Томский государственный университет
Институт дистанционного образования

Заочная

ФИЗИКО-МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ШКОЛА




Будете участвовать в онлайн-диктанте 2019?

1 (50%)

Да


1 (50%)

Что это такое?


0 (0%)

Нет



Электричество и магнетизм


Перечень опытов

  1. Опыт Эрстеда.
  2. Магнитные поля проводников с током.
  3. Прямой проводник с током во внешнем магнитном поле.
  4. Контур с током во внешнем магнитном поле.
  5. Взаимодействие двух параллельных прямых проводников с токами.
  6. Движение заряженной частицы в магнитном поле.
  7. Явления электромагнитной индукции. Опыты Фарадея.
  8. Правило Ленца.
  9. Диа- и парамагнетики.
  10. Гистерезис ферромагнетика и температура Кюри.

Видеофильм "Электричество и магнетизм"

Описание опытов

Опыт 1. Опыт Эрстеда

Оборудование: магнитная стрелка, проводник с током.

Магнитная стрелка, установленная на поле, ориентируется в магнитном поле Земли в направлении Север-Юг.

Поднесем к стрелке прямой проводник, по которому протекает постоянный ток. Стрелка изменит свою ориентацию и установится перпендикулярно проводнику с током.

При изменении направления тока в проводнике стрелка поворачивается на 180 и вновь устанавливается перпендикулярно проводнику.

Вывод: вокруг проводника с током возникает магнитное поле, которое изменяет ориентацию магнитной стрелки.

Опыт 2. Магнитные поля проводников с током

Оборудование: рамки со стеклянными крышками и проводником, источник постоянного тока, ферромагнитные опилки, кодоскоп.

На кодоскоп помещаем рамку со стеклянной крышкой, сквозь которую пропущен прямой проводник. Рамку с проводником проецируем на экран наблюдения. Подключаем проводник к источнику постоянного тока и сыплем сверху на стекло ферромагнитные опилки. Опилки в магнитном поле проводника приобретают свойства магнитных стрелок и соответствующим образом ориентируются. Упавшие на стекло опилки образуют узор в виде концентрических колец, которые моделируют силовые линии магнитного поля прямого проводника с током.

Помещая на кодоскоп рамку с круговым витком с током, наблюдаем модель тороидального магнитного поля.

При наблюдении магнитного поля от катушки с током обращаем внимание на то, что силовые линии поля внутри катушки параллельны ее оси. Кроме того, обращаем внимание, что силовые линии магнитного поля с одного торца катушки выходят, а в другой торец - входят. Это означает, что катушка с током представляет собой магнитную стрелку. Там, где силовые линии поля выходят из катушки, полюс северный, где входят - южный.

Важно отметить и то, что силовые линии магнитного поля замкнуты сами на себя, т.е. магнитное поле - поле вихревое. Направление силовых линий определяется правилом правого винта.

Опыт 3. Прямой проводник с током во внешнем магнитном поле

Оборудование: лабораторный штатив, прямой проводник на нитях, U-образный магнит, источник тока, переключатель.

Магнит располагаем на столе так, что его зев горизонтален. Проводник, подвешенный на штативе, вводим в область магнитного поля между полюсами магнита и через переключатель соединяем с источником постоянного тока.

При замыкании переключателя по проводнику начинает протекать ток и на проводник действует сила Ампера

где I - сила тока в проводнике, l - участок проводника, который находится в магнитном поле, В - индукция магнитного поля, α - угол между направлением проводника и направлением вектора индукции магнитного поля. Направление силы Ампера определяется правилом левой руки. Под действием этой силы проводник приходит в движение и выбрасывается из магнита (выталкивается из магнитного поля).

Если изменить направление тока в проводнике или направление магнитного поля, то сила Ампера так же изменит направление своего действия.

Опыт 4. Контур с током во внешнем магнитном поле

Оборудование: прямоугольная рамка, установленная на иглах, U-образный магнит, аккумулятор, переключатель.

Рамку помещаем между полюсами U-образного магнита и через переключатель подсоединяем к аккумулятору.

При замыкании переключателя по рамке начинает протекать ток и на все стороны рамки действует сила Ампера. Действие этих сил таково, что на рамку в результате действует вращающий момент

где I - сила тока в рамке, S - площадь рамки, В - магнитная индукция поля, α - угол между направлением вектора магнитной индукции и вектора нормали к плоскости рамки.

Под действием момента М рамка поворачивается и устанавливается в магнитном поле так, что ее плоскость перпендикулярна силовым линиям поля.

Если изменить направление тока в рамке или направление магнитного поля, то рамка переориентируется на 180 , но остановится в своем движении, когда ее плоскость будет вновь перпендикулярна силовым линиям магнитного поля.

Опыт 5. Взаимодействие двух прямых параллельных проводников с токами

Оборудование: штатив с двумя параллельными проводниками, источник тока, переключатель.

Параллельные проводники через переключатель присоединяем к источнику тока. При замыкании переключателя наблюдаем либо притяжение проводников, либо их отталкивание. Проводники притягиваются, когда токи в них протекают в одном направлении, и отталкиваются, когда токи в них имеют противоположные направления. Но независимо от направления токов модуль силы взаимодействия проводников имеет одно и то же значение

где |F21| - модуль силы, действующей на второй проводник со стороны первого, |F12| - модуль силы, действующей на первый проводник со стороны второго, I1 и I2 - силы тока в первом и втором проводниках, b - расстояние между проводниками, l - длина проводников, μ0 - магнитная постоянная - мировая константа.

Опыт 6. Движение заряженной частицы в магнитном поле

Оборудование: чашка Петри, кольцевые электроды, магнит, электролит, переключатель, источник постоянного тока, древесные опилки, кодоскоп.

В чашке Петри по внутреннему периметру краев размещаем большой кольцевой электрод, а в центре помещаем магнит, охваченный малым кольцевым электродом. Затем в чашку наливаем электролит и устанавливаем ее на кодоскоп. Электроды через переключатель соединяем с источником постоянного тока. Объективом кодоскопа формируем на экране наблюдения резкое изображение поверхности электролита. На поверхность электролита насыпаем древесные опилки.

При замыкании переключателя между электродами в радиальных направлениях начнет протекать ток. На движущиеся во внешнем магнитном поле электрические заряды начнет действовать сила, которую называют магнитной составляющей силы Лоренца и которую можно рассчитать по формуле

где q - движущийся электрический заряд, v - скорость движения заряда q, В - индукция магнитного поля, α - угол между направлением вектора скорости и вектора магнитной индукции. Направление силы определяется правилом левой руки.

В нашем случае поле магнита вертикальное, что соответствует α = 90 и, следовательно, sinα = 1. Тогда под действием магнитной силы Fm ионы электролита придут в круговое движение, что хорошо видно на экране. Изменив направление тока в электролите, получим вращение жидкости в обратном направлении.

Опыт 7. Явления электромагнитной индукции. Опыты Фарадея

Оборудование: набор для демонстрации явлений электромагнитной индукции, гальванометр, переключатель, источник постоянного тока, реостат.

  1. Большую многовитковую катушку (ее называют первичной катушкой) соединяем с гальванометром. Берем полосовой магнит и вводим его внутрь катушки. Пока магнит движется, стрелка гальванометра, отклонившись от нулевого положения, показывает, что в катушке протекает электрический ток. При неподвижном магните ток в катушке отсутствует. Вытаскиваем магнит из катушки и вновь во время движения магнита наблюдаем протекание в катушке электрического тока, но другого (обратного) направления.
  2. Двигая магнит с разной скоростью, наблюдаем, что чем больше скорость движения магнита, тем больше сила тока в катушке.
  3. Малую катушку (ее называют вторичной катушкой) через реостат и переключатель соединяем с источником постоянного тока. Вдвигая (и выдвигая) вторичную катушку в первичную, наблюдаем протекание в первичной катушке тока точно так же, как и в случае с полосовым магнитом.
  4. Оставим вторичную катушку внутри первичной. Движения катушек нет и ток в первичной катушке равен нулю. Будем изменять ток во вторичной катушке при помощи реостата. При этом наблюдаем, что стрелка гальванометра отклоняется от нулевого положения то в одну сторону, то в другую.
  5. Будем при помощи переключателя отключать (или подсоединять) вторичную катушку к источнику тока. В моменты замыкания и размыкания переключателя стрелка гальванометра отклоняется то в одну, то в другую сторону от нулевого значения.
  6. Будем при включенной вторично катушке вводить и выводить из нее ферромагнитный сердечник. И вновь наблюдаем, что в то время, когда сердечник движется в первичной катушке, протекает электрический ток.

Все эти опыты были обобщены Фарадеем в законе электромагнитной индукции: внутри замкнутого контура при изменении внешнего магнитного потока возникает э.д.с. индукции, величина которой равна

где εn - э.д.с. индукции (в нашем случае в первичной катушке), ΔФm - изменение внешнего магнитного потока, Δt - время, в течение которого это изменение магнитного потока произошло.

Опыт 8. Правило Ленца

Оборудование: легкое коромысло с двумя кольцами (одно из них разрезано), укрепленное на игле, полосовой магнит.

Будем вдвигать магнит в сплошное кольцо коромысла. Кольцо отталкивается от магнита, что приводит к вращению коромысла.

Введем магнит внутрь сплошного кольца и будем магнит выводить. Кольцо будет притягиваться к магниту, что приведет к вращению коромысла.

Будем вводить (или выводить) магнит внутрь разрезанного кольца. Коромысло остается в покое.

Эти опыты демонстрируют следствия правила Ленца, которое гласит: "Магнитное поле индукционного тока всегда противодействует изменению внешнего магнитного потока".

В случае с разрезанным кольцом индукционный ток отсутствовал. Следовательно, отсутствовало и взаимодействие кольца с магнитом.

Опыт 9. Диа- и парамагнетики

Оборудование: образцы диа- и парамагнетиков, электромагнит, источник тока, ключ.

Все вещества во внешнем магнитном поле намагничиваются, изменяют внутри себя магнитное поле и ориентируются во внешнем поле.

Диамагнетики уменьшают внутри себя магнитное поле и ориентируются перпендикулярно силовым линиям внешнего магнитного поля.

Висмутовый стержень подвесим на нити между полюсами электромагнита. Ориентируем стержень вдоль силовых линий магнитного поля. Магнит через ключ соединяем с источником постоянного тока. При замыкании ключа возникает магнитное поле в зазоре между полюсами электромагнита, и висмутовый стержень поворачивается на 90 , устанавливаясь перпендикулярно силовым линиям поля.

Парамагнетики увеличивают внутри себя магнитное поле и ориентируются вдоль силовых линий внешнего магнитного поля.

Пластинку хрома подвесим на нити между полюсами электромагнита так, что она располагается поперек магнитного поля. При замыкании ключа пластинка ориентируется вдоль силовых линий поля (поворачивается на 90 ) и втягивается в область более сильного поля (притягивается к ближайшему полюсу магнита).

Опыт 10. Ферромагнетики

Оборудование: стенд для демонстрации петли гистерезиса, латр, осциллограф, никелевая пластинка на нити, электромагнит, спиртовой факел.

Ферромагнетики, помещенные во внешнее магнитное поле, так же как и парамагнетики, увеличивают внутри себя это поле, но только в десятки тысяч раз.

Это объясняется их специфическим внутренним строением. Ферромагнетики имеют так называемую доменную структуру. В силу своего строения они обладают рядом свойств, которые сильно отличают их от парамагнетиков. К таким свойствам относится гистерезис.

Намагниченность парамагнетиков линейно зависит от величины внешнего магнитного поля, а у ферромагнетиков эта зависимость нелинейная. В переменном внешнем магнитном поле такая нелинейная зависимость будет выглядеть в виде петли, которая называется петлей гистерезиса.

На горизонтальную развертку осциллографа подаем сигнал, пропорциональный индукции внешнего переменного магнитного поля, а на вертикальную - сигнал, пропорциональный внутреннему магнитному полю в ферромагнетике.

При некоторой температуре домены ферромагнетика могут разрушиться, и ферромагнетик перейдет в парамагнитное состояние. Такая температура называется температурой Кюри.

Подвесим никелевую пластину на нити вблизи ферромагнитного стержня электромагнита. Пластинка намагнитится и притянется к стержню. Будем нагревать пластину спиртовым факелом. По мере прогревания домены разрушаются. Пластина размагничивается. Угол отклонения нити от вертикали уменьшается. При переходе через температуру Кюри пластинка становится практически не намагниченной.

Уберем факел. При остывании пластинка вновь приобрела свойства ферромагнетика, намагнитилась и притянулась к стержню электромагнита.

© 2006-2009 Томский государственный университет Томский государственный университет  Институт дистанционного образования  Национальный фонд подготовки кадров