Pole magnetyczne wokół przewodnika z prądem. Elektromagnesy i ich zastosowanie
Gdy rozsypiemy drobne opiłki metalowe wokół magnesu i przewodnika, przez który przepływa prąd elektryczny, ułożą się one w określone kształty geometryczne. Wiesz już, że przyczyną tego zjawiska jest pole magnetyczne wytwarzane przez magnes. Czy tak samo będzie w przypadku przewodnika?
opisać właściwości magnesu: każdy magnes jest dipolem, tzn. posiada dwa bieguny magnetyczne: północny (N) i południowy (S). Bieguny jednoimienne (dwa północne albo dwa południowe) się odpychają, a różnoimienne (północny i południowy) – przyciągają;
podać definicję pola magnetycznego jako przestrzeni wokół magnesu, w której działają siły magnetyczne;
stwierdzić, że północny biegun igły magnetycznej skierowany jest ku południowemu biegunowi magnetycznemu, a południowy biegun igły – ku północnemu biegunowi magnetycznemu;
wymienić właściwości ferromagnetyków i podać ich przykłady (żelazo, kobalt, nikiel);
stwierdzić, że wokół Ziemi znajduje się pole magnetyczne.
badać pole magnetyczne wokół przewodnika z prądem;
opisywać i prezentować działanie elektromagnesu;
omawiać rolę rdzenia w elektromagnesie;
budować prosty elektromagnes;
stosować elektromagnes.
miedziany przewód o długości 30–50 cm;
baterię 4,5V;
gwóźdź;
igłę magnetyczną (lub kompas);
drobne przedmioty, np.: spinacze, szpilki, pierścionek, kolczyki, gumkę do ścierania, folię aluminiową;
magnes;
2 złączki, tzw. krokodylki.
Możesz wykorzystać znajdujące się w wielu szkołach przewody zakończone wtyczkami oraz podstawkę do baterii i inne elementy znajdujące się w zestawach do nauki o elektryczności.
1. Pole magnetyczne wokół przewodnika z prądem
Obecność pola magnetycznego można zbadać za pomocą igły magnetycznej. W pobliżu magnesu ustawia się ona wzdłuż linii sił pola magnetycznego i wskazuje biegun południowy. Za pomocą igły magnetycznej wyznacza się położenie biegunów magnetycznych Ziemi oraz kierunki geograficzne. Czy pole magnetyczne występuje tylko wokół magnesów i Ziemi? Aby się tego dowiedzieć, wykonaj doświadczenie.
Film dostępny na portalu epodreczniki.pl
Nagranie wideo na temat oddziaływania na odległość. Widok na stół laboratoryjny. Na stole potrzebne przyrządy: igła magnetyczna na ostrzu z podstawką, obwód prądowy zbudowany z grubego przewodu miedzianego, przewód jest umieszczony na izolujących podstawkach, jego część przebiega nad igłą magnetyczną i ta część jest prostoliniowa; końce przewodu podłączone do zasilacza wysokoprądowego 5A/30V.Najazd kamery na igłę. Inset w wolnym rogu ekranu pokazujący rękę demonstratora włączającą zasilacz. Igła odchyla się w bok. Dalej widok igły i inset w rogu. W insecie widać jak ręka demonstratora wyłącza zasilacz. Igła powraca do pierwotnego położenia (równolegle do przewodu).
Na na powyższym filmie nie pokazano prostownika zamieniającego zmienne napięcie na stałe.
Uzupełnij puste miejsca wybierając brakujące elementy z listy.
wokół przewodnika z prądem występuje pole magnetyczne, nie wychyla się, cały czas wskazuje ten sam kierunek, jest ona popsuta, wychyla się, wokół przewodnika z prądem nie ma pola magnetycznego, wskazuje południe magnetyczne, znajdują się elektrony, płynie prąd elektryczny
Jeśli igłę magnetyczną umieścimy blisko przewodnika, w którym płynie prąd, to igła ..................................................................................................................... Zachowanie się igły świadczy o tym, że ..................................................................................................................... Na podstawie doświadczenia dochodzimy do wniosku, że pole magnetyczne powstaje wokół przewodnika gdy w nim .....................................................................................................................
Ruch igły magnetycznej w pobliżu przewodnikaprzewodnika, przez który płynie prąd elektryczny, informuje o występowaniu pola magnetycznego. Kierunek wychylenia igły zależy od tego, w którą stronę płynie prąd. Związek ten odkrył najprawdopodobniej Hans Christian OerstedHans Christian Oersted, dlatego doświadczenie przedstawione na filmie nazywane jest doświadczeniem Oersteda.
– substancje, które przewodzą prąd, np. miedź, aluminium, złoto, elektrolity, zjonizowane gazy.
Już w dawnych czasach zauważono, że żelazne przedmioty magnesują się pod wpływem uderzenia pioruna. Źródła historyczne podają, że doświadczenie Oersteda po raz pierwszy w 1802 r. przeprowadził włoski prawnik Gian Domenico Romagnosi. Opublikował on dwie prace dotyczące eksperymentu polegającego na dotykaniu igłą magnetyczną srebrnego łańcuszka połączonego drugim końcem ogniwem Volty. Efektem doświadczenia było odchylenie igły magnetycznej. Doświadczenie Romagnosiego opierało się jednak na oddziaływaniu elektrostatycznym.
Na podstawie powyższego filmu oceń prawdziwość zdań.
| Prawda | Fałsz | |
| Aby zbadać kształt pola magnetycznego wokół przewodnika z prądem, można posłużyć się opiłkami żelaza. | □ | □ |
| Aby wyznaczyć kierunek pola magnetycznego wokół przewodnika z prądem wystarczy zbliżyć do niego igłę magnetyczną. | □ | □ |
| Linie pole magnetyczne wokół przewodnika z prądem układają się tak samo jak wokół magnesu sztabkowego. | □ | □ |
Czy zmiana kształtu przewodnika wpłynie na zmianę kształtu pola magnetycznego?
Film dostępny na portalu epodreczniki.pl
Pole magnetyczne
Linie pola magnetycznego wokół przewodnika zwiniętego w pętlę zagęszczają się w jej wnętrzu. Jeśli drut zwiniemy wielokrotnie, to otrzymamy zwojnicę, a opiłki żelaza będą się układać w identyczny sposób jak wokół magnesu.
Wokół przewodnika, przez który płynie prąd, powstaje pole magnetyczne. Układ linii tego pola zależy od kształtu przewodnika. Kierunek pola magnetycznego zależy od tego, w którą stronę płynie prąd.
2. Elektromagnesy i ich zastosowanie
Występowanie pola magnetycznego wokół przewodnika z prądem ma szerokie zastosowanie w technice i przemyśle. Często wykorzystywane są urządzenia nazywane elektromagnesamielektromagnesami. Elektromagnes składa się ze zwojnicy, rdzenia i źródła prądu.
Ważną rolę odgrywa ferromagnetyczny rdzeń elektromagnesu. W jego wnętrzu powstają domeny magnetyczne, wzmacniające pole magnetyczne zwojnicy. Zbudujmy elektromagnes i sprawdźmy, na jakiej zasadzie on działa.
Budowa elektromagnesu i badanie jego wpływu na różne substancje.
miedziany przewód o długości 30–50 cm;
bateria 4,5 V;
gwóźdź;
igła magnetyczna (lub kompas);
drobne przedmioty np. spinacze, szpilki, pierścionek, kolczyki, gumka do ścierania, folia aluminiowa itp.;
2 złączki, tzw. krokodylki.
Na gwóźdź nawiń przewód tak, by jego końce można było połączyć z baterią.
Połącz przewód z baterią.
Za pomocą igły magnetycznej zbadaj pole magnetyczne wokół zwojnicy. Określ bieguny magnetyczne elektromagnesu.
Odłącz przewód od baterii. Podłącz ponownie, ale zmień kierunek przepływu prądu.
Ponownie zbadaj pole magnetyczne i określ bieguny magnetyczne elektromagnesu.
Zbliżaj elektromagnes (przede wszystkim rdzeń) do małych przedmiotów.
Zidentyfikowałeś bieguny magnetyczne północny i południowy. Drobne przedmioty wykonane z ferromagnetyków są najsilniej przyciągane przez bieguny elektromagnesu. Można więc stwierdzić, że pole magnetyczne wokół elektromagnesu jest podobne do pola magnesu sztabkowego.
Elektromagnesy mają różne zastosowanie. W składnicach złomu dźwigi elektromagnetyczne przenoszą wraki samochodów. Elektromagnesy stosuje się w zamkach elektrycznych. Gdy przez elektromagnes płynie prąd, wytwarzane jest pole magnetyczne, które silnie działa na metalowy (stalowy) element zamka (zasuwę). Powoduje to przesunięcie zasuwy i możliwość otwarcia drzwi. Po zamknięciu drzwi umieszczona odpowiednio spężyna powoduje przesunięcie zasuwy i zablokowanie zamka. Zamek można otworzyć po ponownym podłączeniu prądu. Najsilniejsze elektromagnesy znajdują zastosowanie w akceleratorachakceleratorach służących do kontrolowania ruchu cząstek mających wysoką energiach. Pole magnetyczne wytwarzane przez przewodniki z prądem do niedawna sterowało ruchem elektronów w kineskopach telewizyjnych i monitorach komputerowych.
Podsumowanie
Jeśli przez przewodnik płynie prąd, wokół tego przewodnika wytwarza się pole magnetyczne.
Kierunek linii sił pola magnetycznego można określić za pomocą igły magnetycznej.
Kierunek linii sił pola magnetycznego zależy od tego, w którą stronę płynie prąd elektryczny.
Układ linii sił pola magnetycznego wokół przewodnika z prądem zależy od kształtu przewodnika.
Wokół prostoliniowego przewodnika z prądem pole magnetyczne ma kształt współśrodkowych okręgów.
Pole magnetyczne wokół zwojnicy przypomina kształtem pole magnetyczne wokół magnesu sztabkowego.
Elektromagnes działa dzięki polu magnetycznemu wokół przewodnika z prądem.
Elektromagnes składa się ze zwojnicy i ferromagnetycznego rdzenia.
Elektromagnesy stosuje się m.in. w zamkach elektromagnetycznych i akceleratorach.
Czy elektromagnes i magnes działają wzajemnie jeden na drugi?
Elektromagnes działa na magnes i magnes działa na elektromagnes.
miedziany przewód o długości 30–50 cm;
bateria 4,5 V;
gwóźdź;
2 złączki tzw. krokodylki;
magnes.
Zbuduj elektromagnes – nawiń przewód na gwóźdź tak, by jego końce można było połączyć z baterią.
Zbadaj oddziaływanie magnesu i elektromagnesu – zbliż je do siebie biegunami jednoimiennymi i różnoimiennymi.
W zeszycie sporządź schemat doświadczenia i sporządź notatkę zawierającą wyniki obserwacji oraz wnioski.
Słowniczek
– urządzenie, które przyspiesza elektrony, protony i jony do bardzo dużych prędkości, tzn. bliskich prędkości światła (300 000 km/s).
– magnes, którego pole magnetyczne powstaje w wyniku przepływu prądu elektrycznego. Jest to zwojnica, wewnątrz której znajduje się ferromagnetyczny rdzeń (np. ze stali, żelaza).
Biogram
Hans Christian Oersted
Hans Christian Oersted był duńskim fizykiem i chemikiem. Odkrył, że prąd elektryczny powoduje powstawanie pola magnetycznego. Jak podają źródła historyczne, 21 kwietnia 1820 r. Oersted zauważył, że igła kompasu odchyla się od kierunku północnego, gdy przewód jest na przemian podłączany do baterii i odłączny od niej. To stwierdzić naukowcowi, że występuje jakiś związek między elektrycznością a magnetyzmem. Trzy miesiące później Oested opublikował pracę, w której pokazał, że pole magnetyczne wokół przewodnika z prądem ma kształt okręgu.
Zadania podsumowujące lekcję
Jeśli przez przewód prostoliniowy płynie prąd i w pobliżu znajduje się kompas, to igła magnetyczna kompasu
- obraca się.
- wskazuje północ.
- wskazuje południe.
- nie reaguje.
Własności pola magnetycznego wokół przewodnika, przez który płynie prąd można zbadać posługując się zestawem doświadczalnym, składającym się z:
- przewodnika.
- źródła prądu np. baterii.
- opiłków żelaza.
- igły magnetycznej.
- amperomierza.
- woltomierza.
- pasków folii aluminiowej.
Określ prawdziwość zdań dotyczących pola magnetycznego wokół przewodnika, przez który płynie prąd.
| Prawda | Fałsz | |
| Wokół prostoliniowego przewodnika z prądem pole magnetyczne ma kształt współśrodkowych okręgów. | □ | □ |
| Kształt linii pola magnetycznego wokół przewodnika z prądem nie zależy od kształtu przewodnika. | □ | □ |
Stalowy rdzeń wewnątrz zwojnicy z prądem zwiększa pole magnetyczne, ponieważ
- pod wpływem pola magnetycznego zwojnicy następuje silne namagnesowanie rdzenia.
- pod wpływem pola magnetycznego stali następuje uporządkowanie domen magnetycznych w zwojnicy.
- stal jest ferromagnetykiem.
- zwojnica przewodzi prąd.
Stalowy rdzeń wewnątrz zwojnicy z prądem zwiększa pole magnetyczne, ponieważ
- pod wpływem pola magnetycznego zwojnicy następuje silne namagnesowanie rdzenia.
- pod wpływem pola magnetycznego stali następuje uporządkowanie domen magnetycznych w zwojnicy.
- stal jest ferromagnetykiem.
- zwojnica przewodzi prąd.