VIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Электричество и магнетизм
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение.
Можно ли говорить друг с другом на расстоянии? Бывает ли связь без проводов? Как посмотреть футбол в Англии сидя на диване в Москве? Всё это осуществимо благодаря телефону, телеграфу, радио, телевидению. А начиналось всё с наблюдений за маленькой дрожащей стрелкой компаса...
Актуальность: Мы живем в электромагнитном мире, насыщенном различными благами цивилизации и научно-технического прогресса. Ученые всего мира изучают явления электромагнетизма и открывают новые области применения.
Гипотеза:предположим, что электричество и магнетизм – это две стороны одной медали.
Цель:При помощи опытов и экспериментов изучить связь электричества с магнетизмом.
Задачи:
узнать что такое электрон, электричество и электрический ток;
узнать что такое магнит, магнитное поле и магнитная сила;
с помощью опытов и экспериментов выяснить, как связаны электричество и магнетизм
Объект исследования: электромагнетизм.
Предмет исследования: связь электрических и магнитных полей.
Методы исследования:изучение литературных источников, поисковый, исследовательский, практический методы, обработка и анализ полученной информации.
1. Немного о электричестве, магнитах и магнитном поле Земли.
1.1 Что такое электрон, электричество и электрический ток
Все тела образованы из атомов. Электроны – это частицы, которые в атоме движутся вокруг ядра. В составе ядра атома есть неподвижные протоны. Электроны – это отрицательно заряженные частицы; протоны, соответственно, заряжены положительно.
Движение электронов внутри каждого атома создает вокруг него крошечное магнитное поле.
Электроны в атомах очень подвижны и могут переходить с одного атома на другой. Атом, который получил дополнительный электрон, становится отрицательно заряженным, а атом, потерявший электрон, за счет протона, становится положительным. Электроны могут перемещаться между объектами. Направленное движение электронов называется электрическим током.
Каждый электрон несет в себе небольшой заряд энергии. Эта энергия мельчайших заряженных частиц, которая движется в определенном направлении в замкнутой цепи от источника тока к потребителю и называется электричеством.
1.2 Что такое магнит, магнитное поле и магнитная сила
Магнит –это объект, сделанный из определенного материала, который создает магнитное поле.
Магниты состоят из миллионов молекул, объединенных в группы, которые называются доменами. Каждый домен ведет себя как минеральный магнит, имеющий северный и южный полюс. Железо имеет множество доменов, которые можно сориентировать в одном направлении, то есть намагнитить. Домены в пластмассе, резине, дереве и остальных материалах находятся в беспорядочном состоянии, поэтому эти материалы не могут намагничиваться. Силы магнитного взаимодействия - невидимые силы, возникающие между магнитными материалами (железо, сталь и другие металлы).
Ферромагнетики – материалы, которые обычно и считаются магнитными. Они притягиваются к магниту достаточно сильно – так, что притяжение ощущается. Только эти материалы могут сохранять намагниченность и стать постоянными магнитами.
Магнитные свойства вещества определяются не магнитными свойствами отдельных атомов и молекул, а намагничиванием целых областей – доменов. В отдельных доменах магнитные поля имеют различные направления, при внесении ферромагнитного образца во внешнее магнитное поле происходит упорядочение ориентации магнитных полей отдельных доменов (рис. 1).
С увеличением магнитной силы внешнего поля возрастает степень упорядоченности отдельных доменов. Это происходит до полного магнитного насыщения, т.е. когда произошло полное упорядочение ориентации доменов. При прекращении действия внешнего магнитного поля значительная часть доменов сохраняет упорядоченную ориентацию, и ферромагнетик становится постоянным магнитом. Постоянный магнит – изделие, изготовленное из ферромагнетика, способного сохранять остаточную намагниченность после выключения внешнего магнитного поля. В качестве материалов для постоянных магнитов обычно служат железо, никель, кобальт, а также некоторые естественные минералы, такие как магнетиты. Постоянные магниты применяются в качестве автономных (не потребляющих энергии) источников магнитного поля.
Магнит можно изготавливать искусственным путем, намагничивая куски стали. Сила притяжения магнитов, воздействующая на предметы, называется магнитной силой.
Магнитная сила – сила, с которой предметы притягиваются к магниту.
1.3 Магнетизм Земли
Земля ведёт себя как большой магнит: у неё есть своё магнитное поле. Ученые считают, что магнетизм Земли также обусловлен электрическими токами. Дело в том, что ядро нашей планеты состоит в основном из железа и никеля. Самый центр ядра твердый, а вокруг твердого железного шара находится расплавленное железо. При вращении Земли ядро также вращается, и в расплавленном металле возникает движение электронов, которое и превращают нашу планету в один большой магнит. Линии магнитного поля идут от одного полюса к другому.
2.Эксперимент.
2.1. Связь магнетизма и электричества.
Необходимо: компас, батарейный отсек, батарейка.
Мы взяли компас и положили его на провод батарейного отсека таким образом, чтобы провод лежал вдоль стрелки компаса (рис. 3). Затем конец второго провода ненадолго соединили с концом первого провода.
При каждом прикосновении стрелка компаса отклоняется (рис. 4), но когда цепь разомкнута и движение тока прекращено, стрелка возвращается в исходное положение.
Рис. 3 Рис. 4
Почему это происходит? Когда мы замыкаем провода, по ним идет электрический ток; вокруг провода создается слабое магнитное поле, которое меняет направление стрелки компаса.
Этот опыт был впервые проведен в 1819 году Хансом Христианом Эрстедом и стал первым экспериментальным доказательством взаимосвязи электрических и магнитных явлений.
2.2. Влияние электрического тока на компас, если взять моток проволоки.
Необходимо: медная проволока, батарейный отсек, батарейка, компас, коробочка для компаса.
Мы взяли 1 м 20 см проволоки и обмотали вокруг коробочки примерно по 5 мотков с каждой стороны. Положили компас в коробочку так, чтобы стрелка была параллельна виткам проволоки (рис. 5). Один свободный конец проволоки скрутили с проводком батарейного отсека, вторым ненадолго прикоснулись к концу свободного проводка (рис. 6).
Рис. 5 Рис. 6
Увеличив количество витков, усиливается влияние магнитного поля на стрелку компаса. Такая обмотка называется «катушкой».
2.3. Электромагнит.
Необходимо: батарейка 9В типа «Крона», отвертка с металлической частью длиной 10 см, медный провод длиной 1-2 м, металлические предметы (скрепки, гвозди).
Для эксперимента мы зачистили концы кабеля на 1-2 см и намотали его на отвертку. Присоединили концы провода к полюсам батарейки. Когда мы поднесли отвертку к металлическим предметам – скрепки, гвозди примагнитились к отвертке. Таким образом, отвертка превратилась в электромагнит (рис. 7, 8).
Рис. 7 Рис. 8
Почему это происходит? При обматывании отвертки проводом получается спираль, через которую идет электрический ток при замыкании проводов на полюсах батарейки. Движение электронов по спирали образует магнитное поле, которое намагничивает отвертку внутри спирали. Отвертка превращается в магнит и начинает притягивать мелкие металлические предметы.
Схема включения электромагнита в электрическую цепь следующая:
Схема 1.
Использование электромагнитных сил, возникающих в металлическом сердечнике при прохождении тока по виткам обмотки нашло применение в таком устройстве как электромагнитное реле. Благодаря простому принципу действия и высокой надежности электромагнитное реле получилj широкое применение в системах автоматики и системах защиты электроустановок.
2.4. Электромотор.
Необходимо: круглый неодимовый магнит, пальчиковая батарейка АА LR6 1,5 В, медная проволока длиной 20-30 см и диаметром 1 мм.
Мы зачистили концы проволоки, скрутили проволоку в виде сердечка. Поставили батарейку на магнит и установили на нее проволоку в виде сердечка так, чтобы зачищенные концы касались магнита с двух противоположных сторон (обмотка). Проволока начала быстро вращаться.
Рис. 9 Рис. 10
Почему это происходит? На провод с током воздействует сила магнитного поля, которая заставляет проволоку вращаться. Это взаимодействие двух магнитных полей – от постоянного магнита и от электронов, движущихся по замкнутому контуру. В данном случае происходит преобразование энергии электрического тока в энергию механического движения под действием силы магнитного поля, силы Ампера.
Сила Ампера FА− это сила, с которой магнитное поле действует на помещенный в него проводник с током.
Схему такого «электромотора» можно представить так:
Схема 2.
Это физическое явление приводит в движение электропоезда, троллейбусы и трамваи, вращает барабан стиральной машины и лопасти вентилятора.
2.5. Простейший электропоезд.
Необходимо: батарейка АА, медная проволока без изоляции длиной 10 метров и диаметром 0,99 мм, 6 плоских неодимовых магнитов диаметром 14 мм.
Для эксперимента мы плотно намотали проволоку в виде пружины; затем к обоим концам батарейки приставили по 3 магнита. Далее поместили батарейку с магнитами внутрь медной пружины.
Результат: батарейка с магнитами начала быстро двигаться внутри пружины. Если закольцевать пружину, то батарейка двигается без остановки.
Почему это происходит? Внутри пружины возникает и замыкается электрическая цепь: батарейка-магнит-проволока-магнит-батарейка.
П ри пропускании тока через катушку внутри нее образуется магнитное поле:
На концах катушки, где силовые линии расходятся, магнит с батарейкой будут втягиваться в катушку или выталкиваться из нее.
По мере движения магнитное поле перемещается вместе с ними и получается постоянное движение.
Если перевернуть два магнита на обоих концах батарейки, конструкция будет двигаться в противоположном направлении. Если перевернуть только один магнит, два магнита будут тянуть и толкать в разных направлениях, поэтому батарея двигаться не будет.
Два вышеописанных эксперимента («электромотор» и «простейший электропоезд») наглядно показывают такое физическое явление как электромагнитная индукция.
Электромагнитная индукция это явление возникновения тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего его, или при движении материальной среды в магнитном поле.
В эксперименте «электромотор» магнитный поток изменяется вследствие перемещения проводника в постоянном во времени магнитном поле. В эксперименте «электропоезд» происходит изменение во времени магнитного поля при неподвижном контуре (проводнике).
2.6. «Сумасшедший» компас.
Необходимо: компас, различные электроприборы.
Поднесите компас к включенным электроприборам. Стрелка компаса меняет свое положение. Чем ближе к работающему электроприбору, тем сильнее отклоняется стрелка.
Почему это происходит? Электрическая цепь, по которой протекает ток, формирует свое магнитное поле. Стрелка компаса отклоняется от своего первоначального положения, т.к. на нее действует магнитное поле работающего электроприбора.
2.6. Можно ли увидеть магнитное поле электрического тока визуально?
Существование магнитного поля вокруг проводника с электрическим током можно обнаружить с помощью мелких железных опилок.
Необходимо: 2 батарейки Крона 9В, провод медный 30 см, картон, металлические (железные) опилки, штатив.
Провод пропускают сквозь лист картона и присоединяют к батарейке. На картон насыпают тонкий слой железных опилок, опилки слегка встряхивают. Под действием магнитного поля тока железные опилки располагаются вокруг проводника не беспорядочно, а по концентрическим окружностям.
Рис. 13 Рис. 14
Почему это происходит? Магнитное поле существует вокруг любого проводника с током, т.е. вокруг движущихся электрических зарядов. Электрический ток и магнитное поле неотделимы друг от друга.
Таким образом, вокруг неподвижных электрических зарядов существует только электрическое поле, вокруг движущихся зарядов, т.е. электрического тока, существует и электрическое, и магнитное поле. Магнитное поле появляется вокруг проводника, когда в последнем возникает ток, поэтому ток следует рассматривать как источник магнитного поля. В этом смысле надо понимать выражения «магнитное поле тока» или «магнитное поле, созданное током».
В магнитном поле опилки – маленькие кусочки железа – намагничиваются. Ось каждого кусочка железа в магнитном поле устанавливается вдоль направления действия сил магнитного поля.
2.7. Магнетизм Земли обусловлен электрическими токами, возникающими из-за движения электронов внутри ядра Земли
Д ля начала мы сконструировали самодельный компас с помощью конструктора. Для изготовления компаса соединили детали конструктора, положили магнитную стрелку в центр и налили воды, чтобы магнитная стрелка свободно лежала на поверхности воды.
Д ля сравнения положили рядом обычный компас. Направление магнитной стрелки самодельного компаса совпадает с направлением стрелки обычного компаса.
В тот момент, когда к компасам (самодельному и обычному) поднесли магнит, обе стрелки отклонились под воздействием магнита.
Магнит всегда указывает одним концом на север, другим на юг. Земля сама по себе – огромный магнит. При вращении Земли ядро также вращается, и в расплавленном металле возникает движение электронов, которое и превращают нашу планету в один большой магнит.И любой маленький магнит реагирует на магнитное поле Земли. Действие магнита вблизи компаса сильнее магнитного поля Земли, поэтому его стрелка перестает указывать на север.
3. Современное применение электромагнетизма.
Использование электромагнетизма играет ведущую роль во многих отраслях науки и техники. Невозможно переоценить практическое значение теории электромагнетизма, которая обеспечила интенсивный научно-технический прогресс. С электромагнетизмом связывают развитие энергетики, транспорта, вычислительной техники, физики плазмы, термоядерного синтеза и т.д.
На основе электромагнитной теории разработаны технологии, которые дали возможность сконструировать современные устройства сбора, обработки и хранения информации, например, сканер, накопители на флэш-памяти, ксерокс, принтер.
Неотъемлемой частью магнитно–резонансного томографа, без которого невозможна современная медицинская диагностика, является также источник магнитного поля.
Современные поезда на магнитной подушке способны развивать скорость более 500 км/ч.
Явление электромагнитной индукции используется в электрических генераторах. В них электрический ток возникает при движении проводника в магнитном поле.
При помощи электрического двигателя приводятся в движение колеса электрического транспорта.
В течение многих лет не ослабевает интерес к магнитным полям биологических объектов, повышено внимание к среде обитания их и к космосу, а также вопросам влияния магнитного поля Земли на человека.
Заключение.
Изучая эту тему, мы узнали, что:
электроны – это подвижные, отрицательно заряженные частицы, движущиеся в атоме вокруг ядра.
направленное движение электронов называется электрическим током.
энергия заряженных частиц, которая движется в определенном направлении в замкнутой цепи от источника тока к потребителю, называется электричеством.
магнит – это объект, сделанный из определенного материала, который создает магнитное поле;
магнитная сила – сила, с которой предметы притягиваются к магниту;
вокруг электрического провода создается слабое магнитное поле, которое меняет направление стрелки компаса;
увеличив количество витков электрического провода влияние магнитного поля на стрелку компаса усиливается. Такая обмотка называется «катушкой»;
Движение электронов по спирали «катушки» образует магнитное поле, которое намагничивает материал внутри «катушки», этот материал превращается в магнит и начинает притягивать металлические предметы. Так устроены электромагниты;
взаимодействие двух магнитных полей – постоянного магнита и электронов, движущихся по замкнутому контуру электрического провода, заставляет провод вращаться. Так работают электромоторы;
электромагнитная индукция это явление возникновения тока в замкнутом проводящем контуре при изменении магнитного потока, пронизывающего его или при движении материальной среды в магнитном поле.
магнитное поле существует вокруг любого проводника с током, т.е. вокруг движущихся электрических зарядов. Электрический ток и магнитное поле неотделимы друг от друга;
Земля ведет себя как большой магнит.
люди используют свойства магнита в своих целях.
Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что гипотеза, которую мы ставили вначале работы:
«электричество и магнетизм – это две стороны одной медали», подтвердилась.
Список литературы
Большая серия знаний. Физика. Брилев Д.В., - М.: ООО «ТД «Издательство Мир книги»; 2006 г., 128 с.; ил.
Тайны электричества и магнетизма. Простые и наглядные опыты для детей и взрослых. Наварро П., Хименес А./пер. с англ. – М.: Пчелка, 2017, 36 с., ил. (Домашняя лаборатория)
Удивительные опыты с электричеством и магнитами. А. Проневский - М.: Эксмо; 2016 г., 80 с.; ил. (Опыты для детей и взрослых)
Физика без формул. Ал.А.Леонович - М.: ООО «Издательство АСТ»; 2018 г., 223 с.; ил. (Простая наука для детей)
Основы естествознания «Магнетизм. Тайны магнитов», набор увлекательных экспериментов из серии «Чудо-опыты», ООО «Дельта»
Набор-конструктор «Фикси-компас», ООО «Степ Пазл»
https://spravochnick.ru/fizika/elektromagnetizm/primenenie_elektromagnetizma/
https://cf.ppt-online.org/files/slide/i/i4CbY29O5VD1RGmg3JELQ7N6tnkZIoyecAWFTd/slide-44.jpg
https://fizi4ka.ru/egje-2018-po-fizike/jelektromagnitnaja-indukcija.html
https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BC%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B8%D1%82%D0%BD%D0%B0%D1%8F_%D0%B8%D0%BD%D0%B4%D1%83%D0%BA%D1%86%D0%B8%D1%8F