Магнітні властивості речовин.

Електромагнітне поле.

Мета.

Навчальна. Ввести поняття парамагнетика, діамагнетика та феромагнетика. З’ясувати причини та особливості намагнічення речовин. Ввести поняття електромагнітного поля, охарактеризувати його властивості.

Розвиваюча. Розвивати логічне мислення, фізичну компетентність.

Виховна. Виховувати культуру наукового мовлення.

Тип уроку. Комбінований.

Дидактичні матеріали:

• Підручник. Фізика 11 кл. Рівень стандарту:/ Бар'яхтар В.Г., Довгий С.О.

План

1. Організаційний момент. Актуалізація опорних знань.
2. Магнітні властивості речовин. Електромагнітне поле.
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.

Самостійна робота. Електромагнітна індукція. Індуктивність. Енергія магнітного поля.

2. Магнітні властивості речовин. Електромагнітне поле.

Магнітна проникність середовища. Якщо будь-яке тіло внести в зовнішнє електричне поле, під впливом цього поля всередині тіла відбудеться перерозподіл електричних зарядів — у тілі утвориться власне електричне поле, напрямлене протилежно зовнішньому. Саме тому електричне поле в речовині завжди слабше, ніж електричне поле у вакуумі. Середовище чинить вплив і на магнітне поле: будь-яка речовина, поміщена в зовнішнє магнітне поле, намагнічується, створюючи власне магнітне поле, яке в одних речовинах напрямлене так само, як і зовнішнє магнітне поле, а в інших — протилежно зовнішньому полю. Отже, речовини можуть як посилювати, так і послаблювати зовнішнє магнітне поле.

Фізичну величину, яка характеризує магнітні властивості середовища і дорівнює відношенню магнітної індукції B магнітного поля в середовищі до магнітної індукції B0 магнітного поля у вакуумі, називають відносною магнітною проникністю середовища:

.

Одна з основних властивостей частинок, з яких складається атом, — наявність у них власного магнітного поля. Це поле характеризує фізична величина, яку називають власним магнітним моментом (за аналогією з магнітним моментом контуру зі струмом).

Для плоского контуру зі струмом магнітний момент pm — це векторна величина, напрям якої визначається за допомогою правої руки, а модуль дорівнює добуткові сили струму I в контурі на площу S, обмежену контуром:

.

На відміну від магнітного моменту контуру власні магнітні моменти pm частинок не зумовлені наявністю струму, а є характеристикою частинки (так само, як маса й електричний заряд). Найбільший магнітний момент має електрон, магнітні моменти протона і нейтрона приблизно в тисячу разів менші. Власні магнітні моменти частинок додаються й створюють власний магнітний момент атома і молекули. Магнітні моменти атомів і молекул, у свою чергу, створюють магнітне поле всередині речовини. Розташування та склад атомів і молекул у різних речовин є різними, тому речовини мають різні магнітні властивості. За значенням відносної магнітної проникності розрізняють слабо- і сильномагнітні речовини.

Слабомагнітні речовини, намагнічуючись, створюють слабке власне магнітне поле, яке відразу зникає, якщо речовину вилучити із зовнішнього магнітного поля. Відносна магнітна проникність слабомагнітних речовин незначно відрізняється від одиниці:

.

Діа- та парамагнетики. До слабомагнітних речовин належать діамагнетики і парамагнетики.

Діамагнетики намагнічуються, створюючи слабке магнітне поле, напрямлене протилежно до зовнішнього. До діамагнетиків належать інертні гази (гелій, неон тощо), багато металів (золото, мідь, ртуть, срібло), вісмут, вода, ацетон, кухонна сіль та ін.

Відео. Діамагнетики (Час показу 4:08 хв.)

Атоми і молекули діамагнітних речовин не мають власних магнітних моментів. Намагніченість діамагнетиків пояснюється наведеними (індукційними) магнітними моментами, які створюються в атомах під час потрапляння діамагнетиків у зовнішнє магнітне поле. Наведені магнітні моменти завжди напрямлені проти магнітної індукції зовнішнього магнітного поля.

Діамагнетики незначно послаблюють зовнішнє магнітне поле: магнітна індукція магнітного поля всередині діамагнетика (Bд)  трохи менша від магнітної індукції зовнішнього магнітного поля (В0):

.

Діамагнітна речовина виштовхується з магнітного поля. Цікаво, що людина в магнітному полі поводиться як діамагнетик, бо майже на 70 % складається з води.

Відносна магнітна проникність діамагнетиків не залежить від температури.

Поява магнітного поля спричиняє виникнення наведених магнітних моментів в атомах будь-яких речовин; наведені магнітні моменти набагато менші за власні магнітні моменти атомів.

Парамагнетики намагнічуються, створюючи слабке магнітне поле, напрямлене в той самий бік, що й зовнішнє магнітне поле. До парамагнетиків належать кисень, повітря, платина, алюміній, ебоніт, вольфрам, магній, літій тощо.

Атоми (або молекули) парамагнітних речовин мають власні магнітні моменти, які

за відсутності зовнішнього магнітного поля орієнтовані хаотично. Якщо парамагнетик помістити в магнітне поле, його частинки починають орієнтуватися так, що їхні власні магнітні моменти спрямовуються в напрямку зовнішнього магнітного поля, аналогічно тому, як орієнтуються в електричному полі молекули полярного діелектрика. Внаслідок цієї орієнтації парамагнетики мають такі магнітні властивості.

Парамагнетики незначно посилюють зовнішнє магнітне поле:

.

Якщо парамагнітну речовину помістити в магнітне поле, вона буде втягуватися в поле, тобто рухатися в бік збільшення магнітної індукції.

Відносна магнітна проникність парамагнетиків зменшується зі збільшенням температури, оскільки збільшується швидкість теплового руху атомів (або молекул) і їхня орієнтація частково порушується.

Магнітні властивості феромагнетиків.  

Феромагнетики — речовини або матеріали, які, намагнічуючись, створюють сильне магнітне поле, напрямлене в той самий бік, що й зовнішнє магнітне поле; феромагнетики залишаються намагніченими й у разі відсутності зовнішнього магнітного поля.

До феромагнетиків належить невелика група речовин: залізо, нікель, кобальт, рідко-земельні речовини та низка сплавів.

Йони феромагнітних речовин мають власні магнітні моменти. Будь-яке феромагнітне тіло складається з доменів — макроскопічних ділянок із лінійними розмірами 1–10 мкм, в яких власні магнітні моменти сусідніх йонів співнапрямлені, а отже, домени мають власну намагніченість. За відсутності зовнішнього магнітного поля магнітні моменти окремих доменів орієнтовані хаотично, тому зразки феромагнітного матеріалу зазвичай розмагнічені.

Коли феромагнітний зразок поміщують у зовнішнє магнітне поле, то домени,

магнітні моменти яких зорієнтовані за напрямком цього поля, збільшуються за рахунок зменшення доменів з іншою орієнтацією магнітних моментів; також відбувається частковий поворот магнітного моменту в кожному домені. Ці процеси приводять до намагнічування зразка. Доменна структура зумовлює такі магнітні властивості феромагнетиків.

Магнітна індукція магнітного поля всередині феромагнетиків у сотні й тисячі разів більша, ніж магнітна індукція зовнішнього магнітного поля, тобто поля, яке спричинило намагнічування:

.

Феромагнетики, як і парамагнетики, втягуються в магнітне поле.

При досягненні певної температури — температури Кюрі — феромагнітні властивості речовини зникають і вона стає парамагнетиком.

Феромагнітні матеріали умовно поділяють на два типи.

Матеріали, які після припинення дії зовнішнього магнітного поля залишаються намагніченими довгий час, називають магнітножорсткими феромагнетиками. 

Їх застосовують для виготовлення постійних магнітів.

Феромагнітні матеріали, які легко намагнічуються і швидко розмагнічуються, називають магнітном’якими феромагнетиками. 

Їх застосовують для виготовлення осердь електромагнітів, двигунів, трансформаторів, електромеханічних генераторів тощо.

Електромагнітна взаємодія належить до чотирьох фундаментальних видів взаємодій, що існують у природі. Вона виявляється між частинками, які мають електричний заряд, і визначає структуру речовини (зв’язує електрони та ядра в атомах і атоми в молекулах), хімічні й біологічні процеси. Різні агрегатні стани речовини, сили пружності, тертя тощо так само визначаються електромагнітною взаємодією. Електромагнітна взаємодія здійснюється за допомогою електромагнітного поля.

Електромагнітне поле — вид матерії, за допомогою якого відбувається взаємодія між зарядженими тілами, зарядженими частинками, намагніченими тілами.

Умовно прийнято, що електромагнітне поле має дві складові (дві форми прояву): електричну і магнітну. Згадаємо основні властивості складових електромагнітного поля.

У 1867 р. британський фізик Дж. Максвелл висунув гіпотезу про те, що електричне і магнітне поля не існують окремо, незалежно одне від одного: якщо змінне магнітне поле створює електричне поле, то відповідно до принципу симетрії змінне електричне поле має створювати магнітне поле, тобто в просторі існує єдине електромагнітне поле. Через 21 рік після висунення цієї гіпотези електромагнітне поле було відкрито експериментально.

3. Вчимося розв’язувати задачі.

Задача 29.1. Котушку з індуктивністю 0,7 Гн, сила струму в якій дорівнює 2 А, замкнули накоротко. Визначте, через який час сила струму в ній зменшиться на 0,01 А, якщо електричний опір котушки дорівнює 10 Ом. (В. 0,35 мс)

Задача 29.2. Провідник АС, опір якого 0,1 Ом, може ковзати без тертя по горизонтальних рейках металевої рамки. Індукція вертикального магнітного поля дорівнює 0,2 Тл. Відстань між рейками - 20 см. Яку горизонтальну силу слід прикласти до провідника, щоб він рівномірно рухався зі швидкістю 2 м/с? Опором рамки знехтувати. (В. 32 мН)

4. Запитання до уроку.

Запитання 29.1. Чому речовина змінює магнітне поле?

Запитання 29.2. Дайте означення відносної магнітної проникності середовища. Як її позначають? В яких одиницях вимірюють?

Запитання 29.3. Які особливості діамагнетиків? Як відбувається їх намагнічування? Якими є їхні магнітні властивості?

Запитання 29.4. Якими є особливості парамагнетиків? Як відбувається їхні намагнічування? Якими є їхні магнітні властивості?

Запитання 29.5. Якими є особливості феромагнетиків? Як відбувається їх намагнічування? Якими є їхні магнітні властивості?

Запитання 29.6. Дайте означення електромагнітного поля, назвіть його складові.

Запитання 29.7. Дайте означення електричного поля. Яка фізична величина є його силовою характеристикою?

Запитання 29.8. Назвіть джерела електричного поля. Що являють собою лінії напруженості поля, створеного кожним типом джерел?

Запитання 29.9. Дайте означення магнітного поля. Яка фізична величина є його силовою характеристикою?

Запитання 29.10. Назвіть джерела магнітного поля. Що собою являють лінії магнітної індукції магнітного поля, створеного кожним типом джерел?

Запитання 29.11. У чому полягає гіпотеза Дж. Макс велла?

Запитання 29.12. Назвіть основні властивості електромагнітного поля.

5. Домашнє завдання.

Підручник. §15-16.

Усне опитування по запитаннях до уроку.

6. Перевір себе.

7. Для допитливих.