Постоянные магниты. Магнитное поле Земли.

Урок № Тема: Постоянные магниты. Магнитное поле Земли

Цель урока:

Познакомить учащихся со свойствами постоянных магнитов. Добиться, понимания ими реального и объективного существования магнитного поля. Пояснить происхождение магнитного поля Земли.

Демонстрации:

1. Взаимодействие постоянных магнитов.

2. Спектры магнитных полей постоянных магнитов.

3. Магнитное поле Земли.

4. Устройство и действие компаса.

Ход урока

Письменная про­верочная работа по теме «Магнитное поле тока».

Уровень 1

1. Каким способом можно узнать, есть ли ток в проводе не пользуясь амперметром?

2. Каким образом можно обнаружить наличие в пространстве магнит­ного поля?

Уровень 2

1. У зажимов аккумулятора не оказалось пометок о том, какой из них «плюсовой» и какой - «минусовой». Можно ли узнать это, имея компас?

2. Изготовляя самодельный электромаг­нит, можно ли неизолированный провод наматывать на железный сердечник?

Уровень 3

1. К акое направление имеет ток в провод­нике, направление силовых линий маг­нитного поля которого указано стрел­ками?

1. П о направлению магнитных силовых линий, изображенных на ри­сунке, определите направление кругового тока в кольце.

Уровень 4

1. Как объяснить наличие магнитного поля вокруг постоянного магнита на основе молекулярной теории строения вещества?

2. К акой полюс магнитной стрелки будет отталкиваться от правого кон­ца катушки с током?

1. Как намотать провод на полый керамический цилиндр, чтобы при пропускании тока по проводу внутри цилиндра не возникало магнит­ного поля?

Повторение по теме «Электрическое поле»

1. Что такое электрическое поле?

2. Чем отличается поле от вещества?

3. Перечислите основные свойства электрического поля.

4. Что указывают силовые линии электрического поля?

5. Объясните, почему после сообщения электрическому султану заряда его бумажные полоски расходятся в разные стороны?

Изучение нового материала

План изложения нового материала:

1. Постоянные магниты и их свойства.

2. Происхождение магнитного поля постоянных магнитов.

3. Магнитное поле Земли.

1. Постоянные магниты и их свойства

Каждый из нас с раннего детства слышал что-нибудь о магните. Многие держали его в руках, а у некоторых даже были игрушки, в которых использо­вались магниты.

Первые сведения о магнитах теряются в глубокой древности. В старинных летописях сохранилось упоминание о том, что в 1110 г. до н. э. в Китае были устройства (по-видимому магнитные), показывающие направление на юг.

Первые магниты были естественного происхождения. Оказалось, что это были куски руды - магнитного железняка (магнетита).

Еще в 1269 г. П. Перегрином была написана книга о магнитах, которая называлась «Письма о магнитах». В этой книге были собраны почти все изве­стные в то время сведения о свойствах магнитов. П. Перегрин установил, что, если потереть стальную спицу магнитом естественного происхождения, то спица тоже станет магнитом, или «намагнитится». Такие магниты получили название искусственных магнитов.

Если вставить в катушку с током стержень из закаленной стали, то в отли­чие от железного стержня он не размагничивается после выключения тока, а длительное время сохраняет намагниченность.

Демонстрация свойств магнитного поля электриче­ского тока является исходной в методике данного урока.

Для опыта можно взять стальной стержень (ножовочное полотно, напильник) и намотать на него 20 - 30 витков изолированного провода. Пропустив по обмотке по­стоянный электрический ток и, вынув стержень, обнаруживаем его магнит­ные свойства.

Аналогичные опыты можно проделать с алюминиевым, мед­ным, стеклянным и другими стержнями. Исследуя их, выясняем, что они не стали магнитами. Можно намагнитить стальные опилки, насыпанные в про­бирку. Пробирка ведет себя как магнит. После встряхивания опилок ее магнитные свойства почти исчезают.

Намагничивание можно провести и в магнитном поле Земли.

Опр. Тела, длительное время сохраняющие намагниченность, называют по­стоянными магнитами или просто магнитами.

Те участки магнита, где обнаруживаются наиболее сильное магнитное дей­ствие, называют полюсами магнита. У всякого магнита, как и у известной нам магнитной стрелки, обязательно есть два полюса: северный (N) и южный (S).

Свойства магнитов:

а) Магнит обладает на разных участках различной притягивающей силой, на полюсах эта сила наиболее заметна.

б) Магнит имеет два полюса: северный и южный, - которые различны по своим свойствам.

в) Разноименные полюсы магнитов притягиваются, одноименные - оттал­киваются.

г) При сильном нагревании магнитные свойства исчезают как у природ­ных, так и у искусственных магнитов.

д) Магниты оказывают свое действие через стекло, кожу или воду.

Материалы, которые хорошо притягиваются к магниту: чугун, сталь, железо и некоторые сплавы, слабее - никель и кобальт.

Естественные магниты - железная руда (магнитный железняк)

1. Происхождение магнитного поля постоянных магнитов.

Французский ученый Ампер объяснял намагниченность железа и стали существованием электрических токов, которые циркулируют внутри каждой молекулы этих веществ. «Элементарные токи» в веществе циркулируют потому, что в ка­ждом атоме обращаются вокруг ядра электроны (с огромной частотой). Они-то и образуют так называемые орбитальные токи и связанные с ними магнитные поля.

В заимодействие магнитов объясняется тем, что вокруг любого магнита существует магнитное поле. Магнитное поле одного магнита действует на другой магнит и наоборот.

С помощью железных опилок можно получить представление о виде маг­нитного поля постоянного магнита.

Силовые линии магнитного поля - замкнутые линии. Вне магнита сило­вые линии выходят из северного полюса магнита и входят в южный, замыка­ясь внутри магнита.

Демонстрация

Далее учащимся демонстрируется опыт, доказывающий, что магнитное поле постоянного магнита, как и поле проводника с током, пронизывает различные тела.

Можно поместить магнит в аквариум с водой, а также в безвоздушное пространство под колокол воздушного насоса и продемонст­рировать распространение магнитного поля в пустоте и в воде. Полезно сообщить учащимся, что космические корабли обнаружили магнитное поле Земли на больших расстояниях от нее, в безвоздушном пространстве.

Демонстрация взаимодействия магнитов, исполь­зуя подвешенный на нити магнит или демонстрационную магнитную стрелку на острие, к которой приближают полосовой магнит.

Изучение свойств магнитного поля завершается наблюдением магнит­ных спектров. Сначала магнитный спектр можно продемонстрировать с помощью магнитных стрелок, затем - используя железные опилки.

При изучении магнитных спектров постоянных магнитов различной формы (прямого, дугового) нужно сопоставить их со спектрами магнитного поля соленоида с током и электромагнита с дугообразным сердечником.

Из сопоставления магнитных спектров можно установить, что магнит­ные поля постоянных магнитов похожи на поля электромагнитов. Такое сходство не случайно. Магнитное поле обусловлено движением электриче­ских зарядов или токами (гипотеза Ампера).

1. М агнитное поле Земли.

Земной шар тоже является магнитом. У него есть свои магнитные полюсы и магнитное поле. Именно это поле и заставляет стрелку компаса ориентиро­ваться все время в определенном направлении.

На основании опытов по намагничиванию тел в магнитном поле Земли, а также из наблюдений за ориентацией магнитной стрелки в направлении север-юг, можно сделать вывод о наличии магнит­ного поля Земли, и показать на глобусе ее магнитные полюсы. Необходимо заметить, что магнитные полюсы Земли не совпадают с ее географически­ми полюсами. Поэтому магнитная стрелка компаса лишь приблизительно показывает направление на север.

И ногда внезапно возникают так называемые магнитные бури - кратковре­менные изменения магнитного поля Земли, которые сильно влияют на пове­дение стрелки компаса. Наблюдения показывают, что появление магнитных бурь связано с солнечной активностью.

Роль магнитного поля земного шара в надежной защите Земли от космического излучения.

Полеты межпланетных космических станций и космических кораблей на Луну и вокруг Луны позволили установить отсутствие у нее магнитного поля. Проведенные исследования не обнаружили магнитного поля у планеты Вене­ра; у Марса имеется слабое магнитное поле.

Далее можно рассказать о практическом применении постоянных маг­нитов.

Закрепление изученного материала

1. Какие тела называют постоянными магнитами?

2. Что называют полюсами магнита?

3. Какие из известных вам веществ притягиваются магнитом?

4. Как можно получить представление о магнитном поле магнита?

5. Как можно объяснить намагничивание железа?

6. Как взаимодействуют между собой полюсы магнитов?

7. Как с помощью магнитной стрелки можно определить полюсы у намагниченного стального стержня?

8. Чем объяснить, что магнитная стрелка устанавливается в данном месте Земли в определенном направлении?

9. Можно ли разрезать магнит так, чтобы один из полученных магни­тов имел только северный полюс, а другой - только южный?

Задача 1

Северный полюс магнита подносят к положительно заряженному пласт­массовому шарику, висящему на нити. Что будет наблюдаться - притяжение или отталкивание? Как изменится ответ, если шарик заряжен отрицательно?

Решение: В обоих случаях будет наблюдаться притяжение, обуслов­ленное разделением заряженных частиц в нейтральном теле (магните) под действием электрического поля. Замена положительного заряда шарика на отрицательный и (или) северного магнитного полюса на южный никак не повлияет на результат: магнитное поле вообще не действует на неподвиж­ные заряженные частицы или тела.

Задача 2

Как при помощи магнита отделить железные опилки от медных? Почему это можно сделать?

Домашнее задание: §59, 60 учебника; вопросы к параграфам; задание 10.

Дополнительное задание: с помощью компаса установить, как располо­жен ваш дом относительно сторон света.

Дополнительный материал

Магнитные поля в Солнечной системе

Весьма важную роль во Вселенной, в том числе и в Солнечной системе, играют электромагнитные процессы. Чтобы их описать, рассмотрим вопрос о механизме возникновения магнитных полей вокруг небесных тел.

Нам уже известно, что магнитное поле существует вокруг электриче­ских зарядов, движущихся упорядоченно, т. е. магнитное поле существует вокруг токов. Но в обычных условиях в проводниках токи могут поддержи­ваться только за счет действия источников тока - генераторов, аккумулято­ров и др. Причина этого явления заключается в том, что движущиеся в про­воднике электроны тормозятся при взаимодействии с ионной решеткой, и за счет этого энергия электрического тока превращается во внутреннюю энергию проводника и выделяется в форме тепла.

Совершенно иначе обстоит дело в космической плазме. Вследствие вы­сокой степени разрежения здесь расстояния между движущимися частица­ми очень велики и соударения между ними происходят крайне редко. В результате циркуляция электрических зарядов в космической плазме (т. е. электрические токи), возникая по какой-либо причине, может продолжать­ся очень долго. Итак, токи в плазме практически не затухают длительное время. Следовательно, столько же времени вокруг этих циркулирующих зарядов будут существовать магнитные поля. Образно говорят, что «маг­нитные поля вморожены в плазму».

За счет циркуляции плазмы на Солнце создаются сильные магнитные поля, играющие важную роль во всех процессах солнечной активности.

Для магнитного поля Солнца характерна значительная неоднородность, которая отмечается всюду, как внутри пятен, так и вне их. Две самые ха­рактерные особенности солнечных пятен, несомненно, связаны между со­бой; это более низкая температура по сравнению с остальной фотосферой и сильное магнитное поле.

Вспышки также, несомненно, связаны с магнитными полями, структура которых после вспышки часто меняется; обычно поле ослабляется. Расчеты показывают, что исчезновения магнитного поля, наблюдаемого в районе пятен, достаточно, чтобы компенсировать выделяющуюся при вспышке энергию. Сила тока в области вспышки может достигать нескольких мил­лиардов ампер, а напряжение — порядка миллиарда вольт. Плазма в районе вспышки разогревается до температуры около 10 млн. градусов. По скоро­сти протекания вспышка подобна взрыву.

Возникающие при этом выбросы газа достигают скоростей порядка 1000-1500 км/с и уносят с собой примерно половину энергии вспышки. Одновременно с этим значительную энергию получают ускоряющиеся при вспышке электроны, протоны (ядра водорода) и альфа-частицы (ядра ге­лия). Преодолев за счет большой скорости притяжение Солнца, эти части­цы рассеиваются в космическом пространстве, продолжая двигаться со значительными скоростями. Этот поток частиц и представляет собой сол­нечный ветер.

Земля обладает значительным магнитным полем. Это поле можно пред­ставить как сумму двух полей. Одно из них - это основная (постоянная) составляющая, которая не меняется заметно со временем; второе - это пе­ременная составляющая (менее 1%), зависящая от процессов в околоземной плазме, в основном от явлений на Солнце.

Существуют еще местные магнитные поля, возникающие за счет нали­чия в земной коре залежей ферромагнитных руд, в основном магнитного железняка. Эти местные поля называются магнитными аномалиями. Одна из них - Курская магнитная аномалия - в настоящее время интенсивно разрабатывается.

У всех планет земной группы (кроме самой Земли), а так же у спутников планет, в том числе и у Луны, практически нет магнитных полей.

Лабораторная работа

«Изучение свойств постоян­ных магнитов»

Цели работы: на практике получить картину си­ловых линий магнитного поля постоянного магнита.

Оборудование:

Полосовой магнит (2 шт.), подковообразный магнит, магнитная стрелка на подставке (или компас), стальные скрепки, медный провод, карандаш (2 шт.), ластик, железные опилки (можно наточить из гвоздя напильником), кусок картона или белой бумаги размером в 2- 3 длины полосовых магнитов.

Указания к работе:

1. Уберите все магниты на один угол стола и убедитесь, что магнитная стрелка на игле или стрелка компаса все время ориентируется одинаково при выведении из равновесия. Вспомнив, где расположен север, а где юг, посмотрите, каким концом стрелка указывает на север (иногда магнитные стрелки, используемые на практических занятиях в школах, оказываются перемагниченными, и синий конец указывает на юг). Проверьте, притягивается ли к стрелке карандаш, канцелярские скрепки, ластик, пластмассовый корпус руч­ки, медный провод.

2. Найдя северный полюс стрелки, определите полюса полосовых и под­ковообразного магнитов. И опять же не стоит доверять окраске магнитов, са­мостоятельно установите, какой конец магнита отталкивает северный полюс стрелки. Обозначьте мелом северный и южный полюсы магнитов.

3. Положите лист картона на полосовой магнит, и равномерно посыпьте его железными опилками. Не сдвигая магнит и лист картона относительно друг друга, осторожно постучите по листу, чтобы опилки могли свободно пе­рераспределиться. Следите, как выстраиваются опилки на картоне. После появления четкой картины, перерисуйте ее в тетрадь. Проанализируйте, как эта картина согласуется с полученной при помощи магнитной стрелки. (рис. 108, 109, 110 учебника)

4. Объясните письменно, почему опилки выстраиваются, образуя скопления вдоль силовых магнитных линий.