Цели урока: Изучение особенностей магнитного поля катушки с током, способов усиления этого поля, знакомство с устройством, принципом работы и применением электромагнитов. Развитие навыка выполнять практические задания. Развитие физического мышления, умения решеть проблемные ситкации и способности анализировать их на основе опытных фактов. Привитие интереса к предмету через знакомство с историей открытий в области физики.
Тип: комбинированный урок
Метод: проблемное обучение.
Оборудование для фронтального эксперимента: источник питания, соединительные провода, ключ, реостат, круговой проводник (виток), полосовой магнит, компас (один комплект на каждый стол).
Демонстрации:
- черный ящик и катушка с током, подвешенная на гибких проводах на штативе (демонстрация №1);
- взаимодействие катушки с током и полосового магнита (демонстрация №2)
- взаимодействие двух катушек с током (демонстрация №3)
- установка для демонстрации действия электромагнита (демонстрация №4).
- модель звонка (демонстрация №5)
Ход урока
Организационный момент.
Ребята! Сегодняшний урок я хочу начать латинским афоризмом: «Талант видит способ решать известные задачи, гений решает задачи, которые не видят его современники». Сегодня мы будем учиться быть талантливыми, а кто-то может быть проявит и гениальность.На прошлоых уроках мы начали изучать новую форму материи – магнитное поле.
Сегодня мы продолжим наше мысленное путешествие на «машине времени» назад в прошлое, в то время, когда только начали изучать взаимосвязь электрических и магнитных явлений, т.е. в 19 век. Сегодня каждый из вас продолжит открытие новых тайн и загадок магнитного поля и мы вместе попробуем в них разобраться.
Но вначале проверим, как вы поняли материал прошлого урока – проведем физический диктант.У вас на столах лежат карточки. Вам нужно закончить предложения:
- Магнитное поле – это особая ………………………………
- Источником магнитного поля является…………..
- Обнаружить магнитное поле можно по действию ……………
- В опыте Эрстеда магнитная стрелка изменила направление, когда……….
- Магнитные линии – это линии, вдоль которых……………………………
- Магнитное поле отличается от электрического тем, что оно существует вокруг……..
- Магнитное поле прямого тока представляет собой.. ……….
А теперь внимание! На столе стоит черный ящик. Скажите, пожалуйста, как обнаружить, имеется ли в черном ящике магнитное поле?
Учащиеся предлагают варианты ответов.
Действительно это можно сделать двумя способами (демонстрация№1) : либо поднося к ящику магнитную стрелку (стрелка изменяет направление), либо поднося к ящику проводник с током,(в данном случае используется круговой проводник с током), который,как мы видим либо притягивается либо отталкивается. Возникает вопрос – а почему катушка с током притягивается или отталкивается? Сегодня как раз объектом нашего внимания и будет круговой проводник с током (или катушка с током, или соленоид) Такой круговой ток очень часто используется в технике, это важная деталь многих электротехнических устройств, например, подъемного устройства (рисунок 1, рисунок 2)
Рисунок 1
Рисунок 2
Итак на столе на тонких проволоках подвешена катушка, связаная с источником тока, рядом с ней на подставке полосовой магнит (демонстрация №2) Что будет происходить с катушкой, если пропустить по ней электрический ток?
Учащихся выдвигают гипотезы.
Давайте проверим эти гипотезы вместе. У вас на столах стоит лабораторное оборудование, соберите, пожалуйста, электрическую цепь, соединив последовательно источник тока, ключ, реостат и катушку. Кроме этого у вас есть полосовой магнит. Вы можете поэкспериментировать и посмотреть, как будет вести себя катушка до замыкания цепи и после замыкания цепи, поднося к катушке магнит, а затем магнитную стрелку.
Учащиеся выполняют фронтальный эксперимент , а затем вместе с учителем обсуждают его результаты.Учитель задает наводящие вопросы:
– Что вы наблюдали?
– Как вы думаете, почему иногда катушка притягивается к магниту, а иногда отталкивается?
– От чего это зависит?
– Какие выводы можно сделать?
Результаты совместного обсуждения оформляются в тетради в виде следующих выводов:
1. вокруг катушки с током есть магнитное поле (рисунок 4);
Рисунок 4
2. катушка с током (соленоид) похожа на полосовой магнит и у нее есть тоже два полюса – северный и южный (рисунок 3).
Рисунок 3
Впервые обнаружил этот удивительный факт Мари Андре Ампер еще в 1820 году. Опытным путем он установил, что две катушки с током притягиваются или отталкиваются подобно двум постоянным магнитам. Давайте посмотрим этот опыт – демонстрация №3 . Вы видите, что взамодействие есть, но достаточно слабое.
Подумайте, какими способами можно усилить магнитное поле катушки с током?
Попробуйте определить это опытным путем, замкнув собранную у вас на столах цепь и наблюдая изменение взаимодействия катушки и полосового магнита при разных положениях ползунка реостата, а также при введении внутрь катушки металлического сердечника.
Аналогичный опыт демонстрирует учитель (демонстрация №4)
(Сначала сопротивление реостата велико, затем мы его уменьшаем, а затем вставляем сердечник.)
Опытным путем было установлено, что магнитное поле катушки можно усилить тремя способами:
- увеличивая силу тока
- увеличивая число витков катушки
- вставляя внутрь катушки железный сердечник
Катушка с сердечником называется электромагнитом , применение электромагнитов разнообразно:электромагнитный телеграф,электромагнитное реле (рисунок 5), электрический звонок (рисунок 6), наушники (рисунок 7), динамик (громкоговоритель) (рисунок 8) и т.д. Они входят в состав многих электротехнических схем. Всякий электромагнит состоит из следующих частей (рисунок 9): обмотка 1, по которой протекает ток, стальной магнитопровод 2, представляющий собой сердечник, и якорь 3, который притягивается к сердечнику.
Рисунок 5
Рисунок 6
Рисунок 7
Рисунок 8
Рисунок 9
Кто и когда изготовил первый электромагнит?
1 ученик: История создания электромагнита . (рисунок 10)
Рисунок 10
Уильям Стерджен родился в семье сапожника, с детства он выполнял очень тяжелую работу в мастерской и часто голодал. В 19 лет он сбежал в воинскую часть и дослужился до артиллериста,там он много читал и ставил физические и химические опыты.Однажды налетел страшный ураган, сопровождающийся молнией и громом.Этот уруган произвел на Уильяма огромное впечатление и привлек его внимание к электричеству. Он стал читать книги по естествознанию, но с горечью понял,что знаний ему не хватает и он усиленно стал изучать науки с самых азов: чтение,письмо, грамматику, языки, математику, оптику и естествознание. После увольнения из армии он купил себе токарный станок и занялся изготовлением физических приборов и даже преуспел в этом так, что был назначен лектором в Военную академию. Идея об использовании подковообразного магнита захватила его еще в 1823 году. Он установил, что магнитное поле соленоида значительно усиливается, если внутрь его внести стальной сердечник, и вот 23 мая 1825 года на заседании Французского общества исскуств он, Уильям Стерджен, сын бедного сапожника, впервые продемонстрировал первый электромагнит. (рисунок 11)
Рисунок 11
Ои представлял собой согнутый в подкову лакированный железный стержень длиной 30 и диаметром 1,3 см, покрытый сверху одним слоем изолированной медной проволоки. Электроэнергией он снабжался от гальванической батареи (вольтова столба). Электромагнит удерживал на весу 3600 г и значительно превосходил по силе природные магниты такой же массы. Это было блестящее по тем временам достижение.
Многие ученые того времени занялись усовершенствованием электромагнита, увеличением его подъемной силы. В 1828 г. американский ученый Джозеф Генри (рисунок 12) применил в электромагните многослойную обмотку из изолированной проволоки и тем самым создал электромагнит значительной силы (рисунок 13). Он построил электромагнит массой около 300 кг, поднимавший около 1 т. Да и сам Стерджен работал над усовершенствованием электромагнита. По его заказу в 1840 г. был выполнен электромагнит, способный поднять уже 550 кг! Сейчас трудно себе представить, насколько тяжело было тогда создавать электромагниты. Ведь даже закон Ома инженерам в то время не был известен. Стерджен умер в 1850 году, так и не получив в награду за свое великое изобретение ни богатства,ни славы. На его могильной плите выбито «Здесь лежит изобретатель электромагнита…»
Рисунок 12
Рисунок 13
2 ученик : Одно из самых первых и важных применений электромагнита – это телеграфная связь. Людям с древних времен нужна была связь.Но еще в начале 19 века связь была очень примитивная: телеграфист на башне с помощью подзорной трубы принимал сигнал, передаваемый с другой вышки, расположенной на расстоянии пятнадцати миль от первой. Получив сигнал, телеграфист спускался вниз, переводил ручки семафора и усердно передавал сообщение на следующую вышку. До середины 19 века главным средством общения между Америкой и Европой, между Европой и колониями оставалась пароходная почта. О событиях и просшествиях в других странах люди узнавали с опозданием на целые недели, а то и месяцы. В 1831 году Джозефом Генри была сделана одна из первых попыток в реализации идеи связи с помощью электромагнитного телеграфа в приемной части которого использовалась простейшая конструкция электрозвонка (рисунок 14). Электрозвонок состоял из настольного колокольчика и насаженного на вертикально закрепленную иглу стального прутка длиной 250 мм. Первый электрический звонок питался от источника постоянного тока и представлял обычный электромагнит, к которому притягивался молоточек ударявший по колокольчику, когда нажимали на кнопку. (демонстрация №5).
Рисунок 14
3 ученик : наиболее удобную систему электромагнитного телеграфа создал американец Самюэль Морзе. (рисунок 15). Он был художником-портретистом, но доходы от рисования портретов были очень невелики,а ему надо было кормить жену и троих детей.Для того чтобы хорошо заработать, Морзе пришла в голову мысль написать картину, которая заинтересовала бы Америку, никогда не видевшую «Мону Лизу», «Тайную вечерю» и другие шедевры мирового искусства. В 1829 году он отправился в Европу и написал там картину «Лувр», на заднем плане которой изобразил столько шедевров, сколько могло вместить полотно. В 1832 году Морзе, преисполненный надежд, упаковал холсты и направился обратно в Америку. Он взошел на борт пакетбота «Сэлли» художником, а вышел на берег изобретателем. Как это получилось? На борту зашел разговор о европейских опытах по электромагнетизму. «Извлечение искр из магнита» было одним из чудес того времени. Морзе тут же высказал предположение, что сочетание искр может быть использовано как код для передачи сообщений по проводам . Эта идея захватила его очень сильно, несмотря на то, что ему были почти неизвестны даже самые основные законы электричества (в юности он всего лишь один раз слушал лекцию по электричеству) Морзе твердо верил, что человек может добиться чего угодно, стоит только крепко взяться за дело. За время месячного плавания до берегов Америки Морзе набросал несколько предварительных чертежей. Следующие три года он потратил на безуспешные попытки построить по ним аппарат. В его распоряжении было несколько гальванических батарей, железных стержней и проволока. Он соединил их по схеме, которую сам начертил, и замкнул цепь. Никакого результата! Он сделал несколько переключений. Снова ничего! Много дней он безрезультатно бился над установкой. Наконец, отчаявшись, он обратился за помощью к коллеге с химического факультета Леонарду Гейлу. Гейл взглянул на беспомощную конструкцию Морзе и сжалился над ним. Он показал Морзе, что надо сделать изоляцию провода, показал, как производится намотка и как включать батарею в такую цепь. И тогда, наконец, аппарат Морзе подал признаки жизни. Ранние проекты телеграфа Морзе были весьма наивны и чрезвычайно сложны. Поздние модели телеграфа снабжались сигнальным ключом, при помощи которого замыкалась и размыкалась цепь.
Рисунок 15
4 ученик : в сентябре 1837 года Морзе успешно продемонстрировал свое изобретение в Нью-йоркском университете. Сигнал был послан по проволоке длиной 1700 футов. Но для создания телеграфной установки, способной передавать сигнал на далекие расстояния, нужны были деньги. Американское правительство отказалось субсидировать создание телеграфной связи вдоль Атлантического побережья и Морзе отправился в Европу. В Англии Морзе сказали, что Уитстон уже изобрел электромагнитный телеграф, в чем он может убедиться, заглянув в ближайшую почтовую контору (рисунок 16).
Рисунок 16
В России Морзе узнал, что барон Шиллинг, русский посол в Австрии, изобрел электромагнитный телеграф еще в 1825 году (рисунок 17), но сама идея мгновенного сообщения между людьми в дальних концах страны показалась русскому царю настолько крамольной, что он запретил даже упоминать об этом изобретении в печати. Ни одна из разных систем телеграфа не была такой простой и удачной, как аппарат Морзе. Поэтому изобретатель не оставлял надежды, хотя его положение никогда не было столь отчаянным. Морзе в конце концов поехал в Принстон посоветоваться с профессором Джозефом Генри.
Рисунок 17
Реле, изобретенное Генри шесть лет назад, могло разрешить проблему, перед которой стоял Морзе. Генри подсказал Морзе, что цепь передатчика должна соединяться с приемным устройством не непосредственно, а через многочисленную гирлянду электрических цепей. В каждой цепи был свой источник тока и реле. Генри объяснил Морзе, что такая цепочная система может передавать электрические сигналы на тысячи миль, и на конце «гирлянды» сила импульса будет равна интенсивности переданного сигнала.
5 ученик : Морзе вернулся в Нью-Йорк и переделал свой аппарат в соответствии с наставлениями Генри. В 1843 году Морзе обратился снова к американскому правительству за субсидией. Когда билль о субсидии, наконец, был представлен на рассмотрение палаты представителей, депутаты отнеслись к нему как к забавной шутке, но все-таки выделили деньги. Морзе и его компаньоны решили сделать подземную линию, поместив сложное устройство в свинцовой трубе, затратили на это огромную сумму, а потом оказалось, что подрядичики уложили провода без изоляции и линия была парализована множеством коротких замыканий. Морзе был в отчаянии.Но и тут ему на выручку опять пришел Джозеф Генри и вся линия была подвешена на деревьях и столбах, причем в качестве изоляторов применялись горлышки бутылок. И вот наступил знаменательный день 24 мая 1844 года. Морзе установил свой аппарат в зале Верховного суда в Капитолии.Там собралась толпа правительственных чиновников, судей и конгрессменов и все наблюдали, как информация из Балтимора практически мгновенно оказывается в Вашинготоне. К 1850 году Морзе со своими партнерами создал «Магнетик телеграф»-компанию для прокладки линии между Нью-Йорком и Филадельфией. Это была победа – телеграф Морзе работал и передавал информацию на огромные расстояния. Именно Морзе удалось спроектировать и создать аппарат, который применялся на телеграфных линиях всех стран почти 100 лет (рисунок 18).
Рисунок 18
6 ученик : Кроме того Морзе разработал знаменитую азбуку,в которой все буквы алфавита представлялись комбинацией точек и тире, названную его именем и ставшую основным кодом телеграфирования. Как работал аппарат Морзе? С передающего аппарата с помощью «ключа Морзе» замыканием электрической цепи в линии связи формировались короткие или длинные электрические сигналы, соответствующие точкам или тире азбуки Морзе. На приемном телеграфном аппарате на время прохождения сигнала (электрического тока) электромагнит притягивал якорь, с которым было жестко связано колесико,окунаемое в чернила. Колесо оставляло черный след на бумажной ленте, протягиваемой с помощью пружинного механизма. Этот вид связи использовался до начала 20 века, до той поры, пока не получила распространение радиосвязь. А началось все с изобретения электромагнита!
Закрепление
Итак, ребята, наш урок подходит к концу. Давайте проверим, кто из вас стал настоящим исследователем. Весь класс делится на щесть групп. Каждой группе дается один вопрос для обсуждения. Вопросы:
- Как будут вести себя две катушки, висящие на тонких проводах рядом, если по ним пропустить ток?
- Как усилить магнитное поле катушки с током?
- Кто и когда изобрел первый электромагнит?
- Как построить сильный электромагнит, если поставлено условие, чтобы ток в электромагните был сравнительно слабый?
- Как изготовить электромагнит,подъемную силу которого можно было бы регулировать?
- Требуется поднять электромагнитным подъемным краном деревянный ящик с грузом. Предложите способ, как это сделать.
После обсуждения в группах один из учащихся от каждой группы дает ответ на вопрос.
Домашнее задание . Параграф 58,учебник «Физика-8», автор Перышкин А.В., упр.28, задание 9, сделать сообщение или презентацию на тему: «Устройство и применение электромагнитов».
Ребята! Сегодня мы с Вами хорошо потрудились. Китайская пословица гласит:
«Человек может стать умным тремя путями: путем подражания – это самый легкий путь, путем опыта – это самый трудный путь, и путем размышления – это самый благородный путь». Сегодня мы вместе попробовали идти различнымими путями к намеченной цели и, я надеюсь,каждый из вас ощутил на этом пути интерес к познанию нового. Спасибо всем за внимание и работу.
Если в пространстве вокруг неподвижных электрических зарядов существует электростатическое поле, то в пространстве вокруг движущихся зарядов (как и вокруг изменяющихся во времени электрических полей, что изначально предположил Максвелл) существует . Это легко наблюдать экспериментально.
Именно благодаря магнитному полю и взаимодействуют между собой электрические токи, а также постоянные магниты и токи с магнитами. По сравнению с электрическим взаимодействием, магнитное взаимодействие является значительно более сильным. Это взаимодействие в свое время изучал Андре-Мари Ампер.
В физике характеристикой магнитного поля служит B, и чем она больше, тем сильнее магнитное поле. Магнитная индукция В - величина векторная, ее направление совпадает с направлением силы, действующей на северный полюс условной магнитной стрелки, помещенной в какую-нибудь точку магнитного поля, - магнитное поле сориентирует магнитную стрелку в направлении вектора В, то есть в направлении магнитного поля.
Вектор В в каждой точке линии магнитной индукции направлен к ней по касательной. То есть индукция В характеризует силовое действие магнитного поля на ток. Похожую роль играет напряженность Е для электрического поля, характеризующая силовое действие электрического поля на заряд.
Простейший эксперимент с железными опилками позволяет наглядно продемонстрировать явление действия магнитного поля на намагниченный объект, поскольку в постоянном магнитном поле маленькие кусочки ферромагнетика (такими кусочками являются железные опилки) становится, намагничиваясь по полю, магнитными стрелками, словно маленькими стрелками компаса.
Если взять вертикальный медный проводник, и продеть его через отверстие в горизонтально расположенном листе бумаги (или оргстекла, или фанеры), а затем насыпать металлические опилки на лист, и немного встряхнуть его, после чего пропустить по проводнику постоянный ток, то легко заметить, как опилки выстроятся в форме вихря по окружностям вокруг проводника, в плоскости перпендикулярной току в нем.
Эти окружности из опилок как раз и будут условным изображением линий магнитной индукции В магнитного поля проводника с током. Центр окружностей, в данном эксперименте, будет расположен ровно в центре, по оси проводника с током.
Направление векторов магнитной индукции В проводника с током легко определить или по правилу правого винта: при поступательном движении оси винта по направлению тока в проводнике, направление вращения винта или рукоятки буравчика (вкручиваем или выкручиваем винт) укажет направление магнитного поля вокруг тока.
Почему применяется правило буравчика? Поскольку операция ротор (обозначаемая в теории поля rot), используемая в двух уравнениях Максвелла, может быть записана формально как векторное произведение (с оператором набла), а главное потому, что ротор векторного поля может быть уподоблен (представляет собой аналогию) угловой скорости вращения идеальной жидкости (как представлял сам Максвелл), поле скоростей течения которой изображает собой данное векторное поле, можно воспользоваться для ротора теми формулировками правила, которые описаны для угловой скорости.
Таким образом, если крутить буравчик в направлении завихрения векторного поля, то он будет ввинчиваться в направлении вектора ротора этого поля.
Как видите, в отличие от линий напряженности электростатического поля, которые в пространстве разомкнуты, линии магнитной индукции, окружающие электрический ток, замкнуты. Если линии электрической напряженности Е начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных, то линии магнитной индукции В просто замкнуты вокруг порождающего их тока.
Теперь усложним эксперимент. Рассмотрим вместо прямого проводника с током виток с током. Допустим, нам удобно расположить такой контур перпендикулярно плоскости рисунка, причем слева ток направлен на нас, а справа - от нас. Если теперь внутри витка с током разместить компас с магнитной стрелкой, то магнитная стрелка укажет направление линий магнитной индукции - они окажутся направлены по оси витка.
Почему? Потому что противоположные стороны от плоскости витка окажутся аналогичны полюсам магнитной стрелки. Откуда линии В выходят - это северный магнитный полюс, куда входят - южный полюс. Это легко понять, если сначала рассмотреть проводник с током и с его магнитным полем, а затем просто свернуть проводник в кольцо.
Для определения направления магнитной индукции витка с током также пользуются правилом буравчика или правилом правого винта. Поместим острие буравчика по центру витка, и станем его вращать по часовой стрелке. Поступательное движение буравчика совпадет по направлению с вектором магнитной индукции В в центре витка.
Очевидно, направление магнитного поля тока связано с направлением тока в проводнике, будь то прямой проводник или виток.
Принято считать, что та сторона катушки или витка с током, откуда линии магнитной индукции В выходят (направление вектора В наружу) - это и есть северный магнитный полюс, а куда линии входят (вектор В направлен внутрь) - это южный магнитный полюс.
Если множество витков с током образуют длинную катушку - соленоид (длина катушки во много раз превышает ее диаметр), то магнитное поле внутри нее однородно, то есть линии магнитной индукции В параллельны друг другу, и имеют одинаковую плотность по всей длине катушки. Кстати, магнитное поле постоянного магнита похоже снаружи на магнитное поле катушки с током.
Для катушки с током I, длиной l, с количеством витков N, магнитная индукция в вакууме будет численно равна:
Итак, магнитное поле внутри катушки с током является однородным, и направлено от южного к северному полюсу (внутри катушки!) Магнитная индукция внутри катушки пропорциональна по модулю числу ампер-витков на единицу длины катушки с током.
