Урок по теме «Магнитное поле»

Магнит - это тело которое имеет собственное магнитное поле. Слово происходит от греческого: Μαγντις, «камень из Магнезии», слово так же произошло от названия региона «Магнесия», где впервые был обнаружен магнит.

История магнита насчитывает свыше 2,5 тыс. лет. В VI в. до н.э. древнекитайские ученые обнаружили минерал, способный притягивать к себе железные предметы. Китайцы назвали его «Чу-ши», что означает «Любящий камень».

Пастух по имени Магнус как-то обнаружил, что железный наконечник его посоха и гвозди сапог притягиваются к чёрному камню. Этот камень стали называть камнем Магнуса, или просто магнитом.

Где возникает магнитное поле?

1. Вокруг постоянных магнитов

Искусственные и естественные магниты Искусственные(постоянные) магниты - сталь, никель, кобальт. Естественные магниты - магнитный железняк (химический состав 31% FeO и 69% Fe2O3).

Постоянные магниты N – северный полюс магнита S – южный полюс магнита Постоянные магниты – тела, сохраняющие длительное время магнитные свойства. Дугообразный магнит Полосовой магнит N N S S Полюс - место магнита, где обнаруживается наиболее сильное магнитное действие

Свойства постоянных магнитов Разноименные магнитные полюса притягиваются. Одноименные магнитные полюса отталкиваются. В 1600 г. английский врач Г.Х.Гилберт вывел основные свойства постоянных магнитов.

Магнитные полюса невозможно разделить

2. Вокруг Земли

Открыл английский физик Уильям Герберт в XIV в. Магнитное поле Земли

Земное магнитное поле надежно защищает поверхность Земли от космического излучения, действие которого на живые организмы разрушительно. В состав космического излучения входят заряженные частицы электроны, протоны и альфа - частицы, движущиеся в пространстве с огромными скоростями.

Магнитные бури Если на Солнце происходит мощная вспышка, то усиливается солнечный ветер или поток бомбардирующих Землю заряженных частиц. Пролетающие мимо Земли частицы солнечного ветра создают дополнительные магнитные поля. Это вызывает усиление земного магнитного поля и называется магнитной бурей. Магнитные бури продолжаются от 6 до 12 часов,а затем магнитное поле Земли восстанавливается.Максимумы магнитных бурь повторяются через каждые 11,5 года.

3. Вокруг проводника с током или вокруг любого электрического тока

Опыт Эрстеда 1820 год

Катушка с проводом,по которому течет ток, является электромагнитом.

Опыт Ампера ( 1820 год )

КАК ОБНАРУЖИТЬ магнитное поле ?

Обнаружение магнитного поля с помощью притяжения железных опилок

Действие с некоторой силой на магнитную стрелку

МАГНИТНАЯ ИНДУКЦИЯ - это силовая характеристика магнитного поля. Единица измерения магнитной индукции в системе СИ:

ЛИНИИ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ - это линии, касательными к которой в любой её точке является вектор магнитной индукции.

I Линии магнитной индукции полосового магнита

Линии магнитной индукции дугообразного магнита

Картина линий магнитной индукции 1. Прямого тока 2. Кругового тока 3. Катушки с током N S

Магнитное поле прямого проводника с током 1. Ток в проводнике направлен от нас 2. Ток в проводнике направлен к нам

СВОЙСТВА ЛИНИЙ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ имеют направление; непрерывны; замкнуты (т.е. магнитное поле является вихревым); не пересекаются; по их густоте судят о величине магнитной индукции.

НАПРАВЛЕНИЕ ЛИНИЙ МАГНИТНОЙ ИНДУКЦИИ 1. Правило буравчика: Если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения ручки буравчика совпадает с направлением линий магнитного поля тока.

2. Правило правой руки: Если расположить большой палец правой руки по направлению тока, то направление обхвата проводника четырьмя пальцами покажет направление линий магнитной индукции

Сила Ампера

Ампер Андре-Мари 22 января 1775 года - 10 июля 1836 года знаменитый французский физик, математик и естествоиспытатель, член Парижской Академии наук (1814). Член многих академий наук, в частности иностранный почётный член Петербургской Академии наук (1830). Джеймс Максвелл назвал Ампера «Ньютоном электричества».

СИЛА АМПЕРА - это сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током.

F = I · l ·B·sin, (1) где I - сила тока в проводнике; B - модуль вектора индукции магнитного поля; l - длина активной части проводника, находящегося в магнитном поле; - угол между вектором магнитного поля и проводником.

четыре пальца по току; перпендикулярная проводнику составляющая вектора индукции В входит в ладонь; отогнутый большой палец дает направление F. Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки:

Сила Лоренца

Хендрик Антон Лоренц ( ) выдающийся голландский физик и математик, развил электромагнитную теорию света и электронную теорию материи, а также сформулировал теорию электричества, магнетизма и света, внёс большой вклад в развитие теории относительности, лауреат Нобелевской премии 1902 г.

Сила Лоренца - это сила, действующая на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля.

- индукция магнитного поля В (в Тл); - модуль заряда движущейся частицы |q 0 | (в Кл); - скорость частицы (в м/с) Направление силы Лоренца определяется по правилу левой руки: левую руку надо расположить так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, четыре вытянутых пальца были направлены по направлению движения положительно заряженной частицы (или против отрицательной), тогда отогнутый на 90˚ большой палец покажет направление действия силы Лоренца.

Плоские траектории движения заряженных частиц в однородном магнитном поле Заряженная частица влетающая в однородное магнитное поле параллельно линиям магнитной индукции, движется равномерно вдоль этих линий. Вращение отрицательного заряда по окружности происходит в направлении противоположенном вращению положительного заряда (рис.в)

1. Электрические двигатели постоянного тока

Рамка с током в магнитном поле

При положении рамки, показанном на этом рисунке, ток проходит по стороне А и по стороне Б. Известно, что на проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила, направление которой определяется по правилу левой руки: если держать ладонь левой руки так, чтобы в нее входили магнитные силовые линии поля, а вытянутые четыре пальца были обращены по направлению тока в проводнике, то отогнутый большой палец укажет направление действия этой силы. Применив правило левой руки для рассматриваемого случая, определим, что на сторону рамки В действует сила F1 направленная вверх, а на сторону рамки Асила F2 направленная вниз. Силы F1 и F2, действующие на рамку, называются парой сил. Под действием вращающего момента, создаваемого этой парой сил, рамка поворачивается против часовой стрелки. Дойдя до вертикального положения, рамка по инерции повернется дальше. Теперь щетка Щ1 касается уже коллекторной пластины К2, а щетка Щ2 коллекторной пластины К1. Благодаря этому направление тока в рамке изменяется и образуется пара сил, под действием которой рамка продолжает поворачиваться против часовой стрелки. Таким образом, рамка, получая электрическую энергию, будет непрерывно вращаться. Рамка может приводить в движение любой механизм, т. е. в данном случае работает в качестве электродвигателя.

Простейший двигатель постоянного тока

Устройство простейшего коллекторного двигателя постоянного тока

Коллектор простого электродвигателя постоянного тока состоит из медного кольца, разрезанного пополам и крепящегося на оси ротора. Концы катушки (ротора) подключаются к двум половинкам кольца. Ток от источника тока с помощью щеток проходит через катушку, под действием силы Ампера катушка поворачивается. При вращении ротора каждая щетка поочередно взаимодействует с обеими сторонами катушки, при этом направление тока через катушку меняется на противоположное.

1834 г. Американский кузнец Томас Дэвенпорт создаёт первый электродвигатель постоянного тока. Томас Дэвенпорт, 35-летний деревенский кузнец и электрик- самоучка из американской глубинки, получил патент на «Усовершенствование в двигательной технике с помощью магнетизма и электромагнетизма» первый в мире эффективный электромотор. Четырьмя годами раньше Дэвенпорт, узнав, что его соотечественник Джозеф Генри изобрел электромагнит и использует его для обогащения железной руды, купил новинку и, изучив ее, начал изготовлять компактные магниты. Для изоляции проводов он разрезал на ленточки шелковое подвенечное платье жены. Вскоре был готов и мотор. В 1835-м Дэвенпорт уже поражал публику моделью круговой железной дорогой диаметром 1,2 метра, по которой бегал локомотив..

1839 г. Якоби Борис Семёнович построил лодку с электродвигателем постоянного тока.

Промышленный электродвигатель постоянного тока

Электрический двигатель постоянного тока

Стартер представляет собой электрический двигатель постоянного тока

Достоинства ДПТ простота устройства и управления; легко регулировать частоту вращения; хорошие пусковые свойства (большой пусковой момент); так как ДПТ являются обратимыми машинами, появляется возможность использования их как в двигательном, так и в генераторном режимах. Недостатки дороговизна изготовления; необходимость профилактического обслуживания коллекторно- щёточных узлов; ограниченный срок службы из-за износа коллектора.

2. Электроизмерительные приборы ( амперметры, вольтметры )

1. Магнитоэлектрическая система: 1 - рамка с током; 2 - постоянный магнит; 3 спиральные пружины; 4 клеммы; 5 подшипники и ось; 6 стрелка; 7 шкала (равномерная) Принцип работы электроизмерительных приборов ( амперметров,вольт- метров) магнитоэлектрической системы

Вольтметр :стрелка поворачивается в магнитном поле магнита.

3. Громкоговорители

Устройство громкоговорителя

Звуковая катушка громкоговорителя

Магнитная система громкоговорителя

Диффузор основной излучающий элемент громкоговорителя. Диффузоры по типу материала бывают: жесткие (керамика, алюминий) - обеспечивают наименьший уровень искажений полужесткие (стеклоткань) мягкие диффузоры (полипропилен, полиметилпентен) - обычно имеют мягкий приятный звук почти во всем диапазоне, но имеют низкие импульсные параметры (отсутствие четкости) бумажные диффузоры - бумагу смешивают с различными синтетическими и натуральными волокнами, намазывают на бумагу акриловый лак.

Первый советский громкоговоритель

Сила Лоренца и ее применение

Магнитное поле защищает поверхность Земли от попадания огромного количества заряженных частиц, падающих на Землю со стороны Солнца. Они захватываются магнитным полем Земли и под действием силы Лоренца движутся по сложным траекториям, колеблясь между северным и южным магнитными полюсами Земли, вызывая у полюсов свечение атмосферы. 1. Магнитная ловушка

2. Полярное сияние Результатом взаимодействия солнечного ветра с магнитным полем Земли является полярное сияние. Вторгаясь в земную атмосферу, частицы солнечного ветра ( электроны и протоны ) под действием силы Лоренца двигаются вдоль линий магнитного поля Земли и фокусируются около магнитных полюсов полюсов. Сталкиваясь с атомами и молекулами атмосферного воздуха, они ионизируют и возбуждают их, в результате чего около полюсов Земли возникает свечение, которое называют полярным сиянием.

Фотография полярного сияния из космоса

3. Ускоритель заряженных частиц ( циклотрон) Полые металлические полуцилиндры ( дуанты ) находятся в вакуумной камере в сильном магнитном поле, между ними создается электрическое напряжение порядка вольт. Под действием кулоновской силы частица в электрическом поле получает ускорение, под действием силы Лоренца траектория частицы искривляется и она продолжает двигаться по полу – окружности большего радиуса и опять ускоряется в электрическом поле. На последнем витке частица с очень большой скоростью вылетает из циклотрона.

4. Магнитогидродинамический (МГД) генератор В камере сгорания при сжигании нефти, керосина или природного газа создается высокая температура ( К), при которой газообразные продукты сгорания ионизируются, образуя электронно-ионную плазму.Раскаленная плазма движется по расширяющемуся каналу в несколько метров, в котором ее внутренняя энергия превращается в кинетическую энергию и скорость заряженных частиц возрастает до 2000 м/с и более. Влетая в область сильного магнитного поля, заряженные частицы разных знаков под действием силы Лоренца двигаются в противоположных направлениях, при этом верхний электрод заряжается положительно, а нижний - отрицательно.

В МГД-генераторе отсутствуют движущиеся детали, подвергаемые подобно лопаткам турбин одновременному воздействию больших механических напряжений и высоких температур. Возможность использовать огнеупорные материалы и применять охлаждение неподвижных металлических деталей, соприкасающихся с плазмой, позволяет повысить температуру рабочего тела, а значит, и КПД установки. Для температуры плазмы, равной на входе T 1 = 2500 К, а на выходе T 2 = 300 К, теоретическое значение КПД составляет примерно 90 %. Однако, в реальных условиях температура отработанных газов на выходе из канала больше 300 К. Но если отработанные и уже не ионизированные продукты сгорания использовать для получения пара и приведения в действие турбины обычного электромашинного генератора, то реальный КПД такой установки будет равен 5060 %. А это почти вдвое превышает реальный КПД тепловых электростанций. Следовательно, при том же расходе топлива с помощью МГД-генератора можно получить вдвое больше электроэнергии

Первая опытно-промышленная электростанция У-25 с МГД-генератором мощностью 25 МВт была запущена в нашей стране в 1971 г. На Рязанской ГРЭС начато строительство МГД-генератора мощностью 500 МВт на газомазутном топливе. Коэффициент полезного действия энергоблока приближается к 50 %. Это должно обеспечить экономию % топлива по сравнению с обычной тепловой электростанцией.

Вакуумная камера прибора помещена в магнитное поле Ускоренные электрическим полем заряженные частицы (электроны или ионы), описав дугу, попадают на фотопластинку, где оставляют след, позволяющий с высокой точностью измерить радиус траектории. По этому радиусу определяется масса заряженной частицы. 5. Принцип работы масс -спетрографов Электрическое поле

6. Отклонение электронного пучка в кинескопе телевизоров