XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Электромагнит. Магнитное поле
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Электромагнит. Магнитное поле.
Я выбрал эту тему, потому что она меня заинтересовала и дает возможность проведения практической работы с использованием знаний, полученных в школе на уроках физики.
Моим проектным продуктом будет буклет, в котором изложен некоторый материал про электромагнит и магнитное поле. Также я продемонстрирую действие электромагнита и магнитного поля при помощи конструкции – левитрон.
Цель
Рассказать и показать действия электромагнита и магнитного поля.
Задачи
Рассказать об магнитном поле.
Рассказать об электромагните.
Построить макет.
Сделать выводы.
Магнитное поле
2.1 Магнитное поле – это поле, действующее на движущиеся электрические заряды и на тела, обладающие магнитным моментом.
Магнитное поле непременное свойство магнитов, у него есть северный и южный полюс, на которое реагирует находящиеся рядом металлические предметы. Магнитные линии начинаются в одном полюсе и заканчиваются на другом.
2.2 В древности люди находили горную породу, кусочки которой притягивалась друг к другу. Из них делали фигурки, а мореплаватели использовали их как компас.
2.3 Первое научное изучение свойств магнита было предпринято в 13 веке. Пётр Перегрин (Пьер Пелере́н де Марику́р) на поверхности сферического магнита разметил при помощи стальных игл магнитное поле и определил, что получающиеся линии магнитного поля пересекались в двух точках, которые он назвал «полюсами» (по аналогии с полюсами Земли).
2.4 В 1269 году вышло его сочинение «Книга о магните», где он писал о многих фактах магнетизма: о том, что у магнита есть два полюса, которые ученый впоследствии назвал северным и южным (рисунок 1), и о том, что невозможно отделить полюса друг от друга разламыванием. Он писал о двух видах взаимодействия полюсов - притяжении и отталкивании.
Рисунок 1 – Взаимодействие 2 магнитов
2.5 В XIX веке была обнаружена связь между электричеством и магнетизмом, и возникло представление о электромагнитном поле.
2.6 Ханс Кристиан Эрстед обнаружил, что магнитная стрелка, расположенная рядом с электрическим проводником, отклоняется, когда по проводнику течет ток, т. е. вокруг проводника с током создается магнитное поле.
2.7 Андре Мари Ампер исследовал взаимодействие параллельных проводников с током. Он установил, что два параллельных провода, по которым течет ток в одинаковом направлении, притягиваются друг к другу, а если направления токов противоположны, провода отталкиваются.
2.8 Эти опыты имели большое значение для развития учения об электромагнитных явлениях.
2.9 Электромагнитное поле - физическое поле, взаимодействующее с электрически заряженными телами, а также с телами, имеющими собственные дипольные и мультипольные электрические и магнитные моменты.
2.10 Были выявлены основные свойства магнитного поля:
магнитное поле материально, т. е. существует независимо от наших знаний о нем;
порождается только движущимся электрическим зарядом: вокруг любого движущегося заряженного тела существует магнитное поле. Магнитное поле может быть создано и магнитом, но и там причиной появления поля является движение электронов. Магнитное поле может быть создано и переменным электрическим полем;
обнаружить магнитное поле можно по действию на движущийся электрический заряд (или проводник с током) с некоторой силой;
магнитное поле распространяется в пространстве с конечной скоростью, равной скорости света в вакууме.
2.11 Силы действующие в электромагнитном поле:
- Сила Ампера
Силой Ампера называется сила, которая действует на проводник с током, находящийся в магнитном поле.
Существует и специальный закон об этой силе, называемый законом Ампера: на проводник c током силой I и длиной L , помещенный в магнитное поле с индукцией , действует сила, модуль которой равен (произведению силы тока на вектор магнитной индукции и на синус альфа):
,
где α – угол между проводником с током и вектором магнитной индукции .
Направление силы Ампера определяют по правилу левой руки (рисунок 2): если ладонь левой руки расположить так, чтобы перпендикулярная к проводнику составляющая вектора магнитной индукции B⊥ входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывали направление тока в проводнике, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Ампера.
Рисунок 2 – Сила Ампера
- Сила Лоренца
Сила Лоренца – сила, действующая на движущуюся заряженную частицу со стороны магнитного поля.
Формула для нахождения силы Лоренца:
F = q* B * V * sin a,
где q – заряд частицы, v – скорость частицы, B – модуль вектора магнитной индукции, α – угол между вектором скорости частицы и вектором магнитной индукции.
Направление силы Лоренца определяют по правилу левой руки (рисунок 3): если ладонь левой руки расположить так, чтобы перпендикулярная к проводнику составляющая вектора магнитной индукции B⊥ входила в ладонь, а четыре вытянутых пальца указывали направление скорости положительно заряженной частицы, то отогнутый на 90° большой палец покажет направление силы Лоренца.
Рисунок 3 - Сила Лоренца
2.12 Силы Ампера и Лоренца широко применяются в науке и технике.
2.13 Применение магнитного поля:
- Амперметр;
- электродвигатели;
- электромагниты;
- телеграф;
- динамики;
- компьютеры;
- кинескопы;
- циклотроны, магнетроны и др.
2.14 Без магнитного поля было бы трудно представить нашу современную жизнь: не было бы изобретено множество приборов, не были бы получены важнейшие технологии.
Электромагнит
Андре Мари Ампер показал, что катушка с током ведет себя подобно постоянному магниту. Это значит, что можно сконструировать электромагнит – устройство, которое при прохождении через него электрического тока, создает вокруг себя магнитное поле.
Первый электромагнит был изготовлен английским инженером Уильямом Стёрдженом (рисунок 4).
Электромагнит представлял собою согнутый стержень из мягкого железа с обмоткой из толстой медной проволоки. Стержень был покрыт лаком, для изолирования от обмотки. При пропускании тока железный стержень приобретал свойства сильного магнита, но при прерывании он мгновенно их терял. Именно благодаря этим особенностям электромагнит стали широко применять в технике.
Электромагнит состоит из:
- обмотки;
- ферромагнитного сердечника.
Рисунок 4 – Электромагнит
3.5 Обмотку электромагнита изготавливают из изолированного алюминиевого или медного провода, хотя есть и сверхпроводящие электромагниты.
3.6 Магнитопроводы изготавливают из магнитно-мягких материалов – обычно из электротехнической или качественной конструкционной стали, литой стали и чугуна.
3.7 Электромагниты получили широкое распространение в быту, науке и на производстве (рисунок 5). Они содержатся в различных бытовых приборах — электробритвах, магнитофонах, телевизорах и в устройства техники связи (телефония, телеграфия и радио). Они являются частью электрических машин на заводах, многих устройств промышленной автоматики, применяются в разнообразных электротехнических и лабораторных сборках, медицинской аппаратуре.
Рисунок 5 – Электромагнит на производстве
Построение макета
На данном этапе проекта я расскажу о левитроне (рисунок 6), его строении (схема рисунок 7), о принципе его работы и покажу наглядный пример действия моего макета.
Левитрон – пример магнитной левитации.
Левитация – это явление, при котором какой-либо объект поднимается и висит в воздухе без всякой опоры или приспособлений.
Принцип действия моей конструкции:
Когда подаем питание – электромагнит включается и притягивает постоянный магнит. Но между электромагнитом и постоянным магнитом находится датчик Холла. Как только датчик Холла среагирует на магнитное поле постоянного магнита, он закрывает транзистор и электромагнит выключается. Постоянный магнит падает вниз. Магнитное поле ослабевает. Датчик Холла переходит в другой режим. Транзистор открывается. Электромагнит вновь срабатывает и начинает притягивать постоянный магнит. Так циклично происходит притяжение и отталкивание постоянного магнита. Это происходит с большой частотой и движение постоянного магнита не видно, поэтому кажется, что постоянный магнит зависает в воздухе.
Рисунок 6 – Левитрон
Рисунок 7 – Схема моего макета «Левитрон»
1 – полевой транзистор (ключ);
2 – электромагнит (катушка электромагнита);
3 – резистор;
4 – датчик Холла.
Применение «ливетирующих» устройств:
4.5.1 Поезд на магнитной подушке «Маглев» (рисунок 8) - это состав, который удерживается над дорожным полотном и движется силой электромагнитного поля. В основу поезда положено базовое свойство магнитов: одинаковые полюса отталкиваются, а разные – притягиваются. Движение поезда осуществляется линейным двигателем – поочерёдно включаются обмотки статора, создавая бегущее магнитное поле. Статор поезда втягивается в это поле и движет весь состав. Маглев — самый быстрый наземный общественный транспорт.
Рисунок 8 - Поезд на магнитной подушке
4.5.2MAG-LEV Audio - проигрыватель виниловых пластинок
(рисунок 9), это устройство состоит из двух частей, одна из которых парит в воздухе - летает (при этом довольно надежно привязана к одному месту) сама «вертушка», на которую и кладется пластинка. Когда проигрыватель выключен, она держится на четырех подпорках. Но если пользователь решает прослушать музыку, подпорки плавно уходят в корпус, а грампластинка начинает парить в воздухе.
Рисунок 9 – Проигрыватель MAG-LEV Audio
4.5.3 Глобус Levitron - парящий в воздухе глобус (рисунок 10) может использоваться как в качестве украшения, так и в качестве инструмента для изучения географии для детей - внимание эта система привлекает сразу.
Рисунок 10 – глобус Levitron
Заключение
Завершая проект, можно отметить, что сформулированная в начале цель достигнута, перечисленные четыре задачи решены, удалось на примере макета показать магнитное поле, его действие.
Работа над проектом показала мне, что углубляясь в исследования можно узнать много нового.
Список используемых материалов
Википедия;
Канал Фоксфорд. Физика. Магнитное поле;
Физика. 9 кл.: учебник / А.В. Перышкин, Е.М. Гутник. – 3-е изд., стереотип. – М. : Дрофа, 2016. – 319, [1] с.: ил.