Vybrané aktivity pri vyučovaní elektriny a magnetizmu

Transcript

1 Názov projektu: CIV Centrum Internetového vzdelávania FMFI Číslo projektu: SOP ĽZ 2005/1-046 ITMS: Vladimír Plášek Vybrané aktivity pri vyučovaní elektriny a magnetizmu

2 Názov projektu: CIV Centrum Internetového vzdelávania FMFI Číslo projektu: SOP ĽZ 2005/1-046 ITMS: MAGNETICKÉ POLE Vladimír Plášek FMFI UK Osnovy: Magnetické pole stáleho magnetu a vodiča s prúdom. Vedomosti a zručnosti: Znázorniť magnetické pole permanentného magnetu, priameho vodiča s prúdom a cievky s prúdom magnetickými indukčnými čiarami. Určte v danom mieste magnetického poľa znázorneného magnetickými indukčnými čiarami, akú polohu zaujme magnetka. Navrhnúť experiment, vysvetliť a porovnať vzájomné pôsobenie vodičov s prúdom. Určte smer magnetických síl, ktorými na seba navzájom pôsobia dva rovnobežné priame vodiče s prúdom, ak prúd vo vodičoch má a) súhlasný smer, b) opačný smer. Uvážte, či sa dva závity cievky, ktorými prechádza prúd, navzájom priťahujú alebo odpudzujú. Obsah: AKTIVITA 1: magnet Pomôcky: 2 magnety Realizácia: ako na seba pôsobia 2 magnetky, magnetka s tyčovým magnetom a 2 tyčové magnety? Dá sa nájsť jeden pól magnetu? 2

3 Metodické poznámky: Stály magnet je dipól- má 2 neoddeliteľné póly- N,S, pól určíme pomocou orientácie magnetky, súhlasné póly sa priťahujú a nesúhlasné sa odpudzujú História: Magnetické pole: je to priestor, v ktorom sa prejavujú silové účinky elektrických nábojov a magnetov. Je zvláštny prípad poľa elektromagnetického. Do fyziky ho zaviedol Michael Faraday. Jeho predstava sa zásadne líšila od predstáv vtedajších fyzikov, ktorí brali pole ako abstraktný pojem. Podľa Faradaya je prostredie alebo priestor okolo neho tak isto podstatný ako magnet sám, lebo je súčasťou skutočného a úplného magnetického systému. AKTIVITA 2: indukčné čiary magnetu Pomôcky: 2 magnety, piliny, plexisklo Realizácia: pozoruj orientáciu magnetiek v okolí magnetu, nasyp železné piliny na papier nad magnetom a jemne potras papierom, opíš čo pozoruješ. Metodické poznámky: Indukčné čiary- mapujeme pomocou nich magnetické pole o Železo je feromagnetická látka- v magnetickom poli sa stáva indukovaným magnetom, piliny vytvárajú reťazce a čiara, ktorá reťazcom prechádza sa nazýva indukčná čiara, pozdĺžna os magnetky leží na dotyčnici k indukčnej čiare. o Indukčné čiary sú uzavreté krivky História: Priestor okolo elektrického náboja a magnetu si Faraday predstavoval plný elektrických siločiar a magnetických indukčných čiar, ktoré najprv považoval za pomocný pojem a od r im prisúdil fyzikálnu realitu. V jeho štruktúre sú to silové trubice, ktoré majú tendenciu sa rozširovať bočným smerom a skracovať v pozdĺžnom smere. Chovajú sa ako napnuté gumová vlákna, začínajú a končia na elektrických nábojoch, alebo v prípade tyčových magnetov prechádzajú cez magnetické póly a tvoria uzavreté krivky. Veľkou inšpiráciou k indukčným čiaram mu boli pilinové obrazce. AKTIVITA 3: zemský magnetizmus Pomôcky: obrázky Realizácia: referát zadaný na minulej hodine Metodické poznámky + história: o Magnetická deklinácia δ 3

4 o Magnetická inklinácia i o Bratislava: sev.š vých. d., δ= 4,5, i= 63 o ( Obr.1 Zem sa podobá na obrovský magnet Prvé podrobnejšie štúdium magnetizmu uverejnil Sir William Gilbert v roku Skúmal veľký kus magnetitu opracovaný do tvaru gule a meral smer magnetického poľa na jej povrchu. Zistil, že magnetické vlastnosti Zeme a gule z magnetitu sú podobné, a že celá Zem sa správa ako veľký magnet (obr. 1). Pretože severný a južný pól magnetov sa navzájom priťahujú, severný pól magnetky (ktorý ukazuje na sever) je priťahovaný k južnému magnetickému pólu Zeme. Preto je južný magnetický pól Zeme na severnej pologuli. predstavujú vlastne elektrické prúdy, ktoré tvoria zemské magnetické pole. Obr. 2 Konvenčné tepelné prúdy roztavenej horniny vo vnútri Zeme Ako teda vzniká magnetické pole Zeme? Ako najpravdepodobnejšia sa javí teória, ktorá predpokladá prúdenie roztavenej horniny vo vnútri Zeme (obr. 2). Pod asi 2000 kilometrovým pevným plášťom Zeme sa nachádza asi 3000 km hrubá vrstva taveniny, ktorá obklopuje pevné jadro Zeme. Prúdením taveniny obsahujúcej ióny vzniká elektrický prúd, ktorý vytvára magnetické pole. Keďže ide o prúdenie taveniny obrovských rozmerov, na dosiahnutie zemského magnetického poľa stačí rýchlosť prúdenia len niekoľko milimetrov za sekundu. Ale prečo k prúdeniu dochádza? Pravdepodobne vďaka rozdielnej teplote taveniny v rôznych miestach Zeme (konvenčné tepelné prúdy) a rotácii Zeme. Naša Zem sa teda vlastne správa ako obrovský elektrický generátor. Odkiaľ však získava potrebnú energiu nie je celkom jasné. 4

5 AKTIVITA 4: Magnetické pole v okolí cievky, ktorou prechádza elektrický prúd Pomôcky: cievka s plexisklom 10A, reostat, ampérmeter, zdroj, piliny obr.3 obr.4 o Obr. 3 a 4- magnetické pole cievky s prúdom Realizácia: zapojíme elektrický obvod podľa obrázku v učebnici a nasypeme železné piliny, alebo prikladáme magnetku. Pozorujeme ako vyzerá magnetické pole v okolí cievky s prúdom. AKTIVITA 5: Magnetické pole v okolí vodiča, ktorým prechádza elektrický prúd Obr. 3- magnetické pole vodiča s prúdom Pomôcky: vodič s plexisklom 10A, reostat, ampérmeter, zdroj, piliny Realizácia: zapojíme elektrický obvod podľa obrázku v učebnici a nasypeme železné piliny, alebo prikladáme magnetku. Pozorujeme ako vyzerá magnetické pole v okolí vodiča s prúdom. Metodické poznámky + história: Ampérovo pravidlo pravej ruky (reformulácia: smer indukčných čiar) AKTIVITA 6: Oerstedov pokus. 5

6 Pomôcky: voľne zavesená magnetka, reostat 13 Ω, zdroj 4,5 V, ampérmeter, rôzne kovy ako vodiče, rôzne materiály ako prekážka, mosadzné púzdro naplnené vodou Realizácia: postupovať podľa historického listu H. Ch. Oersted 6

7 7

8 Názov projektu: CIV Centrum Internetového vzdelávania FMFI Číslo projektu: SOP ĽZ 2005/1-046 ITMS: MAGNETICKÉ POLE CIEVKY S PRÚDOM. Vladimír Plášek FMFI UK Vedomosti a zručnosti: Definovať veličinu magnetická indukcia magnetického poľa a magnetický indukčný tok, určiť ich výpočtom. Valcová cievka má dĺžku 40 cm a tvorí ju 100 závitov husto navinutého drôtu. Oceľové jadro cievky má relatívnu permeabilitu Cievkou prechádza prúd 0,1 A. Určte magnetickú indukciu poľa v strede cievky bez jadra a s jadrom. AKTIVITA 1: pokúste sa otvoriť uzavreté jadro cievky, ak obvodom prechádza elektrický prúd! Pomôcky: uzavreté jadro s cievkou, zdroj jednosmerného prúdu Realizácia: zapojíme obvod a vyvoláme žiaka. Nech skúsi odtrhnúť uzavreté jadro cievky. Metodické poznámky: upozorníme na silné magnetické pole cievky. Poďme ho preskúmať. AKTIVITA 2: kvalitatívne preskúmanie magnetického poľa cievky Pomôcky: cievka, zdroj jednosmerného prúdu, železné piliny, kompas, závit Realizácia: necháme žiakov skúmať magnetické pole 1 závitu a cievky pomocou kompasu a železných pilín na papieri, ktorý vložíme do cievky. Preskúmame aj magnetické pole v okolí mobilu. Metodické poznámky: mali by sme dospieť k záverom, že: 8

9 o hustota indukčných čiar, a teda aj magnetická indukcia je väčšia v dutine cievky o pri väčšom prúde bude účinok na magnetku väčší o jediný závit vytvára pole s menšou magnetickou indukciou ako cievka s viacerými závitmi, zavedieme pojem hustota závitov N/l AKTIVITA 3: oboznámenie sa s rôznymi typmi cievok z praxe Pomôcky: skrutky a medený drôt, solenoid, Helmholtzove cievky, toroid Realizácia: požiadame žiakov, aby si vyrobili vlastnú cievku- solenoid- namotaním medeného drôtu s izoláciou na skrutku. Ukážeme im aj pomôcku- solenoid. Oboznámime ich so vzťahom pre veľkosť magnetickej indukcie v solenoide: N. I B = µ µ 0 r orientáciu určujeme Ampérovým pravidlom pravej ruky l o magnetické pole vnútri solenoidu, ktorého priemer je oveľa menší ako jeho dĺžka je takmer homogénne o Helmholtzove cievky sú zdrojom takmer homogénneho, ale slabého magnetického poľa. Sú to dve rovnaké úzke kruhové cievky so spoločnou osou, ktorých vzájomná vzdialenosť sa rovná ich polomeru. Sú spojené sériovo, takže prúd nimi prechádza rovnakým smerom. o Toroid, alebo prstencová cievka zohrala významnú úlohu aj vo faradayových pokusoch. Vznikne navinutím vodiča na jadro prstenca. Magnetické pole je sústredené takmer iba v dutine cievky. Indukčnými čiarami sú kružnice. AKTIVITA 4: kvantitatívne preskúmanie magnetického poľa cievky Pomôcky: solenoid, zdroj jednosmerného prúdu, reostat, ampérmeter, teslameter Realizácia: zapojíme obvod podľa schémy, necháme cievkou prechádzať prúd, ktorý regulujeme reostatom. Do tabuľky zapisujeme dvojice hodnoty: prúdu a hodnoty veľkosti magnetickej indukcie. V niektorom programe (Excell, IP Coach) necháme vykresliť graf. Zistíme lineárnu závisloť, teda B I. Metodické poznámky: teslameter- prístroj na meranie magnetickej indukcie, základ tvorí Hallova sonda a merací prístroj so stupnicou v jednotkách tesla. 9

10 Príklad z úvodu. D.Ú. : Ako funguje istič? Pomôcky: internet Realizácia: zadáme úlohu, zistiť ako funguje istič 10

11 11

12 Názov projektu: CIV Centrum Internetového vzdelávania FMFI Číslo projektu: SOP ĽZ 2005/1-046 ITMS: Magnetická indukcia Vladimír Plášek FMFI UK definovať veličiny magnetická indukcia, vyjadriť magnetickú silu pôsobiacu na vodič s prúdom a na pohybujúcu sa časticu s elektrickým nábojom Vedomosti a zručnosti: Navrhnúť experiment, vysvetliť a porovnať vzájomné pôsobenie vodičov s prúdom. Určte smer magnetických síl, ktorými na seba navzájom pôsobia dva rovnobežné priame vodiče s prúdom, ak prúd vo vodičoch má a) súhlasný smer, b) opačný smer. Uvážte, či sa dva závity cievky, ktorými prechádza prúd, navzájom priťahujú alebo odpudzujú. Obsah: AKTIVITA 1: Magnetické pole pôsobí na vodiče, ktorými prechádza elektrický prúd Pomôcky: magnet tvaru U, dva stojany, batéria 4,5V, reostat, ampérmeter Realizácia: medzi stojany napneme ľahký vodič. Zapojíme obvod do elektrického prúdu a pozorujeme správanie vodiča. 12

13 Metodické poznámky: F m - magneticka sila- 1.závisí od prechádzajúceho prúdu- regulujeme reostatom, 2.od aktívnej dĺžky vodiča- od dĺžky l, ktorou vodič zasahuje do magnetického poľa, 3.od miesta, do ktorého vodič zavesíme- tam, kde budú indukčné čiary hustejšie, budú aj silové účinky poľa na vodič väčšie. Ako sa zmení smer pôsobiacej magnetickej sily ak zmeníme smer prúdu alebo smer magnetického poľa? Veličina, ktorá tieto vlastnosti mag. poľa opisuje je MAGNETICKÁ INDUKCIA B Veľkosť B- dĺžka vektora Smer B- leží na priamke, ktorá je dotyčnicou indukčnej čiary v danom bode magnetického poľa. Smer magnetickej sily určujeme podľa Flemingovho pravidla ľavej ruky: Ak položíme otvorenú dlaň ľavej ruky na vodič v magnetickom poli tak, aby prsty ukazovali smer prúdu a indukčné čiary vstupovali do dlane, magnetická sila pôsobí na vodič v smere palca. História: 13

14 Na počiatku vývoja elektrónok bol známy vynálezca žiarovky T. A. Edison ( ). Cieľom jeho pokusov v roku 1880 bolo objasniť kratšiu životnosť uhlíkových žiaroviek a zistiť možnosť ako ju zvýšiť. Do banky žiarovky zatavil kovovú platničku. Zistil, že pripojením kladného potenciálu na platničku prechádza vákuom žiarovky elektrický prúd, pričom objavil častice, vyletujúce z rozžeraveného vlákna. Americký patent na popísaný jav získal Edison v roku Častice z rozžeraveného vlákna však neboli atómy uhlíka, ako sa vtedy domnieval, ale elektróny, čo dokázal v roku 1897 J. J. Thomson ( ), laureát Nobelovej ceny za rok 1906 a tzv. Edisonov jav nazvali tepelná emisia elektrónov, termoemisia. Edison objav ešte nevedel využiť. Možnosť využitia javu postrehol v roku 1896 londýnsky vedec J. A. Fleming ( ) a v roku 1904 prezentoval Flemingovu diódu. Skladala sa zo žiarovkovej banky s vláknom, nazvaným katóda a špeciálnej elektródy, anódy. Vytvorený systém diódovej elektrónky použil na usmernenie (detekciu) vysokofrekvenčných signálov. Dióda sa začala používať v prvých bezdrôtových telegrafoch. Flemingove práce s diódou umožnili vývoj rádia. Neskôr sa dióda používala ako usmerňovač v napájacích zdrojoch. Kvantitatívne jav opísal ešte pred Flemingom francúzsky fyziky A.M.Ampére. V r vykonal a publikoval výsledky merania síl, ktorými na seba pôsobia vodiče, ktorými prechádza prúd. Jeho merania mu umožnili vysloviť zákon, ktorý nazývame Ampérov zákon: F m = B. I. l sin α, kde l = l sin α nazývame aktívnu dĺžku vodiča. Pre vodič, ktorý je kolmý na indukčné čiary platí vzťah: F m = B. I. l Jednotkou magnetickej indukcie je tesla (T), staršia jednotka je gauss. Zem má magnetickú indukciu 0,05mT, čo je rovné 0,5 gauss. 14

15 AKTIVITA 2: Magnetické podpis lode. Pomôcky: videozáznam, prezentačná technika Realizácia + história: pustíme postupne 3 videozáznamy: aktivácia míny (1:01 min.), magnetický podpis (2:57 min.) a zloženie míny (5:27 min.). Metodické poznámky: o aktivácia míny: ako by ste to zrealizovali? Poukázať na možnosti IP Coach a elektromagnetického relé a zrealizovať výbuch, prípadne pustiť výbuch z videozáznamu. o magnetický podpis: Ako funguje Hallova sonda? o zloženie míny: na príjemné dokončenie hodiny. 15

16 16

17 Názov projektu: CIV Centrum Internetového vzdelávania FMFI Číslo projektu: SOP ĽZ 2005/1-046 ITMS: AMPÉROV ZÁKON Vladimír Plášek FMFI UK Osnovy: navrhnúť experiment, vysvetliť a porovnať vzájomné pôsobenie vodičov s prúdom; Vedomosti a zručnosti: Navrhnúť experiment, vysvetliť a porovnať vzájomné pôsobenie vodičov s prúdom. Určte smer magnetických síl, ktorými na seba navzájom pôsobia dva rovnobežné priame vodiče s prúdom, ak prúd vo vodičoch má a) súhlasný smer, b) opačný smer. Uvážte, či sa dva závity cievky, ktorými prechádza prúd, navzájom priťahujú alebo odpudzujú. Obsah: AKTIVITA 1: historický list Pomôcky + história: historický list André Maria Ampére Realizácia: najprv porozprávame niečo o živote André Ampéra, potom vysvetlíme hlavnú myšlienku Ampérovej elektrodynamiky, t.j. elektrické i magnetické javy možno vysvetliť pomocou vzájomného pôsobenia prúdových slučiek, lebo aj magnetizmus má elektrickú povahu- je tvorený molekulovými prúdmi. Na záver prevedieme pokusy podľa príbehu v liste. Metodické poznámky: o Magnetické silové pôsobenie medzi dvoma priamymi rovnobežnými vodičmi s prúdmi rovnakého smeru je príťažlivé. 17

18 o Magnetické silové pôsobenie medzi dvoma priamymi rovnobežnými vodičmi s prúdmi opačného smeru je odpudivé. o Prečo? Lebo Flemingovo pravidlo ľavej ruky. o Závislosť veľkosti magnetickej sily od prúdov vo vodičoch I 1, I 2, od vzdialenosti medzi vodičmi d, od dĺžky vodičov l a od permeability prostredia. Permeabilita prostredia je = 7 = 2 súčin permeability vákua ( µ = 4π.10 N A ) a relatívnej permeability (číslo, ktoré 0. udáva koľkokrát je permeabilita istého látkového prostredia väčšia alebo menšia ako permeabilita vákua). I1I = k l, d F m 2 µ k =, µ = µ 0µ r 2π o definícia Ampéra: Ampér je stály prúd, ktorý pri prechode dvoma priamymi rovnobežnými nekonečne dlhými vodičmi zanedbateľného prierezu, umiestnenými vo vákuu vo vzájomnej vzdialenosti1 m, vyvolá medzi týmito vodičmi silu s veľkosťou N na 1m dĺžky. o Prvý Faradayov zákon: Množstvo látky vylúčené na ktorejkoľvek elektróde je priamo úmerné elektrickému náboju, ktorý prešiel elektrolytom. Tento zákon platí veľmi presne, nebolo treba na ňom ani neskôr nič meniť. Preto niet divu, že pomocou prvého Faradayova zákona bola v r definovaná jednotka elektrického prúdu ampér (medzinárodný normál elektrického prúdu) je prúd, ktorý vylúč pri elektrolýze na katóde z roztoku dusičnanu strieborného za 1 sekundu 1,118 mg striebra). Príklady podľa učebnice. 18

19 19