магнитное поле.

ГОУ ДО центр «ПОИСК»
Козлов С.А.
Киселёв В.В.
Магнетизм
Лабораторная работа №10.9
МАГНИТНЫЕ СПЕКТРЫ
Инструкция
к выполнению измерений и исследований.
Бланк отчета
Заполняется простым карандашом.
Максимально аккуратно и разборчиво.
Работу выполнил:
…………………………………………..
«……»…………………20…… г.
Оценка: ……… %
Работу проверил:
………………………………………….
«……»…………………20…… г.
Ставрополь – 2011
1
Цель работы
Углубить теоретические представления о магнитных материалах,
магнитах, магнитном поле и освоить простейшие навыки планирования и проведения экспериментальных наблюдений, исследований
обоснования выводов и представления результатов.
Оборудование: магнитная стрелка (компас), электромагнит с источником тока, керамические магниты разной формы, мелкие железные
опилки, немагнитный штатив, образцы из разных материалов.
1. Теоретическая часть
1.1. Индукция магнитного поля
Основной характеристикой магнитного поля является вектор магнитной индукции В:
1. За направление вектора магнитной индукции принимается
направление от южного магнитного полюса S к северному N
свободно устанавливающееся в магнитном поле магнитной
стрелки. Это направление совпадает с направлением положительной нормали к замкнутому контуру с током, определяемому
с помощью правила «буравчика» (рис. 1).
Рис. 1
2. Модуль вектора магнитной индукции равен отношению максимального момента сил, действующих на контур с током, к произведению силы тока на площадь контура:
𝑀
𝐵 = 𝐼·𝑆
(1)
Н
Единицей магнитной индукции является тесла: 1Т = 1 2 .
𝐴·м
Наглядную картину магнитного поля можно получить, если построить так называемые линии магнитной индукции, т.е. линии, касательные к которым направлены так же, как и вектор магнитной индукции B в данной точке поля (рис. 2).
Густота линий магнитной индукции в данной области поля пропорциональна величине индукции в данном месте.
2
Важная особенность линий магнитной индукции состоит в том, что
они не имеют ни начала, ни конца. Они всегда замкнуты сами на себя.
Магнитное поле является вихревым полем.
Картину линий магнитной индукции можно сделать «видимой»,
воспользовавшись мелкими железными опилками. В магнитном поле
каждый из кусочков железа намагничивается и ведет себя как маленькая стрелка. Некоторые из картин магнитного поля приведены на
рисунках 2 и 3. Будем в дальнейшем называть их магнитными спектрами.
Рис. 2
Рис. 3
1.2. Получение магнитного поля
Неподвижные электрические заряды создают в окружающем пространстве электрическое поле. Движущиеся заряды создают магнитное поле. Любой проводник с током является источником магнитного
поля (рис.4). Магнитное поле можно усилить, если использовать катушку с током – соленоид, внутрь которого для усиления поля обычно вставляют железный сердечник. Положение магнитных полюсов
электромагнита зависит от направления тока в нем и может быть
определено с помощью правила «буравчика» или правила правой руки
(рис. 5).
Кроме того источникам магнитного поля являются так называемые
постоянные магниты различной формы: полосовые, подковообразные, кольцевые и т. п. Постоянные магниты ранее изготовляли из
специального сплава железа, а затем намагничивали с помощью электромагнитов.
Большое распространение в настоящее время получили так называемые керамические магниты на основе окиси железа Fe2O3 с различными присадками. В последнее время технология их изготовления
достигла больших успехов – керамические магниты стали очень
«сильными».
3
Рис. 4
Рис. 5
Постоянные магниты широко применяются в быту и технике. На
базе таких магнитов сконструированы малогабаритные электродвигатели, установленные, например, в приводах компьютеров: жесткий
диск, CD-ROM.
1.3. Магнитные вещества и материалы
Все вещества и материалы в той или иной мере обладают магнитными свойствами, т. е. являются магнетиками. Однако магнетизм
большинства веществ можно обнаружить только в сильных магнитных полях, т. е. они являются «слабомагнитными» веществами1.
«Сильномагнитными» материалами являются ферромагнетики. Это
чистые элементы – железо, кобальт, никель, а также различные их соединения.
Ферриты можно отнести к сильномагнитным материалам. Но они
отличаются от железа тем, что не проводят электрический ток.
2. Экспериментальная часть
Задание 1. Электромагнит. Определение магнитных полюсов.
1. Прежде всего, проверьте выданную магнитную стрелку – компас.
Северный конец стрелки, в нашем случае красный, должен, хотя бы
приблизительно, показывать на север.
2. Возьмите из выданного набора электромагнит. Направление намотки провода на указано на электромагните стрелкой. Соедините электромагнит с не включенным источником тока на 4В. С помощью правила «буравчика» или правила «правой руки» определите, где будет
1
Диа- и парамагнетики.
4
у электромагнита при включении тока северный и южный магнитный
полюс.
3. Включите источник тока. С помощью компаса проверьте правильность ваших предположений2.
4. В отчете честно укажите: вы ошиблись или нет?
5. Измените направление тока в электромагните. Что происходит при
этом с магнитными полюсами?
Отчет
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
Задание 2. Определение магнитных полюсов. Правило взаимодействия магнитов.
1. Возьмите из набора два призматических магнита под номером 1.
2. Определите с помощью компаса полюса этих магнитов.
3. Изучите взаимодействие магнитов, размещая их навстречу другдругу одноименными и разноименными полюсами.
4. Сформулируйте правило взаимодействия магнитов.
Отчет
Красный конец магнита - …………………………………………
Синий конец магнита - …………………………………………
Правило взаимодействия магнитов: ……………………………………..
……………………………………………………………………………..
……………………………………………………………………………..
Задание 3. Сильно- и слабомагнитные вещества
1. В выданном наборе имеются образцы различных веществ: железа,
никеля, алюминия, стекла, дерева, пластмассы, меди и т. д. Изучите
их магнитные свойства. При проведении этих опытов следует иметь
ввиду, что загрязнение образца другими веществами, может полностью исказить выводы. Особенно следует остерегаться попадания на
образец железных опилок, которые используются в этой работе.
2
Во избежание перегрева обмотки электромагнита, не держите его долго включенным.
5
2. Образцы представляют собой небольшие стержни. Для исследования они подвешиваются на нити, упругие свойства которой пренебрежительно малы. После того, как образец прекратит колебания,
медленно придвигая к нему магнит, следите за поведением образца.
Магнит следует располагать вблизи одного из концов образца.
3. Сначала испытайте сильномагнитные вещества – железо и никель.
Для этого можно использовать один не очень сильный магнит №1,
располагая его достаточно далеко от образца. Образцы подвешивать
на нитку не обязательно.
4. Для испытания остальных образцов возьмите у преподавателя
«сильные» магниты.
5. В отчете отмечайте, какой вид взаимодействия вы наблюдаете:
притяжение или отталкивание от магнита3.
6. Отдельно испытайте ферритовый образец. Для этого его не обязательно подвешивать на нити.
Отчет
Вещество
Вид взаимодействия (притяжение, отталкивание)
Сильно- или слабомагнитное
вещество
Железо
Никель
Алюминий
Стекло
Дерево
Пластмасса
Медь
Феррит
Задание 4. Получение магнитных спектров
Технология получения магнитных спектров может быть такой. Исследуемый магнит или магниты помещают в вырезы специальной
пластины. На листе бумаги рассыпают железные опилки по возможности равномерно «размазывая» их. Затем лист осторожно переносят
на пластину с магнитом. Образуется картинка магнитно-силовых линий. Для улучшения ее качества можно немного постучать по пластине пальцем.
Точнее следует говорить о втягивании образца в область сильного магнитного поля или выталкивании образца
из области сильного магнитного поля.
3
6
Полученную картинку следует срисовать в отчет и подписать. При
этом, конечно необходимо обозначить контур магнита и его полюса.
Ориентируйтесь на рисунки, приведенные в работе (рис. 3).
Получите и зарисуйте спектры магнитных полей: 1) полосового
магнита, 2) двух полосовых магнитов, расположенных навстречу друг
другу разноименными полюсами, 3) двух полосовых магнитов, расположенных навстречу друг другу одноименными полюсами, 4) подковообразного магнита, 5) цилиндрического магнита, 6) кольцевого
многополюсного магнита.
Отчет
Задание 5. Влияние вещества на магнитное поле
Если в магнитное поле, созданное, например, при помощи постоянного магнита, внести и закрепить постороннее тело, то магнитное
поле может остаться неизменным, но может и измениться. Проведите
наблюдения с телом из пластмассы и феррита – пластмассовое и ферритовое кольцо. Для этого укрепите нужное кольцо в вырезе рядом с
полосовым магнитом и получите с помощью железных опилок магнитные спектры. Выполните рисунки и сделайте выводы.
Отчет
7
Задание 6. Намагничивание и размагничивание железа
Две стальные скрепки выпрямляют. Вначале убеждаются в том, что
они не намагничены или почти не намагничены. Для этого скрепки
подвешивают рядом на штативе.
Затем одну из скрепок намагничивают при помощи сильного магнита, для чего 2-3 раза проводят одним из полюсов магнита вдоль
неё, касаясь поверхности. После этого с помощью второй скрепки
проверяют, намагнитилась ли эта скрепка?
Удерживая намагниченную скрепку пинцетом или плоскогубцами,
сильно нагревают в пламени газовой зажигалки или горилки.
Снова проверяют намагниченность скрепки.
Отчет
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
………………………………………………………………………………
Задание 7. Точка Кюри (еще одно наблюдение за размагничиванием).
При нагревании постоянного, например, железного, магнита тепловое движение «расшатывает» существующий магнитный порядок, что
приводит к уменьшению намагниченности магнита. При некоторой
критической температуре намагниченность исчезает полностью –
сильномагнитное вещество становится слабомагнитным. Эта очень
важная критическая температура называется точкой Кюри TC или θ.
Для железа это температура равна 1043К. Но есть вещества, у которых точка Кюри значительно ниже. В наборе имеется специально
приготовленная двуокись хрома (CrO2), точка Кюри для которой ТС
≈100°С. Порошок двуокиси хрома в виде таблетки запрессован в
оболочку из алюминиевой фольги.
Пронаблюдайте явление полного размагничивания образца CrO2 при
нагревании. Для этого
1. «Примагнитьте» таблетку с двуокисью хрома к керамическому
магниту.
8
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7.
2. Нагрейте таблетку пламенем газовой зажигалки до температуры,
при которой она полностью размагнитится и отпадет от магнита.
3. Таблетка быстро остынет и вновь приобретет магнитные свойства.
Контрольные вопросы
Вектор магнитной индукции – основная характеристика магнитного поля. Как он вводится? Единицы измерения.
Правила проведения линий магнитной индукции (силовых линий
магнитного поля).
Как, глядя на картину силовых линий можно сказать, где магнитное поле сильнее?
Говорят: линии магнитной индукции начинаются на северном полюсе магнита и заканчиваются на южном. Как это согласуется с
утверждением: линии магнитной индукции замкнуты?
Объясните, почему не намагниченное железо притягивается к магниту.
Можно ли защититься от магнитного поля?
Почему медная пластинка падает медленнее между полюсами
сильного магнита, чем свободно? Проверьте это на опыте.
Дополнительные и творческие задания
Задание 1. Изготовление магнитного компаса. Из имеющегося
набора соберите компас. Результат продемонстрируйте преподавателю.
Оборудование. Керамические магниты, деревянный или алюминиевый штатив, стержень длиной 5-8 см, нить длиной до 1 м,
Задание 2. Изготовление термомагнитного маятника. Из имеющегося набора соберите маятник, в основе действия которого лежат
гравитация, магнитное притяжение и точка Кюри. Результат продемонстрируйте преподавателю.
Оборудование. Скрепка канцелярская, тонкая медная проволока,
нить, штатив, спиртовка, постоянный магнит
Задание 3. Измерение силы магнитного притяжения. Предложите
способы измерения силы притяжения стального тела к постоянному
магниту.
Задание 4. Имеется следующее оборудование: источник тока (гальванический элемент), две скрепки, моток медного провода, сильный
магнит, скотч. Сконструируйте электродвигатель.
9
Задание 5. Придумайте собственный интересный опыт с магнитами,
изложите гипотезу, продумайте методику, опишите результаты.
10