Магнітне поле котушки зі струмом.

Мета.

Навчальна. Ознайомити з магнітними властивостями котушки зі струмом. Вчитися визначати полюси котушки зі струмом за правилом правої руки. Ввести поняття електромагніту. З’ясувати принцип дії електромагнітів та їх застосування в різних галузях.

Розвиваюча. Розвивати логічне та алгоритмічне мислення.

Виховна. Виховувати культуру наукового мислення та мовлення. Формувати інформаційну культуру учнів.

Тип уроку. Урок засвоєння нових знань.

Дидактичні матеріали:

• Підручник. Фізика: підруч. для 9 класу  Бар’яхтар В. Г., Довгий С. О., Божинова Ф. Я.
• Демонстрація. Притягання залізних предметів котушкою зі струмом (котушка, джерело постійного струму, ключ, залізні предмети: скріпки, гайки, булавки).
• Демонстрація. Спектр магнітного поля котушки зі струмом (котушка для демонстрації спектрів магнітного поля, з’єднувальні провідники, ключ, джерело постійного струму, ошурки).
• Демонстрація. Визначення полюсів магнітного поля котушки за допомогою магнітної стрілки (котушка, з’єднувальні провідники, ключ, джерело постійного струму, магнітна стрілка).
• Демонстрація. Притягання та відштовхування двох легких котушок зі струмом (штатив з двома лапками та двома муфтами, дві котушки, з’єднувальні провідники, джерело постійного струму, два ключі, два стікери на клейкій основі).
• Демонстрація. Будова електромагніту (електромагніт розбірний з деталями, з’єднувальні провідники, ключ, джерело постійного струму).
• Демонстрація. Залежність дії магнітного поля від сили струму в котушці (джерело постійного струму, електромагніт розбірний, з’єднувальні провідники, ключ, штатив з муфтою і лапкою, гальванометр, важки).
• Демонстрація. Застосування електромагнітів (моделі електродвигуна та електричного генератора, трансформатора, електровимірювальних приладів (гальванометра, ватметра, амперметра та вольтметра лабораторного, модель електричного дзвінка).
• Демонстрація. Принцип роботи електричного дзвоника (модель електричного дзвінка).
• Відео. Електромагніт (Час показу 4:58)

План

1. Організаційний момент. Актуалізація опорних знань.
2. Магнітне поле котушки зі струмом.
3. Вчимося розв’язувати задачі.
4. Запитання до уроку.
5. Домашнє завдання.
6. Перевір себе.
7. Для допитливих.

Хід уроку

1. Організаційний момент. Актуалізація опорних знань.

Перевірка домашнього завдання.

2. Магнітне поле котушки зі струмом.

Магнітне поле котушки зі струмом. Візьмемо довгий прямий ізольований провід, намотаємо його на дерев’яну або пластмасову котушку. Приєднаємо її до джерела струму. В котушці проходить електричний струм і до її кінців притягуються залізні предмети (скріпки, гайки, булавки…) 

Навколо котушки зі струмом існує магнітне поле.

 Наявність магнітного поля навколо котушки зі струмом перевіримо методом спектрів. На пластинку з оргскла покладемо залізні ошурки й по котушці пропустимо електричний струм. Ошурки зорієнтуються в певному  порядку.

Полюси котушки розташовані на її торцях, і їх легко визначити за допомогою магнітної стрілки. Якщо навколо котушки розмістити магнітні стрілки, які можуть вільно обертатись, то до одного торця котушки стрілки повернуться північним полюсом, а до другого - південним.

Порівнявши спектри магнітних полів котушки зі струмом і постійного штабового магніту, не важко помітити їх надзвичайну схожість.

Як і штабовий магніт, котушка зі струмом має два полюси - північний і південний.

Підвісимо котушку зі струмом на довгих тонких та гнучких провідниках. Якщо поблизу немає магнітних матеріалів, або інших магнітних полів, то котушка встановиться в просторі так, як магнітна стрілка компаса: один бік котушки буде повернутий на північ, інший - на південь. Лінії магнітного поля котушки зі струмом є замкненими кривими. Поза котушкою лінії магнітного поля спрямовані від північного полюса до південного.

Ще Ампер показав, що котушки, по яких проходить струм, поводяться як постійні магніти. Зрозуміло, що зі зміною напрямку струму в котушці її полюси міняються місцями.

 Правило правої руки для визначення полюсів котушки зі струмом. Для визначення полюсів котушки зі струмом користуються правилом правої руки: якщо чотири зігнуті пальці правої руки спрямувати за напрямком струму в котушці, то відігнутий на  великий палець укаже напрямок на північний полюс котушки.

Електромагніти. Відкриття Г. К. Ерстеда ознаменувало собою початок низки досліджень з електромагнетизму. В 1820 році А.-М. Ампер і Д. Араго дослідили магнітне поле котушки. У 1825 році У. Стерджен помітив, що магнітне поле котушки підсилюється, якщо в її середину внести сталевий сердечник. Тим самим він отримав найпростіший електромагніт. Котушку з уведеним усередину осердям із магнітного матеріалу називають електромагнітом.

У 1828 році Дж. Генрі застосував багатошарову обмотку з ізольованого дроту й тим самим створив потужний електромагніт.

Дослідним шляхом було встановлено, що у разі збільшення числа витків у котушці чи введенні всередину котушки залізного осердя її магнітна дія підсилюється.

Річ у тім, що введене в котушку осердя, виготовлене з магнітного матеріалу, намагнічується, тобто само стає магнітом. При цьому магнітне поле такого осердя є набагато сильнішим, ніж магнітне поле самої котушки.

Будь-який електромагніт має каркас (1), виготовлений із діелектрика. На каркас щільно намотано ізольований дріт — це обмотка електромагніту (2). Кінці обмотки підведено до спеціальних клем (3), за допомогою яких електромагніт приєднують до джерела струму. Усередині каркаса розміщено осердя (4), виготовлене з магнітного матеріалу.

Магнітна дія електромагніту також залежить від роду речовини, з якої виготовляють осердя, та його форми. Зазвичай осердю електромагніту надають підковоподібної форми, оскільки в цьому випадку магнітна дія електромагніту значно посилюється.

Замкнемо коло та змінюватимемо силу струму в котушках. При певній силі струму електромагніт утримує вантаж, а якщо збільшити силу струму вдвічі, то електромагнітом можна втримати приблизно вдвічі важчий вантаж.  

Чим більший струм проходить у котушці, тим більша магнітна сила електромагніту.

Сфери застосування електромагнітів. Електромагніти набули широкого застосування в техніці насамперед тому, що їхню магнітну дію легко регулювати — достатньо змінити силу струму в обмотці. Крім того, електромагніти можна виготовити будь-яких форм та розмірів. Як уже говорилося, магніти у вигляді підков створюють сильніше магнітне поле. Тому на практиці часто використовують саме цю форму.

Електромагніти застосовують в електродвигунах і електричних генераторах, трансформаторах і електровимірювальних приладах, телефонах, електричних дзвінках, мікрофонах тощо.

Вони також застосовуються в електромагнітних підіймальних кранах та електромагнітному реле.

Терміном «реле» позначають велике число приладів, що дозволяють за допомогою слабких струмів керувати роботою потужних пристроїв. До складу будь-якого електромагнітного реле входить електромагніт і контакти, що замикаються чи розмикаються під час руху якоря — залізної пластинки, що притягується до електромагніту. 

Сільськогосподарська техніка використовує магніти для того, щоб відділити ворсисте насіння бур’янів від гладенького зерна культурних рослин. Якщо суміш насіння обсипати залізним порошком, то крупинки заліза обліплять насіння бур’янів, але не пристануть до гладенького насіння корисних рослин. Магніт виловлює всі бур’яни.

Електромагнетизм дозволяє також працівникам музеїв розділяти сторінки стародавніх документів за допомогою однойменної електризації сторінок документів.

Відео. Електромагніт (Час показу 4:58 хв)

3. Вчимося розв’язувати задачі.

Задача 04.1. Укажіть напрямок силових ліній магнітного поля ко­тушки зі струмом, якщо струм у верхній частині кожного витка тече до нас, а в нижній — від нас.

Задача 04.2. На тонких дротах підвішено дві котушки. Яка дія спостерігатиметься, якщо через них пропустити електричний струм?

4. Запитання до уроку.

Запитання 04.1. Який вигляд має спектр магнітного поля котушки зі струмом?

Запитання 04.2. Як визначити магнітні полюси котушки зі струмом?

Запитання 04.3. Після того, як котушку, підвішену на тонких дротах, підключили до джерела струму, вона притягнулася до магніту. Чому?

Запитання 04.4. На тонких дротах підвішено дві котушки. Чому вони починають взаємодіяти, коли через них пропускають електричний струм?

Запитання 04.5. На лабораторному столі розташовані котушка та магнітна стрілка. Стрілка має можливість обертатися тільки в площині рисунка. Як поводитиметься стрілка після підключення котушки до джерела струму?

Запитання 04.6. Що називають електромагнітом? Яка його будова?

Запитання 04.7. Якими способами можна підсилити магнітну дію котушки зі струмом?

Запитання 04.8. Вкажіть приклади застосування електромагнітів.

Запитання 04.9. Що необхідно зробити, щоб змінити полюси магнітного поля котушки? Як це вплине на роботу електромагніту?

Запитання 04.10. Що таке електромагнітне реле? Як воно працює? Наведіть приклади пристроїв у яких використовують електромагнітне реле.

Запитання 04.11. Порівняйте принцип роботи електромагнітного та теплового реле.

Запитання 04.12. Один французький фокусник під час своїх виступів демонстрував такий фокус: на сцені над металевою підставкою знаходився ящик, дно якого було металеве, а до кришки була прикріплена ручка. На сцену викликався чоловік міцного складу і йому пропонувалось підняти ящик, що він з легкістю робив. Далі фокусник повідомляв, що відніме в цього чоловіка силу і зробить його слабшим за дитину. Фокусник наказав жестом вдруге підняти ящик. Але на цей раз ящик не піддався і залишився нерухомим. Спробуйте розгадати цей фокус. На основі якого явища він ґрунтується?

5. Домашнє завдання.

Підручник.  §3 (п.3); §6.

Задача 04.3. На рисунку зображено магнітне поле котушки зі струмом. Вкажіть напрямок струму в котушці. Запишіть правило, яким ви користувалися під час розв’язування задачі.

Задача 04.4. Вкажіть напрям ліній магнітного поля котушки зі струмом. Виконайте схематичний малюнок та запишіть правило, яке ви використовували під час розв’язування задачі.

Тести онлайн. В1 Магнітне поле котушки зі струмом. (Відповіді учнів)

Усне опитування по запитаннях до уроку.

6. Перевір себе.

Тести онлайн. В2 Магнітне поле котушки зі струмом. (Відповіді учнів)

7. Для допитливих.

Розширюємо кругозір. Магнітна система, здатна перетворювати тепло в механічний рух. Дослідники з університету Ексетера створили мікроскопічну магнітну систему, яка виявилась здатною створювати механічний рух, використовуючи для цього теплову енергію, що надходить з навколишнього середовища. Цей новий принцип прямого перетворення енергії з одного виду в інший може бути використаний для забезпечення роботи різних наномашин, мікро-роботів, на цьому принципі може бути заснована робота нових типів датчиків і пристроїв зберігання інформації наступного покоління.

В основі нової магнітної системи лежить досить поширений механізм, відомий під назвою “храповик”. Цей тепловий храповик виготовлений із доволі незвичного матеріалу, який можна назвати терміном “штучний спін-лід”, в товщу якого включено безліч крихітних наномагнітів, наночастинок їх пермалоєвого сплаву, сплаву заліза і нікелю.

Крім теплової енергії, така система здатна перетворювати в рух енергію магнітного поля, яке призводить до зміщення векторів намагнічування окремих наномагнітів. При цьому, дане зміщення має кільцевий характер і обертається в одному з двох можливих напрямків. Даний ефект може стати основним принципом роботи нових пристроїв зберігання інформації, біти яких записуються на магнітні комірки шляхом їх швидкого локального нагріву за допомогою імпульсів лазерного світла.