XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Магнитные поля
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
1. Введение
Мир, в котором мы находимся, состоит из материи. Основные виды материи: вещество (менее 5 %), поля (например, гравитационное и электромагнитное), а также материальные объекты неясной физической природы – тёмная материя (неизвестные частицы – 25%) и тёмная энергия (неизвестные поля или вакуум – 70 %), представляющие значительную научную проблему, вопрос о которых интенсивно изучается учёными.
Актуальность выбранной темы состоит в том, что магнитные поля проявляют себя на всех уровнях: от атома и до космических масштабов. Это и магнитные поля планет, звёзд, галактик и обследование внутренних органов и тканей пациентов с помощью МРТ (магнитно-резонансной томографии), где измеряют электромагнитный отклик атомных ядер на электромагнитные волны в сильном магнитном поле.
Цель данной работы – рассмотреть причины возникновения магнитных полей, а также их свойства, затем в соответствии с полученными результатами разработать практически значимое изделие. Задачи работы – собрать и обработать материал по выбранной теме, провести эксперименты и зафиксировать полученные результаты с помощью фотографий, а также изготовить прибор для демонстрации эффекта Баркгаузена.
Объект исследования – магнитные поля. Предмет исследования – свойства магнитного поля. Гипотеза – возможность создания прибора для фиксирования существования доменной структуры магнитов. Методы работы – работа с литературой, проведение экспериментов, фиксирование результатов с помощью фотографий, рисунков и таблиц, разработка конструкции и изготовление прибора для демонстрации эффекта Баркгаузена, подтверждающего доменную структуру ферромагнетиков. Практическая значимость работы состоит в том, что в ней представлены результаты экспериментов, которые можно проводить с помощью оборудования для школьного кабинета физики, что является важным вкладом авторов данного проекта, кроме того большой интерес представляет изготовленная установка для демонстрации эффекта Баркгаузена, которую могут сделать другие школьники, ознакомившись с содержанием данной разработки.
Новизна работы:
Изготовлен прибор для демонстрации эффекта Баркгаузена. Данный прибор очень интересен тем, что позволяет «события» микромира вывести на уровень макромира. Движения доменов в ферромагнитном материале позволяют сформировать звуковые сигналы в динамиках или наушниках. Для этого используется явление электромагнитной индукции.
В процессе работы над проектом использовались учебники по физике, литература по прикладной физике и справочные материалы из интернета.
2. Ключевые теоретические сведения
2.1.Магнитное поле
Магнитное поле – особый вид материи. Это поле существует реально, независимо от нас и наших знаний о нём. Его невозможно обнаружить нашими органами чувств. Для обнаружения необходимы либо проводники с током (другой вариант, например, электронный луч) или магниты (магнитные стрелки).
Магнитное поле не имеет специальных источников как у электрического поля, которое создают положительные или отрицательные заряды. Магнитноеполе создают движущиеся электрические заряды.
Его основные свойства:
1) порождается:
а)электрическим током (направленно движущимися зарядами);
б) электрическим полем, изменяющимся со временем;
в) постоянными магнитами;
2) обнаруживается по действию:
а) на электрический ток (на движущиеся заряды);
б) на магнитную стрелку (на магнит)
Экспериментальное доказательство реальности магнитного поля – существование электромагнитных волн[1,2] .
Гипотеза Ампера. Рассматривая постоянные магниты можно удивиться: «А где же здесь движущиеся электрические заряды, создающие магнитное поле?» Но ответ достаточно прост. Когда мы изучали строение вещества, нам стало известно и об атомах. А ведь вокруг ядра любого атома движутся электроны (частицы с отрицательным электрическим зарядом). Но это и есть электрические токи – источники магнитных полей. Рис. 1.
Рис. 2 - гипотеза Ампера. Внутри молекул и атомов циркулируют элементарные токи. Если направления возникающих полей будут одинаковы – мы получим магнит.
Но нам известно, что все вещества состоят из молекул и атомов. Следовательно, в любом веществе есть элементарные токи и магнитные поля. У большинства веществ магнитные свойства слабо выражены по сравнению с ферромагнетиками. Ферромагнетики – вещества, создающие наиболее сильные магнитные поля. В таблице 1 представлены некоторые примеры: химические элементы и их соединения, обладающие ферромагнитными свойствами, исчезающими при температуре Кюри. Намного слабее диамагнетики (вода, медь и др.) и парамагнетики (кислород, алюминий и др.).
Причина различий заключается в том, что в создание магнитного поля ферромагнетиков вносит вклад не только обращение электронов вокруг ядер атомов, но и спины электронов, то есть их вращение вокруг своей оси.
Спин электрона – вращательный момент электрона (заряженной частицы). Её вращение (движение) также создаёт магнитное поле, помимо поля, созданного при орбитальном движении этого же электрона.
Домены – малые области самопроизвольной намагниченностиЭйнштейнэкспериментально установил, что свойства ферромагнетиков обусловлены спинами электронов. Это объясняет наличие внутри ферромагнитных материалов, так называемых доменов.То есть, спины в них в отсутствии внешнего магнитного поля пытаются выстроиться в общем направлении под влиянием внутренних причин в магните.
В обычных условиях магнитные поля доменов направлены хаотично. Чтобы сделать магнит из ферромагнетика, необходимо внешним полем развернуть магнитные поля доменов в одном направлении [2]. При этом происходит рост доменов, имеющих магнитное поле, совпадающее с внешним полем, за счёт доменов с обратным полем. В результате имеет место смещение границ. Рис. 3 а, б. Если внешнее поле слабое, то процесс обратим [3]. Это можно увидеть на модели доменов, где их заменяет множество стрелок. Рис. 4.
2.2. Явление электромагнитной индукции
Явление электромагнитной индукции – возникновение электрического тока в проводящем контуре, который либо покоится в переменном во времени магнитном поле, либо движется в постоянном магнитном поле таким образом, что число линий магнитной индукции, пронизывающих контур меняется.Рис. 5.
3. Проведение экспериментов
ДЕЛАЕМ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ВИДИМЫМ
Получение картины магнитных полей
Рассмотрим постоянные магниты. Получить картину магнитных полей несложно: нужно воспользоваться железными опилками. Рис. 6. Покрытие с магнитной ленты также позволяет сделать поле наглядным. Рис. 7 и 8. На этих фотографиях представлены картины магнитных полей для полосовых магнитов, подковообразного и кольцевого. На них также видно притяжение разноимённых полюсов и отталкивание одноимённых.
Картины магнитного поля, полученные с помощью магнитной жидкости – рис. 9.Картина магнитного поля для катушек с током – рис.10.
Использование комплекта L-микро
Современная техника позволяет также изучать магнитное поле, существующее вокруг магнита, с помощью компьютерного измерительного блока и датчика магнитной индукции. Если перемещать датчик от одного полюса магнита к другому, то на мониторе будет график. Рис. 11.
ВЫВОДЫ:
1.По графику на экране видно, что наибольшая сила магнита на полюсах.
2. При этом обнаруживается, что магнитная индукция северного и южного магнитного полюсов обычно не равны!
3.ГИПОТЕЗА. Так как расположение доменов хаотично, то одинаковое значение магнитной индукции получить одновременно и на южном полюсе магнита, и на северном - невозможно.
РАССМАТРИВАЕМ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ МАГНИТОВ И ТОКОВ
Взаимодействие магнитов
а) Результаты экспериментов были сфотографированы. Рис. 12. На фотографиях представлены и притяжение магнитов, и отталкивание (левитация кольцевых магнитов на стержне).
б) Если магнит разделить на части, то у каждой снова будет северный и южный полюсы. Невозможно отделить один полюс от другого. Рис.13.
ВЫВОД: Магнитов с одним полюсом нет.
в) При нагревании выше температуры Кюри, магнит теряет свои свойства. Рис 14. [4].
г) Как определить полюс магнита?
● использовать другой магнит с нанесённой маркировкой (разноимённые полюсы магнитов притянутся, а одноимённые оттолкнутся);
● использовать магнитную стрелку;
● использовать компас или подвесить магнит на нити в магнитном поле Земли (но помнить, что направление на географический север указывает на южный магнитный полюс земного шара!)
● использовать специальный прибор – тесламетр.
Заэкранировать магнитное поле нельзя, его можно только перенаправить. Для этого используют оболочку из ферромагнитных материалов. Например, коробку из жести. Она будет проводить магнитное поле через себя и не даст ему распространяться [5].
2) Действие силы Ампера на проводник с током
Лёгкая алюминиевая трубка перемещается в магнитном поле кольцевых магнитов. При этом в цепь надо поставить реостат, чтобы проводник не грелся и источник тока не разряжался (или не вышел из строя). Рис. 16 [6].
3). Изготовление древнего китайского компаса
Так как в древности было невозможно изготовить иглу и подшипник, как в современном компасе сделано для свободного вращения стрелки, поэтому поступали достаточно оригинально. В чашу с водой помещали поплавок с магнитным минералом. В магнитном поле Земли поплавок поворачивался как стрелка компаса. Указателем при этом служила фигурка на поплавке, рука которой указывала на юг. Рис. 17 . Стрелка современных компасов показывает на географический север своим северным полюсом. Рис. 18. Следовательно, она указывает на южный магнитный полюс Земли. Рис. 19.
САМИ СОЗДАЁМ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ
1. Для создания поля пропускаем по проводу ток. Опыт Эрстеда– рис. 20.
2. Лучше взять катушку с большим числом витков. Получится настоящий электромагнит. А так как железный сердечник усиливает его свойства, можно сделать электромагнит из гвоздя с навитой на него проволокой. Рис. 21.
3. Собираем цепь их оборудования для лабораторных работ. Проводим эксперимент по взаимодействию катушки с током и магнитом (притяжение и отталкивание). Рис. 22.
4. Опыты с электромагнитом показали зависимость его действия от:
а) количества витков (одна катушка и две);
б) силы тока (изменяли реостатом);
в) от наличия железного сердечника.
5. Сфера применения электромагнитов очень широка –рис. 23. Примеры со школьным оборудованием: телеграфный аппарат – рис. 24.
4. Изготовление прибора для демонстрации эффекта Баркгаузена
Эффект Баркгаузена – скачкообразное изменение намагниченности ферромагнетиков при изменении внешних условий, приводящих к изменению доменной структуры вещества. Открытие явления было сделано в 1919 году немецким физиком Генрихом Баркгаузеном. Данный эффект – прямое доказательство доменной структуры ферромагнетиков.
При монотонном и непрерывном изменении внешнего воздействия и в результате скачкообразной перестройки доменной структуры происходит изменение упругих напряжений в веществе, его температуры или магнитных свойств. При перестройке доменной структуры (рис. 25) домены встречают неоднородности внутри вещества, которые мешают данному процессу. Поэтому доменная стенка временно приостанавливает своё движение и при дальнейшем нарастании внешнего магнитного поля, рывком преодолевает препятствие. Из-за этого кривая намагниченности имеет ступенчатый характер. Рис. 26[7]. Эффект обычно используют для контроля намагниченности и исследования доменной структуры.
Для изготовления прибора, демонстрирующего эффект Баркгаузена, авторы воспользовались явлением электромагнитной индукции. Опыт – рис. 27.
Принцип действия прибора: при перестройке доменной структуры внутри сердечника катушки прибора, изменяющееся магнитное поле вызывает в катушке появление индукционного тока. Он подан на усилитель, затем на динамик колонки.
Принципиальная схема прибора (рис.28) разработана на основе сведений по прикладной физике [8]. По схеме видно, что прибор состоит из катушки с сердечником (это его доменная структура будет меняться под действием магнита), усилителя низкой частоты, динамика, источника тока и ключа.
Внешний вид прибора и используемый магнит – рис. 29.
5. Заключение
Магнитные поля окружают нас повсюду. Это и различные технические устройства созданные людьми (сотовые телефоны, линии электропередач и многое другое), природный фон.
Всполохи полярных сияний напоминают нам о том, что вокруг Земли существует магнитосфера, которая как щит закрывает нас от воздействия частиц, приходящих из космоса. Известно, что магнитные поля влияют на развитие и существование живых организмов. Изменение магнитного поля, в котором мы живём, влияло на поведение лабораторных мышей, приводило к гибели дрозофил. Кроме того, магнитные поля используются живыми существами для ориентации.
Очень много интересных вопросов находят своё объяснение в магнитобиологии. Она изучает влияние магнитных полей на нашу нервную систему, характеристики крови, рассматривает влияние солнечной активности и магнитных бурь.
В данном проекте был рассмотрен теоретический материал, относящийся к магнитному полю, а также проведены и задокументированы с помощью фотографий различные соответствующие эксперименты.
Результат проекта, являющийся его новизной, – изготовление прибора, позволяющего демонстрировать эффект Баркгаузена, подтверждающий существование доменной структуры ферромагнетиков.
6. Список использованной литературы
1. Пёрышкин А. В. Физика - 8. – М.: Дрофа, 2018. – 238 с.
2. Мякишев Г. Я., Буховцев Б. Б., Чаругин В. М. Физика-11. – М.: Просвещение, 2018. – 399 с.
3. ru.wikipedia.org/wikiДомены
4.Опыты по физике. Температура Кюри - YouTube
www.youtube.com/watch?v=BFod_czyfAUv=BFod_czyfAU
5.Часто задаваемые вопросы о постоянных магнитах - ООО "НПП..."
ukrms.com.ua/.../
6. Ефимов В. В.Керамические магниты в приборах для демонстрации силы Ампера и силы Лоренца.//Физика. Первое сентября. 2011. № 16. С. 16-19.
6. ru.wikipedia.org/wikiЭффект Баркгаузена
7. Резников З. М. Прикладная физика. –М.: Просвещение, 1989. –239с.
7. ПРИЛОЖЕНИЕ
Рис. 1. Движение Рис. 2. Гипотеза Ампера
электрона в атоме
Таблица 1. Ферромагнетики
|
Вещество |
Железо |
Никель |
Кобальт |
Соединение марганца с платиной MnPt3 |
|
Точка Кюри,0С |
770 |
358 |
1130 |
77 |
. Рис. 3 а, б Домены Рис. 4. Модель доменной Рис. 5. Электромагнитная
структуры индукция
Рис. 6. Магнитные поля полосовых магнитов и подковообразного
(использованы железные опилки)
Рис.7. Поле взаимодействующих магнитов Рис. 8. Кольцеобразный
магнит
(использовано покрытие с магнитной ленты)
Рис. 9. Магнитная жидкость Рис. 10 Полекатушки с током
(магниты кольцеобразный и цилиндрический)
Рис. 11. Исследования с помощью датчика магнитной индукции
Рис.12.Опыты с магнитами
Рис. 13. Если разделить магнит
Рис.14. Никель на нити намагничивается полосовым магнитом, а затем к нему притягивается. После нагревания намагниченность исчезает
Рис. 15. Действие силы Ампера на проводник с током
Рис 16. Модель китайского компаса
Рис. 19 в. Компас Рис. 19 г. Магнитное поле Земли
Рис. 20. Опыт Эрстеда
Рис. 21. Самодельный электромагнит из гвоздя
Рис. 22. а) отталкивание катушки с током от магнита; б) притяжение
Рис. 23. Использование электромагнитов
Рис. 24. Модель телеграфа
Рис. 25 а - Доменная структура. Светлые и тёмные полосы – границы доменов. Съёмка просвечивающим электронным микроскопом;
б - Перестройка доменной структуры (эффект Баркгаузена)
Рис.26. Зависимость намагниченности J и магнитной индукции В ферромагнетика от напряжённости внешнего магнитного поля Н. Видны скачки Баркгаузена.
Рис. 27. Подготовка к конструированию Рис. 28. Схема прибора
«Эффект Баркгаузена»
Рис. 29 а - Модель 1 (эффект Баркгаузена). Катушка вынесена на проводах; б - Модель 2 (эффект Баркгаузена). Катушка в корпусе.