Doświadczenia Ch. Oersteda i A. Ampere'a (patrz § 1) potwierdzają to, że prąd elektryczny wytwarza pole magnetyczne. A czy może być odwrotnie, aby pole magnetyczne wytwarzało prąd elektryczny? 29 sierpnia 1831 r. po przeprowadzeniu powyżej 16 tysięcy doświadczeń angielski fizyk i chemik M. Faraday otrzymał prąd elektryczny za pomocą pola magnetycznego magnesu trwałego. O tych doświadczeniach i ich znaczeniu dla rozwoju fizyki i techniki dowiesz się z tego paragrafu.
Powtarzamy doświadczenia Faradaya
Weź zwojnicę, podłącz do galwanometru i włóż magnes trwały do środka zwojnicy. Podczas ruchu magnesu wskazówka galwanometru wychyla się, to świadczy, że w obwodzie płynie prąd (rys. 8.1, a). Im szybciej poruszać
magnesem, tym większy będzie prąd; jeżeli magnesem nie poruszać, to prąd nie popłynie — wskazówka wróci do zera (rys. 8.1, b). Przy wysuwaniu magnesu ze zwojnicy zobaczymy, że wskazówka galwanometru odchyli się w przeciwnym kierunku (rys. 8.1, c), gdy magnes pozostawić bez ruchu, to wskazówka wraca do zera.
Rys. 8.1. Doświadczenia potwierdzające powstanie prądu: a - magnes wsuwamy do zwojnicy, wskazówka galwanometru odchyla się w prawo; b - magnes nieruchomy, prądu nie ma, wskazówka nie odchyla się; c - przy wysuwaniu magnesu ze zwojnicy, wskazówka galwanometru odchyla się w lewo
Jeżeli pozostawić magnes w stanie nieruchomym, a poruszać zwojnicę (zbliżając do magnesu lub oddalając, lub obracając w pobliżu bieguna magnesu), to w pobliżu wskazówka galwanometru odchyli się.
Weź dwie zwojnice — A i B — i włóż je na wspólny rdzeń (rys. 8.2). Podłącz zwojnicę B przez opornik ze źródłem prądu, zwojnicę A z galwanometrem. Jeżeli przesuwać suwak opornika, to w zwojnicy A powstanie prąd elektryczny. Prąd powstaje przy zwiększeniu i zmniejszeniu natężenia prądu w zwojnicy B. Jednak kierunek prądu będzie różny: przy zwiększeniu natężenia prądu wskazówka odchyli się w jedną stronę, przy zmniejszeniu - w przeciwną. Prąd w zwojnicy A powstanie i przy zamykaniu i przy rozerwaniu obwodu zwojnicy B.
Jak uważasz, czy będzie powstawać prąd w zwojnicy A (patrz rys. 8.2), jeżeli poruszać zwojnicą A względem zwojnicy ΒΊ
Wszystkie przeprowadzone doświadczenia - to współczesny przykład tych doświadczeń, które przeprowadzał w ciągu 10 lat M. Faraday i, dzięki którym stwierdził: w zamkniętym obwodzie przewodzącym powstaje prąd elektryczny, gdy ilość linii indukcji
magnetycznej, przenikających przez powierzchnią, ograniczoną obwodem, zmienia się.
Zjawisko otrzymało nazwę zjawiska indukcji elektromagnetycznej, a prąd, który przy tym powstaje - indukcyjnym (rys. 8.3).
Czy powstanie prąd indukcyjny w zamkniętym obwodzie przewodzącym, jeżeli przesuwać go między biegunami elektromagnesu (rys. 8N)?
Wyjaśnijmy przyczynę wzbudzania się prądu indukcyjnego
Wyjaśniliśmy, w jaki sposób w zamkniętym obwodzie przewodzącym wynika prąd. Dlaczego tak jest? Rozpatrzymy dwa wypadki.
1. Obwód przewodzący porusza się w polu magnetycznym (rys. 8,3, a). Jeżeli przewodnik porusza się w polu magnetycznym, to swobodne cząstki naładowane w środku przewodnika poruszają się razem z przewodnikiem w określonym kierunku.
Na poruszające się cząstki naładowane pole magnetyczne działa z określoną siłą. Pod działaniem siły cząstki naładowane poruszają się uporządkowanie wzdłuż przewodnika — w przewodniku powstaje indukcyjny prąd elektryczny
2. Nieruchomy obwód przewodzący znajduje się w zmiennym polu magnetycznym (rys. 8.3, b).
Siły, działające ze strony pola magnetycznego nie mogą uporządkować chaotyczny ruch cząstek naładowanych w środku przewodnika. Dlaczego w obwodzie powstaje prąd indukcyjny? Jest tak przez to, że zmiennemu polu magnetycznemu zawsze towarzyszy wirowe pole elektryczne (linie sił pola są zamknięte).
Pole elektryczne, a nie magnetyczne, działa na swobodne cząstki naładowane w przewodniku i uporządkowuje ich ruch, wytwarzając w taki sposób prąd indukcyjny.
Określamy kierunek prąciu indukcyjnego
Za pomocą zwojnicy zamkniętej określimy kierunek prądu indukcyjnego. Jeżeli zmieniać pole magnetyczne, przenikające przez zwojnicę (na przykład, zbliżając lub oddalając magnes), to w zwojnicy wynika prąd indukcyjny. Na skutek tego zwojnica staje się magnesem. Doświadczenia świadczą:
1) jeżeli magnes zbliżać do zwojnicy, to ona będzie od niego się odpychać;
2) jeżeli magnes oddalać od zwojnicy, to będzie ona do niego się przyciągać.
To znaczy:
1) jeżeli liczba linii indukcji magnetycznej, przenikających przez zwojnicę, zwiększa się (pole magnetyczne w środku zwojnicy wzmacnia się), to w zwojnicy powstaje prąd indukcyjny o takim kierunku, że zwojnica będzie obrócona do magnesu biegunem równoimiennym (rys. 8,5, a).
2) Jeżeli ilość linii indukcji magnetycznej, przenikających przez zwojnicę, zmniejsza się, to w zwojnicy powstaje prąd indukcyjny o takim kierunku, że zwojnica będzie obrócona do magnesu biegunem różnoimiennym (rys. 8.5, b).
Znając bieguny zwojnicy i stosując regułę prawej dłoni, można określić kierunek prądu indukcyjnego dla wypadku, gdy dwie zwojnice znajdują się na wspólnym rdzeniu (patrz punkt 5 „Uczymy się rozwiązywać zadania” § 8).
Zapoznamy się z przemysłowymi źródłami energii elektrycznej
Zjawisko indukcji elektromagnetycznej wykorzystuje się w generatorach elektromechanicznych, bez których nie możliwie wyobrazić sobie współczesną elektroenergetykę.
Generator elektromechaniczny - urządzenie, w którym energia mechaniczna przemienia się na energię elektryczną.
Spróbujemy zrozumieć zasadę działania generatora elektromechanicznego za pomocą doświadczenia. Bierzemy ramkę z kilku zwojów drutu i zaczynamy obracać ją w polu magnetycznym magnesu trwałego (rys. 8J3). Podczas obrotu ramki liczba linii magnetycznych, przenikających przez nie, kolejnie zwiększa się i zmniejsza się. W ramce powstaje prąd elektryczny, co potwierdza się świeceniem żarówki.
Przemysłowe generatory prądu elektrycznego mają budowę podobną do budowy silników elektrycznych. Jednak zasada działania generatora -to silnik elektryczny „na odwrót”. Generator, podobnie jak silnik elektryczny, składa się z wirnika i stojana (rys. 8.7). Duży nieruchomy stojan (1) jest walcem, na wewnętrznej powierzchni którego znajduje się gruby miedziany drut izolowany -uzwojenie stojana (2). W środku stojana obraca się wirnik (3). Podobnie jak stojan, jest wielkim
walcem, w przecięcia którego włożono uzwojenie stojana (4). Na uzwojenia wirnika podaje się napięcie od źródła prądu stałego.
Prąd płynie w uzwojeniu wirnika, wytwarzając wokół pole magnetyczne, które przenika przez uzwojenie stojana.
Pod działaniem pary (na elektrowniach cieplnych i atomowych) lub wody, padającej z wysokości (na elektrowniach wodnych), wirnik zaczyna szybko obracać się. Na skutek tego liczba linii indukcji magnetycznej, przenikającej przez uzwojenie stojana, zmienia się i w uzwojeniu stojana powstaje indukcyjny prąd elektryczny. Prąd po kilku przemianach podaje się do odbiornika energii elektrycznej.
Uczymy się rozwiązywać zadania
Zadanie. Zwojnica i pierścień aluminiowy znajdują się na wspólnym rdzeniu (rys. 1). Określ kierunek prądu indukcyjnego w pierścieniu, jeżeli klucz zamknąć. Jak będzie zachowywać się pierścień w moment zamykania klucza? po jakimś czasie od zamykania klucza? w momencie rozerwania klucza?
Analiza problemu fizycznego, rozwiązanie
1) Prąd w zwojnicy jest skierowany wzdłuż przedniej ścianki do góry (od „+” do
Za pomocą prawej ręki określ bieguny zwojnicy (kierunek linii magnetycznych w środku zwojnicy): bliższy do pierścienia będzie południowy biegun zwojnicy (rys. 2).
2) W momencie zamykania klucza natężenie prądu w zwojnicy zwiększa się, dlatego pole magnetyczne w środku pierścienia wzmacnia się.
3) W pierścieniu powstaje prąd indukcyjny o takim kierunku, że pierścień będzie obrócony do zwojnicy równoimiennym biegunem (południowym) i będzie odpychać się od niej.
4) Za pomocą prawej ręki, określ kierunek prądu indukcyjnego w pierścieniu (on będzie przeciwny do kierunku prądu w zwojnicy).
Prawie odrazu po zamykaniu klucza prąd w zwojnicy będzie stały, pole magnetyczne w środku pierścienia nie będzie zmieniać się i prądu indukcyjnego w pierścieniu nie będzie. Tak jak pierścień jest sporządzony ze słabo namagnesowanego materiału, to nie będzie oddziaływać ze zwojnicą.
W momencie rozmykania klucza natężenie prądu w zwojnicy szybko zmniejsza się, wytworzone zwojnicę pole magnetyczne słabnie. W pierścieniu powstaje prąd indukcyjny o takim kierunku, że pierścień będzie odwrócony do zwojnicy różnoimien-nym biegunem i na krótki moment będzie przyciągnięty do niej (rys. 3).
Algorytm określenia kierunku prądu indukcyjnego
1. Określamy kierunek indukcji magnetycznej zewnętrznego pola magnetycznego.
2. Wyjaśniamy, wzmacnia się czy słabnie zewnętrzne pole magnetyczne (czyli zwiększa się czy zmniejsza się liczba linii indukcji magnetycznej, przenikającej przez obwód).
3. Określamy kierunek pola magnetycznego, wytworzonego przez prąd indukcyjny.
4. Określamy kierunek prądu indukcyjnego.
Podsumowanie
W zamkniętym obwodzie przewodzącym w wypadku zmiany liczby linii indukcji magnetycznej, przenikających przez obwód, powstaje prąd elektryczny. Prąd nazywamy indukcyjnym, a zjawisko powstania prądu - indukcją elektromagnetyczną.
Jedną z przyczyn powstania prądu indukcyjnego jest to, że zmienne pole magnetyczne zawsze wytwarza w przestrzeni pole elektryczne. Pole elektryczne działa na swobodne cząstki naładowane w przewodniku, cząstki będą poruszać się ruchem uporządkowanym - powstaje prąd indukcyjny.
Pytania kontrolne
1. Opisz doświadczenia M. Faradaya. 2. Na czym polega zjawisko indukcji elektromagnetycznej? 3. Jaki prąd nazywamy indukcyjnym? 4. Wymień przyczyny powstania prądu indukcyjnego. 5. Podstawą pracy jakich urządzeń jest zjawisko indukcji elektromagnetycznej? Jakie przemiany energii w nich zachodzą? 6. Opisz budowę i zasadę działania generatorów prądu elektrycznego.
Ćwiczenie nr 8
1. Dwie nieruchome zwojnice rozmieszczone są tak, jak przedstawia rys. 1. Mi-liamperomierz jest podłączony z jedną z nich i wskazuje obecność prądu. Kiedy jest to możliwe?
2. Na rys. 2 pokazano urządzenie, nazywane „pętlą Lenza”. Urządzenie składa się z dwóch pętli aluminiowych (zamkniętej i rozerwanej), umocowanych na pręcie aluminiowym, łatwo obracającym się wokół osi pionowej.
1) Jak będzie zachowywać się pętla zamknięta, jeżeli:
a) podnosić do niej magnes? b) odsuwać od niej magnes? c) podnosić do niej magnes biegunem południowym?
2) Określ kierunek prądu indukcyjnego oraz kierunek pola magnetycznego, wytworzonego przez prąd w pętli zamkniętej dla każdego wypadku w p. 1.
3) Co będzie, gdy magnes podnosić do pętli rozerwanej?
3. Dwie zwojnice osadzone na wspólny rdzeń (rys. 3). Określ kierunek prądu indukcyjnego w zwojnicy A, jeżeli: 1) obwód zamknąć; 2) obwód rozerwać;
3) przesunąć suwak opornika w lewo; 4) przesunąć suwak opornika w prawo.
4. Ułóż zadanie, odwrotne do rozpatrzonego w punkcie 5 „Uczymy się rozwiązywać zadania” § 8. Rozwiąż otrzymane zadanie.
PRACA LABORATORYJNA NR 2
Temat. Obserwacja zjawiska indukcji elektromagnetycznej.
Cel: zbadać warunki powstania prądu indukcyjnego w zwojnicy zamkniętej; wyjaśnić od jakich czynników zależy siła i kierunek prądu indukcyjnego.
Przyrządy: miliamperomierz, dwa sztabkowe lub
podkowiaste magnesy, druciana zwojnica.
WYKONANIE PRACY
Przygotowanie się do doświadczenia
1. Przed wykonaniem pracy przypomnij:
1) wymagania bezpieczeństwa podczas pracy z obwodami elektrycznymi;
2) zasady, których należy dostrzegać podczas mierzenia natężenia prądu amperomierzem;
3) jak zależy natężenie prądu indukcyjnego od prędkości zmiany pola magnetycznego;
4) od czego zależy kierunek prądu indukcyjnego.
2. Wykonaj zadanie. Na rys. 1-4 przedstawiono magnes sztabkowy, zwojnicę, podłączoną do miliamperomierza, zaznaczono kierunek prędkości ruchu magnesu. Narysuj ich w zeszycie i dla każdego wypadku:
1) wskaż magnetyczne bieguny zwojnicy;
2) określ i wskaż kierunek prądu indukcyjnego w zwojnicy.
3. Zmontuj obwód elektryczny, łącząc zwojnicę z miliamperomierzem.
4. Zaznacz jeden koniec zwojnicy markerem.
Doświadczenie Ί
Wyjaśnienie warunków powstania prądu indukcyjnego w przewodniku zamkniętym i czynników, od których zależy kierunek prądu indukcyjnego.
Trzymając w ręku zwojnicę i magnes, kolejnie wykonaj doświadczenia, zaznaczone w hib. 1.
Zwróć uwagę! Magnes należy wkładać do zwojnicy i wyciągać go z niej od zaznaczonej strony.
Tabela 1
|
Numer doświad czenia |
Działania z magnesem i zwojnicą |
Jak zachowuje się wskazówka miliamperomierza (odchyla się w lewo, w prawo, nie odchyla się) |
|
1 |
Włóż magnes do zwojnicy biegunem północnym |
|
|
2 |
Zostaw magnes nieruchomo |
|
|
3 |
Wyciągnij magnes ze zwojnicy |
|
|
4 |
Włóż magnes do zwojnicy biegunem południowym |
|
|
5 |
Zostaw magnes nieruchomo |
|
|
6 |
Wyciągnij magnes ze zwojnicy |
|
|
7 |
Zbliżaj zwojnicę do południowego bieguna magnesu |
|
|
8 |
Zbliżaj zwojnicę do północnego bieguna magnesu |
Analiza wyników doświadczenia 1
Przeanalizuj tab. 1 i sformułuj wniosek, w którym zaznacz:
1) warunki powstania prądu indukcyjnego w zamkniętej zwojnicy;
2) jak zmienia się kierunek prądu indukcyjnego przy zmianie kierunku ruchu magnesu;
3) jak zmienia się kierunek prądu indukcyjnego przy zmianie bieguna magnesu, który zbliża się lub oddala się od zwojnicy.
Doświadczenie 2
Wyjaśnienie czynników, od których zależy wartość indukcyjnego prądu. Trzymając zwojnicę i magnes w rękach, kolejnie wykonaj doświadczenia, zaznaczone w tab.JZ. Zapisz wskazania miliamperomierza do tab. 2.
Tabela 2
|
Numer doświad czenia |
Działania z magnesem i zwojnicą |
Natężenie prądu /, mA |
|
1 |
Szybko wkładaj magnes do zwojnicy |
|
|
2 |
Powoli wkładaj magnes do zwojnicy |
|
|
3 |
Szybko wkładaj do zwojnicy dwa magnesy, złożone równoimiennymi biegunami |
|
|
4 |
Powoli wkładaj do zwojnicy dwa magnesy, złożone równoimiennymi biegunami |
Analiza wyników doświadczenia 2
Przeanalizuj tab. 2 i sformułuj wniosek, w którym zaznacz:
1) jak zależy natężenie prądu indukcyjnego od prędkości względnego ruchu magnesu i zwojnicy;
2) jak zależy natężenie prądu indukcyjnego od wartości indukcji zewnętrznego pola magnetycznego, zmiana którego powoduje powstanie prądu w zwojnicy.
Zadanie twórcze
Pomyśl i zapisz plan przeprowadzenia doświadczeń badania warunków powstania prądu indukcyjnego w zwojnicy zamkniętej dla wypadków, gdy dwie zwojnice nasadzone są na wspólny rdzeń (patrz rys. 5-7). Postaraj się przeprowadzić doświadczenia. Wyciągnij wnioski. Dla zaznaczonych wypadków wskaż bieguny każdej zwojnicy i kierunki ruchu w nich.
PODSUMOWANIE ROZDZIAŁU I „Pole magnetyczne"
1. Badając rozdział I, dowiedziałeś się, że człowiek najpierw wiedział o magnesach trwałych i nauczył się ich stosować; później stworzono elektromagnesy, które wykorzystują się obecnie na szeroką skale.
2. Wyjaśniliśmy, że wokół ciała namagnesowanego, poruszającej się cząstki i przewodnika z prądem istnieje pole magnetyczne.
POLE MAGNETYCZNE
rodzaj materii, która istnieje wokół ciał namagnesowanych, przewodników z prądem i poruszających się ciał lub cząstek naładowanych i działa na inne ciała namagnesowane, przewodnik z prądem i poruszające się ciała lub cząstki naładowane, znajdujące się w tym polu
3. Wiemy, że w polu magnetycznym wszystkie substancje namagnesowują się w różny sposób.
4. Wyjaśniliśmy, że na przewodnik z prądem, znajdujący się w polu magnetycznym, działa określona siła - siła Ampere’a.
5. Powtórzyliśmy doświadczenia M. Faradaya i zapoznaliśmy się ze zjawiskiem indukcji elektromagnetycznej.
ZJAWISKO INDUKCJI ELEKTROMAGNETYCZNEJ
Doświadczenia Faradaya
Przy zmianie ilości linii indukcji magnetycznej, przenikających przez zwojnicę, w zwojnicy powstaje indukcyjny prąd elektryczny
Przemysłowe produkowanie prądu
Generator elektromechaniczny -
urządzenie, w którym energia mechaniczna przemienia się na energię elektryczną
ZADANIA DO ROZDZIAŁU I „Pole magnetyczne"
Zadania 1,2, 5-7 mają jedną prawdziwą odpowiedź.
1. (1 punkt) Południowy biegun magnetyczny igły magnesu wskazuje:
a) północny biegun geograficzny Ziemi;
b) południowy biegun magnetyczny Ziemi;
c) południowy biegun geograficzny Ziemi;
d) równik Ziemi
2. (1 punkt) Pole magnetyczne zwojnicy z prądem słabnie, gdy:
a) do środka zwojnicy włożyć rdzeń żelazny;
b) zwiększyć liczbę zwojów w uzwojeniu;
c) zmniejszyć natężenie prądu;
d) zwiększyć natężenie prądu.
3. (2 punkty) Ustal zgodność między faktami naukowymi i doświadczeniami. 1 Wokół przewodnika z prądem istnieje
pole magnetyczne
2. Wokół Ziemi istnieje pole magnetyczne
3. Dwa przewodniki z prądem oddziałują wzajemnie
4. Zmienne pole magnetyczne wytwarza pole elektryczne
A Doświadczenia Ampere’a B Doświadczenia Gilberta C Doświadczenia Oersteda D Doświadczenia Coulomba E Doświadczenia Faradaya
4. (2 punkty) Wybierz wszystkie poprawne twierdzenia.
a) Biegun magnesu — część powierzchni magnesu, w którym najbardziej przejawia się magnetyczne działanie.
b) Linie indukcji jednorodnego pola magnetycznego są wykrzywione.
c) Jednostką indukcji magnetycznej w SI jest tesla.
d) Wirnik — to nieruchoma część silnika.
5. (2 punkty) W jakim wypadku (rys. 1) kierunek linii indukcji pola magnetycznego prostoliniowego przewodnika z prądem zaznaczono poprawnie?
6. (2 punkty) W którym z wypadków (rys. 2) kierunek siły Ampere’a oznaczono
poprawnie?
7. (2 punkty) Prostoliniowy przewodnik o długości 0,6 m znajduje się w jednorodnym polu magnetycznym o indukcji 1,2 mT pod kątem 30° do linii indukcji magnetycznej pola. Oblicz siłę Ampere’a, działającą na przewodnik, jeżeli natężenie prądu w nim równa się 5 A.
a) 1,8 mN; b) 2,5 mN; c) 3,6 mN; d) 10 mN.
8. (2 punkty) Ziarno przed podaniem na kamień młyński przepuszczają między biegunami silnego magnesu. W jakim celu to robią?
(3 punkty) Igła magnetyczna ustawia się w polu magnetycznym zwojnicy z prądem tak, jak pokazano na rys. 3. Określ zaciski źródła prądu.
(3 punkty) Na rys. 4 pokazana jest ramka, obracająca się w polu magnetycznym magnesu trwałego. Określ zaciski źródła, do którego jest ona podłączona.
(3 punkty) Rys. 5 ilustruje przewodnik z prądem, znajdujący się w polu magnetycznym magnesu podkowiastego. Określ bieguny magnesu.
(3 punkty) Jeżeli do igły magnetycznej kompasu podnieść magnes trwały, to odchyli się ona w kierunku „północ — południe”. Czy będzie odchylać się igła, gdy podnieść do niej klocek żelazny? klocek miedziany?
13. (4 punkty) Określ bieguny elektromagnesu (rys. 6). Jak zmieni się siła podnoszenia elektromagnesu, gdy suwak opornika suwakowego przesunąć w lewo?
14. (4 punkty) Określ kierunek prądu indukcyjnego w zamkniętym pierścieniu przewodzącym w moment zamykania klucza (rys. 7).
15. (4 punkty) Rdzeń stalowy o długości 40 cm i o masie 50 g leży prostopadle do poziomych szyn (rys. 8). Wzdłuż szyn jest skierowane jednorodne pole magnetyczne o indukcji 0,25 T. Przez rdzeń przepuszczany jest prąd elektryczny o natężeniu 2 A. Z jaką siłą on działa na szyny?
Sprawdź swoje odpowiedzi z odpowiedziami na końcu podręcznika. Oznacz zadania. wykonane prawidłowo, policz sumę punktów. Następnie podziel sumę przez trzy. Otrzymana, liczba będzie odpowiadać poziomowi twojej wiedzy.
Zadania dodatkowe, sprawdzające przez komputer znajdziesz w wariancie elektronicznym „Nauczanie interaktywne”.
Od gwiazd do „Latających żab”, czyli dlaczego są potrzebne magnesy
Dla większości ludzi magnesy — to są kompasy. Inżynierowie przypominają o ich stosowaniu w silnikach elektrycznych i generatorach prądu elektrycznego. Jednak wszystkie te konstrukcji są dawno znane. Więc, dalsze badanie zjawisk magnetycznych jest niepotrzebne?
Nie śpiesz się z odpowiedzią, przypomnij na przykład, o pociągach „bez tarcia”. Szynami takich pociągów jest pole magnetyczne. Dwa magnesy, jeden umieszczony w oporach, inny — w pociągu, obrócone są ku sobie równoimiennymi biegunami, a więc, odpychają się. Pociąg jakby „leci” nad jezdnią. O zaletach takiego technicznego rozwiązania dokładnie napisano na stronie encyklopedycznej podręcznika klasy 8.
Rozważmy jeszcze kilka stosowań potężnych magnesów. W tym celu wyjaśnijmy, czym są magnesy potężne? Porównamy pola magnetyczne różnych obiektów w tabeli, w której podano, ile razy pole danego obiektu jest silniejsze od pola magnetycznego Ziemi. Więc, pole magnetyczne Ziemi jest przyjęte za jednostkę. Jednak to pole, prawie nie wielkie, czasami jest szkodliwym czynnikiem i uczeni nauczyli się zmniejszać (ekranować) go w specjalnych pomieszczeniach — miejscach z ekranami magnetycznymi. Najmniejsza wartość pola magnetycznego w takim pomieszczeniu jest 10 milionów razy mniejsza od pola magnetycznego Ziemi.
Jak widać z tabeli, stworzono magnes, pole magnetyczne którego jest 200 000 razy większe od pola magnetycznego Ziemi. W jakim celu stosuje się takie magnesy?
W pierwszej kolei fizykom są potrzebne magnesy dla otrzymania wiązek cząstek naładowanych w akceleratorach. Na rys. 1 pokazano naj-
większy na świecie akcelerator. Po wielkim pierścieniu o średnicy kilku kilometrów poruszają się cząstki naładowane. Żeby „nie wychodziły” one poza ścianki, stosują potężne magnesy (rys. 2).
Względne wielkości pól magnetycznych
Powszechnie stosowane są magnesy o dużej mocy w medycynie: otrzymują obrazy wewnętrznych narządów człowieka (rys. 3, 4). Metoda rezonansu magnetycznego jest bardziej bezpieczna, niżeli diagnostyka za pomocą promieni rentgenowskich.
Jeszcze jeden przykład stosowania magnesów o dużej mocy: uczeni nauczyli „latać” ciężkie pociągi. A czy może latać człowiek czy zwierzę?
Okazuje się, że wszystko zależy od substancji. W konstrukcji pociągu dla wzmocnienia pola magnetycznego stosują specjalne substancji, a substancji, z których składa się organizm żywy, takich właściwości nie zawierają. Rozwiązują ten problem magnesy o dużej mocy. Okazało się, że w bardzo silnych polach magnetycznych nawet niewielki magnetyzm organizmu żywego jest wystarczający dla zabezpieczenia niezbędnej siły odpychania. Uczonym udało się zmusić „latać” żabę, umieszczając ją nad potężnym magnesem (rys. 5). Badacze udowadniają, że w końcu lotu żaba czuła się dobrze. Rzecz w małym. Pozostało tylko zwiększyć pole magnetyczne 10—100 razy — i człowiek odczuje piękno lotu.
Proponowane tematy projektów
1. Substancje magnetyczne i ich stosowanie.
2. Magnetyczne odtwarzanie informacji.
3. Przykłady i zastosowanie oddziaływań magnetycznych w przyrodzie i technice.
4. Geomagnetyczne pole Ziemi.
5. Burze magnetyczne i ich wpływ na zdrowie człowieka.
6. Różnorodne urządzenia elektromagnetyczne.
7. Generatory prądu elektrycznego.
Tematy referatów
1. Wpływ pola magnetycznego na jakość i prędkość kiełkowania nasion.
2. Wpływ pola magnetycznego na życie i zdrowie człowieka.
3. Siła Lorentza. Przykłady siły Lorentza w przyrodzie, zastosowanie jej w technice.
4. Historia badań nad magnetyzmem.
5. Magnetyczne momenty atomu i jego części składowych.
6. Antymagnetyczne substancje i ich wykorzystanie.
7. Wkład uczonych ukraińskich w badania nad magnetyzmem.
8. M. Faraday i D. Maxwell - twórcy teorii pola elektromagnetycznego.
9. Burze magnetyczne w atmosferze płanet-olbrzymów Saturna i Uranu.
10. Nikola Tesla - człowiek, który wyprzedził swoje czasy.
11. Zasada pracy przyspieszacza cząstek naładowanych.
12. Istota oraz zastosowanie separatora magnetycznego.
13. Generator magnetyczny. Zasady pracy.
14. Czym jest pętla histerezy i jaki ma związek z namagnesowaniem i przemagnesowaniem.
15. Ciecz magnetyczna: jej właściwości i przykłady stosowania.
Tematy badań eksperymentalnych
1. Badanie właściwości magnesów trwałych.
2. Badanie pola magnetycznego Ziemi.
3. Mierzenie indukcji magnetycznej pola magnetycznego zwojnicy z prądem; pola magnetycznego magnesu podkowiastego.
4. Konstruowanie generatora prądu elektrycznego.
5. Badanie zjawiska indukcji elektromagnetycznej.
6. Otrzymywanie cieczy magnetycznej, badanie jej właściwości.
7. Konstruowanie silnika elektrycznego.
Źródło: Fizyka podręcznik dla klasy 9 Barjachtar