1 of 30

Μερκ. Παναγιωτόπουλος - Φυσικός www.merkopanas.blogspot.gr

Ας θυμηθούμε…

Το πείραμα του Oersted μας έδειξε ότι ένας ρευματοφόρος αγωγός δημιουργεί μαγνητικό …………….

πεδίο

ομογενές

ισχυρό

Σε περιοχή μαγνητικού πεδίου, η …………………… των δυναμικών γραμμών είναι “ανάλογη” με το πόσο ισχυρό είναι το πεδίο εκεί.

πυκνότητα

έντασής

2 of 30

Μερκ. Παναγιωτόπουλος - Φυσικός www.merkopanas.blogspot.gr

σωληνοειδές με αέρα

σωληνοειδές με πυρήνα σιδήρου

Η ύλη μέσα στο μαγνητικό πεδίο

3 of 30

Μερκ. Παναγιωτόπουλος - Φυσικός www.merkopanas.blogspot.gr

Ας παρακολουθήσουμε το παρακάτω ενδιαφέρον πείραμα.

Αριστερό κλικ στην εικόνα

(Από το κανάλι Pradem του Tony Verheyden, από το KU Leuven)

4 of 30

Μερκ. Παναγιωτόπουλος - Φυσικός www.merkopanas.blogspot.gr

Τι είναι ο πυρήνας στο σωληνοειδές;

Και γιατί το κάνουμε αυτό;

Ο πυρήνας είναι κατάλληλο υλικό που τοποθετούμε ανάμεσα στις σπείρες σωληνοειδούς (ή πηνίου).

Γιατί με αυτό τον τρόπο μπορούμε να αυξήσουμε (συνήθως) ή να μειώσουμε την ένταση του μαγνητικού πεδίου στο ρευματοφόρο σωληνοειδές (ή πηνίο).

5 of 30

Μερκ. Παναγιωτόπουλος - Φυσικός www.merkopanas.blogspot.gr

Από τι υλικό είναι ο πυρήνας;

Για να γίνει το μαγνητικό πεδίο πιο ισχυρό συνήθως χρησιμοποιείται μαλακός σίδηρος. Ακόμη μπορεί να είναι κοβάλτιο, νικέλιο ή ενώσεις αυτών.

Αυτά τα υλικά χαρακτηρίζονται ως σιδηρομαγνητικά.

(μερικά) Σιδηρομαγνητικά υλικά
Κοβάλτιο Co
Σίδηρος Fe
Τριοξείδιο του Σιδήρου Fe₂O₃
Νικέλιο Ni
Μαγγάνιο-Αντιμόνιο MnSb
Οξείδιο του Χρωμίου CrO₂
Γαδολίνιο Gd
Δυσπρόσιο Dy

Οι καλύτεροι μαγνήτες γίνονται από σιδηρομαγνητικά υλικά.

6 of 30

Μερκ. Παναγιωτόπουλος - Φυσικός www.merkopanas.blogspot.gr

Η μαγνητική διαπερατότητα μ είναι καθαρός αριθμός.

7 of 30

Μερκ. Παναγιωτόπουλος - Φυσικός www.merkopanas.blogspot.gr

Γιατί αλλάζει η ένταση του μαγνητικού πεδίου;

Η ένταση του μαγνητικού πεδίου αλλάζει, γιατί με την είσοδο του πυρήνα στο σωληνοειδές, η ένταση Βο του μαγνητικού πεδίου του ρευματοφόρου σωληνοειδούς αλλάζει τον προσανατολισμό των στοιχειωδών μαγνητών (μαγνητικών περιοχών) του υλικού του πυρήνα.

8 of 30

Μερκ. Παναγιωτόπουλος - Φυσικός www.merkopanas.blogspot.gr

Όταν ο πυρήνας είναι σιδηρομαγνητικό υλικό, η ένταση του μαγνητικού πεδίου στο εσωτερικό του σωληνοειδούς μπορεί να αυξηθεί χιλιάδες φορές. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα, οι δυναμικές γραμμές του ομογενούς μαγνητικού πεδίου να γίνουν πιο πυκνές.

αέρας

με πυρήνα

Αριστερό κλικ στην εικόνα

9 of 30

Μερκ. Παναγιωτόπουλος - Φυσικός www.merkopanas.blogspot.gr

Μαγνητική διαπερατότητα

Η μαγνητική διαπερατότητα μ χαρακτηρίζει τις μαγνητικές ιδιότητες των υλικών.

Ανάλογα με την τιμή της, τα υλικά χωρίζονται σε 3 κατηγορίες.

Μαγνητική διαπερατότητα	Υλικά	Χαρακτηρισμός	Αποτέλεσμα στο μαγνητικό πεδίο
μ>>1	Co, Fe, Ni, CrO₂, Gd, Dy	Σιδηρομαγνητικά	Πολύ μεγάλη αύξηση της έντασης
μ>1	W, Cs, Al, Cr, Mg, Mo	Παραμαγνητικά	Μικρή αύξηση της έντασης
μ<1	Bi, Hg, Ag, Au, C, Cu,	Διαμαγνητικά	Ελάττωση της έντασης

10 of 30

Μερκ. Παναγιωτόπουλος - Φυσικός www.merkopanas.blogspot.gr

Παραμόρφωση μαγνητικού πεδίου λόγω της παρουσίας σιδήρου

Αν σε ομογενές μαγνητικό πεδίο

εισάγουμε κομμάτι μαλακού σιδήρου,

παρατηρούμε ότι το μαγνητικό φάσμα αλλοιώνεται και, όσο γίνεται περισσότερες μαγνητικές δυναμικές γραμμές τείνουν να περάσουν μέσα από τη μάζα του σιδήρου.

11 of 30

Μερκ. Παναγιωτόπουλος - Φυσικός www.merkopanas.blogspot.gr

Κάτι παρόμοιο θα συμβεί με τις δυναμικές γραμμές, αν στο ομογενές μαγνητικό πεδίο τοποθετήσουμε σιδερένιο κυκλικό δακτύλιο.

Θα παρατηρήσουμε ότι πολλές δυναμικές γραμμές θα παραμορφωθούν, διερχόμενες μέσα από τη μάζα του σιδερένιου δακτυλίου, ενώ δεν περνούν δυναμικές γραμμές από το κενό του δακτυλίου.

Άρα, το εσωτερικό (κενό) του δακτυλίου “προστατεύεται” αφού εκεί δεν υπάρχει μαγνητικό πεδίο.

Αυτή την ιδιότητα εκμεταλευόμαστε για να προστατεύσουμε τα ρολόγια από ισχυρά μαγνητικά πεδία (αντιμαγνητικά ρολόγια).

12 of 30

Μερκ. Παναγιωτόπουλος - Φυσικός www.merkopanas.blogspot.gr

Ηλεκτρομαγνήτες

Αν μέσα σε ρευματοφόρο σωληνοειδές, που στο εσωτερικό του το μέτρο της έντασης του μαγνητικού πεδίου είναι Β₀, βάλουμε πυρήνα από μαλακό σίδηρο που παρουσιάζει μαγνητική διαπερατότητα μ, τότε το μέτρο της έντασης Β του μαγνητικού πεδίου θα δίνεται από τη σχέση:

Το σύστημα “ρευματοφόρο σωληνοειδές-πυρήνας από σιδηρομαγνητικό υλικό” είναι ένας ηλεκτρομαγνήτης.

13 of 30

Μερκ. Παναγιωτόπουλος - Φυσικός www.merkopanas.blogspot.gr

Αν αντί για μαλακό σίδηρο βάλουμε χάλυβα, διαπιστώνουμε ότι,�ακόμα κι αν διακόψουμε το ρεύμα, ο χάλυβας διατηρεί τις μαγνητικές του ιδιότητες, δηλαδή γίνεται ένας μόνιμος μαγνήτης.

Η μαγνήτιση του σιδήρου είναι παροδική και παύει πρακτικά να υφίσταται μετά τη διακοπή του ρεύματος στο σωληνοειδές.

Αριστερό κλικ στην εικόνα

Πώς λειτουργεί ένα σωληνοειδές με πυρήνα (TLXTechnologies)

14 of 30

Μερκ. Παναγιωτόπουλος - Φυσικός www.merkopanas.blogspot.gr

Εφαρμογές του ηλεκτρομαγνήτη βρίσκουμε στο τηλέφωνο, το ηλεκτρικό κουδούνι, στα ρελέ, τις αυτόματες ηλεκτρικές κλειδαριές, στους ηλεκτρομαγνητικούς γερανούς, στα μηχανήματα αναπαραγωγής ήχου κ.α. Εντυπωσιακή εφαρμογή των ηλεκτρομαγνητών αποτελούν τα εναέρια μαγνητικά τρένα.

Ηλεκτρομαγνήτης για ασφάλιση πόρτας

Ηλεκτρομαγνήτης

Ρελέ

Μαγνητικό τρένο

Γερανός

Μεγάφωνο

εικόνα Tansy Glavan

15 of 30

Μερκ. Παναγιωτόπουλος - Φυσικός www.merkopanas.blogspot.gr

Ηλεκτρομαγνητικός γερανός

Ένας γερανός που λειτουργεί με τη βοήθεια ηλεκτρομαγνήτη ονομάζεται ηλεκτρομαγνητικός γερανός.

Αν θέλουμε να σηκώσουμε σιδερένια αντικείμενα μπορούμε να μη χρησιμοποιήσουμε καθόλου τον οπλισμό αλλά να αποτελέσουν οπλισμό τα ίδια τα σιδερένια αντικείμενα, π.χ. φορτοεκφόρτωση πλοίου με κοντέινερς.

16 of 30

Μερκ. Παναγιωτόπουλος - Φυσικός www.merkopanas.blogspot.gr

Ας βρούμε ερωτήσεις και ασκήσεις για την “Ύλη στο μαγνητικό πεδίο” στο διαδίκτυο.

Πολλές ερωτήσεις και ασκήσεις από τα “Ψηφιακά Εκπαιδευτικά Βοηθήματα (study4exams)”, εδώ.
Όλα τα θέματα Ηλεκτρ/γνητισμού από τις Πανελλαδικές Εξετάσεις, εδώ.
“Προετοιμασία Φυσικής”, από τον Γιάννη Μπατσαούρα στο fb, εδώ.
“Το μαγνητικό πεδίο σωληνοειδούς και η μαγνητική βελόνα” από τον Διονύση Μάργαρη, εδώ.
“Μια σιδερένια πλάκα σε μαγνητικό πεδίο” από τον Διονύση Μάργαρη, εδώ.

17 of 30

Μερκ. Παναγιωτόπουλος - Φυσικός www.merkopanas.blogspot.gr

Παρακάτω δίνονται διευθύνσεις όπου μπορείτε να βρείτε αναρτήσεις για το θέμα “Η ύλη μέσα στο μαγνητικό πεδίο”.

Διαδικτυακή παρουσίαση από τον Άρη Ροντούλη, εδώ.
Παρουσίαση θεωρίας από το ιστολόγιο physiclessons του Στέργιου Πελλή, εδώ.
Παρουσίαση θεωρίας (αρκετά εκτός διδακτέας ύλης) από τον Πάνο Μουστάκα (Ιστότοπος “Ταξιδεύοντας στον χώρο της ΦΥΣΙΚΗΣ”), εδώ.
Προσομοίωση (αγγλικά) από την Μπανκαλόρ της Ινδίας, εδώ.
Για τον “Ενσύρματο Τηλέγραφο” από τον Παντελεήμονα Παπαδάκη στο “Υλικό Φυσικής - Χημείας”, εδώ.
Μια συζήτηση στο “Υλικό Φυσικής - Χημείας” για τον ηλεκ/κό γερανό, εδώ.
Πειράματα ηλεκτρομαγνητικού μετεωρισμού (levitation), εδώ κι εδώ.
Βίντεο “Το κοντσέρτο των σωληνοειδών”, εδώ.
Μαγνητικά αιωρούμενα τρένα, εδώ κι εδώ.

18 of 30

Μερκ. Παναγιωτόπουλος - Φυσικός www.merkopanas.blogspot.gr

Εφαρμογές

19 of 30

Μερκ. Παναγιωτόπουλος - Φυσικός www.merkopanas.blogspot.gr

Ερωτήσεις από το βιβλίο

(από σελ. 170)

20 of 30

Μερκ. Παναγιωτόπουλος - Φυσικός www.merkopanas.blogspot.gr

12. Τι θα συμβεί αν μέσα στο σωληνοειδές τοποθετήσουμε πυρήνα μαλακού σιδήρου;

�13. Πώς ορίζεται η μαγνητική διαπερατότητα;

�14. Ποια υλικά λέγονται διαμαγνητικά, παραμαγνητικά, σιδηρομαγνητικά;

21 of 30

Μερκ. Παναγιωτόπουλος - Φυσικός www.merkopanas.blogspot.gr

49. Αν μέσα σε σωληνοειδές που διαρρέεται από ρεύμα βάλουμε πυρήνα μαλακού σιδήρου μαγνητικής διαπερατότητας μ, χαρακτηρίστε κάθε μία από τις παρακάτω προτάσεις με Σ αν είναι σωστή ή με Λ αν είναι λανθασμένη.

Α. Ο σίδηρος μαγνητίζεται.

Β. Μειώνεται η ένταση του μαγνητικού πεδίου μ φορές.

Γ. Αυξάνεται η ένταση του μαγνητικού πεδίου μ φορές.

Δ. Οι δυναμικές γραμμές στο εσωτερικό του σωληνοειδούς�θα πυκνώσουν.

22 of 30

Μερκ. Παναγιωτόπουλος - Φυσικός www.merkopanas.blogspot.gr

50. Ποιες οι ομοιότητες στη μαγνητική συμπεριφορά ενός ρευματοφόρου σωληνοειδούς και ενός ραβδόμορφου μαγνήτη;

σωληνοειδές

ραβδόμορφος μαγνήτης

23 of 30

Μερκ. Παναγιωτόπουλος - Φυσικός www.merkopanas.blogspot.gr

Ερωτήσεις εκτός του βιβλίου

24 of 30

Μερκ. Παναγιωτόπουλος - Φυσικός www.merkopanas.blogspot.gr

1. Ποια από τις παρακάτω ομάδες στοιχείων περιέχει μονάχα σιδηρομαγνητικά υλικά;

i. Σίδηρος, Κοβάλτιο, Χρώμιο. ii. Αργίλιο, Χρώμιο, Άνθρακας.

iii. Σίδηρος, Κοβάλτιο, Νικέλιο. iv. Νικέλιο, Χαλκός, Χρώμιο.

α. Η (i). β. Η (ii). γ. Η (iii). δ. Η (iv).

2. Η μαγνητική διαπερατότητα ενός υλικού

α. εκφράζει την ένταση του μαγνητικού πεδίου που δημιουργεί το υλικό.

β. έχει μονάδα μέτρησης το 1 Α (Αμπέρ) στο SI.

γ. έχει πάντα θετική τιμή.

δ. είναι καθαρός αριθμός.

25 of 30

Μερκ. Παναγιωτόπουλος - Φυσικός www.merkopanas.blogspot.gr

Στο σχέδιο βλέπουμε την εικόνα του μαγνητικού φάσματος που δημιουργείται ανάμεσα σ’ ένα βόρειο κι ένα νότιο πόλο, όταν ένα στερεό σώμα τοποθετηθεί ανάμεσα στους πόλους. Από την παραμόρφωση των μαγνητικών δυναμικών γραμμών καταλαβαίνουμε ότι το σώμα είναι υλικό

α. παραμαγνητικό. β. σιδηρομαγνητικό.

γ. αντιμαγνητικό. δ. διαμαγνητικό.

26 of 30

Μερκ. Παναγιωτόπουλος - Φυσικός www.merkopanas.blogspot.gr

4. Το υλικό που είναι προτιμότερο να χρησιμοποιήσουμε για να κατασκευάσουμε μόνιμο μαγνήτη είναι

α. ο χάλυβας. β. ο χαλκός.

γ. ο μαλακός σίδηρος. δ. το χρώμιο.

5. Τοποθετούμε κομμάτι μαλακού σιδήρου στο εσωτερικό ρευματοφόρου σωληνοειδούς. Η ένταση του μαγητικού πεδίου στο εσωτερικό του σωληνοειδούς

α. θα γίνει μηδέν. β. θ’ αυξηθεί.

γ. θα μειωθεί. δ. θα παραμείνει αμετάβλητη.

27 of 30

Μερκ. Παναγιωτόπουλος - Φυσικός www.merkopanas.blogspot.gr

6. Τοποθετούμε δακτυλίδι από μαλακό σίδηρο σε ομογενές μαγνητικό πεδίο (σχήμα). Το μαγνητικό πεδίο στο κενό του δακτυλιδιού

α. θ’ αυξηθεί πολύ. β. θ’ αυξηθεί λίγο.

γ. θα υπάρχει μειωμένο. δ. δεν θα υπάρχει.

28 of 30

Μερκ. Παναγιωτόπουλος - Φυσικός www.merkopanas.blogspot.gr

7. Ρευματοφόρο σωληνοειδές με πυρήνα από μαλακό σίδηρο αποτελεί ένα

α. ηλεκτρομαγνήτη. β. μαγνήτη.

γ. πηνίο. δ. μονωτή.

8. Η εισαγωγή ενός πυρήνα σε ρευματοφόρο πηνίο έχει ως αποτέλεσμα την μικρή αύξηση της έντασης του μαγνητικού πεδίου στο εσωτερικό του. Από αυτό καταλαβαίνουμε ότι το υλικό του πυρήνα είναι

α. σιδηρομαγνητικό. β. παραμαγνητικό.

γ. διαμαγνητικό. δ. μονωτικό.

29 of 30

Μερκ. Παναγιωτόπουλος - Φυσικός www.merkopanas.blogspot.gr

9. Ένα κομμάτι χαλκού χρησιμοποιείται ως πυρήνας σε ρευματοφόρο πηνίο. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα

α. την πολύ μεγάλη αύξηση της έντασης του μαγνητικού πεδίου στο εσωτερικό του πηνίου.

β. την μικρή αύξηση της έντασης του μαγνητικού πεδίου στο εσωτερικό του πηνίου.

γ. τη μείωση της έντασης του μαγνητικού πεδίου στο εσωτερικό του πηνίου. δ. να μείνει αμετάβλητη η ένταση του μαγνητικού πεδίου στο εσωτερικό του πηνίου.

30 of 30

Μερκ. Παναγιωτόπουλος - Φυσικός www.merkopanas.blogspot.gr

10. Σε τρία ομογενή μαγνητικά πεδία τοποθετούνται αντίστοιχα τα υλικά Α, Β και Γ. Από τα υλικά αυτά το ένα είναι Σιδηρομαγνητικό (Σ), το άλλο Παραμαγνητικό (Π) και το άλλο Διαμαγνητικό (Δ). Στο παρακάτω σχήμα βλέπουμε πώς διαμορφώνεται το μαγνητικό φάσμα του κάθε πεδίου μετά την είσοδο των υλικών. Επίλεξε τη σωστή τριάδα που αντιστοιχεί στα υλικά Α, Β, Γ.

α. Σ, Π, Δ. β. Π, Δ, Σ. γ. Σ, Δ, Π. δ. Π, Σ, Δ.