сердцем и мозгом.

Самое слабое магнитное поле было измерено в экранированном помещении той же лаборатории. Его величина составила 8·10–15 Тесла. Оно использовалось д-ром Дэвидом Коэном для изучения чрезвычайно слабых магнитных полей, создаваемых сердцем и мозгом

Д/З.  § 21, 22, ,  № 103, 104, 105, 106 (стр. 143)