 |
|
Лабораторна робота № 8
Демонстраційний експеримент по темі:
“Магнітні властивості речовини. Магнітне поле струму”
Дослід 1. Демонстрування магнітних властивостей речовини
Обладнання: 1) зразки на спеціальних підставках; 2) трансформатор універсальний; 3) штатив; 4) проекційний ліхтар; 3) провідники; 4) джерело постійної напруги.
Для досліду виготовляють зразки із природного графіту, алюмінію і заліза у вигляді циліндриків довжиною 15мм і товщиною 3мм. До кожного циліндрика приклеюють тонку білу нитку довжиною 30см. Другий кінець нитки приклеюють до стержня, який вставлений в отвір коркової пробки. При підготовці до досліду пробку затискають в лапці штативу. Переміщуючи лапку вгору або вниз, переміщуючи стержень в пробці в вертикальному напрямкові і повертаючи його, можна встановити зразок в потрібному положенні між полюсами сильного електромагніту.
Графітовий зразок діамагнітний: його спочатку розташовують вздовж між полюсами електромагніту. При включенні струму він повертається і розміщується поперек поля. При виключенні струму – повертається в попереднє положення.
Алюміній парамагнітний, тому зразок з нього розміщують поперек між наконечниками полюсів. При включенні струму він повертається і встановлюється вздовж ліній поля.
Сталевий циліндрик, розташований поперек магнітного зазору, при включенні струму різко повертається і прилипає до нього з полюсів. Для створення сильного магнітного поля беруть осердя універсального трансформатора і встановлюють його перед конденсатором проекційного ліхтаря. На осердя встановлюють котушки “120” і “220” і з’єднують їх послідовно. На торцях осердя накладають і закріплюють конічні полюсні наконечники з проміжком між ними на 2-3мм більшим довжини зразків. Котушки живлять струмом 5А від джерела постійного струму напругою приблизно 100В.
При досліді не треба тримати довго котушки під струмом, щоб вони не перегрілися.
Дослід 2. Магнітний захист
Обладнання: 1) гиря з крючком; 2) магніт дугоподібний; 3) шматок дроту з ниткою; 4) пластинки з заліза та інших матеріалів.
Магнітне екранування ґрунтується на тому, що залізо, внесене в магнітне поле, намагнічується. В результаті складання намагнічуючого поля і поля, утвореного намагніченим залізом, можна отримати обмежені області простору, зовсім вільні від магнітного поля.
Для досліду сильний дугоподібний магніт закріплюють вниз полюсами (див. мал.). Кусок сталевого дроту діаметром 2мм підв’язують на двох нитках до крючка гирі і підносять знизу до полюсів магніту. Магніт закріплюють на максимальній висоті, при якій дротина надійно втримується. Далі в проміжок між дротом і полюсами магніту по черзі вносять пластинки зі скла, дерева, алюмінію, міді і показують, що це зовсім не впливає на магнітну дію. При внесенні пластинки з заліза дріт негайно падає. Магнітний захист можна показати за допомогою залізного кільця і залізних ошурків, демонструючи магнітний спектр в проекції на екран.
Дослід 3. Дослідження магнітного поля струму
Обладнання: 1) гальванометр від амперметра; 2) магнітний зонд; 3) звуковий генератор; 4) соленоїд дротяний; провідники.
Будова зонда схематично показана на малюнку. Замкнуте магнітне осердя зонда виготовляють із витків пермалоєвої стрічки, а останньому виткові надають витягнутої форми для більшої чутливості. За допомогою обмотки тонкого дроту (200 витків, 0,15мм) в осерді можна створити замкнений магнітний потік. Поверх цієї обмотки намотана ще одна, що має 600 витків дроту товщиною 0,06мм.
Якщо через внутрішню обмотку пропустити змінний струм, то ЕРС в зовнішній обмотці не виникає, але при наявності постійного зовнішнього магнітного поля, направленого вздовж осі зовнішньої котушки, в останній виникає ЕРС подвоєної частоти, величина якої прямо пропорційна повздовжній складовій напруженості зовнішнього постійного магнітного поля. Сумарний магнітний потік через зовнішню котушку не буде рівний нулю в кожний момент часу, як це мало місце при відсутності зовнішнього поля.
Зонд закріплюють на довгій ручці, через яку проходять провідники від кінців котушок. Внутрішню котушку живлять від генератора звукової частоти струмом частотою 1000-2000Гц. Кінці зовнішньої обмотки під’єднують до демонстраційного гальванометра безпосередньо або через підсилювач.
За допомогою зонда можна провести порівняльні дослідження індукції магнітного поля в таких випадках:
1) навколо довгого прямого струму на різних напрямках від провідника,
2) в різних точках навколо дротяного витка,
3) в різних точках в середині соленоїда.
Перед проведенням дослідів знайомлять учнів з дією магнітного зонда. Для цього після під’єднання провідників до звукового генератора і гальванометра кінці провідників мають написи “Г” і “ЗГ” підносять зонд до встановленого на столі постійного магніту (див. рис.) і, змінюючи частоту змінного струму від звукового генератора, досягають максимального відхилення стрілки гальванометра.
Після цього зонд переносять в інше місце поблизу магніту і повертають його. Учні бачать, що найбільше відхилення стрілки буває при розташуванні зонда вздовж силових ліній магнітного поля, а при перпендикулярному розміщенні стрілка стоїть на нулі.
При віддаленні зонда від магніту відповідно зменшуються покази гальванометра. Цих попередніх дослідів досить, щоб можна було почати користуватися магнітним зондом, для дослідження магнітних полів. Знайомити учнів з будовою і принципом дії зонда поки передчасно.
Для дослідження магнітного поля соленоїда застосовують соленоїд із 10-ти витків діаметром 7см, навитий із дроту діаметром 1,5-2мм. Кінці соленоїда закріплюють на ізолюючих штативах (див. рис.).
Розводять штативи на віддаль 20см, включають струм біля 5А і зондують магнітне поле навколо соленоїда. Далі вводять зонд всередину і розташовують його в різних місцях. Таке зондування дає можливість встановити, що магнітна індукція по всьому внутрішньому об’єму однакова, а біля кінців соленоїда магнітна індукція вдвічі менша, ніж всередині.
Якщо втримувати зонд всередині і зблизити штативи, зменшивши довжину соленоїда вдвічі, то індукція поля вдвічі збільшиться. Отже індукція магнітного поля всередині соленоїда пропорційна числу витків, що містяться в одиниці його довжини. Це відповідає формулі.
Дослід 4. Ефект Баркгаузена
Обладнання: 1) спеціальна котушка з осердям; 2) магніт дугоподібний; 3) підсилювач коливань низької частоти; 4) гучномовець; 5) провідники.
Ефект Баркгаузена (1919р.) підтверджує доменну структуру феромагнетика. Це явище полягає в тому, що при повільній і плавній зміні напруженості магнітного поля, магнітна індукція феромагнетика міняється не плавно, а окремими неупорядкованими стрибками.
Щоб продемонструвати це явище котушку тонкого дроту (10000-15000 витків товщиною 0,1 мм) під’єднують через підсилювач до гучномовця. В котушку вставляють дротину з м’якої сталі. Якщо підносити магніт до дротини досить повільно і з великої віддалі, то можна почути в динаміку окремі полускування, які потім переходять в шум, що нагадує морський прибій. При віддаленні магніту знову з’являється шум, який переходить в гучний шерех з окремими ударами і лускотом.
На початку досліду повільне наростання напруженості в осерді викликає в ньому перевертання окремих доменів. В ці моменти в котушці стрибкоподібно зростає потік магнітної індукції і виникає імпульс індуктивного струму, який підсилюється і діє на гучномовець.
Якщо магніт поблизу осердя котушки повертати навколо осі, то це викличе перемагнічення осердя. При цьому відбувається лавиноподібне перевертання доменів, яке супроводжуються шумом, що схожий на пересипання гороху.
Осердям котушки можна взяти смужку шириною 1,5-2мм, відрізану від листа трансформаторної сталі. Довжина смужки 100мм. Можна також взяти шматок відпаленого дроту товщиною 1мм. Котушки для досліду можна взяти від високоомного головного телефону, які з’єднують послідовно.
Контрольні запитання
1. Що таке магнітне поле? Назвіть основні властивості магнітного поля? Чим відрізняється магнітне поле від електростатичного? Як це продемонструвати?
2. Як потрібно розташувати стальний стержень в магнітному полі Землі, щоб його намагнітити?
3. Є два абсолютно однакових стальних стержні. Один з них - намагнічений. Як визначити, який із цих стержнів намагнічений, якщо в вашому розпорядженні немає ніяких допоміжних засобів?
4. Чому корпус компаса виготовляють з алюмінію, пластмаси, але не з заліза?
5. Стальний корпус суден морських суден намагнічується в магнітному полі Землі. Міни, які плавають в морі, вибухають, коли до них наближається таке судно. Щоб зберегти корабель від мін, його корпус оббивають кабелем із струмом. У чому суть такого захисту судна?
6. Назвіть основні властивості магнітного поля. Підберіть декілька своїх власних варіантів фізичних дослідів, які, на вашу думку, можна було б провести на перших уроках з теми: «Магнітні властивості речовини»
Лабораторна робота № 9