Магнитное поле – внеурочная деятельность (конкурсная работа) – Корпорация Российский учебник (издательство Дрофа – Вентана)
Внимание! Администрация сайта rosuchebnik.ru не несет ответственности за содержание методических разработок, а также за соответствие разработки ФГОС.
- Участник: Обрезкова Алиса Сергеевна
- Руководитель: Гурьянова Галина Александровна
Техника безопасности
- Будьте внимательны, дисциплинированны, аккуратны, точно выполняйте указания учителя.
- Перед тем как приступить к выполнению работы, тщательно изучите её описание, уясните ход её выполнения.
- Не оставляйте рабочего места без разрешения учителя.
- Располагайте приборы, материалы, оборудование на рабочем месте в порядке, указанном учителем.
- Не держите на рабочем столе предметы, не требующиеся при выполнении задания.
- Не устанавливайте на краю стола штатив, во избежание его падения.
- После выполнения измерений электронным секундомером выключите его, отсоединив разъём.
- Источник тока электрической цепи подключайте в последнюю очередь. Не включать собранную цепь без проверки и разрешения учителя.
- При сборке электрической цепи провода располагайте аккуратно, а наконечники плотно соединяйте с клеммами.
- Следите, чтобы изоляция проводов была исправна, а на концах проводников были наконечники.
- Не касайтесь руками мест соединений. Не использовать провода с нарушенной изоляцией. Все изменения в цепи производите после отключения источника тока.
- При проведении опытов не допускайте предельных нагрузок измерительных приборов. После снятия показаний цепь разомкнуть. По указанию учителя разобрать цепь.
- При сборке электрической цепи провода располагайте аккуратно, а наконечники плотно соединяйте с клеммами.
- Обнаружив неисправность в электрических устройствах, находящихся под напряжением, немедленно отключите источник электропитания и сообщите об этом учителю.
- Берегите оборудование и используйте его по назначению.
- При получении травмы обратитесь к учителю.
Введение
В своей работе по теме «Магнитное поле» я проведу и объясню три эксперимента, описанные в учебнике Перышкина А.В. Физика. 8 класс.
Выдвигаемая гипотеза: проверить на опытах предположение, что вокруг проводника с электрическим током существует магнитное поле, которое возможно имеет закономерность в направлении и связано с направлением тока.
Магнитные явления были известны ещё в древнем мире: компас был изобретён более 4000 лет назад, и к XII веку он стал известен в Европе. Однако только в XIX веке была обнаружена связь между электричеством и магнетизмом, и возникло представление о магнитном поле.
Первыми экспериментами, показавшими, что между электрическими и магнитными явлениями имеется связь, были опыты датского физика Х.Эрстеда (1777-1851). В своём знаменитом опыте, описываемом ныне во всех школьных учебниках физики и проведённом в 1820 году, он обнаружил, что провод, по которому идёт ток, действует на магнитную стрелку (то есть подвижный магнит).
Эрстед не только провёл свой опыт, но и сделал правильный вывод: «электрический конфликт не ограничен проводящей проволокой, а имеет довольно обширную сферу активности вокруг этой проволоки». Переводя на современный язык, это можно понимать так: «действие тока есть не только внутри провода (его нагревание), но и вокруг (магнитное поле)».
Открытие Эрстеда вызвало необычайный интерес его современников-физиков и послужило началом ряда исследований, показавших сходство магнитного действия тока и действия постоянного магнита. Для поиска ответа проделаем опыт.
Опыт № 1.
Дугообразный электромагнитВозьму дугообразный электромагнит и закреплю его в штативе. Соединю катушки электромагнита через ключ с источником тока. Поднесу якорь к сердечнику и замкну ключ. Якорь притянулся к сердечнику. На крючок якоря буду подвешивать грузы 0,5 кг, потом 1 кг. Якорь не отрывается. Разомкну ключ, и грузы упадут.
Вывод из опыта № 1
Вокруг катушки с током существует магнитное поле. Железо, введенное внутрь катушки, усиливает магнитное действие катушки. Намагничивается сердечник и притягивает якорь с подвешенным грузом. Катушка с током, как и магнитная стрелка, имеет два полюса – северный и южный. Электромагниты обладают большой подъемной силой.
4 мая 1825 года Вильям Стерджен (английский ученый) на заседании Британского общества ремесел продемонстрировал работу своего электромагнита. Это был согнутый в виде подковы железный стержень длиной 30 см и диаметром 1,3 см. На нем в один слой была намотана медная проволока, подключенная к химическому источнику тока.
Стерджена, Джеймс Джоуль, экспериментируя с электромагнитом учителя, в том же 1825 году смог увеличить подъемную силу до 20 кг. С этого момента начинается своеобразная гонка между учеными по совершенствованию электромагнита и наращиванию его подъемной силы. Через семь лет после своего изобретения Уильям Стерджен создает электромагнит с подъемной силой в 160 кг, а еще через восемь лет – электромагнит с подъемной силой в 550 кг.
Кстати подковообразная форма электромагнита, очень удачная как показали дальнейшие исследования, была выбрана Уильямом Стердженом чисто случайно. Эта форма используются и по сей день.
Хотя конечно же в наше время изготавливаются электромагниты самых разнообразных форм.
Вскоре после того, как было построено еще несколько крупных магнитов и все убедились в их силе, надежности, компактности и удобстве, было предложено использовать электромагниты для подъема железных и стальных деталей на металлургических и металлообрабатывающих заводах.
В России вплоть до революции Общество конно-железных дорог и омнибусов использовало магниты для очистки овса от железных гвоздей. В Европе и Америке магниты широко применяли на мельницах по очистке зерна.
В 30-х годах нашего столетия был создан один из крупнейших электромагнитов, предназначенный для устройства, с помощью которого разрушали бракованное литье. Груз, выполняющий эту операцию, весил 200000 Н. Использование электромагнита в этом устройстве позволяло сбрасывать груз обычным поворотом выключателя.
Вскоре были созданы еще более крупные магниты, способные поднимать груз весом до 500000 Н.
Магнитная очистка зерна на мельницах стала прообразом одного из чрезвычайно важных в настоящее время применений магнитов. Речь идет о так называемых магнитах сепараторах. Принцип их действия состоит в том, что смесь полезного вещества и «пустой породы» подается по конвейеру и проходит мимо полюсов магнита. Если пустая порода магнитна, то она будет извлечена из смеси. Принцип сепаратора с использованием естественных магнитов был предложен еще в 1792 г., т.е. до изобретения электромагнита.
Электромагниты нашли широкое применение в промышленности, технике, медицине. Например, в батискафе французского профессора Пиккара, исследовавшего не так давно глубочайшие океанские впадины, мощный электромагнит удерживал железный балласт.
С их помощью можно также поднимать и перемещать массивные объекты, например, автомобили перед утилизацией. Они также используются в транспортировке. Поезда в Азии и Европе используют электромагниты для перевозки автомобилей.
Это помогает им двигаться на феноменальных скоростях.
Генеральный директор компании Walker Magnetics, г-н Брайан Твейтс с гордостью представляет самый большой в мире подвесной электромагнит. Его вес (88 т) примерно на 22 т превышает вес действующего победителя Книги Рекордов Гиннеса из США. Его грузоподъемность составляет приблизительно 270 тонн
Электромагниты получили настолько широкое распространение, что трудно назвать область техники, где бы они не применялись в том или ином виде. Они содержатся во многих бытовых приборах – электробритвах, магнитофонах, телевизорах и т.п. Устройства техники связи – телефония, телеграфия и радио немыслимы без их применения.
Электромагниты являются неотъемлемой частью электрических машин, многих устройств промышленной автоматики, аппаратуры регулирования и защиты разнообразных электротехнических установок. Развивающейся областью применения электромагнитов является медицинская аппаратура.
Вес электромагнитов колеблется от долей грамма до сотен тонн, а потребляемая при их работе электрическая мощность – от милливатт до десятков тысяч киловатт.
Опыт № 2. Магнитные линии катушки с током
Возьму катушку, смонтированную на подставке из оргстекла, соединю ее через ключ с источником тока. На подставку насыпаю ровным слоем металлические опилки. Замыкаю ключ и чуть-чуть постукиваю по платформе. Цепочки, которые образуют в магнитном поле железные опилки, показывают форму магнитных линий магнитного поля. Магнитные линии магнитного поля катушки с током являются замкнутыми линиями. Вне катушки они направлены от северного полюса катушки к южному.
Вывод из опыта № 2
- Вокруг катушки с током есть магнитное поле
- Катушка с током похожа на полосовой магнит и у нее есть тоже два полюса – северный и южный
- Чем больше число витков в катушке, тем сильнее её магнитное поле.
- Чем больше сила тока, тем сильнее магнитное поле.
- Наличие сердечника усиливает магнитное поле.
Цилиндрическую катушку индуктивности, длина которой на много превышает диаметр называют соленоидом, магнитное поле внутри длинного соленоида однородно.
Опыт № 3. Магнитное поле прямого проводника с током
Беру прибор, в котором прямой проводник пропущен сквозь лист картона. На картон насыпаю тонкий и равномерный слой железных опилок, включаю ток, и опилки слегка встряхиваю. Под действием магнитного поля тока железные опилки располагаются вокруг проводника не беспорядочно, а по концентрическим окружностям.
Вывод из опыта № 3
Магнитные линии магнитного поля тока представляют собой кривые, охватывающие проводник.
Вывод из проделанных опытов
Проведенные опыты подтверждают выдвинутую гипотезу. Магнитное поле существует вокруг любого проводника с током, т.е. вокруг движущихся электрических зарядов.
Электрический ток и магнитное поле неотделимы друг от друга. Ток следует рассматривать как источник магнитного поля.
Человека пронизывают мириады магнитных полей различного происхождения. Мы привыкли к магниту и относимся к нему снисходительно, как к устаревшему атрибуту школьных уроков физики, порой даже не подозревая, сколько магнитов вокруг нас. Я подсчитала – у меня в квартире их десятки: в электробритве, динамике, магнитофоне, в банке с гвоздями, наконец, я сама тоже магнит: биотоки, текущие во мне, рождаю вокруг причудливый пульсирующий узор магнитных линий. Земля, на которой мы живем, – гигантский голубой магнит. Солнце – желтый плазменный шар – еще более грандиозный магнит. Галактики и туманности, едва различимые радиотелескопами, – непостижимые по размерам магниты…
Ссылка на видеоролик: https://yadi.sk/i/fEaNL3z_3Jfbx3
Ученые узнали, при каких условиях у Земли могло появиться мощное магнитное поле – Наука
ТАСС, 25 февраля.
Физики просчитали свойства силикатных пород при сверхвысоких температурах и давлениях и пришли к выводу, что они должны проводить электричество почти так же хорошо, как это делают металлы. Это объясняет существование мощного магнитного поля в первые эпохи жизни планеты, пишут ученые в статье для научного журнала Nature Communications.
“Магнитное поле Земли существует уже как минимум 3,4 млрд. лет, однако мы до сих пор не знаем, как оно возникло. Ядро юной планеты было окружено океаном из расплавленных силикатов, которые оставались в подобном виде более миллиарда лет. Наши расчеты показывают, что это море магмы было главным источником магнитного поля Земли в архейскую эру”, – пишут ученые.
В последние годы планетологи и геологи активно пытаются понять, когда наша планета обзавелась мощным магнитным полем. Оно защищает Землю от действия солнечного ветра, частицы которого “обдирают” атмосферу планеты и помогают влаге из нее испаряться в космос, а также мешает достигать поверхности космическим лучам, которые повреждают ДНК клеток и мешают формированию сложных молекул, которые нужны для зарождения жизни.
Точно определить время появления магнитного поля у Земли практически невозможно, так как породы того времени практически не сохранились в ее недрах. Пять лет назад геологи нашли намеки на то, что достаточно сильный “магнитный щит” у нашей планеты появился очень рано, фактически с момента ее возникновения, примерно 4,2 млрд. лет назад. Подобные открытия не убедили скептиков, и споры вокруг времени появления магнитного поля Земли продолжаются до сих пор.
Эти дискуссии во многом связаны с тем, что физики и геологи долгое время предполагали, что мощное магнитное поле у Земли существует благодаря тому, что в ее жидком расплавленном ядре есть твердая внутренняя часть. Она возникла, по разным оценкам ученых, не раньше, чем 3,6 млрд. лет назад, или даже значительно позже, около 1 млрд. лет назад.
Просчитывая свойства различных горных пород, из которых состояла первичная материя Земли в то время, когда она еще не успела застыть и превратиться в привычную нам земную кору и мантию, физики из Великобритании и США нашли возможное объяснение тому, как мощное магнитное поле Земли могло существовать до появления твердого ядра.
Ученых интересовало то, как сильно изменятся физические характеристики этих соединений при экстремально высоких давлениях и температурах, близких к тем, которые сейчас наблюдаются внутри ядра и на его границе с мантией. Чтобы просчитать подобные свойства, геологи использовали алгоритмы, опирающиеся на законы квантовой механики. Они могут очень точно просчитывать то, как меняются свойства различных материалов при изменении условий среды.
Расчеты указали, что у силикатных пород очень высокая электропроводность при температурах примерно в 4-5 тыс. °С и давлениях больше атмосферного в сотни тысяч раз. Они несколько уступают в этом отношении железу и другим металлам, однако превосходят современные породы мантии и коры в сотни и тысячи раз.
Подобного уровня электропроводности, как показывают выкладки исследователей, вполне хватает для того, чтобы породить магнитное поле той мощности, следы которого “отпечатались” в породах архейской эпохи возрастом в 3,4 млрд. лет. В этом случае источником поля мог быть круговорот силикатных пород, которые циркулировали внутри недр планеты по примерно по таким же принципам, что и потоки железа в современном ядре Земли.
Как отмечают исследователи, конфигурация такого магнитного поля должна была несколько отличаться от его современной структуры. В частности, разница в его силе на экваторе и в приполярных регионах может быть значительно менее выражена. Кроме того, у древнего магнитного поля могло быть не два, а больше полюсов.
Вдобавок, ученые предполагают, что магнитные поля аналогичного рода могут существовать у крупных двойников Земли у далеких звезд, чьи магматические океаны будут застывать значительно дольше из-за того, что они гораздо больше. Поиски и открытие таких планет, как надеются ученые, смогут дополнительно подтвердить их теории.
электромагнетизм – Может ли магнитное поле существовать без электрического поля?
спросил
Изменено 3 года, 10 месяцев назад
Просмотрено 23 тысячи раз
$\begingroup$
Я знаю, что электрическое поле может существовать без магнитного поля, как в случае, когда у вас есть стационарный точечный заряд.
Но магнитные поля создаются движущимися зарядами , поэтому разве вам не всегда нужно электрическое поле, чтобы иметь магнитное поле? Даже в случае с постоянными магнитами, насколько я знаю, это выровненные движущиеся электроны в атомах материала, которые вызывают магнитные свойства, так что не означает ли это, что всегда есть электрическое поле, чтобы иметь магнитное поле?
- электромагнетизм
- магнитные поля
- системы отсчета
- электрические поля
$\endgroup$
3
$\begingroup$
«Магнитное поле» — это концепция классической электродинамики. Уравнения Максвелла были разработаны в середине 19 века, когда фундаментальная атомная физика все еще находилась в зачаточном состоянии.
В современном историческом контексте постоянный магнит является прекрасным примером магнитного поля без электрического поля.
В рамках теории классической электродинамики нет объяснения тому, почему существует магнитное поле, а только то, что оно действительно существует и как оно связано с электрическим полем. Постоянные магниты обладают магнитным полем как неотъемлемым фундаментальным свойством, подобным тому, по которому камни имеют массу. Они просто делают.
За последние полтора века были разработаны другие теории. Например, магнитное поле может быть объяснено специальной теорией относительности как сокращение длины, очевидно создающее дисбаланс заряда, поэтому можно сказать, что магнитное поле не существует как фундаментальное свойство, а скорее является проявлением электрического поля в движущейся системе отсчета. а квантовая физика объясняет постоянные магниты движущимися зарядами на субатомных масштабах.
Таким образом, в контексте современной физики фундаментальное магнитное поле вообще не нужно, поскольку его можно объяснить в терминах электрического поля и движения.
Открытие магнитного монополя изменило бы это положение, но, хотя оно принесло бы элегантную симметрию существующим видам частиц, экспериментально пока не было обнаружено никаких доказательств наличия магнитного монополя.
$\endgroup$
2
$\begingroup$
Я полагаю, что это вариант ответа квантовой спагеттификации, но очевидным примером является токовая петля, используемая в электромагнитах с тех пор, как люди впервые открыли электричество.
Не существует чистого электрического поля, потому что существует равное количество положительных и отрицательных зарядов, поэтому их поля уравновешиваются. Однако существует магнитный диполь из-за движения электронов.
$\endgroup$
1
$\begingroup$
Нет, у вас может быть магнитное поле без электрического поля. Рассмотрим стержень с равным количеством положительных и отрицательных зарядов (таким, что они расположены на одинаковом расстоянии друг от друга).
Пусть плюс движется влево со скоростью $v$, а минус вправо со скоростью $v$. Это приведет к магнитному полю, но не к электрическому полю.
$\endgroup$
10
$\begingroup$
В каком-то смысле это простой вопрос, как отмечали другие. Довольно просто построить примеры случаев с нулевым электрическим полем и ненулевым магнитным полем.
С другой стороны, это не тривиальный вопрос. Например, если в одном кадре вы видите только магнитное поле, то в другом кадре вы увидите магнитное и электрическое поля, которые смещаются при изменении скорости. Тогда есть пример эффекта Аронова-Бома. В этом случае у вас есть область, где и электрическое, и магнитное поля равны нулю, но электрон все еще чувствует электромагнитную силу.
Принципиальным является четырехвекторный потенциал $A_\mu$. Электрические и магнитные поля представляют собой частные сочетания частных производных этого поля.
Именно $A_\mu$ появляется в уравнениях, описывающих электромагнетизм, таких как уравнение Максвелла или уравнение Дирака. В некоторых важных частных случаях мы можем игнорировать $A_\mu$ и работать с полями $E_i$ и $B_i$. Но основное понимание всегда будет основываться на $A_\mu$.
$\endgroup$
1
$\begingroup$
На уровне фундаментальных элементарных частиц ответ таков: пока не обнаружены магнитные монополи, диполю магнитного поля нужна заряженная частица.
Электрон имеет магнитный момент:
В атомной физике магнитный момент электрона или, точнее, магнитный дипольный момент электрона — это магнитный момент электрона, обусловленный присущими ему свойствами спина и электрического заряда. 92 > 0$, то можно перейти в систему отсчета, где электрическое поле равно нулю, а магнитное поле отлично от нуля.
$\endgroup$
земля – Существует ли магнитное поле в космосе?
спросил
Изменено 2 года, 5 месяцев назад
Просмотрено 169раз
$\begingroup$
Мой вопрос довольно субъективен, и я не смог найти подходящего объяснения тому, существует ли магнитное поле в космосе за пределами Земли. Я прочитал одну из статей, в которой говорилось, что
Обнаружены межзвездные пылевые облака с полями высотой в несколько милли Гаусс; примерно в 1000 раз сильнее, чем среднее магнитное поле Млечного Пути. По мере коллапса этих облаков поля усиливаются, и некоторые теоретики считают, что магнитные поля могут на самом деле поддерживать многие «молекулярные облака» от быстрого коллапса.
Я сомневаюсь, что магнитное поле в космосе влияет на нашу жизнь на Земле и как межзвездные облака имеют магнитное поле, как оно возникло. Это из-за зарядов и ионов?
- магнитные поля
- земля
- геомагнетизм
- мягкая материя
- межзвездная материя
$\endgroup$
1
$\begingroup$
В космологическом масштабе нет данных, указывающих на наличие магнитных полей.
С другой стороны, теория говорит нам, что магнитные поля есть везде.
Но магнитные поля очень резко затухают с расстоянием по кубическому закону, который более суров, чем квадратичный закон, управляющий исчезновением электро- магнитное излучение с расстояния. Таким образом, в космологических масштабах такие магнитные поля будут настолько слабыми, что их обнаружение станет невозможным. Это объясняет, почему никакие данные о них не могут быть собраны.
Магнитное поле создается всякий раз, когда движется электрический заряд. Так что все, что вам нужно для его создания, — это немного ионизированного материала и какой-то эффект, который посылает электроны и ионы в разные стороны. В космологии самой распространенной причиной является ионизирующее излучение — ультрафиолетовое, рентгеновское или гамма-лучи.
Единственными магнитными полями, достаточно сильными, чтобы повлиять на жизнь на Земле, являются те, которые выбрасываются Солнцем во время солнечных вспышек. Они могут проникать в наши собственные пояса поля Ван Аллена, вызывая всплески радиации, а иногда даже выводя из строя наземные линии электропередач и орбитальные спутники.
$\endgroup$
$\begingroup$
Заряженный объект изменяет магнитное поле в пространстве вокруг себя при движении.
С точки зрения классического электричества и магнетизма, электрическое и магнитное поля неразрывно связаны между собой в соответствии с уравнениями Максвелла.
Вот почему кажется, что в межзвездном пространстве так много этих нестабильных облаков.
В космологическом масштабе нет данных, позволяющих предположить наличие магнитных полей. Они, конечно, не важны в динамике Вселенной для любого разумного диапазона напряженности поля, совместимого с нынешними наблюдательными ограничениями.
Когда создается магнитное поле, оно распространяется наружу со скоростью света и никогда не останавливается. Кроме того, любое магнитное поле, существовавшее в ранней Вселенной, было бы сильно растянуто на космологические расстояния в результате Вселенского расширения.
Звезды также создают сильные локальные магнитные поля, которые они могут иногда выбрасывать в космос. Черные дыры и сверхновые — хорошие источники необходимых ингредиентов; время и Вселенское расширение делают все остальное (по иронии судьбы, парадоксально или красиво по выбору, умирающие магнитные поля, поглощаемые черной дырой, являются нашим лучшим кандидатом на роль метателей материи и излучения для создания новых магнитных полей).