План урока Магнитное поле для 9 класса
Введение
- Основные понятия: магнетизм, электромагнитное поле
- Явление электромагнитной индукции
- Сила Ампера (воздействие магнитного поля на проводник с током)
Значение магнитной индукции
- Создается движущимися зарядами
- Действует только на движущиеся заряды или токи
Основные характеристики
- Вектор индукции магнитного поля
- Направление вектора магнитной индукции
Единицы измерения
- 1 Тесла (1 Тл)
Правила магнитного поля
- Обратимость правил
- Правило буравчика 1
- Правило буравчика 2
- Правило правой руки 1
- Правило правой руки 2
- Способ из старого учебника
Эксперимент
- Свойства силовых линий магнитного поля
Сила Ампера
- Действие магнитного поля на проводник с током
Заинтересованы в преподавании физики? Присоединяйтесь к нам и зарабатывайте от 40 до 100 000 рублей в месяц! Приглашаем учителей физики с высшим образованием и опытом подготовки к выпускным экзаменам.
Картинки эксперимента и диаграммы правил магнитного поля доступны выше. Учите школьников интересным и познавательным материалам!
Сила Ампера
Модуль силы Ампера FА равен произведению модуля индукции магнитного поля B, в котором находится проводник с током, длины этого проводника l, силы тока в нем I и синуса угла между направлениями тока и вектора индукции магнитного поля sinα:
FА = B ∙ I ∙ l ∙ sinα
Этой формулой можно пользоваться:
Для определения направления силы Ампера применяют правило левой руки. Если ладонь левой руки расположить так, чтобы вектор индукции магнитного поля входил в ладонь, четыре вытянутых пальца указывали направление тока, тогда отогнутый на большой палец укажет направление силы Ампера.
Ампер и параллельные проводники
Одним из важных примеров магнитного взаимодействия является взаимодействие параллельных токов. Закономерности этого явления были экспериментально установлены Андре Мари Ампером.
Взаимодействие токов вызывается их магнитными полями: магнитное поле одного тока действует силой Ампера на другой ток, и наоборот.
Магнитное взаимодействие параллельных проводников с током используется в международной системе единиц (СИ) для определения единицы силы тока — ампера.
Ампер — сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызвал бы между этими проводниками силу магнитного взаимодействия, равную 2∙10^-7 Н на каждый метр длины.
Сила Лоренца
Понимание магнитного поля строится на двух положениях: движущиеся заряды создают магнитное поле, и магнитное поле действует на движущиеся заряды. Сила, с которой магнитное поле действует на движущийся заряд, называется силой Лоренца.
Для определения направления силы Лоренца применяют правило левой руки: если левую руку расположить так, чтобы вектор индукции магнитного поля входил в ладонь, четыре вытянутых пальца указывали направления скорости движения положительно заряженной частицы, тогда отогнутый на большой палец в плоскости ладони укажет направление силы Лоренца. Для отрицательной частицы четыре вытянутых пальца направляют против скорости движения частицы.
Движение частиц в магнитном поле
- Если скорость заряженной частицы массой направлена вдоль вектора индукции магнитного поля, то частица будет двигаться по прямой с постоянной скоростью (сила Лоренца равна нулю).
Влияние магнитного поля на заряженные частицы
Если скорость заряженной частицы массой перпендикулярна вектору индукции магнитного поля, то частица будет двигаться по радиусу окружности, плоскость которой перпендикулярна линиям индукции.
Если скорость заряженной частицы массой m направлена под углом к вектору индукции магнитного поля, то частица будет двигаться по винтовой линии радиуса R и шагом h. Действие силы Лоренца широко используют в различных электротехнических устройствах.
Действие магнитного поля на рамку с током
Рассмотрим проволочную проводящую рамку, находящуюся во внешнем магнитном поле. Если в этой рамке создать электрический ток I, то на рамку со стороны магнитного поля начнут действовать силы Ампера.
Если внешнее магнитное поле является однородным, то равнодействующая всех сил Ампера будет равна нулю, однако момент всех сил Ампера в нуль обращаться не будет, что означает то, что рамка начнет вращаться (создается вращающий момент, и рамка поворачивается в положение, в котором вектор.
На данном факте основано действие электродвигателя постоянного тока (электромотора).
Если внешнее магнитное поле является неоднородным, то равнодействующая всех сил Ампера и момент всех сил не будут равны нулю, то есть свободная рамка начнет поступательно двигаться плюс вращаться (неоднородное магнитное поле ориентирует, а также притягивает или отталкивает рамку с током).
Магнитные свойства вещества
Постоянные магниты могут быть изготовлены лишь из немногих веществ, но все вещества, помещенные в магнитное поле, намагничиваются, т. е. сами становятся источниками магнитного поля. В результате этого вектор магнитной индукции при наличии вещества отличается от вектора магнитной индукции.
Магнитная проницаемость вещества μ показывает, во сколько раз вектор магнитной индукции в веществе больше, чем вектор магнитной индукции 0 в вакууме, то есть:
Магнитные свойства вещества определяют по тому, как эти вещества реагируют на внешнее магнитное поле и каким образом упорядочена их внутренняя структура. Существует три основных класса веществ с резко различающимися магнитными свойствами.
Магнитное поле Земли
Обойти вниманием самый большой магнит на планете, на которой мы живем было бы непростительно.
Магнитные и географические полюса Земли не совпадают друг с другом. Южный магнитный полюс находится вблизи северного географического полюса, около северного берега озера Виктория (Канада). Северный магнитный полюс находится вблизи южного географического полюса, около берегов Антарктиды. Магнитные полюса Земли перемещаются (дрейфуют).
Магнитное поле Земли и его изменения
Магнитное поле Земли не остается постоянным, оно испытывает медленные изменения во времени (вековые вариации). Кроме того, происходят периодические изменения расположения магнитных полюсов на противоположные – инверсии.
Влияние солнечной активности на магнитное поле Земли
При увеличении солнечной активности интенсивность солнечного ветра увеличивается. Частицы солнечного ветра, ионизируя верхние слои атмосферы в северных широтах, вызывают северные сияния, так как в магнитном поле Земли атомы кислорода и молекулы азота начинают свечение. Магнитное поле Земли защищает жителей планеты от воздействия солнечного ветра.
Магнитные бури – это значительные изменения магнитного поля Земли под воздействием усиленного солнечного ветра, вызванных вспышками на Солнце и выбросами заряженных частиц. Обычно магнитные бури длится от 6 до 12 часов, после чего параметры земного поля возвращаются к норме. Однако, за такое короткое время магнитная буря может сильно повлиять на радиосвязь, электросвязь и даже на людей.
Использование магнитного поля Земли
Магнитное поле Земли начали использовать люди еще в XVII-XVIII веках, когда появился компас – магнитная стрелка, широко применяемая в мореходстве для навигации.
Магнитное поле Земли служит ориентиром для многих живых организмов, помогая им в ориентации в пространстве.
Напряжение в проводнике в магнитном поле
С помощью силы Лоренца можно объяснить явление поляризации и возникновения ЭДС индукции в движущемся в магнитном поле проводнике. Если поместить проводник на рельсы и направить магнитное поле вертикально к плоскости проводника, то при перемещении проводника с постоянной скоростью появится электрический ток в проводнике.
Магнитный поток
Магнитный поток – это скалярная величина, определяющая прохождение магнитного поля через поверхность. Обозначается как Ф. Магнитный поток Ф, пронизывающий площадь контура, зависит от угла между вектором магнитной индукции и площадью контура.
- Если угол α=0°, то магнитный поток максимален (Фmax=B∙S)
- Если угол α=90°, то магнитный поток равен нулю (Ф=0).
Явление электромагнитной индукции
Электромагнитная индукция — это явление возникновения тока в замкнутом проводнике при прохождении через него магнитного потока, изменяющегося со временем.
В настоящее время в основе многих устройств лежит явление электромагнитной индукции. Например, в двигателе или генераторе электрического тока, в трансформаторах, радиоприемниках и многих других устройствах.
Благодаря этому явлению мы можем преобразовывать механическую энергию в электрическую, а до открытия этого явления люди не знали о методах получения электрического тока кроме как от источников тока.
Опыт № 1
Если в соленоид (катушка индуктивности), который замкнут на гальванометр, вдвигать или выдвигать постоянный магнит, то в моменты его вдвигания или выдвигания мы видим отклонение стрелки гальванометра (возникает индукционный ток). При этом отклонения стрелки при вдвигании и выдвигании магнита имеют противоположные направления.
Отклонение стрелки гальванометра тем больше, чем больше скорость движения магнита относительно катушки. При смене в опыте полюсов магнита направление отклонения стрелки также изменится. Для получения индукционного тока можно оставлять магнит неподвижным, тогда нужно относительно магнита перемещать соленоид.
Опыт № 2
Если рядом расположить две катушки (например, на общем сердечнике или одну катушку внутри другой) и одну катушку через ключ соединить с источником тока, то при замыкании или размыкании ключа в цепи первой катушки во второй катушке появится индукционный ток. В моменты включения или выключения тока наблюдается отклонение стрелки гальванометра, а также в моменты его уменьшения или увеличения, а также при перемещении катушек друг относительно друга. Направления отклонений стрелки гальванометра также имеют противоположные направления при включении или выключении тока, его увеличении или уменьшении, приближении или удалении катушек.
Исследуя результаты своих многочисленных опытов, Фарадей пришел к заключению, что индукционный ток возникает всегда, когда в опыте осуществляется изменение сцепленного с контуром потока магнитной индукции (магнитного потока).
Например, при повороте в однородном магнитном поле замкнутого проводящего контура в нем также появляется индукционный ток. В этом случае индукция магнитного поля вблизи контура остается постоянной, а меняется только поток магнитной индукции сквозь контур.
Открытие явления электромагнитной индукции дало возможность получать электрический ток с помощью магнитного поля и подтолкнуло разработку теории электромагнитного поля.
Закон электромагнитной индукции Фарадея
При изменении полного магнитного потока Ф, пронизывающего контур, в этом контуре возникает ЭДС индукции:
— скорость изменения магнитного потока Ф, пронизывающего этот контур.
Знак «-» в законе показывает то, как ориентирована возникающая ЭДС в контуре. Это так называемое правило Ленца.
По формуле Ф=B*S*cosα для магнитного потока отчетливо видно, что поток меняется:
Во всех этих случаях по закону Фарадея в контуре будет индуцироваться ЭДС индукции.
Правило Ленца: «ЭДС индукции, возникающая в контуре, ориентирована так, что индукционный ток, который она создает, направлен так, чтобы ослабить действие причины, возбуждающей эту ЭДС, а стало быть, и индукционный ток».
Рисунок иллюстрирует правило Ленца на примере неподвижного проводящего контура, который находится в однородном магнитном поле, модуль индукции которого увеличивается во времени.
В этом примере
Итоги
Выполнили все цели урока, провели несколько познавательных эксперимента, узнали новые физические величины и явления.
Эксперты Skyeng и Skysmart подготовили для вас методические подарки.
Выбирайте те, что нужны, или заберите все!