Урок №9.
Тема: Магнитные свойства вещества.
Цель: объяснить существование магнитных свойств веществ.
Ход урока.
-
Организационный момент.
-
Проверка домашнего задания.
Задача №1
Протон и а-частица1 влетают в однородное магнитное поле перпендикулярно линиям индукции. Сравнить радиусы окружностей, которые описывают частицы, если у них одинаковы: а) скорости; б) энергии.
Дано: Решение:![]()
vp =vα a)
Wp=Wα б)
Rp/Rα-? ![]()
Ответ: а) 0,5; б) 1.
Задача №2
Электрон движется в однородном магнитном поле индукцией В = 4 мТл. Найти период Т обращения электрона.
Дано: Решение:![]()
В = 4 мТл Время, за которое частица делает полный оборот (период обращения), равно:
T-?![]()
Ответ: 8,9нс.
Задача №3
Определите радиус окружности и период обращения электрона в однородном магнитном поле с индукцией В =0,01 Тл. Скорость электрона перпендикулярна вектору магнитной индукции и равна 106 м/с.
Дано: Решение:![]()
В =0,01 Тл
v=106 м/с
α=90о![]()
R-?
T-?
Ответ: ,
-
Изучение нового материала.
Гипотеза Ампера. Причина, вследствие которой тела обладают магнитными свойствами, была установлена французским ученым Ампером. Сначала, под непосредственным впечатлением от наблюдения за поворачивающейся вблизи проводника с током магнитной стрелкой в опытах Эрстеда Ампер предположил, что магнетизм Земли вызван токами, проходящими внутри земного шара. Главный шаг был сделан: магнитные свойства тела можно объяснить циркулирующими внутри него токами. Далее Ампер пришел к общему заключению: магнитные свойства любого тела определяются замкнутыми электрическими токами внутри него. Этот решающий шаг от возможности объяснения магнитных свойств тела токами к категорическому утверждению, что магнитные взаимодействия — это взаимодействия токов, — свидетельство большой научной смелости Ампера.
Согласно гипотезе Ампера внутри молекул и атомов циркулируют элементарные электрические токи. (Теперь мы хорошо знаем, что эти токи образуются вследствие движения электронов в атомах.) Если плоскости, в которых циркулируют эти токи, расположены беспорядочно по отношению друг к другу из-за теплового движения молекул (рис. 1.28, а), то их действия взаимно компенсируются, и никаких магнитных свойств тело не обнаруживает. В намагниченном состоянии элементарные токи в теле ориентированы так, что их действия складываются.
Микроскопические молекулярные токи создают свое магнитное поле и могут поворачиваться в магнитных полях макротоков. Например, если вблизи какого-то тела поместить проводник с током (макроток), то под действием его магнитного поля микротоки во всех атомах определенным образом ориентируются, создавая в теле дополнительное магнитное поле. Вектор магнитной индукции В характеризует результирующее магнитное поле, создаваемое всеми макро- и микротоками, т.е. при одном и том же токе и прочих равных условиях вектор В в различных средах будет иметь разные значения.
Физическая величина, показывающая во сколько раз индукция В магнитного поля в веществе, отличается по модулю от индукции В0 магнитного поля в вакууме, называется магнитной проницаемостью среды:
Магнитное поле макротоков (внешнее магнитное поле) описывается вектором напряженности Н. Для однородной среды вектор магнитной индукции связан с вектором напряженности следующим соотношением:
µ0=4π*10-7Н/А2-магнитная постоянная, µ- магнитная проницаемость среды, показывающая, во сколько раз магнитное поле макротоков Н усиливается за счет поля микротоков среды. В случае вакуума (µ=1)
Всякое вещество является магнетиком, т.е. оно способно под действием магнитного поля намагничиваться. В зависимости от численного значения µ все магнетики можно поделить на три группы: диамагнетики, парамагнетики и ферромагнетики
а) диамагнетики (µ
б) парамагнетики (µ1). Парамагнетик намагничивается, создавая собственное магнитное поле, совпадающее по направлению с внешним полем и усиливающее его. При отсутствии внешнего магнитного поля молекулярные токи парамагнетика не компенсируют друг друга. Однако вследствие теплового движения молекулярные токи ориентированы беспорядочно и магнитные свойства парамагнетика не наблюдаются.
Диа– и парамагнетики – слабомагнитные вещества.
в) ферромагнетики (µ1) – вещества, обладающие спонтанной намагниченностью, т.е. они намагничены даже при отсутствии внешнего магнитного поля.
Ферромагнетики – сильномагнитные вещества.
Магнитные поля создаются ферромагнетиками не только вследствие обращения электронов вокруг ядер, но и вследствие их собственного вращения. Собственный вращательный момент (момент импульса) электрона называется спином. Электроны всегда как бы вращаются вокруг своей оси и, обладая зарядом, создают магнитное поле наряду с полем, появляющимся за счет их орбитального движения вокруг ядер. В ферромагнетиках существуют области с параллельными ориентациями спинов, называемые доменами; размеры доменов порядка 0,5 мкм. Параллельная ориентация спинов обеспечивает минимум потенциальной энергии. Если ферромагнетик не намагничен, то ориентация доменов хаотична, и суммарное магнитное поле, создаваемое доменами, равно нулю. При включении внешнего магнитного поля домены ориентируются вдоль линий магнитной индукции этого поля, и индукция магнитного поля в ферромагнетиках увеличивается, становясь в тысячи и даже миллионы раз больше индукции внешнего поля.
Температура Кюри. При температурах, больших некоторой определенной для данного ферромагнетика, его ферромагнитные свойства исчезают. Эту температуру называют температурой Кюри по имени открывшего данное явление французского ученого. Если достаточно сильно нагреть намагниченный гвоздь, то он потеряет способность притягивать к себе железные предметы. Температура Кюри для железа 753 °С, для никеля 365 °С, а для кобальта 1000 °С. Существуют ферромагнитные сплавы, у которых температура Кюри меньше 100 °С.
Хотя ферромагнитных тел в природе не так уж много, именно их магнитные свойства получили наибольшее практическое применение. Железный или стальной сердечник в катушке во много раз усиливает создаваемое ею магнитное поле, не увеличивая силу тока в катушке. Это экономит электроэнергию. Сердечники трансформаторов, генераторов, электродвигателей и т. д. изготовляют из ферромагнетиков.
При выключении внешнего магнитного поля ферромагнетик остается намагниченным, т. е. создает магнитное поле в окружающем пространстве. Это объясняется тем, что домены не возвращаются в прежнее положение и их ориентация частично сохраняется. Благодаря этому существуют постоянные магниты.
Большое применение получили ферриты — ферромагнитные материалы, не проводящие электрического тока. Они представляют собой химические соединения оксидов железа с оксидами других веществ. Один из известных ферромагнитных материалов — магнитный железняк — является ферритом.
-
Решение задач.
Задача №1.
По графику (рис. 96) определить магнитную проницаемость стали при индукции В0 намагничивающего поля 0,4 и 1,2 мТл.

Дано: Решение:
В01=0,4мТл
В02=1,2 мТл
µ1 и µ2-? 
Ответ: 2000; 1000.
Задача №2.
Электрон влетает в однородное магнитное поле напряженностью H =16 кА/м со скоростью v=8 Мм/с. Вектор скорости составляет угол α =60о с направлением линий индукции. Определить радиус R и шаг h винтовой линии, по которой будет двигаться электрон в магнитном поле. 
Дано: Решение:
Н=16кА/м Разложим вектор скорости частицы
v=8*106м/с на две составляющие (),
α =60о направленную вдоль линий магнитной![]()
R-? индукции, и (),
h-? Перпендикулярную эти линиям
на частицу действует сила Лоренца, обусловленная составляющей .
Вследствие этого частица движется по окружности со скоростью в плоскости перпендикулярной магнитному полю. Радиус этой окружности определим, составим уравнение на основании второго закона Ньютона:
, или , отсюда .
Одновременно частица будет двигаться и вдоль поля. Это равномерное движение со скоростью , т.к. составляющая не вызывает появление силы Лоренца. В результате одновременного движения по окружности и по прямой частица будет двигаться по винтовой линии.
Шаг винтовой линии , ,
Ответ:
-
Подведение итогов урока.
-
Домашнее задание: §7
Используемые материалы:
-
Универсальные поурочные разработки по физике 11 класс. – М.: Вако, 2009. – 464 с. – (В помощь школьному учителю), Волков В.А.
-
Физика. 11 класс: учеб. для общеобразоват. учреждений: базовый и профил. уровни / Г. Я. Мякишев, Б. Б. Буховцев, В. М. Чаругин; под ред. В. И. Николаева, Н. А. Парфентьевой. — 19-е изд. — М.: Просвещение, 2010. — 399 с.
-
Физика. Задачник . 10-11 класс. : пособие для общеобразовательных учреждений/ А.П. Рымкевич. – 10-е изд., стереотип. – М. : Дрофа, 2006. – 188, [4] с.: ил. – (Задачники «Дрофы»).
-
3800 задач для школьников и поступающих в вузы. Физика. Турчина Н.В., Рудакова Л.И., Суров О.И. и др.
-
«Курс физики»_Трофимова Т.И_2006, 11-е изд., 560с, М.:ACADEMIA
-
Решение задач по физике_Савченко_1988 -479с