Как объяснить наличие магнитного поля вокруг постоянного магнита?

6 ответов на вопрос “Как объяснить наличие магнитного поля вокруг постоянного магнита?”

  1. Shazuru Ответить

    Цели: ознакомить учащихся со свойствами постоянных магнитов; добиться понимания реального и объективного существования магнитного поля; пояснить происхождение магнитного поля Земли.
    Демонстрации: взаимодействие постоянных магнитов; спектры магнитных полей постоянных магнитов; магнитное поле Земли; устройство и действие компаса.
    Ход урока
    I. Проверка знаний
    Первые 10-15 минут урока целесообразно посвятить проверке качества усвоения материала по теме «Магнитное поле тока». Для письменной проверочной работы можно предложить следующие варианты разноуровневых заданий:
    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. Какое направление имеет ток в проводнике, направление силовых линий магнитного поля которого указано стрелками (рис. 31)?

    2. По направлению магнитных силовых линий, изображенных на рисунке 32, определите направление кругового тока в кольце.

    Уровень 4
    1. Как объяснить наличие магнитного поля вокруг постоянного магнита на основе молекулярной теории строения вещества?
    2. Какой полюс магнитной стрелки будет отталкиваться от правого конца катушки с током (рис. 33)?

    3. Как намотать провод на полый керамический цилиндр, чтобы при пропускании тока по проводу внутри цилиндра не возникало магнитного поля?
    II. Изучение нового материала
    План изложения нового материала:
    1. Постоянные магниты и их свойства.
    2. Происхождение магнитного поля постоянных магнитов.
    3. Магнитное поле Земли.
    1. Экспериментальная презентация 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.
    Тела, длительное время сохраняющие намагниченность, называют постоянными магнитами или просто магнитами.
    2. 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.
    Далее учащимся демонстрируется опыт, доказывающий, что магнитное поле постоянного магнита, как и поле проводника с током, пронизывает различные тепа. 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.
    После этого учитель демонстрирует взаимодействие 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).
    Те места магнита, где обнаруживаются наиболее сильные магнитные действия, называют полюсами магнитов. У каждого магнита обязательно есть два полюса: северный (N) и южный (S).
    3. Магнитное поле Земли. 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.
    Иногда возникают магнитные бури – кратковременные изменения магнитного поля Земли. Наблюдения показывают, что появление магнитных бурь связано с солнечной активностью.
    Далее можно рассказать о практическом применении постоянных магнитов.
    III. Закрепление изученного
    Если в конце урока остается время, можно с целью закрепления материала обсудить ряд качественных вопросов по изученной теме:
    – Как можно объяснить намагничивание железа?
    – Как взаимодействуют между собой полюсы магнитов?
    – Как с помощью магнитной стрелки можно определить полюсы у намагниченного стального стержня?
    – Чем объяснить, что магнитная стрелка устанавливается в данном месте Земли в определенном направлении?
    – Можно ли разрезать магнит так, чтобы один из полученных магнитов имел только северный полюс, а другой – только южный?
    Задача
    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.
    Домашнее задание
    § 59, 60 учебника; вопросы к параграфам.
    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, то есть 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 (то есть электрические токи), возникая по а 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. Эго 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 также у спутников планет, в том числе и у Луны, практически нет магнитных полей.

  2. ВАЖНЕЙШАЯ страница ВКонтакте Ответить

    Создаваемые ими магнитные поля обусловлены в основном тем, что по проводу обмотки, охватывающей сердечник, проходит электрический ток.
    Магнитные полюса и магнитное поле. Магнитные свойства стержневого магнита наиболее заметны вблизи его концов. Если такой магнит подвесить за среднюю часть так, чтобы он мог свободно поворачиваться в горизонтальной плоскости, то он займет положение, примерно соответствующее направлению с севера на юг. Конец стержня, указывающий на север, называют северным полюсом, а противоположный конец – южным полюсом. Разноименные полюса двух магнитов притягиваются друг к другу, а одноименные взаимно отталкиваются. Если к одному из полюсов магнита приблизить брусок ненамагниченного железа, то последний временно намагнитится. При этом ближний к полюсу магнита полюс намагниченного бруска будет противоположным по наименованию, а дальний – одноименным. Притяжением между полюсом магнита и индуцированным им в бруске противоположным полюсом и объясняется действие магнита. Некоторые материалы (например, сталь) сами становятся слабыми постоянными магнитами после того, как побывают около постоянного магнита или электромагнита. Стальной стержень можно намагнитить, просто проведя по его торцу концом стержневого постоянного магнита. Такое действие на расстоянии объясняется существованием в пространстве вокруг магнита магнитного поля. Некоторое представление об интенсивности и направлении этого магнитного поля можно получить, насыпав на лист картона или стекла, положенный на магнит, железные опилки. Опилки выстроятся цепочками в направлении поля, а густота линий из опилок будет соответствовать интенсивности этого поля. (Гуще всего они у концов магнита, где интенсивность магнитного поля наибольшая. ) М. Фарадей (1791-1867) ввел для магнитов понятие замкнутых линий индукции. Линии индукции выходят в окружающее пространство из магнита у его северного полюса, входят в магнит у южного полюса и проходят внутри материала магнита от южного полюса обратно к северному, образуя замкнутую петлю. Полное число линий индукции, выходящих из магнита, называется магнитным потоком. Плотность магнитного потока, или магнитная индукция (В) , равна числу линий индукции, проходящих по нормали через элементарную площадку единичной величины. Магнитной индукцией определяется сила, с которой магнитное поле действует на находящийся в нем проводник с током. Если проводник, по которому проходит ток I, расположен перпендикулярно линиям индукции, то по закону Ампера сила F, действующая на проводник, перпендикулярна и полю, и проводнику и пропорциональна магнитной индукции, силе тока и длине проводника. Таким образом, для магнитной индукции B можно написать выражение
    где F – сила в ньютонах, I – ток в амперах, l – длина в метрах. Единицей измерения магнитной индукции является тесла (Тл).

  3. Gutaxe Ответить

    M=[pm В], (1.2)
    где: Ввектор магнитной индукции, являющейся количественной характеристикой магнитного поля.

    Ориентирующее действие поля на рамку с током используется для выбора направления вектора магнитной индукции поля В, в которое помещена рамка. За направление магнитного поля в данной точке принимается направление, вдоль которого располагается нормаль к рамке, находящейся в устойчивом положении.
    a = 90о; sina = 1 a = 0о; sina =0
    М == pmВsina = Mмах М = 0
    Рис.2. Действие магнитного поля на рамку с током и магнитную стрелку.
    Направление вектора В можно определить по устойчивому положению магнитной стрелки в поле – оно совпадает с направлением прямой, проведенной через центр магнитной стрелки от ее южного Sк северному Nполюсу.
    По величине максимального вращающего момента Mмах можно численно определить величину магнитной индукции В = Mмах / pm, следовательно, размерность магнитной индукции [B] = [ Н м /А м2] = [Н/ А м]=[Тл] – тесла.
    Так как магнитное поле является силовым, то его, по аналогии с электростатическим полем, изображают с помощью линий магнитной индукции – линий касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора В. Линии магнитной индукции можно «проявить», помещая магнит в железные опилки (рис.3).
    Направление линий магнитной индукции возбуждаемой током в проводнике задается правилом правого винта относительно направления тока, при этом силовые линии концентрически охватывают проводник с током – то есть являются замкнутыми. Поле, обладающее замкнутыми силовыми линиями, называется вихревым. Опыт показывает, что силовые линии магнитного поля также являются замкнутыми, т.е., в отличие от электрических зарядов отдельные свободные магнитные «заряды» – полюса не существуют, поэтому линии магнитной индукции не могут обрываться на полюсах.

    Рис.3. Силовые линии, возникающие вокруг контура с током
    Для объяснения магнитных свойств веществ Ампер предложил гипотезу, которая изложенная в современных физических терминах вполне удовлетворительно объясняет экспериментальные факты.
    Гипотеза Ампера: В любом теле существуют микроскопические токи, обусловленные движением электронов в атомах и молекулах. Возьмем простейшую модель – атом водорода. Движение электрона по орбите вокруг ядра можно рассматривать как протекание микротока (в сторону, противоположную движению электрона! Почему?), а саму орбиту – как элементарную рамку с током, характеризующуюся некоторым элементарным магнитным моментом pmi . Электроны вращаются в равновероятных плоскостях, поэтому суммарный магнитный момент атомов вещества Pm=Spmi=0. Если вблизи какого-либо тела разместить проводник с макротоком, то под действием его магнитного поля микротоки во всех атомах определенным образом ориентируются, создавая в теле дополнительное магнитное поле. Вектор магнитной индукции В, таким образом характеризует результирующее магнитное поле, создаваемое всеми макро- и микротоками, т.е. при одном же токе и прочих равных условиях вектор В в различных средах будет иметь разные значения.
    Магнитное поле макротоков в вакууме описывается вектором напряженности Н. В случае однородной изотропной среды вектор магнитной индукции связан с вектором напряженности следующим соотношением:
    В = mоmН, (1.3)
    где: mо – магнитная постоянная, зависящая от выбора системы единиц: m – безразмерная величина – магнитная проницаемость среды, показывающая, во сколько раз магнитное поле макротоков Н усиливается за счет поля микротоков среды.

    Рис.4. Магнитное поле, создаваемое микротоком I.
    Пользуясь гипотезой Ампера, можно объяснить отсутствие элементарных магнитных зарядов (полюсов). Микроток, созданный движением электрона по орбите, создает вокруг себя магнитное поле изображаемое набором концентрических силовых линий, направление которых определяется по правилу правого винта. Как показывает рис.4, силовые линии входят в плоскость орбиты с одной стороны и выходят из другой. Место входа силовых линий ассоциируется с южным полюсом, а место выхода – с северным полюсом (рис. 2). Элементарная рамка с током уже имеет два полюса, в зависимости от направления взгляда наблюдателя, а поскольку атом мы не может разрезать «по экватору», то ясно, что отдельных магнитных полюсов не существует.
    РЕЗЮМЕ:
    Магнитное поле – часть общего электромагнитного поля.
    Магнитное поле создается проводниками с током, отдельными движущимися электрическими зарядами и постоянными магнитами.
    Магнитное поле действует силовым образом на проводники с током, отдельные движущиеся заряды и на постоянные магниты.
    Магнитное поле определенным образом ориентирует контур с током и магнитную стрелку. Это позволяет определять направление магнитного поля.
    Знать значения терминов: рамка с током (контур с током), магнитный момент рамки, вращающий момент сил, действующий со стороны магнитного поля на рамку с током, микроток, макроток, индукция магнитного поля, напряженность магнитного поля.
    Пример решения задач по изучаемой теме
    Задача: Из отрезка проволоки длиной 4 метра сделали поочередно два рамки, состоящие из 10 витков: квадратную и круглую. Определить отношение напряженностей магнитных полей, создающих одинаковый максимальный вращающий момент на данные рамки.
    Дано: l = 4 м., N = 10, МO =Мy,
    Определить: НO/Нy =?
    Решение.
    Используем формулы:
    В=mоmН (1.3);
    Среда не указана, следовательно, под ней подразумеваем вакуум, для которого m=1. Следовательно, Н=В/mо. Максимальный вращающий момент, действующий на рамку равен
    М=рmBsin90o = рmB.
    Модуль магнитного момента рm рамки с током, состоящей из N витков равен
    pm= ISN,
    Площадь квадратной рамки Sy:
    Sy = а2, где а – сторона рамки, равная а =l/4N.
    Площадь круглой рамки SO:
    SO =pR2,
    радиус R рамки находим из того, что из провода длиной l сделали N витков, т.е.
    l= 2pRN, следовательно, R= l /2pN.
    Окончательно, SO =pR2= pl2/(4p2N2) = l2/(4pN2).
    Отношение напряженностей прямо пропорционально отношению индукций магнитных полей.
    НO/Нy =ВO/Вy =рmOB/рmy B =рmOmy
    ЛЕКЦИЯ №2

Добавить ответ

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *