Видеоурок взаимодействие токов магнитное поле: Взаимодействие токов. Магнитное поле. Магнитная индукция. Линии магнитной индукции

Содержание

Взаимодействие токов. Магнитное поле. Магнитная индукция. Линии магнитной индукции

Название предмета: «Физика».

Класс: 11

УМК: Физика. 11 класс. /Г.Я.Мякишев, Б.Б.Буховцев, В.М.Чаругин; под.ред. Н.А. Парфентьевой. – М.: Просвещение, 2014.

Уровень обучения: базовый.

Тема урока: «Взаимодействие токов. Магнитное поле. Магнитная индукция. Линии магнитной индукции»

Общее количество часов, отведённое на изучение темы: 12

Место урока в системе уроков по теме:

Данный урок является первым в курсе физики 11 класса. Вместе с тем, он является продолжением изучения раздела 10 класса «Основы электродинамики». Обучающиеся уже знакомы с понятием «стационарное электрическое поле». Продолжая изучение электродинамики, им предстоит познакомится со стационарными магнитным полем и изменяющимися со временем магнитным и электрическим полями.

Цель урока: формирование представления обучающихся о магнитном поле как виде материи и его свойствах.

Задачи урока:

Дидактическая – создавать условия для усвоения нового учебного материала через проблемно-деятельностный подход.
Образовательная – формировать представления о природе магнитных взаимодействий свойствах магнитного поля, линиях магнитной индукции, направлении вектора магнитной индукции.
Развивающая – развивать логическое мышление обучающихся при рассмотрении задач на определение направления вектора индукции магнитного поля.
Воспитательная – прививать культуру умственной деятельности.

Планируемые результаты.

Обучающиеся должны:

понимать механизм взаимодействия между проводниками с током, смысл понятий «магнитное поле», «индукция магнитного поля», «линии магнитной индукции», «вектор магнитной индукции», «однородное и неоднородное магнитное поле» «вихревое поле»;
знать свойства магнитного поля;
уметь определять направление вектора магнитной индукции по правилу буравчика.

Техническое обеспечение урока:

Компьютер, проектор, экран, документ-камера.
Оборудование по физике: источник питания, реостат, амперметр, катушка на подставке с компасом, ключ, соединительные провода.

Демонстрации: опыта Эрстеда, движения проводника с током в магнитном поле, силовых линий магнитного поля постоянного магнита, магнитного поля прямого тока.

Дополнительное методическое и дидактическое обеспечение урока:

Видеоурок «Магнитное поле постоянного электрического тока» http://interneturok.ru/physics/11-klass/bmagnitnoe-poleb/magnitnoe-pole-postoyannogo-elektricheskogo-toka1?chapter_id=7395&book_id=102
Инструкции для вводного инструктажа по теме «Правила техники безопасности в кабинете физики и на уроках физики, при выполнении демонстраций, практических и лабораторных работ».
Карточки-задания.

Содержание урока:

I. Организационный момент (1 мин.). Мобилизующее начало урока («исходная мотивация». Позитивный настрой на урок.

Вводный инструктаж (3 мин). Правила техники безопасности в кабинете физики и на уроках физики, при выполнении демонстраций, практических и лабораторных работ (на перемене роспись учащихся об ознакомлении с правилами по ТБ в журнале по технике безопасности на уроках физики).

II.Актуализация знаний (5 мин.). Основная цель актуализации — посредством воспроизведения ранее полученных знаний подготовить почву для активного усвоения нового материала.

Вопросы на слайде (слайды №2, №3):

Что означают выражения «частица обладает электрическим зарядом», «тело обладает электрическим зарядом»?
Что такое «электрическое поле»?
По каким свойствам можно обнаружить электрическое поле?
Как объяснить взаимодействие двух покоящихся точечных зарядов или заряженных тел?
По какой формуле рассчитывается сила взаимодействия между точечными зарядами?
Какая физическая величина является основной силовой характеристикой электрического поля?
Как рассчитывается напряжённость электрического поля?

III. Изучение нового материала.

1.Краткая историческая справка о развитии учения магнитного поля (слайд №4).

2.Итак, неподвижные электрические заряды создают вокруг себя электрическое поле. Движущиеся заряды создают магнитное поле. Вокруг любого магнита существует магнитное поле. В 1820 году Эрстед обнаружил, что магнитное поле порождается электрическим током (проведение демонстрационного эксперимента №1. Опыт Эрстеда). Ампер предложил, что «магнитные свойства постоянных магнитов обусловлены множеством круговых токов, циркулирующих внутри молекул этих тел».

3. Показ видеоролика «Магнитное поле постоянного электрического тока» http://interneturok.ru. Обучающиеся получают задание законспектировать основные понятия по ходу видеоурока.

4. Проверка конспектов. Обучающиеся выделяют основные понятия (слайд №5).

Магнитными силами называют силы, с которыми проводники с током взаимодействуют друг с другом.

Магнитное поле – это особая форма материи, которая существует независимо от нас и обнаруживается с помощью проводников с током или магнитных стрелок.

Свойства магнитного поля:

Магнитное поле порождается только движущимися зарядами, в частности электрическим током.
В отличие от электрического поля магнитное поле обнаруживается по его действию на движущиеся заряды (заряженные тела).
Магнитное поле материально, т.к. оно действует на тело, следовательно, обладает энергией.
Магнитное поле обнаруживается по действию на магнитную стрелку.

Магнит имеет два полюса: северный и южный, одноимённые полюсы отталкиваются, разноимённые – притягиваются.

Проведение демонстрационного эксперимента №2. Расположим перед катушкой компас. Замкнём цепь и будем наблюдать за поведением стрелки компаса.

Вывод: вокруг проводника с током возникает магнитное поле, которое поворачивает стрелку перпендикулярно плоскости витка катушки.

6. Графическое изображение магнитного поля (слайд №6). Магнитное поле можно изобразить графически при помощи линий, касательные к которым в каждой точке совпадают с направление вектора магнитной индукции.

Линии магнитной индукции не пересекаются. При изображении магнитного поля с помощью линий магнитной индукции эти линии наносятся так, чтобы их густота в любом месте поля была пропорциональна значению модуля магнитной индукции.

Характерной особенностью линий магнитной индукции является их замкнутость. Магнитное поле является вихревым.

7. «Правило буравчика», направление тока и линий его магнитного поля (слайд №7).

Если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением линий магнитного поля тока.

А как определить направление тока, если мы знаем направление магнитных линий? По тому же правилу. Только изначально бы берем за известный факт не направление движения буравчика, а направление вращения его ручки.

8. Правило правой руки. В случае, когда мы имеем дело с магнитным полем катушки с током или соленоида, для нахождения направления линий магнитного поля существует правило правой руки.

Если обхватить соленоид ладонью правой руки, направив четыре пальца по направлению тока в витках, то отставленный большой палец покажет направление линий магнитного поля внутри соленоида.

Закрепление изученного материала.

4.1. Вопросы (слайд №8):

Какие взаимодействия называются магнитными?
Каковы основные свойства магнитного поля?
Опишите опыт Эрстеда. Что доказывает опыт Эрстеда?
Что называют линиями магнитной индукции?
Как направлен вектор магнитной индукции?
Что собой представляют линии магнитного поля прямого проводника с током, соленоида?
Какое магнитное поле считают однородным? неоднородным?
Какие поля называют вихревыми?
В чём состоит правило буравчика?
Что можно определить по правилу правой руки?

4. 2. Самостоятельная работа (карточки-задания см. в приложении):

Рефлексия:

Какие сведения о магнитном поле вам были известны ранее? Что вы узнали нового на уроке?

Домашнее задание: § 1, стр.10, А₁-А₄

Приложение

«Магнитное поле тока. Вектор магнитной индукции»

Вариант 1.

1. Вокруг катушки с током образовалось магнитное поле. Верно ли указано направление вектора магнитной индукции в точке А?

2. Магнитная стрелка на оси катушки установилась так, как показано на рисунки. Верно ли указано направление тока в катушке?

Вариант 2.

1. Соответствует ли направление вектора магнитной индукции направлению концов магнитной стрелки?

2. Магнитная стрелка в магнитном поле прямого проводника в точке А установилась так, как показано на рисунке. Верно ли указано направление тока в проводнике?

Взаимодействие токов. Магнитное поле урок физики 11 класс

Взаимодействие токов. Магнитное поле, его характеристики.

(урок физики в 11 классе)

Цель урока: 1. дать учащимся представление о магнитном поле;

2. сформировать представления учащихся о магнитном поле и его свойствах.

Демонстрации: 1. Опыт Эрстеда, движения проводника с током в магнитном поле;

2. Силовых линий магнитного поля постоянного магнита, магнитного поля прямого тока.

Оборудование: 1. источник питания;

2. ключ;

3. переменный резистор;

4. амперметр;

5. катушка на подставке;

6. компас;

7. соединительные провода.

Ход урока:

I. Актуализация знаний.

Знакомство с учениками, с классом.
Знакомство с учебником, правилами и требованиями учителя.
Запись учениками школьных принадлежностей для урока физики.

а) учебник;

б) тетрадь 48 л.;

в) тетрадь для лабораторных и практических работ – 12 — 18 л.;

г) тетрадь для контрольных работ – 12 — 18 л.;

д) микрокалькулятор

е) линейка, карандаш, ластик, треугольник, транспортир, ручка (синяя и чёрная).

II. Правила техники безопасности в кабинете физики и на уроках физики, при выполнении демонстраций, практических и лабораторных работ.

а) ИОТ – 6;

б) ИОТ – 7;

в) ИОТ – 8;

г) журнал по технике безопасности на уроках физики (роспись учащихся об ознакомлении с правилами по ТБ).

III. Изучение нового материала.

Неподвижные электрические заряды создают вокруг себя электрическое поле.

Вокруг любого магнита существует магнитное поле.

В 1820 году Эрстед обнаружил, что магнитное поле порождается электрическим током (демонстрация опыта Эрстеда).

В 1820 году Ампер предложил, что «магнитные свойства постоянных магнитов обусловлены множеством круговых токов, циркулирующих внутри молекул этих тел».

Свойства магнитного поля.

1. Магнитное поле порождается только движущимися зарядами, в частности электрическим током.

2. В отличие от электрического поля магнитное поле обнаруживается по его действию на движущиеся заряды (заряженные тела).

3. Магнитное поле материально, т.к. оно действует на тело, следовательно обладает энергией.

4. Магнитное поле обнаруживается по действию на магнитную стрелку.

Опыт Ампера.

Пропускаем ток по параллельным проводникам. Гибкие проводники укрепляются вертикально, затем присоединяем их к источнику тока. Ничего не наблюдаем. Но если замкнуть концы проводников проволокой, в проводниках возникнут токи противоположного направления. Проводники начнут отталкиваться друг от друга.

В случае токов одного направления проводники притягиваются. Это взаимодействие между проводниками с током, т.е. взаимодействие между движущимися электрическими зарядами, называют магнитным. Силы, с которыми проводники с током действуют друг на друга, называют магнитными силами.

Изобретение компаса.

В 12 веке в Европе стал известен компас как прибор, с помощью которого можно определить направление частей света.

Применение (12 в.) в морских путешествиях для определения курса корабля в открытом море.

Магнит имеет два полюса: северный и южный, одноимённые полюсы отталкиваются, разноимённые – притягиваются.

Эксперимент 1.

Расположим перед катушкой компас. Замкнём цепь и будем наблюдать за поведением компаса.

Вывод: вокруг проводника с током существует (возникает) магнитное поле.

Эксперимент 2.

Расположим перед катушкой компас так, чтобы расстояние между ними было около 12 см. замкнём электрическую цепь. В данном случае отклонения стрелки не наблюдается. При приближении катушки к компасу на расстоянии 8 см, наблюдается отклонение стрелки (30⁰). Уменьшая расстояние, видим увеличение угла отклонения стрелки. Чем дальше от проводника с током, тем слабее магнитное поле.

Магнитное поле можно изобразить графически при помощи линий, касательные к которым в каждой точке совпадают с направление вектора магнитной индукции.

Характерной особенностью линий магнитной индукции является их замкнутость. Магнитное поле вихревое.

Правило правого винта: Если вы когда-нибудь закручивали винт или шуруп, то вы наверняка знаете, в какую сторону он закручивается, а в какую выкручивается. Люди унифицировали направление закручивая винтов и шурупов. Это значит, что все шурупы и винты во всем мире

закручиваются в одну сторону. То есть, если вы купите некий прибор в другой стране, то в случае его ремонта или сборки вам не потребуются винты с нарезкой в иную сторону, такие, каких не купишь в вашей стране. Нарезка всех винтов в мире совпадает. Это правило нарушают лишь в некоторых особых случаях, когда от нарезки зависит вращение некой части устройства. Но для таких случаев делают специальные детали. Это простое, но гениальное решение избавило от множества потенциальных проблем.

«Правило буравчика», направление тока и линий его магнитного поля

Оказывается, что это правило применимо не только в механике к закручиванию винтов. Если мы имеем проводник с током, то это правило помогает нам определить направление линий магнитного поля, образованного этим током. Только это правило в данном случае носит название «правила буравчика». Правило буравчика звучит следующим образом:

Буравчик это винт или шуруп, который мы ввинчиваем. Направление ручки буравчика это направление вращения нашей руки.

Если ток движется от нас

Тогда направление вращения нашей руки в процессе ввинчивания это направление магнитных линий. Они будут направлены по часовой стрелке.

В случае противоположного направления электрического тока, линии магнитного поля будут направлены, соответственно, против часовой стрелки. Таким же было бы направление руки в процессе выкручивая винта или направление ручки буравчика в случае его движения к нам.

А как определить направление тока, если мы знаем направление магнитных линий? Очень просто. По тому же правилу. Только изначально бы берем за известный факт не направление движения буравчика, а направление вращения его ручки.

Правило правой руки

В случае, когда мы имеем дело с магнитным полем катушки с током или соленоида, картина будет более сложной. Поэтому для простого нахождения направления линий магнитного поля в таком случае существует правило правой руки. Оно гласит:

Открытие электромагнетизма:

В XVIII в. электричество и магнетизм считались хотя и похожими, но все же имеющими различную природу явлениями. Правда, были известны некоторые факты, указывающие на существование как будто бы связи между магнетизмом и электричеством, например намагничение железных предметов в результате ударов молнии. Больше того, Франклину удалось как будто бы намагнитить кусок железа с помощью разряда лейденской банки. Все-таки известные факты не позволяли уверенно утверждать, что между электрическими и магнитными явлениями существует связь.

Такую связь впервые обнаружил датский физик Ханс Кристиан Эрстед в 1820 г. Он открыл действие электрического тока на магнитную стрелку.

Интересна история этого открытия. Идею о связи между электрическими и магнитными явлениями Эрстед высказал еще в первом десятилетии XIX в. Он полагал, что в явлениях природы, несмотря на все их многообразие, имеется единство, что все они связаны между собой.

Руководствуясь этой идеей, он поставил перед собой задачу выяснить на опыте, в чем эта связь проявляется.

Эрстед открыл, что если над проводником, направленным вдоль земного меридиана, поместить магнитную стрелку, которая показывает на север, и по проводнику пропустить электрический ток, то стрелка отклоняется на некоторый угол.

После того как Эрстед опубликовал свое открытие, многие физики занялись исследованием этого нового явления.

Новый важнейший шаг в исследовании электромагнетизма был сделан французским ученым Андре Мари Ампером в 1820г.

Раздумывая над открытием Эрстеда, Ампер пришел к совершенно новым идеям. Он предположил, что магнитные явления вызываются взаимодействием электрических токов. Каждый магнит представляет собой систему замкнутых электрических токов, плоскости которых перпендикулярны оси магнита. Взаимодействие магнитов, их притяжение и отталкивание объясняются притяжением и отталкиванием, существующими между токами.

IV. Закрепление изученного материала.

Какие взаимодействия называются магнитными.
Основные свойства магнитного поля.
Опишите опыт Эрстеда, что доказывает опыт Эрстеда?
Правило правого винта.
От чего зависит магнитная индукция поля внутри вытянутой катушки?

V. Домашнее задание.

§ 1,2 учебника Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б. Физика – 11 (базовый и профильный уровни),- М.: Просвещение, 2010 г.

Действие магнитного поля на проводник с током 11 класс онлайн-подготовка на Ростелеком Лицей

Введение

На прошлом уроке мы выяснили, что вокруг проводника с током существует магнитное поле, линии которого замкнуты (рис. 1).

Рис. 1. Линии магнитного поля проводника с током

Опытным путем мы установили, что направление линий магнитного поля вокруг проводника напрямую связано с направлением электрического тока в проводнике и для определения этого направления можно использовать или правило правой руки, или «правило буравчика».

Проведя эксперименты, мы увидели, что небольшой виток из проводника, по которому пропущен электрический ток, то есть виток с током, ведет себя в магнитном поле подобно магнитной стрелке. На виток действует вращающий момент сил, который заставляет разворачиваться его таким образом, чтобы линии магнитного поля пронизывали плоскость витка под прямым углом (рис. 2).

Рис. 2. Действие линий магнитного поля на виток

При этом мы выяснили, что такой виток с током можно использовать для анализа силовых свойств магнитного поля, и ввели физическую величину, которая определяет силовые свойства магнитного поля – это индукция. Единица ее измерения – тесла:

– индукция магнитного поля

Закон взаимодействия токов

Проведя ряд экспериментов, Андре-Мари Ампер выяснил: два прямых параллельных проводника с током притягиваются друг к другу, если по ним протекают однонаправленные токи, то есть токи одного направления (рис. 3).

Рис. 3. Однонаправленные токи

Эти же проводники с током отталкиваются, если по ним протекают токи противоположных направлений (рис. 4).

Рис. 4. Разнонаправленные токи

Анализ проведенных экспериментов позволил Амперу вывести свой знаменитый закон взаимодействия токов: сила взаимодействия двух параллельных проводников с током пропорциональна произведению величин токов в этих проводниках на длину проводников и обратно пропорциональна расстоянию между проводниками.

Кроме того, мы выяснили, что проводники с током оказывают магнитное действие, а проводник, скрученный в катушку (соленоид), ведет себя подобно постоянному плоскому магниту (рис. 5).

Рис. 5. Соленоид

Определить полярность такого магнита также можно по правилу правой руки (рис. 6): «Если обхватить соленоид ладонью правой руки и направить четыре пальца по направлению тока в нем, то отставленный на 90° большой палец будет указывать направление линий магнитного поля внутри соленоида».

Рис. 6. Определение полярности магнита по правилу правой руки

Теперь ответим на следующий вопрос: почему именно так взаимодействуют параллельные проводники с током? И откуда берется момент сил, заставляющий виток с током разворачиваться между полюсами магнита?

Опыт 1

Чтобы исследовать влияние магнитного тока на проводник с током, необходимо проделать ряд опытов. Для этого мы собрали установку: проводник с током, который помещен между полюсами дугообразного магнита, причем магнит расположен таким образом, чтобы линии магнитного поля, создаваемые им, были направлены снизу вверх, то есть от северного полюса магнита к южному (рис. 7).

Рис. 7. Расположение проводника с током между полюсами магнита

Проводник при помощи системы проводов мы подключим к источнику тока так, чтобы при замыкании источника ток в проводнике протекал в направлении данной стрелки (рис. 8).


Рис. 8. Направление тока	Рис. 9. Готовая установка

Посмотрим, что будет, если просто замкнуть цепь (рис. 10).

Рис. 10. Проводник отклонился от своего начального положения

Видим, что проводник при пропускании по нему электрического тока отклонился от своего начального положения, как бы втягиваясь внутрь дугообразного магнита. Теперь посмотрим, как будет вести себя проводник, если изменить направление тока в нем (клеммы «+» и «-» на источнике меняем местами) и замкнуть цепь (рис. 11).

Рис. 11. Движение проводника при смене направления тока

Мы видим, что проводник снова отклоняется от своего начального положения, но при этом он как бы выталкивается из пространства между полюсами магнита.

Итак, мы можем сделать вывод, что магнитное поле на помещенный в него проводник с током действует с некоторой силой. Направление этой силы зависит от направления тока в проводнике. Но возникает вопрос: только ли от направления тока в проводнике она зависит?

Опыт 2

Чтобы ответить на этот вопрос, сделаем следующий шаг: оставим направление тока таким же, каким оно было в последнем опыте, но изменим направление линий магнитного поля. Расположим магнит таким образом, чтобы линии магнитного поля были направлены сверху вниз (от северного полюса к южному) (рис. 12).

Рис. 12. Линии магнитного поля направлены сверху вниз

Посмотрим, как себя будет вести проводник с током. При замыкании цепи видно, что проводник при том же самом направлении тока в нем теперь втягивается внутрь пространства между полюсами магнита (рис. 13).

Рис. 13. Проводник втягивается внутрь пространства между полюсами магнита

Для завершения опыта снова изменим направление тока в проводнике и замкнем цепь. Видим, что проводник выталкивается из пространства между полюсами магнита (рис. 14).

Рис. 14. Проводник выталкивается из пространства между полюсами магнита

Мы видим, что поведение проводника с током, помещенного в магнитное поле, определяется направлением тока в проводнике и расположением полюсов магнита. Следовательно, со стороны магнитного поля на помещенный в это поле проводник с током действует сила, направление которой зависит как от направления электрического тока в проводнике, так и от направления линий магнитного поля. То есть все названные направления тесно взаимосвязаны.

Рис. 15. Направление силы со стороны магнитного поля зависит от направления электрического тока в проводнике и от линий магнитного поля

Правило левой руки

Еще раз запустим ток по проводнику и попробуем связать между собой указанные три направления (рис. 16).

Рис. 16. Проводник снова выталкивается из пространства между полюсами магнита

Видим, что проводник с током снова как бы выталкивается из пространства между полюсами магнита, линии магнитного поля направлены сверху вниз, ток направлен по стрелке (от учителя). Таким образом, можно сделать вывод о взаимосвязи трех вышеуказанных направлений: все три направления взаимно перпендикулярны.

Такая взаимосвязь направлений характерна для левой руки или, как говорят физики, для левой симметрии. Если левую руку расположить таким образом, что четыре пальца ее показывают направление течения тока в проводнике (от плюса к минусу), при этом кисть развернуть так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь, то отогнутый на палец левой руки покажет направление действия силы (рис. 17). Сформулированное нами правило называется правилом левой руки.

Рис. 17. Правило левой руки

Итак, мы выяснили взаимосвязь между тремя направлениями: направлением тока в проводнике, направлением линий магнитного поля, или вектором магнитной индукции, и направлением силы, действующей со стороны магнитного поля на проводник с током. Эти три направления связаны правилом левой руки. Но сила, как векторная величина, кроме направления характеризуется и численным значением.

Сила, действующая со стороны магнитного поля на проводник с током

Рис. 18. Андре Мари Ампер (1775–1836)

От чего же зависит величина силы, действующей со стороны магнитного поля на проводник с током? Проведя серию экспериментов, Ампер (рис. 18) установил, что величина силы, которая действует со стороны магнитного поля на проводник с током, прямо пропорциональна величине тока, протекающего внутри проводника:

Кроме того, Ампер заметил, что эта же величина силы прямо пропорциональна длине той части проводника, которая находится в магнитном поле:

То есть чем длиннее брать проводник при таком же самом значении тока, тем большая сила со стороны магнитного поля на него действует. Воспользуемся одним математическим правилом: если одна величина пропорциональна двум другим, то она будет пропорциональна их произведению:

То есть величина силы прямо пропорциональна произведению тока на длину части проводника в магнитном поле. Теперь обратим внимание, что размерность силы – ньютон, размерность тока – ампер, размерность длины – метр. Для того чтобы поставить знак равенства между величинами, нам нужно добавить размерность магнитной индукции , следовательно, нужно правую часть умножить на модуль магнитной индукции:

Последнее, что осталось, – это учесть зависимость направления действия силы от взаимного направления тока и вектора магнитной индукции.

Если расположить проводник с током в магнитном поле так, чтобы направление тока совпало с направлением вектора индукции магнитного поля (рис. 19), то при пропускании тока через проводник последний практически не реагирует.

Рис. 19. Направление тока совпадает с направлением вектора индукции магнитного поля

Если же расположить проводник так, чтобы направление тока было перпендикулярно направлению вектора магнитной индукции, то проводник максимально сильно втягивается в пространство между полюсами магнита (рис. 20).

Рис. 20. Направление тока перпендикулярно направлению вектора магнитной индукции

Итак, когда угол между двумя направлениями (между направлением вектора магнитной индукции и направлением тока) равен 0 (рис. 21), то сила действия магнитного поля на проводник с током равна 0.

Рис. 21. Угол между направлениями равен

Когда этот угол равен (рис. 22), то сила действия магнитного поля на проводник с током максимальна.

Рис. 22. Сила действия магнитного поля на проводник максимальна

Тригонометрическая функция, удовлетворяющая вышеназванным условиям, – это синус угла:

– угол между направлением тока и направлением вектора магнитной индукции:

Тогда можно сформулировать следующее утверждение: величина силы, действующей со стороны магнитного поля на проводник с током, численно равна произведению модуля магнитной индукции на длину элемента проводника, помещенного в магнитное поле, и на величину тока в проводнике, а также пропорциональна синусу угла между направлением тока и направлением вектора магнитной индукции. Направление же силы определяется по правилу левой руки.

Ампер провел много опытов по определению характера действия силы со стороны магнитного поля на проводник с током. Поэтому введенная им в рассмотрение сила действия со стороны магнитного поля на проводник с током по праву носит название силы Ампера. Открытие силы Ампера позволит нам ответить на вышеизложенные вопросы.

Задание. Почему два проводника с током притягиваются, если токи направлены в одну сторону? На рис. 3 обозначено направление токов в проводниках. Линии магнитной индукции первого проводника направлены так, как показано на рис. 23 (можно определить по правилу правой руки или правого винта).

Рис. 23. Направление линий магнитной индукции и силы Ампера

Это магнитное поле действует на второй проводник, возникает сила Ампера. Ее направление можно определить по правилу левой руки.

Задание. Почему виток с током вращается в магнитном поле (рис. 2)? На проводник с током, образующий рамку, в магнитном поле будет действовать сила Ампера. Ее направление можно узнать, применив правило левой руки: если пальцы будут указывать направление тока, а линии магнитной индукции будут входить в ладонь, то получится, что большой палец указывает нам направление действия силы на части рамки. Для правой части рамки сила действует от наблюдателя, а для левой части рамки – к наблюдателю. Под действием этих сил рамка вращается.

Список литературы

Соколович Ю. А., Богданова Г. С. Физика: Справочник с примерами решения задач. 2-е издание, передел. – X.: Веста: Издательство «Ранок», 2005. – 464 с.
Касьянов В. А. Физика 11 кл. учебник для общеобразоват. учреждений. 4-е изд. – М.: Дрофа, 2004.

Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет

Интернет-портал «kaf-fiz-1586.narod.ru» (Источник)
Интернет- портал объединения учителей физики Санкт-Петербурга (Источник)
Интернет- портал «sernam.ru» (Источник)

Домашнее задание

Дайте определение силы Ампера.
Сформулируйте правило левой руки. Для чего оно предназначено?

Магнитное поле. 11 класс. Физика. — Объяснение нового материала.

Комментарии

Магнитное действие электрического тока наблюдается всегда, когда существует электрический ток. Проявляется магнитное действие, например, в том, что между проводниками с током возникают силы взаимодействия, которые называются магнитными силами. Чтобы изучить магнитное действие тока, воспользуемся магнитной стрелкой. (Она, как известно, является главной частью компаса.) Напомним, что у магнитной стрелки имеется два полюса — северный и южный. Линию, соединяющую полюсы магнитной стрелки, называют её осью.

Магнитную стрелку ставят на остриё, чтобы она могла свободно поворачиваться.

Рассмотрим теперь опыт, показывающий взаимодействие проводника с током и магнитной стрелки. Такое взаимодействие впервые обнаружил в 1820 г. датский учёный Ханс Кристиан Эрстед. Его опыт имел большое значение для развития учения об электромагнитных явлениях.

Эрстед Ханс Кристиан (1777—1851)
Датский физик. Обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку, что при вело к возникновению новой области физики — электромагнетизма.

Опыт Эрстеда

Расположим проводник, включённый в цепь источника тока, над магнитной стрелкой параллельно её оси (рис.). При замыкании цепи магнитная стрелка отклоняется от своего первоначального положения (на рисунке показано пунктиром). При размыкании цепи магнитная стрелка возвращается в своё начальное положение. Это означает, что проводник с током и магнитная стрелка взаимодействуют друг с другом.

Рис. Взаимодействие проводника с током и магнитной стрелки

Выполненный опыт наводит на мысль о существовании вокруг проводника с электрическим током магнитного поля. Оно и действует на магнитную стрелку, отклоняя её.

Магнитное поле существует вокруг любого проводника с током, т. е. вокруг движущихся электрических зарядов. Электрический ток и магнитное поле неотделимы друг от друга.

Таким образом, вокруг неподвижных электрических зарядов существует только электрическое поле, вокруг движущихся зарядов, т. е. электрического тока, существует и электрическое, и магнитное поле. Магнитное поле появляется вокруг проводника, когда в последнем возникает ток, поэтому ток следует рассматривать как источник магнитного поля. В этом смысле надо понимать выражения «магнитное поле тока» или «магнитное поле, созданное током».

Существование магнитного поля вокруг проводника с электрическим током можно обнаружить различными способами. Один из таких способов заключается в использовании мелких железных опилок.

В магнитном поле опилки — маленькие кусочки железа — намагничиваются и становятся магнитными стрелочками. Ось каждой стрелочки в магнитном поле устанавливается вдоль направления действия сил магнитного поля.

На рисунке изображена картина магнитного поля прямого проводника с током. Для получения такой картины прямой проводник пропускают сквозь лист картона. На картон насыпают тонкий слой железных опилок, включают ток и опилки слегка встряхивают. Под действием магнитного поля тока железные опилки рас полагаются вокруг проводника не беспорядочно, а по концентрическим окружностям.

Рис. Картина магнитного поля проводника с током

Линии, вдоль которых в магнитном поле располагаются оси маленьких магнитных стрелок, называют магнитными линиями магнитного поля.

Направление, которое указывает северный полюс магнитной стрелки в каждой точке поля, принято за направление магнитной линии магнитного поля.

Цепочки, которые образуют в магнитном поле железные опилки, показывают форму магнитных линий магнитного поля.

Магнитные линии магнитного поля тока представляют собой замкнутые кривые, охватывающие проводник.

С помощью магнитных линий удобно изображать магнитные поля графически. Так как магнитное поле существует во всех точках пространства, окружающего проводник с током, то через любую точку можно провести магнитную линию.

Рис. Расположение магнитных стрелок вокруг проводника с током

На рисунке а показано расположение магнитных стрелок вокруг проводника с током. (Проводник расположен перпендикулярно плоскости чертежа, ток в нём направлен от нас, что условно обозначено кружком с крестиком.) Оси этих стрелок устанавливаются вдоль магнитных линий магнитного поля прямого тока. При изменении направления тока в проводнике все магнитные стрелки поворачиваются на 180° (рис. б; в этом случае ток в проводнике направлен к нам, что условно обозначено кружком с точкой). Из этого опыта можно заключить, что направление магнитных линий магнитного поля тока связано с направлением тока в проводнике.

Действие магнитного поля на движущийся электрический заряд

«Модели эфиров»

Если бы Андре Мари Ампер (рис. 1) знал о действии электрического тока, то продвинулся гораздо дальше в своих открытиях.

Рис. 1. Андри Мари Ампер

Как и многие учёные того периода Ампер придерживался «модели эфира»: электрический ток – эфир, некая жидкость, которая протекает по проводникам. Именно отсюда и сам термин «электрический ток» — то, что течёт. Только в самом конце XIX века – вначале ХХ модели эфиров стали отходить, а на смену им стали появляться новые модели адекватнее отражающие наблюдаемые явления. В частности были открыты катодные лучи, была выявлена радиоактивность, проведены исследования Фарадея по электролизу – всё это наводило на мысль о существовании заряжённых частиц, которые как-то движутся.

Электронная модель Хендрика Лоренца

Серьёзную модель предложил учёный Хендрик Лоренц (рис. 2) так называемую «электронную модель». При образовании кристаллической решётки металлов, от каждого атома металла отрывается по одному внешнему электрону, таким образом, в узлах кристаллической решётки находятся положительные ионы, а в объёме этой решётки почти свободно могут двигаться электроны (рис. 3).

Рис. 2. Хендрик Лоренц

Такая модель является достаточно устойчивой, потому что действуют электростатические силы между положительно заряжённой решёткой и электронным окружением. Именно поэтому металлы достаточно прочны для разряжения, но в то же время, ковки.

Рис. 3. Кристаллическая решетка

Модель, предложенная Лоренцом, хороша хотя бы тем, что достаточно легко объясняла возникновение электрического тока в металлах. При обычных условиях эти электроны находятся в беспорядочном движении вокруг кристаллической решётки. И только при подаче разности потенциалов на конце проводника, когда внутри проводника появляется электрическое поле, кроме этой хаотической составляющей появляется другая – упорядоченная составляющая или направленное движение. Именно это движение, согласно модели Лоренца, представляет собой электрический ток.

Так, со стороны магнитного поля на проводник с током (I), действует сила Ампера перпендикулярная направлению тока и направлению линии магнитного поля. (Рис. 4)

Рис. 4. Направленное движение

«Если электрический ток представляет собой направленное движение зарядов, то не будет ли со стороны магнитного поля действовать такая же сила» — примерно, так рассуждал Лоренц. В выражение для силы Ампера (1.1.) вместо силы тока подставим определение силы тока – отношение перенесенного заряда в проводнике ко времени, за которое было осуществлено данное перенесение.

(1.1)

(1.2)

Также заметим, что отношение элемента длины проводника к интервалу времени – скорость движения заряда.

(1.3)

Тогда выражение принимает вид (6.4.). Модуль силы равен произведению величины магнитной индукции поля на количество переносимого через проводник заряда на скорость частиц, которые переносят заряд и на синус угла между направлением движения заряда и направлением вектора магнитной индукции.

(1.4)

Учтём, что носителями электрического тока в проводнике являются электроны, величина зарядов которых одинакова. Поэтому можно записать, что совокупный заряд, переносимый через поперечное сечение проводника – произведение элементарного заряда на количество электронов переносимых через поперечное сечение проводника.

(1.5)

(1.6)

Вывод приведенной формулы был сугубо формальным, однако, даже такой вывод позволял предположить, что не только на проводник с током, но и на отдельный заряд в магнитном поле будет действовать сила со стороны этого поля. Предположим, что число зарядов равно единице и этот заряд движется не внутри кристаллической решётки, а в свободном пространстве. Возникает вопрос: что произойдёт с этим зарядом, если он войдёт в область, где существует однородное магнитное поле? Согласно нашей гипотезе, на частицу, движущуюся в однородном магнитном поле, должна действовать сила, которая перпендикулярна скорости этой частицы (поскольку именно так будет направлен электрический ток, связанный с движением этих частиц) и перпендикулярна линиям магнитного поля. Величина этой силы будет определяться так:

Проверка гипотезы Лоренца – принцип работы электронно-лучевой трубки

Открытие катодных лучей, а также радиоактивности позволили проверить экспериментально гипотезу Лоренца. Воспользуемся электронно-лучевой трубкой (рис. 5)

Рис. 5. Электронно-лучевая трубкой

В вакуумной трубке размещены две пластины: анод и катод. На катод подаётся отрицательный потенциал, на анод – положительный. Для того чтобы в трубке возникли свободные электроны, катод нагревается нитью накала. Свободные электроны металлического катода вблизи его поверхности могут покидать эту поверхность, обладая высокой кинетической энергией за счёт нагревания – явление термоэлектронной эмиссии. Свободные электроны, покинувшие поверхность катода, попадают в зону действия электрического поля между анодом и катодом. Линии напряжённости этого поля направлены от анода к катоду. Электроны, будучи отрицательно заряженными частицами, движутся от катода к аноду – против линии напряжённости поля. Так в трубке возникает электрический ток, направленный от анода к катоду. Если использовать анод, покрытый специальным материалом, который светится при попадании на него заряжённых частиц, можно пронаблюдать место попадания электронов по световому пятну. Именно так и работает электронно-лучевая трубка. При подаче напряжения на анод и катод мы видим небольшое зелёное пятно на аноде – это место бомбардировки экрана электронами.

Опыты с осциллографом

Если воспользоваться осциллографом (рис.6), то будет показано не световое пятно, а светящаяся линия. Когда одним из полюсов подводят к горизонтальной линии, находящейся на осциллографе – она отклоняется от своего первоначального значения в направлении перпендикулярном направлению скорости и направлению линий магнитного поля, поскольку магнитное поле направлено от северного полюса к южному. Это на качественном уровне подтверждает гипотезу.

Попытаемся получить не только качественные, но и количественные результаты. Для этого будем проверять зависимость силы действующей со стороны магнитного поля от различных факторов. В частности от скорости движения электронов. Каким образом можно поменять скорость движения электронов в осциллографе? При помощи регулировки яркости линии на осциллографе можно изменить скорость движения электронов в осциллографе. Чем ярче линия – тем быстрее движется электроны внутри трубки. Если поднести магнит к осциллографу северным полюсом и менять скорость движения электронов – то по мере уменьшения яркости – искажение лини также будет уменьшаться. Это означает, что сила, действующая со стороны магнитного поля на электроны, при уменьшении скорости электронов тоже уменьшается. Более точные измерения дадут нам прямую пропорциональность между силой, действующей со стороны магнитного поля на движущиеся заряды и скоростью этих зарядов. Сила, действующая на заряды со стороны магнитного поля, пропорциональна индукции – если поднести несколько магнитов к осциллографу, то искажение будет гораздо сильнее. Величина силы действующей со стороны магнитного поля на движущийся заряд зависит от взаимного направления вектора магнитной индукции и вектора скорости движения частиц – при поднесении магнитов к осциллографу южным полюсом – линия будет искажаться в противоположном направлении.

Рис. 6. Осциллограф

Электромагниты

Обобщим выводы из проделанных экспериментов. На движущийся в магнитном поле заряд (q) со стороны магнитного поля действует сила (F), направление которой зависит от взаимного направления вектора скорости движения () заряда и вектора магнитной индукции поля (В). Величина силы пропорциональна скорости движения заряда и модулю магнитной индукции. Направление силы определяется по правилу «Левой руки» (рис. 4).

(1.7)

Таким образом, полученное ранее выражение для силы, описывает взаимодействие магнитного поля с движущимся в этом поле электрическим зарядом. Открытие силы действия магнитного поля на движущийся в нём заряд стало возможным только благодаря улучшению представлений о строении вещества, электрическом токе в металлах, движении заряженных частиц. И огромную роль во всех этих задачах сыграл Лоренц, поэтому открытая сила и получила название – сила Лоренца.

Применение сил Ампера и Лоренца в науке и технике. Амперметр, телеграф, электромагниты, масс-анализаторы

Взаимодействие проводников с током

Выделим основные открытия Ампера в области электромагнетизма:

1. Взаимодействия проводников с током

Два параллельных проводника с токами притягиваются друг к другу, если токи в них сонаправлены и отталкиваются, если токи в них противонаправлены.

Закон Ампера гласит:

Сила взаимодействия двух параллельных проводников пропорциональна произведению величин токов в проводниках, пропорциональна длине этих проводников и обратно пропорциональна расстоянию между ними.

(1.1.)

F – сила взаимодействия двух параллельных проводников,

I1, I2 – величины токов в проводниках,

∆ℓ − длина проводников,

r – расстояние между проводниками.

Открытие этого закона позволило ввести в единицы измерения величину силы тока, которой до того времени не существовало. Так, если исходить из определения силы тока как отношения количества заряда перенесённого через поперечное сечение проводника в единицу времени, то мы получим принципиально не измеряемую величину, а, именно, количество заряда, переносимое через поперечное сечение проводника. На основании этого определения не сможем ввести единицу измерения силы тока. Закон Ампера позволяет установить связь между величинами сил тока в проводниках и величинами, которые можно измерить опытным путём: механической силой и расстоянием. Таким образом, получена возможность ввести в рассмотрение единицу силы тока – 1 А (1 ампер).

Ток в один ампер – это такой ток, при котором два однородных параллельных проводника, расположенные в вакууме на расстоянии один метр друг от друга взаимодействуют с силой 2∙10-7 Ньютона.

Закон взаимодействия токов – два находящихся в вакууме параллельных проводника, диаметры которых много меньше расстояний между ними, взаимодействуют с силой прямо пропорциональной произведению токов в этих проводниках и обратно пропорциональной расстоянию между ними.

Закон действия магнитного поля на проводник с током

Закон действия магнитного поля на проводник с током выражается, прежде всего, в действии магнитного поля на виток или рамку с током. Так, на виток с током в магнитном поле действует момент силы, которая стремится развернуть этот виток таким образом, чтобы его плоскость стала перпендикулярна линиям магнитного поля. Угол поворота витка прямопропорционален величине тока в витке. Если внешнее магнитное поле в витке постоянно, то значение модуля магнитной индукции также величина постоянная. Площадь витка при не очень больших токах также можно считать постоянной, следовательно, справедливо то, что сила тока равна произведению момента сил, разворачивающих виток с током на некоторую постоянную, при неизменных условиях, величину.

(1.2.)

I – сила тока,

М – момент сил, разворачивающих виток с током.

Следовательно, появляется возможность измерять силу тока по величине угла поворота рамки, которая реализована в измерительном приборе – амперметре (рис.1).

Рис. 1. Амперметр

Двигатель

После открытия действия магнитного поля на проводник с током, Ампер понял, что это открытие можно использовать для того, чтобы заставить проводник двигаться в магнитном поле. Так магнетизм можно превратить в механическое движение – создать двигатель. Одним из первых, работающих на постоянном токе, был электродвигатель (рис. 2), созданный в 1834 г. русским электротехником Б. С. Якоби.

Рис. 2. Двигатель

Рассмотрим упрощённую модель двигателя, которая состоит из неподвижной части, с закреплёнными на ней магнитами – статор. Внутри статора может свободно вращаться рамка из проводящего материала, которая называется ротором. Для того чтобы по рамке мог протекать электрический ток, она соединена с клеммами при помощи скользящих контактов. Если подключить двигатель к источнику постоянного тока в цепь с вольтметром, то при замыкании цепи, рамка с током придёт во вращение.

Электромагниты

В 1269 г. французский естествоиспытатель Пьер Мари Кур написал труд под названием «Письмо о магните». Основной целью Пьера Мари Кура было создание вечного двигателя, в котором он собирался использовать удивительные свойства магнитов. Насколько успешными были его попытки не известно, но достоверно то, что Якоби использовал свой электродвигатель для того, чтобы привести в движение лодку, при этом ему удалось её разогнать до скорости 4,5 км/ч.

Необходимо упомянуть ещё об одном устройстве, работающем на основе законов Ампера. Ампер показал, что катушка с током ведёт себя подобно постоянному магниту, а это значит – можно сконструировать электромагнит – устройство, мощность которого можно регулировать.

Телеграф

Именно Амперу пришла идея о том, что комбинацией проводников и магнитных стрелок можно создать устройство, которое предаёт информацию на расстояние. Идея телеграфа возникла в первые же месяцы после открытия электромагнетизма. Однако широкое распространение электромагнитный телеграф приобрёл после того, как Самюэль Морзе создал более удобный аппарат и, главное, разработал двоичную азбуку, состоящую из точек и тире, которая так и называется «Азбука Морзе» (рис. 3).

Рис. 3. Азбука Морзе

Пушка Гаусса

Математик Гаусс, когда познакомился с исследованиями Ампера, предложил создать оригинальную пушку (рис. 4), работающую на принципе действия магнитного поля на железный шарик – снаряд.

Рис. 4. Пушка Гаусса

Необходимо обратить внимание на то, в какую историческую эпоху были сделаны эти открытия. В первой половине XIX века Европа семимильными шагами шла по пути промышленной революции – это благодатное время для научно-исследовательских открытий и быстрого внедрения их в практику. Ампер, несомненно, внёс весомый вклад в этот процесс, дав цивилизации электромагниты, электродвигатели и телеграф, которые до сих пор находят широкое применение.

Открытия Лоренца

Выделим основные открытия Лоренца.

Лоренц установил, что магнитное поле действует на движущуюся в нём частицу, заставляя её двигаться по дуге окружности:

(1.3.)

Поскольку сила Лоренца – центростремительная сила, перпендикулярная направлению скорости. Прежде всего, открытый Лоренцем закон, позволяет определять такую важнейшую характеристику как отношение заряда к массе – удельный заряд.

(1.4.)

Значение удельного заряда – величина уникальная для каждой заряженной частицы, что позволяет их идентифицировать, будь-то электрон, протон или любая другая частица. Таким образом, учёные получили мощный инструмент для исследования. Например, Резерфорд сумел провести анализ радиоактивного излучения и выявил его компоненты, среди которых присутствуют альфа-частицы – ядра атома гелия и бета-частицы – электроны. В ХХ веке появились ускорители, работа которых основана на том, что заряженные частицы ускоряются в магнитном поле. На этом принципе разработан Большой адронный коллайдер. Благодаря открытиям Лоренца наука получила принципиально новый инструмент для физических исследований, открывая дорогу в мир элементарных частиц.

Для того чтобы охарактеризовать влияние учёного на технический прогресс вспомним о том, что из выражения для силы Лоренца вытекает возможность рассчитать радиус кривизны траектории частицы, которая движется в постоянном магнитном поле. При неизменных внешних условиях этот радиус зависит от массы частицы, её скорости и заряда. Таким образом, получаем возможность классифицировать заряжённые частицы по этим параметрам и, следовательно, можем проводить анализ какой-либо смеси. Если смесь веществ в газообразном состоянии ионизировать, разогнать и направить в магнитное поле, то частицы начнут двигаться по дугам окружностей с различными радиусами – частицы будут покидать поле в разных точках и остаётся только зафиксировать эти точки вылета, что реализуется при помощи экрана, покрытого люминофором, который светится при попадании на него заряжённых частиц. Именно по такой схеме работает масс-анализатор. Масс-анализаторы широко применяют в физике и химии для анализа состава смесей.

Это ещё не все технические устройства, которые работают на основе разработок и открытий Ампера и Лоренца, ведь научное знание рано или поздно перестает быть исключительной собственностью учёных и становится достоянием цивилизации, при этом оно воплощается в различных технических устройствах, которые делают нашу жизнь более комфортной.

Домашняя работа.

Задание 1. Ответь на вопросы.

Какие явления наблюдаются в цепи, в которой существует электрический ток?
Какие магнитные явления вам известны?
В чём состоит опыт Эрстеда?
Какая связь существует между электрическим током и магнитным полем?
Почему для изучения магнитного поля можно использовать железные опилки?
Как располагаются железные опилки в магнитном поле прямого тока?
Что называют магнитной линией магнитного поля?
Для чего вводят понятие магнитной линии поля?
Как на опыте показать, что направление магнитных линий связано с направлением тока

Задание 2. Проведите опыт.

ОПЫТЫ
С ЖЕЛЕЗНЫМИ ОПИЛКАМИ

Возьмите магнит любой формы, накройте его куском тонкого картона,
посыпьте сверху железными опилками и разровняйте их.
Так интересно наблюдать магнитные поля!
Ведь каждая «опилочка», словно магнитная стрелка, располагается вдоль магнитных линий.
Таким образом становятся «видимыми» магнитные линии магнитного поля вашего магнита.
При передвижении картона над магнитом (или наоборот магнита под картоном)
опилки начинают шевелиться, меняя узоры магнитного поля.

К занятию прикреплен файл «Это интересно!». Вы можете скачать файл в любое удобное для вас время.

Использованные источники:

https://www.kursoteka.ru/catalog/school/5
http://www.umnik-umnica.com/ru/school/physics/11-klass/
http://class-fizika.narod.ru
http://www.youtube.com/watch?v=aGIWuE1iL28
http://www.youtube.com/watch?v=Tt7hXaukl9U

Физика Магнитное поле. Магнитное поле прямого тока. Магнитные линии

Материалы к уроку

Конспект урока

Ранее мы установили, что электростатическое поле создается неподвижными зарядами, и влияние одних заряженных тел на другие осуществляется при помощи электрического поля. При изучении действий электрического тока мы отметили магнитное действие тока. Долгое время считалось, что между электрическими и магнитными действиями не существует никакой связи. Однако оказалось, что такая связь существует. Обнаружить магнитное действие тока удалось датскому физику Гансу Христиану Э’рстеду в 1820 году. Он заметил во время лекции, что свободная магнитная стрелка заколебалась, когда неподалеку от нее был включен электрический ток.
Опыт 1.
Повторим опыт Эрстеда. Соберем электрическую цепь: источник постоянного тока, нихромовый провод, длиной 30-50см, реостат (10 Ом), включенный в начале на максимальное сопротивление и выключатель. Недалеко (5-10см) от провода расположим свободную магнитную стрелку. Систему расположим так, чтобы провод был параллелен направлению Север –Юг, чтобы при выключенном состоянии стрелка была параллельна проводу. Включим цепь и, уменьшая на реостате сопротивление, добьемся того, что магнитная стрелка повернется, устанавливаясь перпендикулярно проводу. Выключим ток, стрелка снова расположится параллельно проводу, показывая направление на Север. Сделаем вывод: магнитное поле около проводника возникает при движении зарядов по проводнику при включении электрического тока.
Опыт 2.
Магнитную стрелку расположим под проводом. При включении магнитная стрелка вновь отклонится и расположится перпендикулярно проводнику. Сделаем вывод: движущиеся заряды (электрический ток) являются причиной возникновения магнитного поля. Причем магнитное поле существует в пространстве вокруг проводника до тех пор, пока существует ток в проводнике.
Опыт 3.
Поменяем в цепи + и минус (изменив тем самым направление тока). Заметим, что магнитная стрелка вновь отклоняется при включении тока, устанавливаясь перпендикулярно проводнику, но теперь она ориентирована противоположными направлениями «север-юг». Делаем вывод: направление магнитных силовых линий изменилось на противоположное, потому что изменилось направление движущихся зарядов.
Так что же такое магнитное поле? Еще в древности люди обнаружили, что существуют «черные камни», способные притягивать железные предметы. Их стали называть магнитами. Если на магнит положить картонку и посыпать мелкими железными опилками, то они расположатся в виде некоторых линий. Такие линии (по предложению М.Фарадея) стали называться магнитными линиями, а материальную среду, которая существует около магнита и передает влияние одних магнитных масс на другие, называют магнитным полем.
Значит, магнитные линии – это линии вдоль которых в магнитном поле располагаются оси маленьких магнитных стрелок, называют магнитными линиями магнитного поля.
Магнитное поле, как и электрическое, является материальным. Оно обладает способностью действовать на свободные магнитные стрелки, без непосредственного соприкосновения (это называется «дальнодействием»).
Влияние взаимодействия намагниченных тел передается и в вакууме.
Опыт 4.
Пропустим через отверстие в листе картона, перпендикулярно его плоскости, прямой провод, включенный в электрическую цепь (такую же, как в опыте Эрстеда). Поставим на разных расстояниях от провода несколько свободных магнитных стрелок. Когда включим электрический ток, стрелки поворачиваются и устанавливаются так, что направления стрелок являются касательными к окружностям, центром которых является провод. Кроме того, отметим, что магнитное поле сильнее действует на те стрелки, которые расположены ближе к проводу.
Опыт 5.
Включим цепь, но вместо стрелок насыплем железные опилки на картон. Видим, что они расположились концентрическими окружностями, центром которых является проводник с током. Эти линии – силовые линии магнитного поля прямого тока. Магнитные стрелки в любом месте поля устанавливаются по касательной к силовым линиям в определенном направлении Делаем вывод: магнитные силовые линии прямого тока представляют собой концентрические окружности, центром которых является проводник.
Опыт 6.
Повторим опыт, который был выполнен в опыте 4. Только теперь самодельными стрелками покажем направление тока (от + к — ). Другой стрелкой (или несколькими) покажем направление, которое показывает северный конец магнитной стрелки ( у нас – «по часовой стрелке») Теперь изменим направление тока через проводник. Видим, что все магнитные стрелочки теперь повернулись на 180 градусов и указывают направление- «против часовой стрелки». Делаем вывод: направление магнитных силовых линий зависит от направления тока в проводнике. А можно ли определить направление магнитных силовых линий без магнитных стрелок? Можно! Для этого придумано «правило буравчика»: Если буравчик вращать так, что поступательное движение буравчика будет совпадать с направлением тока в проводнике, то направление вращения рукоятки покажет направление магнитных силовых линий.
Отметим следующее:
1)   Силовые линии магнитного поля замкнутые, у них нет ни начала, ни конца.
2)   Магнитное поле принципиально отличается от электростатического, в котором силовые линии не замкнуты: выходят из положительных зарядов и входят в отрицательные.
3)   Вместе с отличием магнитное и электрическое поля имеют и общее: оба поля – материальны и обладают энергией.
Сегодня на уроке мы рассмотрели и отметили, что магнитное поле –это материальная среда, через которую передается взаимодействие одних магнитных масс с другими. Что магнитные силовые линии – это воображаемые линии, используемые для изображения магнитных полей, касательные к этим линиям показывают направление магнитных сил, действующих на северный полюс магнитной стрелки. Без магнитной стрелки направление магнитных силовых линий можно определить по «правилу буравчика».

Остались вопросы по теме? Наши репетиторы готовы помочь!

Подготовим к ЕГЭ, ОГЭ и другим экзаменам
Найдём слабые места по предмету и разберём ошибки
Повысим успеваемость по школьным предметам
Поможем подготовиться к поступлению в любой ВУЗ

Выбрать репетитора

Взаимодействие токов.

Слайд 1

Текст слайда:

Взаимодействие токов. Магнитное поле. Вектор магнитной индукции. Линии магнитной индукции

Физика, 11 класс.

Слайд 2

Текст слайда:

Возьмём два гибких проводника, укрепим их вертикально, а затем присоединим нижними концами к полюсам источника тока.

Притяжения или отталкивания проводников при этом не обнаружится, хотя проводники заряжаются от источника тока, но заряды проводников при разности потенциалов между ними в несколько вольт ничтожно малы. Поэтому кулоновские силы никак не проявляются.

Взаимодействие токов

Слайд 3

Текст слайда:

Но если другие концы проводников замкнуть проволокой так, чтобы в проводниках возникли токи противоположного направления, то проводники начнут отталкиваться друг от друга.

В случае токов одного направления проводники притягиваются.

Взаимодействия между проводниками с током, называют магнитными.
Силы, с которыми проводники с током действуют друг на друга, называют магнитными силами.

Слайд 4

Текст слайда:

Основные свойства магнитного поля

1. Магнитное поле порождается электрическим током (движущимися зарядами).

2. Магнитное поле обнаруживается по действию на электрический ток (движущиеся заряды).

Подобно электрическому полю, магнитное поле существует реально независимо от нас, от наших знаний о нём.
Экспериментальным доказательством реальности магнитного поля, является факт существования электромагнитных волн.

Слайд 5

Текст слайда:

Замкнутый контур с током в магнитном поле

Для изучения магнитного поля можно взять замкнутый контур малых (по сравнению с расстояниями, на которых магнитное поле заметно изменяется) размеров.
Например, можно взять маленькую плоскую проволочную рамку произвольной формы.

Подводящие ток проводники нужно расположить близко друг к другу

или сплести вместе.

Тогда результирующая со стороны магнитного поля на эти проводники, будет равна нулю.

Слайд 6

Текст слайда:

Выяснить характер действия магнитного поля на контур с током можно с помощью следующего опыта.

Подвесим на тонких гибких проводниках, сплетённых вместе, маленькую плоскую рамку, состоящую из нескольких витков проволоки.

На расстоянии, значительно большем размеров рамки, вертикально расположим провод.

При пропускании электрического тока через провод и рамку рамка поворачивается и располагается так, что провод оказывается в плоскости рамки.

Слайд 7

Текст слайда:

При изменении направления тока в проволоке рамка повернётся на 180°.

Слайд 8

Текст слайда:

Магнитное поле создаётся не только электрическим током, но и постоянными магнитами.

Если подвесить на гибких проводах рамку с током между полюсами магнита, то рамка будет поворачиваться до тех пор, пока плоскость её не установится перпендикулярно к линии, соединяющей полюсы магнита.

Таким образом, однородное магнитное поле оказывает на рамку с током ориентирующее действие.

Слайд 9

Текст слайда:

Магнитная стрелка

В магнитном поле рамка с током на гибком подвесе, со стороны которого не действуют силы упругости, препятствующие ориентации рамки, поворачивается до тех пор, пока не установится определённым образом.

Так же ведёт себя маленький продолговатый магнит с двумя полюсами на концах – южным S и северным N.

Слайд 10

Текст слайда:

Направление вектора магнитной индукции

Ориентирующее действие магнитного поля на магнитную стрелку или рамку с током можно использовать для определения направления вектора магнитной индукции.

За направление вектора магнитной индукции принимается направление от южного полюса к северному магнитной стрелки, свободно устанавливающейся в магнитном поле. Это направление совпадает с направлением положительной нормали к замкнутому контуру с током.

Слайд 11

Текст слайда:

Направление вектора магнитной индукции

Положительная нормаль направлена в ту же сторону, куда перемещается буравчик (с правой нарезкой), если вращать его по направлению тока в рамке.

Располагая рамкой с током или магнитной стрелкой можно определить направление вектора магнитной индукции в любой точке поля.

Слайд 12

Текст слайда:

Опыты с магнитной стрелкой, повторяющие опыты с рамкой.

Слайд 13

Текст слайда:

В магнитном поле прямолинейного проводника с током магнитная стрелка в каждой точке устанавливается по касательной к окружности.

Плоскость окружности перпендикулярна проводу, а центр её лежит на оси провода.

Направление вектора магнитной индукции устанавливают с помощью правила буравчика.

Слайд 14

Текст слайда:

Наглядную картину магнитного поля можно получить, если построить так называемые линии магнитной индукции.

Линии магнитной индукции – линии, касательные к которым направлены так же, как и вектор В в данной точке поля.

Линии магнитной индукции

Слайд 15

Текст слайда:

Для магнитного поля прямолинейного проводника с током линии магнитной индукции – концентрические окружности, лежащие в плоскости, перпендикулярной этому проводнику с током.

Центр окружностей находится на оси проводников.
Стрелки на линиях указывают, в какую сторону направлен вектор магнитной индукции, касательный к данной линии.

Слайд 16

Текст слайда:

Если длина соленоида много больше его диаметра, то магнитное поле внутри соленоида можно считать однородным.
Линии магнитной индукции такого поля параллельны и находятся на равных расстояниях друг от друга.

Картина магнитного поля катушки с током (соленоида).

Слайд 17

Текст слайда:

Линии магнитной индукции поля Земли подобны линиям магнитной индукции поля соленоида.

Магнитный северный полюс N близок к южному географическому полюсу, а магнитный южный полюс S – к северному географическому полюсу.

Ось такого большого магнита составляет с осью вращения Земли угол 11, 5°. Периодически магнитные полюсы меняют свою полярность (последняя замена была 30 тыс. лет назад).

Слайд 18

Текст слайда:

Картину линий магнитной индукции можно сделать видимой, используя мелкие железные опилки.
В магнитном поле каждый кусочек железа, насыпанный на лист картона, намагничивается и ведёт себя как маленькая магнитная стрелка. Большое количество таких стрелок позволяет в большем числе точек определить направление магнитного поля и, следовательно, более точно выяснить расположение линий магнитной индукции.

Примеры картин магнитного поля

Слайд 19

Текст слайда:

Важная особенность линий магнитной индукции состоит в том, что они не имеют ни начала, ни конца. Они всегда замкнуты.

Поля с замкнутыми векторными линиями называют вихревыми.
Магнитное поле – вихревое поле.

Замкнутость линий магнитной индукции представляет собой фундаментальное свойство магнитного поля.
Оно заключается в том, что магнитное поле не имеет источников.
Магнитных зарядов, подобных электрическим, в природе нет.

Слайд 20

Текст слайда:

На дом

§ 1, 2;
вопросы к § 2

Слайд 21

Текст слайда:

Список использованных источников

Мякишев Г.Я., Буховцев Б.Б., Чаругин В.М. Физика, 11 класс. Учебник для общеобразовательных учреждений: базовый и профильный уровни. – М.: Просвещение, 2010, 399 с.
http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%A4%D0%B0%D0%B9%D0%BB:Electromagnetism. svg

Видео-урок: Электромагнитные взаимодействия в проводящих петлях

Стенограмма видео

В этом видео наша тема: электромагнитные взаимодействия в проводящих петлях. Эти взаимодействия могут привести к явления, которых мы не можем ожидать. Например, мы видим в нашем эскизе что при пропускании постоянного магнита через петли проводящей катушки ток генерируется в этой катушке. И направление тока меняется по мере того, как мы меняем движение магнита по петлям. В этом уроке мы узнаем, как такое бывает, и мы также изучим относительные направления изменения магнитных поля и изменяющиеся токи.

Для начала рассмотрим это упрощенная установка. Скажи, что у нас есть постоянная магнит здесь с северным и южным полюсом. А затем петля проводящего провода находится ниже магнита с амперметром, прибором для измерения тока, в нем. Если мы сохраним наш магнит и нашу петлю провода неподвижен, то мы знаем, что показание тока на нашем амперметре будет нуль; тока в этой петле нет. Но все же есть еще что-то здесь, чем мы можем видеть.

Напомним, что любой постоянный магнит создает магнитное поле вокруг себя. Если бы мы могли видеть эти линии поля, они могут выглядеть так. И поскольку эти линии поля всегда указывают от северного полюса магнита к южному полюсу, мы знаем, что связанные с ними направления выглядят так. Когда эти линии поля видны, мы можно увидеть, что некоторые из них проходят через нашу круглую проводящую петлю. Видя, как проходят линии магнитного поля через некоторую область, подобную этой, может напомнить нам о магнитном потоке.

Обычно пишется как символ. выразить магнитный поток, используя Φ sub 𝑚. И мы знаем, что он равен напряженность магнитного поля, испытываемая некоторой площадью поперечного сечения 𝐴. Оглядываясь назад на нашу постоянную магнит и проводящая петля, мы можем видеть, что здесь у нас есть площадь поперечного сечения и у нас также есть магнитное поле 𝐵, создаваемое нашим магнитом. Все это говорит нам о том, что в настоящее время момент времени, еще до того, как наш магнит начнет двигаться относительно нашей петли, есть некоторое ненулевое количество магнитного потока, связанного с этой петлей.

Но тем не менее, как мы видим нашу амперметр показывает нам, в петле все еще нет индуцированного тока. Итак, это наша установка. А теперь, допустим, мы меняем его на позволив нашему магниту упасть вниз через петлю. Когда мы это делаем, мы первым делом можно заметить, как магнит начинает падать, это то, что ток 𝑖 на нашем амперметре движется от нуля. Другими словами, поскольку магнит находится в движение, в нашей петле есть некоторый индуцированный ток. Второе, на что мы можем обратить внимание заключается в том, что магнитный поток через нашу петлю меняется. Дело не в том, что площадь нашей петли меняется. Это остается постоянным. Но что меняется во времени, так это магнитное поле, проходящее через контур. Когда наш магнит падает, сила вертикальной составляющей магнитного поля, проходящей через нашу петлю, меняется.

Итак, вот что нам известно на данный момент по магнитному потоку и индукционному току. Если мы рассмотрим эту величину здесь, что представляет собой изменение магнитного потока, деленное на изменение во времени, если мы вернемся к минуту назад, когда наш постоянный магнит был неподвижен над петлей, в это время момент изменения магнитного потока во времени через петлю было равно нулю. И соответственно этому мы увидели что в нашем проводнике не индуцировался ток. Но с другой стороны, когда мы уронил наш постоянный магнит так, чтобы он двигался через нашу петлю, то в этом случае, когда изменение магнитного потока в единицу времени не равно нулю через петлю. И когда это произошло, ток был действительно индуцированный.

Оказывается, эти два результаты в целом верны и математически описываются законом, называемым Закон Фарадея. Теперь интересно, закон Фарадея явно не упоминает ток, но описывает ЭДС. А если подумать, ЭДС или напряжение, является необходимым предшественником тока. Никакой заряд не будет течь в петле, нет в нем будет существовать ток без ЭДС на нем. Итак, закон Фарадея описывает ЭДС. И он говорит, что он равен отрицательному константа, и мы поговорим об этой константе чуть позже, умноженной на время скорость изменения магнитного потока.

Чтобы лучше понять это уравнение, давайте рассмотрим этот фактор прямо здесь, ΔΦ sub 𝑚. Мы видели, что когда ΔΦ sub 𝑚 равно ноль, это означает отсутствие ЭДС и, следовательно, тока. отличен от нуля, индуцируется некоторый ток, а значит, и ЭДС.

Но понять, что это значит для того, чтобы произошло изменение магнитного потока, давайте вернемся к нашему определению этого термин здесь. Если мы решим изменить это выражение, так что мы смотрим не на магнитный поток, а на изменение этого потока, то это означает, что мы должны вставить этот символ Δ, обозначающий изменение, перед обоими стороны уравнения. Чтобы ΔΦ sub 𝑚 не было ноль, то должно быть либо какое-то изменение в магнитном поле, либо какое-то изменение в области, через которую проходит это поле, или изменение обоих.

Просто рассмотрим быстрый пример. говорят, что у нас было однородное магнитное поле, направленное в экран и что в плоскости, перпендикулярной этому направлению поля, мы имели круговую проводящую петля. Теперь, если бы наше поле было постоянным в время — оно не усиливалось, не ослабевало и не меняло направление — и если площадь нашего проводящая петля, находящаяся в поле, также не менялась во времени — в других словом, кольцо не росло, не сжималось и не вращалось — тогда мы имели бы и постоянную магнитное поле и постоянная площадь, подверженная воздействию этого поля. В этом случае изменение в тогда магнитный поток будет равен нулю. И, следовательно, никакой ЭДС не будет. индуцируется в нашей петле, и поэтому по ней не будет проходить ток.

Но тогда мы могли бы представить другой сценарий. Допустим, что через некоторое количество времени, и мы можем назвать это Δ𝑡, сила нашего магнитного поля увеличилась. Таким образом, несмотря на то, что площадь нашей петли в поле не изменилось, 𝐵 изменилось; он вырос. Это означает, что ΔΦ sub 𝑚, изменение магнитного потока, не равно нулю. И поэтому это изменение в магнитный поток приведет к ЭДС, наведенной в контуре, а затем к току. Мы начинаем понимать, насколько важно эти символы Δ находятся в законе Фарадея. Там недостаточно просто быть некоторым количеством магнитного потока. Эта сумма должна измениться время, необходимое для возникновения ЭДС.

Можно сказать, что эта дробь здесь ΔΦ под 𝑚 над Δ𝑡 является наиболее важной частью закона Фарадея. Но для того, чтобы этот закон был точно, чтобы уравнение было верным, нам также нужна эта константа, которую мы упоминали ранее и этот отрицательный знак.

Давайте сначала объясним эту константу столица 𝑁. Помните, что на нашем открытии экран, у нас была катушка провода с несколькими витками в нем. Это означало, что когда наш постоянный магнит прошел через катушку, он прошел через каждую из этих петель. Каждый из этих отдельных поворотов — здесь у нас в катушке один, два, три, четыре — умножает ЭДС, которая индуцируется в катушке, когда через нее проходит магнит.

Допустим, эта катушка состоит всего из одной петли. И скажем далее, что когда магнит проходит через этот один контур, он индуцирует ЭДС. И мы просто назовем эту ЭДС 𝜀 sub один. Если бы мы удвоили количество витков в нашей катушке, добавив один, затем ЭДС, индуцируемая при прохождении магнита через будет два 𝜀 один. И если мы утроим это число, мы получил бы в три раза больше исходной ЭДС и так далее. Вот так количество петель умножает ЭДС индукции. Константа 𝑁 в нашей Фарадеевской уравнение закона представляет это число. Сколько бы у нас ни было петель, одна или семь или 1000, если изменение магнитного потока в единицу времени одинаково через каждую, затем мы берем это изменение и умножаем его на 𝑁, чтобы получить величина ЭДС, индуцированной в целом.

Теперь последняя часть закона Фарадея рассмотреть этот отрицательный знак. Не всегда нужно принимать этот знак минус, скажем, например, если мы хотим решить только для величина ЭДС, индуцированная в некотором сценарии. Но физическое значение этот знак важен.

Давайте еще раз рассмотрим эту ситуацию где у нас есть постоянный магнит, который падает через проводящую петлю. Когда магнит упал со своего исходное положение, примерно здесь и здесь, мы сказали, что магнитный поток через наш проводящая петля изменилась не потому, что площадь этой петли изменилась по отношению к поле, которое оставалось постоянным, а скорее сила магнитного поля увеличилось за это время. И это потому, что северный полюс нашего магнита все ближе и ближе подходил к плоскости петли.

Если бы мы рисовали, то изменение в магнитном поле через эту петлю за этот промежуток времени, мы увидели бы, что это изменение направлено вниз. Можно также сказать, что магнитный поле увеличивается в нисходящем направлении. Это изменение поля приводит к изменение потока, которое, когда это изменение происходит в течение некоторого времени, приводит к ЭДС и, следовательно, ток, индуцируемый в этом контуре.

Есть кое-что интересное хотя этот ток. Направление тока индуцируемая в петле, такова, что она препятствует изменению магнитного потока через петля. Как это происходит, как это ток противостоит изменению магнитного потока, двигаясь в таком направлении что сам ток создает магнитное поле, направленное в противоположную сторону. Мы могли бы назвать это магнитным полем 𝐵 индуцированный, 𝐵 подинд. Это поле, созданное ток, индуцируемый в петле. И всегда так бывает Индуцированный ток сопротивляется изменению магнитного потока. Это правило называется правилом Ленца или Закон Ленца.

Тот факт, что наведенный ток создает магнитное поле, противодействующее изменению магнитного потока, является причиной отрицательный знак в законе Фарадея. ЭДС, возникающая в проводящая петля из-за изменения магнитного потока через нее будет управлять током, который создает индуцированное магнитное поле, мы назвали его 𝐵 sub ind, которое работает против или противодействует изменению магнитного потока, первоначально испытанному петлей. Тогда мы могли бы сказать, что индуцированный ЭДС и, следовательно, индукционный ток борется с изменением системы. Он пытается сохранить вещи такими же, противодействие изменениям, которые испытывает система.

Теперь немного подробнее о все эти направления задействованы, давайте расчистим немного места на этой диаграмме. И хотя мы убрали постоянный магнит из нашего эскиза, допустим, что он на самом деле все еще падает через петлю. Итак, другими словами, изменение магнитное поле и, следовательно, изменение магнитного потока, испытываемого контуром, указывает вниз. Как мы уже упоминали, это вызовет в петле индуцируется ток, который создает магнитное поле, противодействующее это изменение Δ𝐵.

Тогда вопрос в том, каким путем указывает ли текущая точка в этом цикле, чтобы сгенерировать такое поле 𝐵 sub ind? Чтобы понять это, мы можем использовать так называемое правило правой руки. В этом правиле мы указываем большим пальцем нашу правую руку в направлении индуцированного магнитного поля. Далее сгибаем пальцы закрыто. И направление этого завитка сообщает нам, в каком направлении текущие точки в нашем цикле генерируют такое поле, 𝐵 индуцированный. В случае нашего цикла здесь это указывало бы на то, что заряд движется в этом направлении по петле. И здесь мы могли бы назвать это ток 𝐼 индуцируется, потому что он индуцируется изменением магнитного потока из-за магнит, который на самом деле падает через эту петлю.

Зная все это, давайте немного попрактикуйтесь сейчас с этими идеями на примере упражнения.

Проволочная петля радиусом 15 сантиметров движется перпендикулярно однородному магнитному полю напряженностью 0,25 тесла со скоростью постоянной скорости, как показано на схеме. Движение занимает 1,5 секунды полный. Найдите электродвижущую силу индуцируется в петле.

На нашей диаграмме мы видим униформу магнитное поле направлено из экрана на нас. И двигаясь перпендикулярно этому это петля провода. Здесь мы видим его исходное положение а затем его окончательное положение здесь. Таким образом, эта петля провода движется как это с постоянной скоростью. И полное движение занимает 1,5 секунды. Зная все это, мы хотим решить для электродвижущей силы или ЭДС, индуцированной в петле.

Чтобы помочь нам в этом, мы можем вспомнить Закон электромагнитной индукции Фарадея. Этот закон говорит нам, что ЭДС индуцированное в проводящей петле, пропорционально изменению магнитного потока, ΔΦ sub 𝑚, через эту петлю, разделенную изменением времени. Мы можем вспомнить далее, что магнитный поток в целом, Φ sub 𝑚, равен напряженности магнитного поля через некоторую площадь подвергается воздействию этого поля. В нашем приложении эта область будет в частности, быть площадью поперечного сечения некоторой проводящей петли.

Итак, закон Фарадея говорит нам, что мы необходимо иметь изменение магнитного потока, другими словами, изменение Φ sub 𝑚, в для того, чтобы любая ЭДС индуцировалась в некоторой проводящей петле. И как это происходит, как имеет место ненулевое изменение магнитного потока, если соответственно имеется ненулевое изменение либо напряженности магнитного поля, либо области, подверженной этому поле. Другими словами, для ΔΦ sub 𝑚 не чтобы быть равным нулю, нужно изменить либо 𝐵, либо 𝐴, либо и 𝐵, и 𝐴. Зная это, давайте оглянемся на наш сценарий.

У нас есть петля из проволоки, которая движется перпендикулярно однородному магнитному полю. Теперь тот факт, что наш магнитный поле является однородным, говорит нам, что это магнитное поле здесь в нашем уравнении для ΔΦ sub 𝑚 не меняется. В нашей ситуации можно сказать, что Δ𝐵 равно нулю. В этом смысл поля будучи однородным. Тем не менее, мы все еще можем иметь изменение магнитного потока до тех пор, пока площадь, подверженная воздействию нашего однородного поля, изменяется во время. Но тогда наша постановка задачи говорит нам, что наша петля движется перпендикулярно полю. Это означает, что его начальная площадь подвергается воздействию этого поля, находится ли эта область здесь, и ее конечная площадь равна исходной. область. Таким образом, площадь, подверженная нашему магнитное поле не меняется, значит, Δ𝐴 равно нулю.

И если оба Δ𝐴 и Δ𝐵 равны нулю, как они это делают, взятые вместе, это означает, что ΔΦ sub 𝑚, изменение магнитного поток, также равен нулю. А потом, поскольку это правда, как мы возвращаясь к закону Фарадея, мы видим, что если ΔΦ sub 𝑚 в этом уравнении равно нулю, то ЭДС индукции тоже. И так потому, что ни магнитный поле, ни площадь, через которую проходит поле, не изменяется, электродвижущая сила в этом контуре индуцируется ноль вольт.

Давайте на минутку обобщить то, что мы узнали об электромагнитных взаимодействиях при проведении петли.

В этом уроке мы увидели, что изменение магнитного потока во времени через проводящую петлю индуцирует электродвижущую силу сила в этой петле. Это описывается законом Фарадея электромагнитной индукции. Далее мы видели, что когда ЭДС индуцированный, он генерирует ток, который создает магнитное поле, направление которого противодействует изменению магнитного потока, первоначально испытанному петлей. Итак, если бы у нас была петля и изменение в магнитный поток, направленный через него вниз, то ЭДС индукции в контуре будет генерировать ток, который создает магнитное поле в этом противоположном направлении. Мы называем это индуцированным магнитным полем. поле. И отметим, что это вызвано индуцированный ток.

И, наконец, мы увидели, что направление этого индуцированного тока определяется так называемой правой правило. Используя это правило, мы указываем большим пальцем справа от нас в направлении наведенного магнитного поля, тот, что противодействует изменению магнитного потока. А потом сгибаем пальцы. И это направление этого завитка что говорит нам, как индуцированные точки тока. Это краткое изложение электромагнитные взаимодействия в проводящих петлях.

20.1 Магнитные поля, силовые линии и сила — физика

Раздел Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете делать следующее:

Обобщать свойства магнитов и описывать, как некоторые немагнитные материалы могут намагничиваться
Описывать и интерпретировать рисунки магнитных полей вокруг постоянных магнитов и проводов с током
Расчет величины и направления магнитной силы в магнитном поле и силы, действующей на проводник с током в магнитном поле

Поддержка учителей

Цели обучения в этом разделе помогут вашим учащимся освоить следующие стандарты:

(5) Учащийся знает природу сил в физическом мире. Ожидается, что студент:
- (G) исследуют и описывают взаимосвязь между электрическими и магнитными полями в таких приложениях, как генераторы, двигатели и трансформаторы.

Кроме того, руководство по физике для средней школы рассматривает содержание этого раздела лабораторной работы под названием «Магнетизм», а также следующие стандарты:

(5) Научные концепции. Учащийся знает природу сил в физическом мире. Ожидается, что студент:
- (ГРАММ) исследовать и описывать взаимосвязь между электрическими и магнитными полями в таких приложениях, как генераторы, двигатели и трансформаторы.

Основные термины раздела

Магниты и намагничивание

Люди знали о магнитах и магнетизме тысячи лет. Самые ранние записи относятся к древним временам, особенно в регионе Малой Азии, называемом Магнезия — название этого региона является источником таких слов, как 9.0151 магнит . Магнитные породы, найденные в Магнезии, которая сейчас является частью западной Турции, вызывали интерес в древние времена. Когда люди впервые открыли магнитные породы, они, вероятно, обнаружили, что некоторые части этих пород сильнее притягивают кусочки железа или других магнитных пород, чем другие части. Эти области называются полюсами магнита. Магнитный полюс — это часть магнита, оказывающая наибольшую силу на другие магниты или магнитный материал, например железо. Например, полюса стержневого магнита, показанного на рис. 20.2, находятся там, где сосредоточены скрепки.

Рисунок 20,2 Стержневой магнит со скрепками притягивается к двум полюсам.

Если стержневой магнит подвешен так, что он свободно вращается, один полюс магнита всегда будет повернут к северу, а противоположный полюс будет обращен к югу. Это открытие привело к созданию компаса, который представляет собой просто небольшой удлиненный магнит, установленный так, чтобы он мог свободно вращаться. Пример компаса показан на рис. 20.3. Полюс магнита, обращенный на север, называется северным полюсом, а противоположный полюс магнита называется южным полюсом.

Рисунок 20,3 Компас представляет собой удлиненный магнит, установленный в устройстве, позволяющем магниту свободно вращаться.

Открытие того, что один конкретный полюс магнита ориентирован на север, тогда как другой полюс ориентирован на юг, позволило людям идентифицировать северный и южный полюса любого магнита. Затем было замечено, что северные полюса двух разных магнитов отталкивают друг друга, а также южные полюса. И наоборот, северный полюс одного магнита притягивает южный полюс другого магнита. Эта ситуация аналогична ситуации с электрическим зарядом, когда одноименные заряды отталкиваются, а разноименные притягиваются. В магнитах мы просто заменяем заряд на полюс : Одинаковые полюса отталкиваются, а разные полюса притягиваются. Это обобщено на рис. 20.4, на котором показано, как сила между магнитами зависит от их взаимной ориентации.

Рисунок 20,4 В зависимости от их относительной ориентации полюса магнита будут либо притягиваться, либо отталкиваться друг от друга.

Рассмотрим еще раз тот факт, что полюс магнита, обращенный на север, называется северным полюсом магнита. Если разные полюса притягиваются, то магнитный полюс Земли, близкий к географическому Северному полюсу, должен быть магнитным южным полюсом! Точно так же магнитный полюс Земли, близкий к географическому Южному полюсу, должен быть магнитным северным полюсом. Эта ситуация изображена на рис. 20.5, на котором Земля представлена как содержащая гигантский внутренний стержневой магнит с его южным магнитным полюсом на географическом северном полюсе и наоборот. Если бы мы каким-то образом подвесили гигантский стержневой магнит в космосе рядом с Землей, то северный полюс космического магнита притянулся бы к южному полюсу внутреннего магнита Земли. По сути, это то, что происходит со стрелкой компаса: ее северный магнитный полюс притягивается к южному полюсу магнита внутреннего магнита Земли.

Рисунок 20,5 Землю можно представить как содержащую гигантский магнит, пронизывающий ее ядро. Магнитный южный полюс магнита Земли находится на географическом Северном полюсе, поэтому северный полюс магнитов притягивается к Северному полюсу, поэтому северный полюс магнитов получил свое название. Точно так же южный полюс магнитов притягивается к географическому Южному полюсу Земли.

Что произойдет, если разрезать стержневой магнит пополам? Вы получаете один магнит с двумя южными полюсами и один магнит с двумя северными полюсами? Ответ отрицательный: каждая половина стержневого магнита имеет северный полюс и южный полюс. Вы даже можете продолжать разрезать каждый кусок стержневого магнита пополам, и вы всегда будете получать новый, меньший магнит с двумя противоположными полюсами. Как показано на рис. 20.6, вы можете продолжить этот процесс вплоть до атомного масштаба и обнаружите, что даже самые маленькие частицы, ведущие себя как магниты, имеют два противоположных полюса. На самом деле, ни в одном эксперименте не было найдено ни одного объекта с одним магнитным полюсом, от мельчайших субатомных частиц, таких как электроны, до самых больших объектов во Вселенной, таких как звезды. Поскольку магниты всегда имеют два полюса, их называют магнитными диполями.0151 di означает два . Ниже мы увидим, что магнитные диполи обладают свойствами, аналогичными электрическим диполям.

Рисунок 20,6 Все магниты имеют два противоположных полюса, от самых маленьких, таких как субатомные частицы, до самых больших, таких как звезды.

Смотреть физику

Введение в магнетизм

Это видео представляет собой интересное введение в магнетизм и обсуждает, в частности, как электроны вокруг своих атомов способствуют магнитным эффектам, которые мы наблюдаем.

Проверка захвата

К какому магнитному полюсу Земли притягивается северный полюс стрелки компаса?

Северный полюс стрелки компаса притягивается к северному магнитному полюсу Земли, который расположен вблизи географического Северного полюса Земли.
Северный полюс стрелки компаса притягивается к южному магнитному полюсу Земли, который расположен вблизи географического Северного полюса Земли.
Северный полюс стрелки компаса притягивается к северному магнитному полюсу Земли, который расположен вблизи географического Южного полюса Земли.
Северный полюс стрелки компаса притягивается к южному магнитному полюсу Земли, который расположен вблизи географического Южного полюса Земли.

Только некоторые материалы, такие как железо, кобальт, никель и гадолиний, проявляют сильные магнитные эффекты. Такие материалы называются ферромагнитными, от латинского слова ferrum для железа. Другие материалы проявляют слабые магнитные эффекты, которые можно обнаружить только с помощью чувствительных приборов. Мало того, что ферромагнетики сильно реагируют на магниты — подобно тому, как железо притягивается к магнитам, — они также могут намагничиваться сами, то есть их можно сделать магнитными или превратить в постоянные магниты (рис. 20.7). Постоянный магнит — это просто материал, который сохраняет свои магнитные свойства в течение длительного времени, даже при воздействии размагничивающих воздействий.

Рисунок 20,7 Ненамагниченный кусок железа помещают между двумя магнитами, нагревают, а затем охлаждают или просто постукивают в холодном состоянии. Железо становится постоянным магнитом с полюсами, выровненными, как показано: его южный полюс примыкает к северному полюсу исходного магнита, а его северный полюс примыкает к южному полюсу исходного магнита. Обратите внимание, что силы притяжения создаются между центральным магнитом и внешними магнитами.

Когда магнит приближается к ранее ненамагниченному ферромагнитному материалу, он вызывает локальное намагничивание материала с ближайшими противоположными полюсами, как показано в правой части рис. 20.7. Это вызывает силу притяжения, поэтому ненамагниченное железо притягивается к магниту.

То, что происходит в микроскопическом масштабе, показано на рис. 7(а). Области внутри материала, называемые доменами, действуют как маленькие стержневые магниты. Внутри доменов магнитные полюса отдельных атомов выровнены. Каждый атом действует как крошечный стержневой магнит. Домены малы и беспорядочно ориентированы в ненамагниченном ферромагнитном объекте. В ответ на внешнее магнитное поле домены могут увеличиваться до миллиметрового размера, выстраиваясь, как показано на рисунке 7(b). Эту индуцированную намагниченность можно сделать постоянной, если материал нагреть, а затем охладить, или просто постучать в присутствии других магнитов.

Рисунок 20,8 (а) Ненамагниченный кусок железа или другого ферромагнитного материала имеет случайно ориентированные домены. (б) При намагничивании внешним магнитом домены демонстрируют большее выравнивание, и одни растут за счет других. Отдельные атомы выровнены внутри доменов; каждый атом действует как крошечный стержневой магнит.

И наоборот, постоянный магнит можно размагнитить сильными ударами или нагреванием в отсутствие другого магнита. Увеличение теплового движения при более высокой температуре может нарушить и рандомизировать ориентацию и размер доменов. Для ферромагнетиков существует четко определенная температура, называемая температурой Кюри, выше которой они не могут намагничиваться. Температура Кюри для железа составляет 1043 К (770°С°С), что значительно выше комнатной температуры. Есть несколько элементов и сплавов, которые имеют температуру Кюри намного ниже комнатной температуры и являются ферромагнитными только при этих температурах.

Снап Лаборатория

Магниты на холодильник

Мы знаем, что одинаковые магнитные полюса отталкиваются, а противоположные притягиваются. Посмотрите, сможете ли вы показать это для двух магнитов на холодильник. Прилипнут ли магниты, если их перевернуть? Почему они все равно прилипают к дверце холодильника? Что можно сказать о магнитных свойствах двери холодильника возле магнита? Прилипают ли магниты на холодильник к металлическим или пластиковым ложкам? Они прилипают ко всем типам металлов?

Поддержка учителей

Удерживание магнита рядом с ненамагниченным ферромагнитным материалом приведет к магнитной поляризации ферромагнитного материала, заставляя атомные магнитные диполи ориентироваться в сторону внешнего магнита. Это похоже на электрическую поляризацию. Таким образом, ферромагнитный материал намагничивается в присутствии внешнего магнита, и два магнита притягиваются друг к другу. Чтобы магнит прилипал к двери холодильника, дверь должна содержать ферромагнитный материал. Магниты будут прилипать к ложкам из черных металлов, например к ложкам с железом внутри, но не к ложкам из цветных металлов, например ложкам из алюминия или серебра, и не будут прилипать к магниту. Магниты также не будут прилипать к пластиковым ложкам.

Проверка захвата

У вас есть один магнит с обозначенными северным и южным полюсами. Как можно использовать этот магнит для определения северного и южного полюсов других магнитов?

Если северный полюс известного магнита отталкивается полюсом неизвестного магнита при их сближении, то этот полюс неизвестного магнита является его северным полюсом; в противном случае это его южный полюс.
Если северный полюс известного магнита притягивается к полюсу неизвестного магнита при их сближении, то этот полюс неизвестного магнита является его северным полюсом; в противном случае это его южный полюс.

Магнитные поля

Таким образом, мы увидели, что между магнитами и между магнитами и ферромагнитными материалами могут действовать силы без какого-либо контакта между объектами. Это напоминает электрические силы, которые также действуют на расстояниях. Электрические силы описываются с использованием концепции электрического поля, которое представляет собой силовое поле вокруг электрических зарядов, описывающее силу, действующую на любой другой заряд, помещенный в поле. Точно так же магнит создает вокруг себя магнитное поле, которое описывает силу, действующую на другие магниты, находящиеся в этом поле. Как и в случае с электрическими полями, графическое изображение силовых линий магнитного поля очень полезно для визуализации силы и направления магнитного поля.

Как показано на рис. 20.9, направление силовых линий магнитного поля определяется как направление, в котором указывает северный полюс стрелки компаса. Если вы поместите компас рядом с северным полюсом магнита, северный полюс стрелки компаса будет отталкиваться и указывать в сторону от магнита. Таким образом, силовые линии магнитного поля направлены от северного полюса магнита к его южному полюсу.

Рисунок 20,9 Черные линии представляют линии магнитного поля стержневого магнита. Линии поля указывают в том направлении, куда указывал бы северный полюс маленького компаса, как показано слева. Линии магнитного поля никогда не останавливаются, поэтому линии поля фактически проникают в магнит, образуя полные петли, как показано справа.

Линии магнитного поля можно нанести на карту с помощью небольшого компаса. Компас перемещается от точки к точке вокруг магнита, и в каждой точке проводится короткая линия в направлении стрелки, как показано на рис. 20.10. Соединение линий вместе показывает путь линии магнитного поля. Другой способ визуализировать силовые линии магнитного поля — рассыпать железные опилки вокруг магнита. Опилки будут ориентироваться вдоль силовых линий магнитного поля, образуя узор, подобный показанному справа на рис. 20.10.

Виртуальная физика

Использование компаса для определения магнитного поля

Эта симуляция представляет собой стержневой магнит и небольшой компас. Начните с перетаскивания компаса вокруг стержневого магнита, чтобы увидеть, в каком направлении указывает магнитное поле. Обратите внимание, что сила магнитного поля представлена яркостью значков магнитного поля в сетке вокруг магнита. Используйте измеритель магнитного поля, чтобы проверить напряженность поля в нескольких точках вокруг стержневого магнита. Вы также можете изменить полярность магнита или поместить Землю на изображение, чтобы увидеть, как ориентируется компас.

Проверка захвата

С помощью ползунка в правом верхнем углу окна моделирования установите напряженность магнитного поля на 100 процентов. Теперь используйте измеритель магнитного поля, чтобы ответить на следующий вопрос: Вблизи магнита, где магнитное поле самое сильное, а где самое слабое? Не забудьте заглянуть внутрь стержневого магнита.

Магнитное поле самое сильное в центре и самое слабое между двумя полюсами сразу за пределами стержневого магнита. Линии магнитного поля имеют наибольшую плотность в центре и наименьшую плотность между двумя полюсами сразу за пределами стержневого магнита.
Магнитное поле самое сильное в центре и самое слабое между двумя полюсами сразу за пределами стержневого магнита. Линии магнитного поля наименее плотны в центре и наиболее плотны между двумя полюсами сразу за пределами стержневого магнита.
Магнитное поле самое слабое в центре и самое сильное между двумя полюсами сразу за пределами стержневого магнита. Линии магнитного поля имеют наибольшую плотность в центре и наименьшую плотность между двумя полюсами сразу за пределами стержневого магнита.
Магнитное поле самое слабое в центре и самое сильное между двумя полюсами сразу за пределами стержневого магнита, а линии магнитного поля наименее плотны в центре и наиболее плотны между двумя полюсами сразу за пределами стержневого магнита.

Рисунок 20.10 Линии магнитного поля можно нарисовать, перемещая небольшой компас от точки к точке вокруг магнита. В каждой точке нарисуйте короткую линию в направлении стрелки компаса. Соединение точек вместе показывает путь силовых линий магнитного поля. Другой способ визуализировать силовые линии магнитного поля — рассыпать железные опилки вокруг магнита, как показано справа.

Когда два магнита сближены, силовые линии магнитного поля возмущаются, точно так же, как это происходит с силовыми линиями электрического поля, когда сближаются два электрических заряда. Сближение двух северных полюсов или двух южных полюсов вызовет отталкивание, и силовые линии магнитного поля отклонятся друг от друга. Это показано на рис. 20.11, на котором показаны силовые линии магнитного поля, создаваемые двумя близко расположенными северными полюсами стержневого магнита. Когда противоположные полюса двух магнитов сближаются, силовые линии магнитного поля соединяются и становятся более плотными между полюсами. Эта ситуация показана на рис. 20.11.

Рисунок 20.11 (а) Когда два северных полюса сближаются вместе, силовые линии магнитного поля отталкиваются друг от друга, и два магнита испытывают силу отталкивания. То же самое происходит, если два южных полюса приближаются друг к другу. б) если сблизить противоположные полюса, силовые линии магнитного поля между полюсами становятся более плотными, и магниты испытывают силу притяжения.

Как и электрическое поле, магнитное поле сильнее там, где линии плотнее. Таким образом, между двумя северными полюсами на рис. 20.11 магнитное поле очень слабое, потому что плотность магнитного поля почти равна нулю. Компас, помещенный в эту точку, будет вращаться свободно, если мы проигнорируем магнитное поле Земли. И наоборот, силовые линии магнитного поля между северным и южным полюсами на рис. 20.11 очень плотные, что указывает на то, что магнитное поле в этой области очень сильное. Компас, размещенный здесь, быстро выровняется по магнитному полю и укажет на южный полюс справа.

Поддержка учителей

Предупреждение о заблуждении

Плотность силовых линий магнитного поля на рис. 20.11 показывает величину силы, которая будет приложена к небольшому испытательному магниту, помещенному в это поле. Плотность не указывает на силу между двумя магнитами, создающими поле. Величина силы между двумя магнитами одинакова в обоих случаях на рис. 20.11. Это можно понять, представив, что вы помещаете один из магнитов в поле другого магнита. Эта ситуация симметрична: магнитные поля выглядят одинаково — за исключением направления — для обеих ситуаций, показанных на рис. 20.11. Поскольку магниты имеют одинаковую силу, они возмущают магнитное поле противоположного магнита, поэтому магнитное поле необходимо исследовать с помощью небольшого магнита, такого как компас.

Обратите внимание, что не только магниты создают магнитные поля. В начале девятнадцатого века люди обнаружили, что электрические токи вызывают магнитные эффекты. Первое значительное наблюдение было сделано датским ученым Гансом Христианом Эрстедом (1777–1851), который обнаружил, что стрелка компаса отклоняется проводом с током. Это было первое серьезное доказательство того, что движение электрических зарядов имеет какую-либо связь с магнитами. Электромагнит — это устройство, которое использует электрический ток для создания магнитного поля. Эти временно индуцированные магниты называются электромагнитами. Электромагниты используются во всем: от подъемного крана, который поднимает сломанные автомобили, до управления лучом 9Ускоритель частиц с окружностью 0 км к магнитам медицинских аппаратов визуализации (см. рис. 20.12).

Рисунок 20.12 Прибор для магнитно-резонансной томографии (МРТ). В устройстве используется электромагнит с цилиндрической катушкой для создания основного магнитного поля. Больной отправляется в тоннель на каталке. (кредит: Билл Макчесни, Flickr)

Магнитное поле, создаваемое электрическим током в длинном прямом проводе, показано на рис. 20.13. Линии магнитного поля образуют концентрические окружности вокруг проволоки. Направление магнитного поля можно определить с помощью правило правой руки . Это правило проявляется в нескольких местах при изучении электричества и магнетизма. Применительно к прямому проводу с током правило правой руки гласит, что, если большой палец правой руки направлен в направлении тока, магнитное поле будет направлено в том направлении, в котором сгибаются пальцы правой руки, как показано на рис. 20.13. Если провод очень длинный по сравнению с расстоянием r от провода, напряженность магнитного поля B определяется как

Bпрямой провод=μ0I2πrBпрямой провод=μ0I2πr

20,1

, где I — сила тока в проводе в амперах. Единицей измерения магнитного поля в системе СИ является тесла (Тл). Символ μ0μ0 — читается как «мю-ноль» — является константой, называемой «проницаемостью свободного пространства», и задается как

μ0=4π×10−7T⋅м/A.μ0=4π×10−7T⋅м/A.

20,2

Рисунок 20.13 На этом изображении показано, как использовать правило правой руки для определения направления магнитного поля, создаваемого током, протекающим по прямому проводу. Направьте большой палец правой руки в направлении тока, и магнитное поле будет направлено в том направлении, в котором сгибаются ваши пальцы.

Смотреть физику

Магнитное поле, вызванное электрическим током

В этом видео показано магнитное поле, создаваемое прямым проводом с током. Он использует правило правой руки для определения направления магнитного поля, а также представляет и обсуждает формулу для напряженности магнитного поля из-за прямого провода с током.

Проверка захвата

Длинный прямой провод помещается на столешницу, и электрический ток течет по проводу справа налево. Если вы посмотрите на конец провода с левого конца, магнитное поле движется по часовой стрелке или против часовой стрелки?

Если направить большой палец правой руки в направлении, противоположном направлению тока, пальцы правой руки свернутся против часовой стрелки, поэтому магнитное поле будет направлено против часовой стрелки.
Если вы направите большой палец правой руки в направлении, противоположном направлению тока, пальцы правой руки свернутся по часовой стрелке, поэтому магнитное поле будет направлено по часовой стрелке.
Если направить большой палец правой руки в направлении тока, пальцы правой руки свернутся против часовой стрелки, поэтому магнитное поле будет направлено против часовой стрелки.
Если направить большой палец правой руки в направлении тока, пальцы правой руки свернутся по часовой стрелке, поэтому магнитное поле будет направлено по часовой стрелке.

Теперь представьте, что проволока намотана на цилиндр, а цилиндр снят. В результате получится проволочная катушка, как показано на рис. 20.14. Это называется соленоид. Чтобы найти направление магнитного поля, создаваемого соленоидом, примените правило правой руки к нескольким точкам на катушке. Вы должны быть в состоянии убедить себя, что внутри катушки магнитное поле направлено слева направо. На самом деле, еще одно применение правила правой руки состоит в том, чтобы согнуть пальцы правой руки вокруг катушки в направлении, в котором течет ток. Затем большой палец правой руки указывает направление магнитного поля внутри катушки: в данном случае слева направо.

Рисунок 20.14 Проволочная катушка, через которую проходит ток, как показано на рисунке, создает магнитное поле в направлении, указанном красной стрелкой.

Каждый виток провода вносит свой вклад в магнитное поле внутри соленоида. Поскольку силовые линии магнитного поля должны образовывать замкнутые петли, силовые линии замыкают петлю вне соленоида. Силовые линии магнитного поля внутри соленоида гораздо плотнее, чем снаружи соленоида. Результирующее магнитное поле очень похоже на поле стержневого магнита, как показано на рис. 20.15. Напряженность магнитного поля глубоко внутри соленоида равна

Bsolenoid=μ0NIℓ,Bsolenoid=μ0NIℓ,

20,3

, где N — количество витков проволоки в соленоиде, а ℓℓ — длина соленоида.

Рисунок 20.15 Железные опилки показывают картину магнитного поля вокруг (а) соленоида и (б) стержневого магнита. Картины полей очень похожи, особенно вблизи концов соленоида и стержневого магнита.

Виртуальная физика

Электромагниты

Используйте эту симуляцию, чтобы визуализировать магнитное поле, создаваемое соленоидом. Обязательно нажмите на вкладку с надписью «Электромагнит». Вы можете управлять переменным или постоянным током через соленоид, выбрав соответствующий источник тока. Используйте измеритель поля для измерения силы магнитного поля, а затем измените количество витков в соленоиде, чтобы увидеть, как это влияет на напряженность магнитного поля.

Выберите батарею в качестве источника тока и установите количество витков провода равным четырем. При ненулевом токе, проходящем через соленоид, измерьте напряженность магнитного поля в точке. Теперь уменьшите количество проволочных петель до двух. Как изменится напряженность магнитного поля в выбранной вами точке?

Напряженность магнитного поля не изменится, если число витков уменьшится с четырех до двух.
Напряженность магнитного поля уменьшается до половины исходного значения при уменьшении количества витков с четырех до двух.
Напряженность магнитного поля увеличивается вдвое по сравнению с исходным значением при уменьшении количества витков с четырех до двух.
Напряженность магнитного поля увеличивается в четыре раза по сравнению с исходным значением при уменьшении количества витков с четырех до двух.

Магнитная сила

Если движущийся электрический заряд, то есть электрический ток, создает магнитное поле, которое может воздействовать на другой магнит, то согласно третьему закону Ньютона должно быть верно обратное. Другими словами, заряд, движущийся через магнитное поле, создаваемое другим объектом, должен испытывать силу — и это именно то, что мы находим. В качестве конкретного примера рассмотрим рис. 20.16, на котором изображен заряд q , движущийся со скоростью v→v→ через магнитное поле B→B→ между полюсами постоянного магнита. Магнитуда F силы этого заряда

F=qvBsinθ, F=qvBsinθ,

20,4

, где θθ — угол между скоростью заряда и магнитным полем.

Направление силы можно найти, используя другую версию правила правой руки: сначала мы соединяем хвосты вектора скорости и вектора магнитного поля, как показано в шаге 1 на рис. 20.16. Затем мы сгибаем пальцы правой руки от v→v→ к B→B→, как показано в шаге (2) на рис. 20.16. Направление, в котором указывает большой палец правой руки, является направлением силы. Для заряда на рис. 20.16 мы видим, что сила направлена на страницу.

Обратите внимание, что коэффициент sinθsinθ в уравнении F=qvBsinθF=qvBsinθ означает, что к заряду, движущемуся параллельно магнитному полю, приложена нулевая сила, потому что θ=0θ=0 и sin0=0sin0=0 . Максимальная сила, которую может испытывать заряд, возникает, когда он движется перпендикулярно магнитному полю, потому что θ = 90 ° θ = 90 °. и sin90°=1.sin90°=1.

Рисунок 20.16 а) Протон движется в однородном магнитном поле. (б) Используя правило правой руки, находим, что сила, действующая на протон, направлена на страницу.

Вместо одиночного заряда, движущегося через магнитное поле, рассмотрим теперь постоянный ток I , движущийся по прямому проводу. Если мы поместим эту проволоку в однородное магнитное поле, как показано на рис. 20.19, какова сила, действующая на проволоку или, точнее, на электроны в проволоке? В электрическом токе участвуют движущиеся заряды. Если заряды q перемещаются на расстояние ℓℓ за время t , то их скорость равна v=ℓ/t. v=ℓ/t. Вставка этого в уравнение F=qvBsinθF=qvBsinθ дает

F=q(ℓt)Bsinθ=(qt)ℓBsinθ.F=q(ℓt)Bsinθ=(qt)ℓBsinθ.

20,5

Множитель q / t в этом уравнении есть не что иное, как ток в проводе. Таким образом, используя I=q/tI=q/t, получаем

F=IℓBsinθ(1.4).F=IℓBsinθ(1.4).

20,6

Это уравнение дает силу, действующую на прямолинейный проводник с током длиной ℓℓ в магнитном поле напряженностью B . Угол θθ — это угол между вектором тока и вектором магнитного поля. Обратите внимание, что ℓℓ — это длина провода, находящегося в магнитном поле и для которого θ≠0,θ≠0, как показано на рис. 20.19..

Направление силы определяется так же, как и для одиночного заряда. Согните пальцы правой руки от вектора I к вектору B , и большой палец правой руки укажет в направлении силы, действующей на провод. Для проволоки, показанной на рис. 20.19, сила направлена на страницу.

Рисунок 20.19 Прямой провод с током I в магнитном поле B . Сила, действующая на проволоку, направлена на страницу. Длина ℓℓ — это длина провода, равная в магнитное поле.

В этом разделе вы могли заметить симметрию между магнитными и электрическими эффектами. Все эти эффекты подпадают под эгиду электромагнетизма, изучающего электрические и магнитные явления. Мы видели, что электрические заряды создают электрические поля, а движущиеся электрические заряды создают магнитные поля. Магнитный диполь создает магнитное поле, и, как мы увидим в следующем разделе, движущиеся магнитные диполи создают электрическое поле. Таким образом, электричество и магнетизм — два тесно связанных и симметричных явления.

Рабочий пример

Траектория электрона в магнитном поле

Протон входит в область постоянного магнитного поля, как показано на рис. 20.20. Магнитное поле выходит из страницы. Если электрон движется со скоростью 3,0×106 м/с3,0×106 м/с, а напряженность магнитного поля составляет 2,0 Тл, какова величина и направление силы, действующей на протон?

Рисунок 20.20 Протон попадает в область однородного магнитного поля. Магнитное поле выходит из страницы — круги с точками представляют векторные стрелки, выходящие из страницы.

Стратегия

Используйте уравнение F=qvBsinθF=qvBsinθ, чтобы найти величину силы, действующей на протон. Угол между векторами магнитного поля и вектором скорости протона равен 90°.90°. Направление силы можно найти по правилу правой руки.

Решение

Заряд протона q=1,60×10-19Cq=1,60×10-19C . Ввод этого значения и заданной скорости и напряженности магнитного поля в уравнение F=qvBsinθF=qvBsinθ дает

F=qvBsinθ=(1,60×10-19C)(3,0×106м/с)(2,0T)sin(90°)=9,6×10-13N.F=qvBsinθ=(1,60×10-19C)(3,0× 106 м/с)(2,0Т)sin(90°)=9,6×10-13Н. , как показано на рис. 20.21. 9.

Обсуждение

Кажется, это очень маленькая сила. Однако масса протона составляет 1,67×10-27 кг1,67×10-27 кг, поэтому его ускорение равно ×10−13N1,67×10−27 кг=5,7×1014 м/с2, или примерно в десять тысяч миллиардов раз больше ускорения свободного падения!

Мы обнаружили, что начальное ускорение протона при входе в магнитное поле направлено вниз в плоскости страницы. Обратите внимание, что по мере ускорения протона его скорость остается перпендикулярной магнитному полю, поэтому величина силы не меняется. Кроме того, по правилу правой руки направление силы остается перпендикулярным скорости. Эта сила есть не что иное, как центростремительная сила: она имеет постоянную величину и всегда перпендикулярна скорости. Таким образом, величина скорости не меняется, и протон совершает круговое движение. Радиус этой окружности можно найти, используя кинематическое соотношение.

F=ma=mv2ra=v2rr=v2a=(3,0×106 м/с)25,7×1014 м/с2=1,6 смF=ma=mv2ra=v2rr=v2a=(3,0×106 м/с)25,7×1014 м/с2 =1,6 см

20,8

Путь протона в магнитном поле показан на рис. , а длина области с магнитным полем 4,0 см, какова сила, действующая на провод?

Стратегия

Используйте уравнение F=IℓBsinθF=IℓBsinθ, чтобы найти величину силы, действующей на провод. Длина провода внутри магнитного поля составляет 4,0 см, а угол между направлением тока и направлением магнитного поля составляет 90°. Чтобы найти направление силы, используйте правило правой руки, как описано сразу после уравнения F=IℓBsinθ.F=IℓBsinθ.

Решение

Вставьте данные значения в уравнение F=IℓBsinθF=IℓBsinθ, чтобы найти величину силы

F=IℓBsinθ=(1,5A)(0,040м)(2,0Т)=0,12N.F=IℓBsinθ=(1,5А)(0,040м)(2,0Т)=0,12Н.

20,9

Чтобы найти направление силы, начните с размещения вектора тока встык с вектором магнитного поля. Результат показан на рисунке в предыдущем рабочем примере с заменой v→v→ на I→I→. Согните пальцы правой руки от I→I→ к B→B→, а большой палец правой руки указывает вниз по странице, как показано на рисунке в предыдущем рабочем примере. . 9-направление. Сила, действующая на провод с током в магнитном поле, является основой всех электрических двигателей, как мы увидим в следующих разделах.

Практические задачи

Какова величина силы, действующей на электрон, движущийся со скоростью 1,0 × 106 м/с перпендикулярно магнитному полю напряженностью 1,0 Тл?

0,8 × 10 ^–13 Н
1,6 × 10 ^–14 Н
0,8 × 10 ^–14 Н
1,6 × 10 ^–13 Н

Прямой провод длиной 10 см несет ток 0,40 А и ориентирован перпендикулярно магнитному полю. Если сила, действующая на провод, равна 0,022 Н, какова величина магнитного поля?

1,10 × 10 ^–2 Т
0,55 × 10 ^–2 Т
1,10 т
0,55 Т

Проверьте свое понимание

Если два магнита отталкивают друг друга, какой вывод можно сделать об их взаимной ориентации?

Либо южный полюс магнита 1 ближе к северному полюсу магнита 2, либо северный полюс магнита 1 ближе к южному полюсу магнита 2.
Либо южные полюса магнита 1 и магнита 2 ближе друг к другу, либо северные полюса магнита 1 и магнита 2 ближе друг к другу.
Недостаточно информации, чтобы сделать вывод об ориентации магнитов.

Описать методы размагничивания ферромагнетика.

путем охлаждения, нагревания или погружения в воду
нагреванием, ковкой и вращением во внешнем магнитном поле
ударом молотка, нагреванием и протиранием тканью
путем охлаждения, погружения в воду или протирания тканью

Что такое магнитное поле?

Направленные линии внутри и снаружи магнитного материала, которые указывают величину и направление магнитной силы.
Направленные линии внутри и снаружи магнитного материала, указывающие на величину магнитной силы.
Направленные линии внутри магнитного материала, которые указывают величину и направление магнитной силы.
Направленные линии снаружи магнитного материала, которые указывают величину и направление магнитной силы.

Какой из следующих рисунков правильный?

магнетизм | National Geographic Society

Магнетизм — это сила, проявляемая магнитами, когда они притягиваются или отталкиваются друг от друга. Магнетизм возникает из-за движения электрических зарядов.

Каждое вещество состоит из крошечных единиц, называемых атомами. В каждом атоме есть электроны, частицы, которые несут электрические заряды. Вращаясь, как волчки, электроны вращаются вокруг ядра или ядра атома. Их движение генерирует электрический ток и заставляет каждый электрон действовать как микроскопический магнит.

В большинстве веществ одинаковое количество электронов вращается в противоположных направлениях, что уравновешивает их магнетизм. Вот почему такие материалы, как ткань или бумага, называются слабомагнитными. В таких веществах, как железо, кобальт и никель, большинство электронов вращаются в одном направлении. Это делает атомы в этих веществах сильно магнитными, но они еще не являются магнитами.

Чтобы намагнититься, другое сильно магнитное вещество должно войти в магнитное поле существующего магнита. Магнитное поле — это область вокруг магнита, обладающая магнитной силой.

Все магниты имеют северный и южный полюса. Противоположные полюса притягиваются друг к другу, а одинаковые полюса отталкиваются. Когда вы потираете кусок железа вдоль магнита, полюса атомов железа, ищущие север, выстраиваются в одном направлении. Сила, создаваемая выровненными атомами, создает магнитное поле. Кусок железа стал магнитом.

Некоторые вещества могут намагничиваться электрическим током. Когда электричество проходит через катушку провода, оно создает магнитное поле. Однако поле вокруг катушки исчезнет, как только отключится электрический ток.

Геомагнитные полюса

Земля — это магнит. Ученые не до конца понимают почему, но считают, что движение расплавленного металла во внешнем ядре Земли генерирует электрические токи. Токи создают магнитное поле с невидимыми силовыми линиями, протекающими между магнитными полюсами Земли.

Геомагнитные полюса не совпадают с Северным и Южным полюсами. Магнитные полюса Земли часто перемещаются из-за активности глубоко под поверхностью Земли. Смещение геомагнитных полюсов зафиксировано в горных породах, которые образуются, когда расплавленный материал, называемый магмой, проникает сквозь земную кору и изливается в виде лавы. По мере того как лава остывает и становится твердой породой, сильномагнитные частицы в породе намагничиваются магнитным полем Земли. Частицы выстраиваются вдоль силовых линий в поле Земли. Таким образом, горные породы фиксируют положение геомагнитных полюсов Земли в то время.

Как ни странно, магнитные записи горных пород, образовавшихся в одно и то же время, указывают на разные местоположения полюсов. Согласно теории тектоники плит, скальные плиты, составляющие твердую оболочку Земли, постоянно движутся. Таким образом, плиты, на которых застыли породы, сдвинулись с тех пор, как породы зафиксировали положение геомагнитных полюсов. Эти магнитные записи также показывают, что геомагнитные полюса менялись местами — превращались в противоположные полюса — сотни раз с тех пор, как сформировалась Земля.

Магнитное поле Земли не движется быстро и часто не меняется. Таким образом, это может быть полезным инструментом, помогающим людям ориентироваться. На протяжении сотен лет люди использовали магнитные компасы для навигации по магнитному полю Земли. Магнитная стрелка компаса совпадает с магнитными полюсами Земли. Северный конец магнита указывает на северный магнитный полюс.

Магнитное поле Земли доминирует над областью, называемой магнитосферой, которая охватывает планету и ее атмосферу. Солнечный ветер, заряженные частицы Солнца, прижимает магнитосферу к Земле на стороне, обращенной к Солнцу, и растягивает ее в каплевидную форму на теневой стороне.

Магнитосфера защищает Землю от большинства частиц, но некоторые просачиваются через нее и попадают в ловушку. Когда частицы солнечного ветра сталкиваются с атомами газа в верхних слоях атмосферы вокруг геомагнитных полюсов, они создают световые явления, называемые полярными сияниями. Эти полярные сияния появляются над такими местами, как Аляска, Канада и Скандинавия, где их иногда называют «северным сиянием». «Южное сияние» можно увидеть в Антарктиде и Новой Зеландии.

Краткий факт

Животный магнетизм
Некоторые животные, такие как голуби, пчелы и лосось, могут обнаруживать магнитное поле Земли и использовать его для навигации. Ученые не знают, как они это делают, но кажется, что в телах этих существ есть магнитный материал, который действует как компас.

Краткий факт

Исторические направления
Древние греки и китайцы знали о природных магнитных камнях, называемых магнитами. Эти куски богатых железом минералов могли быть намагничены молнией. Китайцы обнаружили, что они могут сделать иглу магнитной, проводя ею по магнитному камню, и что стрелка будет указывать с севера на юг.

Статьи и профили

Новости National Geographic: Северный магнитный полюс смещается из-за магнитного потока Новости National Geographic: Омары перемещаются с помощью магнетизма электромагнит — деятельность (10 оценок)

Нажмите здесь, чтобы оценить

Quick Look

Уровень: 4 (3-5)

Необходимое время: 45 минут

Расходные материалы Стоимость/группа: 2,00 долл. США

Размер группы: 2

Activity Dependency0: Activity Dependency0:

Связанное неформальное обучение: Создание электромагнита!

предметных областей: Физические науки, физика

Ожидаемые характеристики NGSS:

3-PS2-3

3-PS2-4

Доля:

TE Информационный бюллетень

Резюме
Студенческие группы исследуют свойства электромагнитов. Они создают свои собственные маленькие электромагниты и экспериментируют со способами изменения их силы, чтобы поднять больше скрепок. Студенты узнают о том, как инженеры используют электромагниты в повседневных приложениях.
Эта учебная программа по инженерному делу соответствует научным стандартам следующего поколения (NGSS).
Инженерное подключение
Инженеры проектируют электромагниты, которые являются основной частью двигателей. Электромагнитные двигатели являются большой частью повседневной жизни, а также промышленности и фабрик. Мы можем даже не осознавать, что ежедневно взаимодействуем с электромагнитами, поскольку используем самые разные двигатели, чтобы облегчить себе жизнь. Распространенными устройствами, в которых используются электромагнитные двигатели, являются: холодильники, сушилки для белья, стиральные машины, посудомоечные машины, пылесосы, швейные машины, мусоропроводы, дверные звонки, компьютеры, компьютерные принтеры, часы, вентиляторы, автомобильные стартеры, двигатели стеклоочистителей, электрические зубные щетки, электрические бритвы. , консервные ножи, динамики, музыкальные или магнитофонные проигрыватели и т. д.
Цели обучения
После этого задания учащиеся должны уметь:
Расскажите, что электрический ток создает магнитное поле.
Опишите, как делают электромагнит.
Исследуйте способы изменения силы электромагнита.
Перечислите несколько предметов, разработанных инженерами с использованием электромагнитов.
Образовательные стандарты
Каждый урок или занятие TeachEngineering соотносится с одной или несколькими науками K-12, технологические, инженерные или математические (STEM) образовательные стандарты.
Все более 100 000 стандартов K-12 STEM, включенных в TeachEngineering , собираются, поддерживаются и упаковываются сетью стандартов достижений (ASN) , проект D2L (www.achievementstandards.org).
В ASN стандарты структурированы иерархически: сначала по источнику; напр. по штатам; внутри источника по типу; напр. , естественные науки или математика; внутри типа по подтипу, затем по классам, и т.д. .
NGSS: научные стандарты следующего поколения — наука
Ожидаемая производительность NGSS
3-ПС2-3. Задайте вопросы, чтобы определить причинно-следственные связи электрических или магнитных взаимодействий между двумя объектами, не контактирующими друг с другом. (3-й степени)
Согласны ли вы с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!
Нажмите, чтобы просмотреть другую учебную программу, соответствующую этому ожидаемому результату
Это занятие сосредоточено на следующих аспектах трехмерного обучения NGSS:
Научная и инженерная практика Основные дисциплинарные идеи Концепции поперечной резки
Задавайте вопросы, которые можно исследовать на основе шаблонов, таких как причинно-следственные связи.
Соглашение о согласовании: Спасибо за ваш отзыв!
Электрические и магнитные силы между парой объектов не требуют, чтобы объекты находились в контакте. Величина сил в каждой ситуации зависит от свойств объектов и их расстояний друг от друга, а для сил между двумя магнитами — от их ориентации относительно друг друга.
Соглашение о согласовании: Спасибо за ваш отзыв!
Причинно-следственные связи обычно выявляются, проверяются и используются для объяснения изменений.
Соглашение о примирении: Спасибо за ваш отзыв!
Ожидаемая производительность NGSS
3-ПС2-4. Определите простую задачу проектирования, которую можно решить, применяя научные идеи о магнитах. (3-й степени)
Согласны ли вы с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!
Нажмите, чтобы просмотреть другую учебную программу, соответствующую этому ожидаемому результату
Это занятие сосредоточено на следующих аспектах трехмерного обучения NGSS:
Научная и инженерная практика Основные дисциплинарные идеи Концепции поперечной резки
Определите простую проблему, которую можно решить путем разработки нового или улучшенного объекта или инструмента.
Соглашение о согласовании: Спасибо за ваш отзыв!
Электрические и магнитные силы между парой объектов не требуют, чтобы объекты находились в контакте. Величина сил в каждой ситуации зависит от свойств объектов и их расстояний друг от друга, а для сил между двумя магнитами — от их ориентации относительно друг друга.
Соглашение о примирении: Спасибо за ваш отзыв!
Научные открытия в мире природы часто могут привести к новым и улучшенным технологиям, которые разрабатываются в процессе инженерного проектирования.
Соглашение о согласовании: Спасибо за ваш отзыв!
Общие базовые государственные стандарты — математика
Представлять и интерпретировать данные. (Оценка 4) Подробнее
Посмотреть согласованную учебную программу
Согласны ли вы с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!
Представляйте реальный мир и математические задачи, изображая точки в первом квадранте координатной плоскости и интерпретируя значения координат точек в контексте ситуации. (Оценка 5) Подробнее
Посмотреть согласованную учебную программу
Согласны ли вы с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!
Графические точки на координатной плоскости для решения реальных и математических задач. (Оценка 5) Подробнее
Посмотреть согласованную учебную программу
Согласны ли вы с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!
Международная ассоциация преподавателей технологий и инженерии – Технология
Студенты будут развивать понимание отношений между технологиями и связей между технологиями и другими областями обучения. (Оценки К — 12) Подробнее
Посмотреть согласованную учебную программу
Согласны ли вы с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!
Энергия приходит в разных формах. (Оценки 3 — 5) Подробнее
Посмотреть согласованную учебную программу
Согласны ли вы с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!
Описывать свойства различных материалов. (Оценки 3 — 5) Подробнее
Посмотреть согласованную учебную программу
Согласны ли вы с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!
ГОСТ
Предложите выравнивание, не указанное выше
Какое альтернативное выравнивание вы предлагаете для этого контента?
Подписывайся
Подпишитесь на нашу рассылку новостей, чтобы получать внутреннюю информацию обо всем, что связано с TeachEngineering, например, о новых функциях сайта, обновлениях учебных программ, выпусках видео и многом другом!
PS: Мы никому не передаем личную информацию и электронные письма.
Список материалов
Каждой группе нужно:
гвоздь длиной 3 дюйма (7,6 см) или длиннее (из цинка, железа или стали, но не из алюминия)
Медный изолированный провод длиной 2 фута (0,6 м) (не менее AWG 22 или выше)
Аккумулятор D-cell
несколько металлических скрепок, кнопок или булавок
широкая резинка
Рабочий лист по созданию электромагнита
Для каждой станции электромагнитного поля:
картонный тубус от туалетной бумаги
изолированный медный провод (не ниже AWG 22), несколько футов (1 м)
картон (~ 5 x 5 дюймов или 13 x 13 см)
прищепки или зажимы (дополнительно)
малярная лента
резинка
2-3 батареи типа D
Батарея 9 В (вольт)
несколько металлических скрепок, кнопок и/или булавок
дополнительные батареи, при наличии: 6-В, 12-В, фонарные батареи
(дополнительно) изолента
2 маленьких компаса для спортивного ориентирования
Для всего класса:
кусачки
Инструмент для зачистки проводов
Рабочие листы и вложения
Рабочий лист по созданию электромагнита (docx)
Сборка электромагнита. Рабочий лист (pdf)
Ответы на рабочий лист «Создание электромагнита» (docx)
Ответы на рабочий лист «Создание электромагнита» (pdf)
Посетите [www.teachengineering.org/activities/view/cub_mag_lesson2_activity1], чтобы распечатать или загрузить.
Больше учебных программ, подобных этому
Высший элементарный урок
Две стороны одной силы
Студенты узнают больше о магнетизме и о том, как магнетизм и электричество связаны в электромагнитах. Они изучают основы работы простых электродвигателей и электромагнитов. Учащиеся также узнают о гибридных бензиново-электрических автомобилях и их преимуществах по сравнению с обычными бензиновыми…
Две стороны одной силы
Урок средней школы
Изменение полей
Учащиеся индуцируют ЭДС в катушке провода с помощью магнитных полей. Учащиеся рассматривают векторное произведение по отношению к магнитной силе и знакомят с магнитным потоком, законом индукции Фарадея, законом Ленца, вихревыми токами, ЭДС движения и ЭДС индукции.
Изменение полей
Высший элементарный урок
Магнетическая личность
Учащиеся исследуют свойства магнитов и то, как инженеры используют магниты в технике. В частности, учащиеся узнают о хранении в магнитной памяти, то есть о чтении и записи данных с использованием магнитов, например, на жестких дисках компьютеров, zip-дисках и флэш-накопителях.
Магнетическая личность
Высший элементарный урок
Электрические и магнитные личности мистера Максвелла
Студенты кратко знакомятся с уравнениями Максвелла и их значением для явлений, связанных с электричеством и магнетизмом. Основные понятия, такие как ток, электричество и линии поля, рассматриваются и усиливаются. Благодаря множеству тем и заданий учащиеся узнают, как электричество и магне…
Электрические и магнетические личности мистера Максвелла
Предварительные знания
Некоторые знания о магнитных силах (полюса, силы притяжения). Обратитесь к главе «Магнетизм», урок 2: «Две стороны одной силы» для получения информации об электромагнитах.
Введение/Мотивация
Сегодня мы поговорим об электромагнитах и создадим собственные электромагниты! Во-первых, кто-нибудь может сказать мне, что такое электромагнит? (Послушайте идеи учащихся.) Что ж, название электромагнита помогает нам понять, что это такое. (Напишите слово «электромагнит» на классной доске, чтобы учащиеся могли его увидеть.) Давайте разберем его. Первая часть слова электро , звучит как электричество. Вторая часть слова, магнит , звучит как магнит! Итак, электромагнит — это магнит, который создается электричеством.
Сегодня очень важно помнить, что электричество может создавать магнитное поле . Это может показаться странным, потому что мы привыкли к магнитным полям, исходящим только от магнитов, но это действительно так! Провод, по которому проходит электрический ток , создает магнитное поле. На самом деле простейший электромагнит представляет собой скрученный провод, по которому течет электрический ток. Магнитное поле, создаваемое катушкой проволоки, похоже на обычный стержневой магнит. Если мы пропустим железный (или никелевый, кобальтовый и т. д.) стержень (возможно, гвоздь) через центр катушки (см. рис. 1), стержень станет магнитом, создающим магнитное поле. Где взять электричество для электромагнита? Что ж, мы можем получить это электричество несколькими способами, например, от батарея или розетка.
Мы можем усилить это магнитное поле, увеличив количество электрического тока, проходящего через провод, или мы можем увеличить количество витков провода в катушке электромагнита. Как вы думаете, что произойдет, если мы сделаем обе эти вещи? Вот так! Наш магнит будет еще сильнее!
Инженеры используют электромагниты при проектировании и сборке двигателей . Двигатели используются вокруг нас каждый день, поэтому мы постоянно взаимодействуем с электромагнитами, даже не осознавая этого! Можете ли вы вспомнить какие-нибудь моторы, которые вы использовали? (Возможные ответы: стиральная машина, посудомоечная машина, консервный нож, мусоропровод, швейная машина, компьютерный принтер, пылесос, электрическая зубная щетка, проигрыватель компакт-дисков [CD], проигрыватель цифровых видеодисков [DVD], видеомагнитофон, компьютер, электрическая бритва. , электрическая игрушка [радиоуправляемые машины, движущиеся куклы] и т. д.)
Процедура
Перед занятием
Соберите материалы и сделайте копии рабочего листа «Создание электромагнита».
Установите достаточное количество станций электромагнитного поля, чтобы вместить команды из двух студентов в каждой.
В качестве альтернативы, проведите обе части задания в виде классных демонстраций под руководством учителя.
Рис. 2. Установка станции электромагнитного поля.
авторское право
Авторское право © 2006 Минди Зарске, Программа ITL, Инженерный колледж, Колорадский университет в Боулдере
Подготовка к работе с электромагнитными полевыми станциями: оберните провод вокруг картонной втулки от туалетной бумаги 12-15 раз, чтобы получилась проволочная петля. Оставьте два длинных конца проволоки свисающими с катушки. Проделайте четыре отверстия в картоне. Проденьте концы проволоки через отверстия в картоне так, чтобы трубка и катушка из картона были прикреплены к картону (см. рис. 2). Используйте прищепки, зажимы или скотч, чтобы прикрепить картон к столу или парте. Используя малярный скотч или резинку, подключите один конец провода катушки к любой батарее, оставив другой конец провода не подключенным к батарее. Поместите несколько булавок, скрепок или кнопок на станцию. Кроме того, поместите на эту станцию любые другие доступные дополнительные батареи (6 В, 12 В и т. д.) и два небольших компаса для ориентирования.
Подготовка к сборке электромагнита: для этой части задания либо разложите материалы на станции, либо раздайте их парам учащихся для работы за партами.
Отложите несколько дополнительных батареек, чтобы учащиеся могли проверить свои собственные электромагниты. Это могут быть 9-вольтовые батареи. Вы можете создать 3-вольтовую батарею, соединив последовательно 2 D-элемента, или 4,5-вольтовую батарею, соединив 3 D-элемента последовательно.
Отрежьте по одному отрезку провода длиной 2 фута (0,6 м) для каждой команды. С помощью инструмента для зачистки проводов снимите около 1,3 см (½ дюйма) изоляции с обоих концов каждого отрезка провода.
Со студентами: Станции электромагнитного поля
Разделите класс на пары учеников. Раздайте по одному рабочему листу на команду.
Работая с предварительной установкой (см. рис. 2), в которой один конец намотанной проволоки прикреплен к одному концу батареи, попросите учащихся соединить другой конец провода с другим концом батареи с помощью ленты или резинка.
Чтобы определить магнитное поле электромагнита, попросите учащихся перемещать компас по кругу вокруг электромагнита, обращая внимание на направление, которое указывает компас (см. рис. 3). Предложите учащимся нарисовать батарею, катушку и магнитное поле на своих рабочих листах. Используйте стрелки, чтобы показать магнитное поле. Отметьте положительный и отрицательный полюсы батареи и полюса магнитного поля. Что произойдет, если вы подвесите скрепку рядом с другой скрепкой рядом с катушкой (см. рис. 3)? (Ответ: болтающаяся скрепка движется, меняет направление и/или качается.)
Рис. 3. Эксперименты с магнитным полем электромагнита.
авторское право
авторское право © 2006 Минди Зарске, программа ITL, инженерный колледж, Университет Колорадо в Боулдере
Затем поменяйте местами подключение электромагнита, поменяв оба конца провода на противоположные концы аккумулятора. (Когда направление тока в катушке или электромагните изменяется на противоположное, магнитные полюса меняются местами: северный полюс становится южным, а южный — северным.) Используйте компас, чтобы проверить направление магнитного поля. Сделайте второй рисунок. Снова повесьте скрепку рядом с катушкой. Что случается? (Ответ: Опять же, болтающаяся скрепка движется, меняет направление и/или качается.)
Отсоедините хотя бы один конец провода от аккумулятора для экономии заряда аккумулятора.
Если позволяет время, используйте другие батареи и следите за изменениями. Более высокое напряжение приводит к большему току, а при большем токе электромагнит становится сильнее.
Со студентами: сборка электромагнита
Убедитесь, что у каждой пары учащихся есть следующие материалы: 1 гвоздь, 2 фута (0,6 м) изолированного провода, 1 батарея типа D, несколько скрепок (или кнопок или булавок) и резиновая лента.
Оберните проволоку вокруг гвоздя не менее 20 раз (см. рис. 4). Убедитесь, что учащиеся плотно оборачивают ногти, не оставляя зазоров между проволоками и не перекрывая витки.
Дайте учащимся несколько минут, чтобы проверить, смогут ли они самостоятельно создать электромагнит, прежде чем давать им остальные инструкции.
Чтобы продолжить изготовление электромагнита, соедините концы скрученного провода с каждым концом батареи, используя резиновую ленту, чтобы зафиксировать провода на месте (см. рис. 4).
Рис. 4. Установка для изготовления электромагнита из батареи, проволоки и гвоздя.
авторское право
авторское право © 2006 Минди Зарске, программа ITL, инженерный колледж, Университет Колорадо в Боулдере
Проверьте силу электромагнита, увидев, сколько скрепок он может поднять.
Запишите количество скрепок на листе.
Отсоедините провод от аккумулятора после проверки электромагнита. Может ли электромагнит захватывать скрепки, когда ток отключен? (Ответ: Нет)
Проверьте, как изменение конструкции электромагнита влияет на его силу. Две переменные, которые нужно изменить, — это количество витков вокруг гвоздя и ток в витом проводе с использованием другого размера или количества батарей. Для экономии заряда батареи не забывайте отсоединять провод от батареи после каждого теста.
Заполните рабочий лист; составить список способов, которыми инженеры могли бы использовать электромагниты.
В заключение проведите обсуждение в классе. Сравните результаты среди команд. Задайте учащимся вопросы для обсуждения после оценки, представленные в разделе «Оценка».
Словарь/Определения
батарея: Ячейка, несущая заряд, который может питать электрический ток.
ток: поток электронов.
Электромагнит: Магнит, сделанный из изолированного провода, намотанного вокруг железного сердечника (или любого магнитного материала, такого как железо, сталь, никель, кобальт), через который протекает электрический ток для создания магнетизма. Электрический ток намагничивает материал сердечника.
электромагнетизм: Магнетизм, создаваемый электрическим током.
инженер: человек, который применяет свое понимание науки и математики для создания вещей на благо человечества и нашей планеты. Сюда входит проектирование, производство и эксплуатация эффективных и экономичных конструкций, машин, продуктов, процессов и систем.
магнит: Объект, создающий магнитное поле.
магнитное поле: пространство вокруг магнита, в котором присутствует магнитная сила магнита.
двигатель: Электрическое устройство, преобразующее электрическую энергию в механическую.
постоянный магнит: Объект, который генерирует магнитное поле сам по себе (без помощи тока).
соленоид: катушка провода.
Оценка
Предварительная оценка
Предсказание : Попросите учащихся предсказать, что произойдет, если проволоку намотать на гвоздь и подключить электричество. Запишите их прогнозы на классной доске.
Мозговой штурм : В небольших группах попросите учащихся участвовать в открытом обсуждении. Напомните им, что никакая идея или предложение не является «глупой». Все идеи должны быть выслушаны с уважением. Спросите учащихся: Что такое электромагнит?
Встроенная оценка деятельности
Рабочий лист : В начале занятия раздайте рабочий лист «Создание электромагнита». Предложите учащимся сделать рисунки, записать измерения и выполнить задание в своих рабочих листах. После того, как учащиеся закончат рабочий лист, попросите их сравнить ответы с одноклассником или другой парой, дав всем учащимся время на выполнение. Просмотрите их ответы, чтобы оценить их мастерство в предмете.
Гипотеза : Когда учащиеся будут делать свой электромагнит, спросите у каждой группы, что произойдет, если они изменят размер своей батареи. Как насчет большего количества витков проволоки вокруг гвоздя? (Ответ: Электромагнит можно сделать сильнее двумя способами: увеличив количество электрического тока, проходящего через провод, или увеличив количество витков провода в катушке электромагнита. )
Оценка после активности
Вопросы для обсуждения по инженерным вопросам : запрашивать, объединять и обобщать ответы учащихся.
Каким образом инженер может модифицировать электромагнит, чтобы изменить силу его магнитного поля? Какие модификации могут быть самыми простыми или дешевыми? (Возможные ответы: Увеличение количества катушек, используемых в соленоиде [электромагните], вероятно, является самым дешевым и простым способом увеличить силу электромагнита. Или инженер может увеличить силу тока в электромагните. Или инженер может использовать металлический сердечник, который легче намагничивается.)
Как инженеры могут использовать электромагниты для разделения перерабатываемых материалов? (Ответ: некоторые металлы в мусорной или перерабатываемой куче притягиваются к магниту и могут быть легко отделены. Цветные металлы должны пройти двухэтапный процесс, в котором к металлу прикладывается напряжение, чтобы временно индуцировать ток в нем, который временно намагничивает металл, поэтому он притягивается к электромагниту для отделения от неметаллов. )
Какими способами инженеры могут использовать электромагниты? (Возможные ответы: инженеры используют электромагниты в конструкции двигателей. Примеры см. в возможных ответах на следующий вопрос.)
Как электромагниты используются в повседневной жизни? (Возможные ответы: Мы ежедневно используем двигатели, например, холодильник, стиральная машина, посудомоечная машина, консервный нож, мусоропровод, швейная машина, компьютерный принтер, пылесос, электрическая зубная щетка, проигрыватель компакт-дисков [CD], цифровой видеодиск. [DVD] плеер, видеомагнитофон, компьютер, электрическая бритва, электрическая игрушка [радиоуправляемые транспортные средства, движущиеся куклы] и т. д.)
Практика построения графиков : Представьте классу следующие задачи и попросите учащихся изобразить в виде графика свои результаты (или результаты всего класса). Обсудите, какие переменные больше изменили силу электромагнита.
Постройте график, показывающий, как сила электромагнита изменялась при изменении количества витков проволоки в электромагните.
Постройте график, показывающий, как сила вашего электромагнита изменялась при изменении тока (при изменении размера батареи).
Вопросы безопасности
Электромагнит может сильно нагреваться, особенно на клеммах, поэтому учащиеся должны часто отключать свои батареи.
Советы по устранению неполадок
Высокая плотность витков ногтей важна для создания магнитного поля. Если завернутые гвозди не действуют как магниты, проверьте обмотки катушек учащихся, чтобы убедиться, что они не перекрещиваются и что обмотки тугие. Кроме того, используйте тонкую проволоку, чтобы сделать больше витков по длине гвоздя.
Железные гвозди работают лучше, чем болты, поскольку резьба болтов не позволяет плавно наматывать медную проволоку, что может нарушить магнитное поле.
Не используйте батареи, которые не полностью заряжены. Частично разряженные аккумуляторы не вызывают сильной и заметной магнитной реакции.
Если электромагниты сильно нагреваются, пусть учащиеся будут обращаться с ними в резиновых кухонных перчатках.
Расширения деятельности
Другой способ варьировать ток в электромагните — использовать провода разного сечения (толщины) или из разных материалов (например, медь или алюминий). Попросите учащихся протестировать различные типы проводов, чтобы увидеть, как это влияет на силу электромагнита. В качестве контроля поддерживайте постоянным количество витков и величину тока (батареи) для всех тестов проводов. Затем, основываясь на результатах отдыха, попросите учащихся сделать предположения о сопротивлении различных проводов.
Масштабирование активности
Для младших классов предложите учащимся следовать демонстрации под руководством учителя, чтобы создать простой электромагнит. Обсудите основное определение электромагнита и то, как электромагниты используются в повседневных приложениях.
Старшеклассникам предлагается изучить способы изменения силы их электромагнитов, не давая им никаких подсказок или подсказок. Предложите учащимся графически изобразить данные своего рабочего листа в зависимости от количества катушек и/или размера батареи в их электромагните.
Авторские права
© 2004 Регенты Университета Колорадо
Авторы
Сочитл Замора Томпсон; Джо Фридрихсен; Эбигейл Уотрус; Малинда Шефер Зарске; Дениз В. Карлсон
Программа поддержки
Комплексная программа преподавания и обучения, Инженерный колледж Колорадского университета в Боулдере
Благодарности
Содержание этой учебной программы цифровой библиотеки было разработано в рамках грантов Фонда улучшения высшего образования (FIPSE), Министерства образования США и Национального научного фонда (грант GK-12 № 0338326). Однако это содержание не обязательно отражает политику Министерства образования или Национального научного фонда, и вы не должны исходить из того, что оно одобрено федеральным правительством.
Последнее изменение: 30 июля 2020 г.
электромагнитное поле | физика | Британика
Развлечения и поп-культура
География и путешествия
Здоровье и медицина
Образ жизни и социальные вопросы
Литература
Философия и религия
Политика, право и правительство
Наука
Спорт и отдых
Технология
Изобразительное искусство
Всемирная история
В этот день в истории
Викторины
Подкасты
Словарь
Биографии
Резюме
Популярные вопросы
Обзор недели
Инфографика
Демистификация
Списки
#WTFact
Товарищи
Галереи изображений
Прожектор
Форум
Один хороший факт
Развлечения и поп-культура
География и путешествия
Здоровье и медицина
Образ жизни и социальные вопросы
Литература
Философия и религия
Политика, право и правительство
Наука
Спорт и отдых
Технология
Изобразительное искусство
Всемирная история
Britannica Classics
Посмотрите эти ретро-видео из архивов Encyclopedia Britannica.
Demystified Videos
В Demystified у Britannica есть все ответы на ваши животрепещущие вопросы.
#WTFact Видео
В #WTFact Britannica делится некоторыми из самых странных фактов, которые мы можем найти.
На этот раз в истории
В этих видеороликах узнайте, что произошло в этом месяце (или любом другом месяце!) в истории.
Britannica объясняет
В этих видеороликах Britannica объясняет различные темы и отвечает на часто задаваемые вопросы.
Студенческий портал
Britannica — это главный ресурс для учащихся по ключевым школьным предметам, таким как история, государственное управление, литература и т. д.
Портал COVID-19
Хотя этот глобальный кризис в области здравоохранения продолжает развиваться, может быть полезно обратиться к прошлым пандемиям, чтобы лучше понять, как реагировать сегодня.
100 женщин
Britannica празднует столетие Девятнадцатой поправки, выделяя суфражисток и политиков, творящих историю.
Britannica Beyond
Мы создали новое место, где вопросы находятся в центре обучения. Вперед, продолжать. Спросить. Мы не будем возражать.
Спасение Земли
Британника представляет список дел Земли на 21 век. Узнайте об основных экологических проблемах, стоящих перед нашей планетой, и о том, что с ними можно сделать!
SpaceNext50
Britannica представляет SpaceNext50. От полета на Луну до управления космосом — мы изучаем широкий спектр тем, которые питают наше любопытство к космосу!
Введение
Краткие факты
Связанный контент
викторины
СМИ
Видео
HS-PS2-5 Движение и устойчивость: силы и взаимодействия
Кузов1
Кузов2
Кузов3
Учащиеся, демонстрирующие понимание, могут:
HS-PS2-5. Спланируйте и проведите расследование, чтобы предоставить доказательства того, что электрический ток может создавать магнитное поле и что изменяющееся магнитное поле может создавать электрический ток. [ Границы оценки: Оценка ограничивается разработкой и проведением исследований с использованием предоставленных материалов и инструментов. ]
Приведенные выше ожидаемые характеристики были разработаны с использованием следующих элементов из документа NRC 9.1436 Структура научного образования K-12 :
Наука и инженерная практика
Планирование и проведение расследований
Планирование и проведение исследований для получения ответов на вопросы или проверки решений проблем в 9–12 базируется на опыте K–8 и включает исследования, которые предоставляют доказательства и проверяют концептуальные, математические, физические и эмпирические модели.
Планировать и проводить расследование индивидуально и совместно для получения данных, которые послужат основой для доказательства, а в плане: определить типы, количество и точность данных, необходимых для получения надежных измерений, и учесть ограничения точности данных (например, количество испытаний, стоимость, риск, время) и соответствующим образом уточнить план.
Ключевые дисциплинарные идеи
PS2.B: Типы взаимодействий
Закон всемирного тяготения Ньютона и закон Кулона обеспечивают математические модели для описания и предсказания эффектов гравитационных и электростатических сил между удаленными объектами. (HS-PS2-4)
Силы на расстоянии объясняются полями (гравитационными, электрическими и магнитными), пронизывающими пространство, которые могут передавать энергию через пространство. Магниты или электрические токи вызывают магнитные поля; электрические заряды или изменяющиеся магнитные поля вызывают электрические поля.
PS3.A: Определения энергии
«Электроэнергия» может означать энергию, хранящуюся в батарее, или энергию, передаваемую электрическим током. (вторичный)
Концепции поперечной резки
Причина и следствие
Чтобы провести различие между причиной и корреляцией и сделать заявления о конкретных причинах и следствиях, необходимы эмпирические данные.
Соединения с другими DCI в этом классе:
HS.PS3.A ; HS.PS4.B ; HS.ESS2.A ; HS.ESS3.A
Артикуляция DCI по классам:
MS.PS1.A ; MS.PS2.B ; MS.ESS1.B
Соединения
Common Core State Standards:
ELA/Грамотность —
WHST.11-12.7 Проводить короткие, а также более длительные исследовательские проекты, чтобы ответить на вопрос (включая самостоятельно сгенерированный вопрос) или решить проблему; сужать или расширять запрос, когда это уместно; синтезировать несколько источников по теме, демонстрируя понимание предмета исследования. (ГС-ПС2-5)
WHST.11-12.8 Собирать соответствующую информацию из нескольких авторитетных печатных и цифровых источников, эффективно используя расширенный поиск; оценить сильные стороны и ограничения каждого источника с точки зрения конкретной задачи, цели и аудитории; интегрируйте информацию в текст выборочно, чтобы поддерживать поток идей, избегая плагиата и чрезмерного доверия к какому-либо одному источнику и следуя стандартному формату цитирования. (HS-PS2-5)
WHST.11-12.9 Привлекайте доказательства из информационных текстов для поддержки анализа, размышлений и исследований. (HS-PS2-5)
Математика —
HSN.Q.A.1 Использование единиц измерения для понимания проблем и решения многошаговых задач; последовательно выбирать и интерпретировать единицы измерения в формулах; выбирать и интерпретировать масштаб и начало координат на графиках и дисплеях данных. (HS-PS2-5)
HSN.Q.A.2 Определите соответствующие количества для целей описательного моделирования. (HS-PS2-5)
HSN.Q.A.3 Выберите уровень точности, соответствующий ограничениям измерения, при сообщении количества. (HS-PS2-5)
Учащиеся, демонстрирующие понимание, могут:
HS-PS2-5. Спланируйте и проведите расследование, чтобы предоставить доказательства того, что электрический ток может создавать магнитное поле и что изменяющееся магнитное поле может создавать электрический ток. [ Границы оценки: Оценка ограничивается планированием и проведением исследований с использованием предоставленных материалов и инструментов. ]
Представленные выше ожидаемые результаты были разработаны с использованием следующих элементов документа NRC A Framework for K-12 Science Education :
Наука и инженерная практика
Планирование и проведение расследований
Планирование и проведение исследований для ответов на вопросы или тестирования решений проблем в 9–12 основывается на опыте K–8 и включает в себя исследования, которые предоставляют доказательства и проверяют концептуальные, математические, физические и эмпирические модели.
Планировать и проводить расследование индивидуально и совместно для получения данных, которые послужат основой для доказательства, а в плане: определить типы, количество и точность данных, необходимых для получения надежных измерений, и учесть ограничения точности данных (например, количество испытаний, стоимость, риск, время) и соответствующим образом уточнить план.
Ключевые дисциплинарные идеи
PS2.B: Типы взаимодействий
Закон всемирного тяготения Ньютона и закон Кулона обеспечивают математические модели для описания и предсказания эффектов гравитационных и электростатических сил между удаленными объектами. (HS-PS2-4)
Силы на расстоянии объясняются полями (гравитационными, электрическими и магнитными), пронизывающими пространство, которые могут передавать энергию через пространство. Магниты или электрические токи вызывают магнитные поля; электрические заряды или изменяющиеся магнитные поля вызывают электрические поля.
PS3.A: Определения энергии
«Электроэнергия» может означать энергию, хранящуюся в батарее, или энергию, передаваемую электрическим током. (вторичный)
Концепции поперечной резки
Причина и следствие
Чтобы провести различие между причиной и корреляцией и сделать заявления о конкретных причинах и следствиях, необходимы эмпирические данные.
Соединения с другими DCI в этом классе:
HS.PS3.A ; HS.PS4.B ; HS.ESS2.A ; HS.ESS3.A
Артикуляция DCI по классам:
MS.PS1.A ; MS.PS2.B ; MS.ESS1.B
Соединения
Common Core State Standards:
ELA/Грамотность —
WHST.11-12.7 Проводить короткие, а также более длительные исследовательские проекты, чтобы ответить на вопрос (включая самостоятельно сгенерированный вопрос) или решить проблему; сужать или расширять запрос, когда это уместно; синтезировать несколько источников по теме, демонстрируя понимание предмета исследования. (ГС-ПС2-5)
WHST.11-12.8 Собирать соответствующую информацию из нескольких авторитетных печатных и цифровых источников, эффективно используя расширенный поиск; оценить сильные стороны и ограничения каждого источника с точки зрения конкретной задачи, цели и аудитории; интегрируйте информацию в текст выборочно, чтобы поддерживать поток идей, избегая плагиата и чрезмерного доверия к какому-либо одному источнику и следуя стандартному формату цитирования. (HS-PS2-5)
WHST.11-12.9 Привлекайте доказательства из информационных текстов для поддержки анализа, размышлений и исследований. (HS-PS2-5)
Математика —
HSN.Q.A.1 Использование единиц измерения для понимания проблем и решения многошаговых задач; последовательно выбирать и интерпретировать единицы измерения в формулах; выбирать и интерпретировать масштаб и начало координат на графиках и дисплеях данных. (HS-PS2-5)
HSN.Q.A.2 Определите соответствующие количества для целей описательного моделирования. (HS-PS2-5)
HSN.Q.A.3 Выберите уровень точности, соответствующий ограничениям измерения, при сообщении количества. (HS-PS2-5)
Учащиеся, демонстрирующие понимание, могут:
HS-PS2-5. Спланируйте и проведите расследование, чтобы предоставить доказательства того, что электрический ток может создавать магнитное поле и что изменяющееся магнитное поле может создавать электрический ток. [ Границы оценки: Оценка ограничивается планированием и проведением исследований с использованием предоставленных материалов и инструментов. ]
Представленные выше ожидаемые результаты были разработаны с использованием следующих элементов документа NRC A Framework for K-12 Science Education :
Наука и инженерная практика
Планирование и проведение расследований
Планирование и проведение исследований для ответов на вопросы или тестирования решений проблем в 9–12 основывается на опыте K–8 и включает в себя исследования, которые предоставляют доказательства и проверяют концептуальные, математические, физические и эмпирические модели.
Планировать и проводить расследование индивидуально и совместно для получения данных, которые послужат основой для доказательства, а в плане: определить типы, количество и точность данных, необходимых для получения надежных измерений, и учесть ограничения точности данных (например, количество испытаний, стоимость, риск, время) и соответствующим образом уточнить план.
Ключевые дисциплинарные идеи
PS2.B: Типы взаимодействий
Закон всемирного тяготения Ньютона и закон Кулона обеспечивают математические модели для описания и предсказания эффектов гравитационных и электростатических сил между удаленными объектами. (HS-PS2-4)
Силы на расстоянии объясняются полями (гравитационными, электрическими и магнитными), пронизывающими пространство, которые могут передавать энергию через пространство. Магниты или электрические токи вызывают магнитные поля; электрические заряды или изменяющиеся магнитные поля вызывают электрические поля.
PS3.A: Определения энергии
«Электроэнергия» может означать энергию, хранящуюся в батарее, или энергию, передаваемую электрическим током. (вторичный)
Концепции поперечной резки
Причина и следствие
Чтобы провести различие между причиной и корреляцией и сделать заявления о конкретных причинах и следствиях, необходимы эмпирические данные.
Соединения с другими DCI в этом классе:
HS.PS3.A ; HS.PS4.B ; HS.ESS2.A ; HS.ESS3.A
Артикуляция DCI по классам:
MS.PS1.A ; MS.PS2.B ; MS.ESS1.B
Соединения
Common Core State Standards:
ELA/Грамотность —
WHST.11-12.7 Проводить короткие, а также более длительные исследовательские проекты, чтобы ответить на вопрос (включая самостоятельно сгенерированный вопрос) или решить проблему; сужать или расширять запрос, когда это уместно; синтезировать несколько источников по теме, демонстрируя понимание предмета исследования. (ГС-ПС2-5)
WHST.11-12.8 Собирать соответствующую информацию из нескольких авторитетных печатных и цифровых источников, эффективно используя расширенный поиск; оценить сильные стороны и ограничения каждого источника с точки зрения конкретной задачи, цели и аудитории; интегрируйте информацию в текст выборочно, чтобы поддерживать поток идей, избегая плагиата и чрезмерного доверия к какому-либо одному источнику и следуя стандартному формату цитирования. (HS-PS2-5)
WHST.11-12.9 Привлекайте доказательства из информационных текстов для поддержки анализа, размышлений и исследований. (HS-PS2-5)
Математика —
HSN.Q.A.1 Использование единиц измерения для понимания проблем и решения многошаговых задач; последовательно выбирать и интерпретировать единицы измерения в формулах; выбирать и интерпретировать масштаб и начало координат на графиках и дисплеях данных. (HS-PS2-5)
HSN.Q.A.2 Определите соответствующие количества для целей описательного моделирования. (HS-PS2-5)
HSN.Q.A.3 Выберите уровень точности, соответствующий ограничениям измерения, при сообщении количества. (HS-PS2-5)
* Ожидаемые результаты, отмеченные звездочкой, объединяют традиционное научное содержание с инженерным делом посредством основной идеи практики или дисциплины.

Ожидаемая производительность NGSS
3-ПС2-3. Задайте вопросы, чтобы определить причинно-следственные связи электрических или магнитных взаимодействий между двумя объектами, не контактирующими друг с другом. (3-й степени) Согласны ли вы с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!
Нажмите, чтобы просмотреть другую учебную программу, соответствующую этому ожидаемому результату

Это занятие сосредоточено на следующих аспектах трехмерного обучения NGSS:
Научная и инженерная практика	Основные дисциплинарные идеи	Концепции поперечной резки
Задавайте вопросы, которые можно исследовать на основе шаблонов, таких как причинно-следственные связи. Соглашение о согласовании: Спасибо за ваш отзыв!	Электрические и магнитные силы между парой объектов не требуют, чтобы объекты находились в контакте. Величина сил в каждой ситуации зависит от свойств объектов и их расстояний друг от друга, а для сил между двумя магнитами — от их ориентации относительно друг друга. Соглашение о согласовании: Спасибо за ваш отзыв!	Причинно-следственные связи обычно выявляются, проверяются и используются для объяснения изменений. Соглашение о примирении: Спасибо за ваш отзыв!

Ожидаемая производительность NGSS
3-ПС2-4. Определите простую задачу проектирования, которую можно решить, применяя научные идеи о магнитах. (3-й степени) Согласны ли вы с таким раскладом? Спасибо за ваш отзыв!
Нажмите, чтобы просмотреть другую учебную программу, соответствующую этому ожидаемому результату

Это занятие сосредоточено на следующих аспектах трехмерного обучения NGSS:
Научная и инженерная практика	Основные дисциплинарные идеи	Концепции поперечной резки
Определите простую проблему, которую можно решить путем разработки нового или улучшенного объекта или инструмента. Соглашение о согласовании: Спасибо за ваш отзыв!	Электрические и магнитные силы между парой объектов не требуют, чтобы объекты находились в контакте. Величина сил в каждой ситуации зависит от свойств объектов и их расстояний друг от друга, а для сил между двумя магнитами — от их ориентации относительно друг друга. Соглашение о примирении: Спасибо за ваш отзыв!	Научные открытия в мире природы часто могут привести к новым и улучшенным технологиям, которые разрабатываются в процессе инженерного проектирования. Соглашение о согласовании: Спасибо за ваш отзыв!