Постоянные магниты. Магнитное поле Земли - Электромагнитные явления

Цели: ознакомить учащихся со свойствами постоянных магнитов; добиться понимания реального и объективного существования магнитного поля; пояснить происхождение магнитного поля Земли.

Демонстрации: взаимодействие постоянных магнитов; спектры магнитных полей постоянных магнитов; магнитное поле Земли; устройство и действие компаса.

Ход урока

I. Проверка знаний

Первые 10-15 минут урока целесообразно посвятить проверке качества усвоения материала по теме «Магнитное поле тока». Для письменной проверочной работы можно предложить следующие варианты разноуровневых заданий:

Уровень 1

1. Каким способом можно узнать, есть ли ток в проводе, не пользуясь амперметром?

2. Каким образом можно обнаружить наличие в пространстве магнитного поля?

Уровень 2

1. У зажимов аккумулятора не оказалось пометок о том, какой из них «плюсовой» и какой - «минусовой». Можно ли узнать это, имея компас?

2. Изготовляя самодельный электромагнит, можно ли неизолированный провод наматывать на железный сердечник?

Уровень 3

1. Какое направление имеет ток в проводнике, направление силовых линий магнитного поля которого указано стрелками (рис. 31)?

2. По направлению магнитных силовых линий, изображенных на рисунке 32, определите направление кругового тока в кольце.

Уровень 4

1. Как объяснить наличие магнитного поля вокруг постоянного магнита на основе молекулярной теории строения вещества?

2. Какой полюс магнитной стрелки будет отталкиваться от правого конца катушки с током (рис. 33)?

3. Как намотать провод на полый керамический цилиндр, чтобы при пропускании тока по проводу внутри цилиндра не возникало магнитного поля?

II. Изучение нового материала

План изложения нового материала:

1. Постоянные магниты и их свойства.

2. Происхождение магнитного поля постоянных магнитов.

3. Магнитное поле Земли.

1. Экспериментальная презентация свойств магнитного поля электрического тока является исходной в методике данного урока. Для опыта можно взять стальной стержень (ножовочное полотно, напильник) и намотать на него 20-30 витков изолированного провода. Пропустив по обмотке постоянный электрический ток и, вынув стержень, обнаруживаем его магнитные свойства. Аналогичные опыты можно проделать с алюминиевым, медным, стеклянным и другими стержнями. Исследуя их, выясняем, что они не стали магнитами. Можно намагнитить стальные опилки, насыпанные в пробирку. Пробирка ведет себя как магнит. После встряхивания опилок ее магнитные свойства почти исчезают.

Намагничивание можно провести и в магнитном поле Земли.

Тела, длительное время сохраняющие намагниченность, называют постоянными магнитами или просто магнитами.

2. Происхождение магнитного поля постоянных магнитов. Французский ученый Ампер объяснял намагниченность железа и стали существованием электрических токов, которые циркулируют внутри каждой молекулы этих веществ. «Элементарные токи» в веществе циркулируют потому, что в каждом атоме обращаются вокруг ядра электроны (с огромной частотой). Они-то и образуют так называемые орбитальные токи и связанные с ними магнитные поля.

Далее учащимся демонстрируется опыт, доказывающий, что магнитное поле постоянного магнита, как и поле проводника с током, пронизывает различные тепа. Можно поместить магнит в аквариум с водой, а также в безвоздушное пространство под колокол воздушного насоса и продемонстрировать распространение магнитного поля в пустоте и в воде. Полезно сообщить учащимся, что космические корабли обнаружили магнитное поле Земли на больших расстояниях от нее, в безвоздушном пространстве.

После этого учитель демонстрирует взаимодействие магнитов, используя подвешенный на нити магнит или демонстрационную магнитную стрелку на острие, к которой приближают полосовой магнит.

Изучение свойств магнитного поля завершается наблюдением магнитных спектров. Сначала магнитный спектр можно продемонстрировать с помощью магнитных стрелок, затем - используя железные опилки.

При изучении магнитных спектров постоянных магнитов различной формы (прямого, дугового) нужно сопоставить их со спектрами магнитного поля соленоида с током и электромагнита с дугообразным сердечником.

Из сопоставления магнитных спектров можно установить, что магнитные поля постоянных магнитов похожи на поля электромагнитов. Такое сходство не случайно. Магнитное поле обусловлено движением электрических зарядов или токами (гипотеза Ампера).

Те места магнита, где обнаруживаются наиболее сильные магнитные действия, называют полюсами магнитов. У каждого магнита обязательно есть два полюса: северный (N) и южный (S).

3. Магнитное поле Земли. На основании опытов по намагничиванию тел в магнитном поле Земли, а также из наблюдений за ориентацией магнитной стрелки в направлении север-юг, можно сделать вывод о наличии магнитного поля Земли, и показать на глобусе ее магнитные полюсы. Необходимо заметить, что магнитные полюсы Земли не совпадают с ее географическими полюсами. Поэтому магнитная стрелка компаса лишь приблизительно показывает направление на север.

Иногда возникают магнитные бури - кратковременные изменения магнитного поля Земли. Наблюдения показывают, что появление магнитных бурь связано с солнечной активностью.

Далее можно рассказать о практическом применении постоянных магнитов.

III. Закрепление изученного

Если в конце урока остается время, можно с целью закрепления материала обсудить ряд качественных вопросов по изученной теме:

- Как можно объяснить намагничивание железа?

- Как взаимодействуют между собой полюсы магнитов?

- Как с помощью магнитной стрелки можно определить полюсы у намагниченного стального стержня?

- Чем объяснить, что магнитная стрелка устанавливается в данном месте Земли в определенном направлении?

- Можно ли разрезать магнит так, чтобы один из полученных магнитов имел только северный полюс, а другой - только южный?

Задача

Северный полюс магнита подносят к положительно заряженному пластмассовому шарику, висящему на нити. Что будет наблюдаться - притяжение или отталкивание? Как изменится ответ, если шарик заряжен отрицательно?

Решение: В обоих случаях будет наблюдаться притяжение, обусловленное разделением заряженных частиц в нейтральном теле (магните) под действием электрического поля. Замена положительного заряда шарика на отрицательный и (или) северного магнитного полюса на южный никак не повлияет на результат: магнитное поле вообще не действует на неподвижные заряженные частицы или тела.

Домашнее задание

§ 59, 60 учебника; вопросы к параграфам.

Дополнительный материал

Магнитные поля в Солнечной системе

Весьма важную роль во Вселенной, в том числе и в Солнечной системе, играют электромагнитные процессы. Чтобы их описать, рассмотрим вопрос о механизме возникновения магнитных полей вокруг небесных тел.

Нам уже известно, что магнитное поле существует вокруг электрических зарядов, движущихся упорядоченно, то есть магнитное поле существует вокруг токов. Но в обычных условиях в проводниках токи могут поддерживаться только за счет действия источников тока - генераторов, аккумуляторов и др. Причина этого явления заключается в том, что движущиеся в проводнике электроны тормозятся при . взаимодействии с ионной решеткой, и за счет этого энергия электрического тока превращается во внутреннюю энергию проводника и выделяется в форме тепла.

Совершенно иначе обстоит дело в космической плазме. Вследствие высокой степени разрежения здесь расстояния между движущимися частицами очень велики и соударения между ними происходят крайне редко. В результате циркуляция электрических зарядов в космической плазме (то есть электрические токи), возникая по а какой-либо причине, может продолжаться очень долго. Итак, токи в плазме практически не затухают длительное время. Следовательно, столько же времени вокруг этих циркулирующих зарядов будут существовать магнитные поля. Образно говорят, что «магнитные поля вморожены в плазму».

За счет циркуляции плазмы на Солнце создаются сильные магнитные поля, играющие важную роль во всех процессах солнечной активности.

Для магнитного поля Солнца характерна значительная неоднородность, которая отмечается всюду, как внутри пятен, так и вне их. Две самые характерные особенности солнечных пятен, несомненно, связаны между собой; это более низкая температура по сравнению с остальной фотосферой и сильное магнитное поле.

Вспышки также, несомненно, связаны с магнитными полями, структура которых после вспышки часто меняется; обычно поле ослабляется. Расчеты показывают, что исчезновения магнитного поля, наблюдаемого в районе пятен, достаточно, чтобы компенсировать выделяющуюся при вспышке энергию. Сила тока в области вспышки может достигать нескольких миллиардов ампер, а напряжение - порядка миллиарда вольт. Плазма в районе вспышки разогревается до температуры около 10 млн. градусов. По скорости протекания вспышка подобна взрыву.

Возникающие при этом выбросы газа достигают скоростей порядка 1000— 1500 км/с и уносят с собой примерно половину энергии вспышки. Одновременно с этим значительную энергию получают ускоряющиеся при вспышке электроны, протоны (ядра водорода) и альфа-частицы (ядра гелия). Преодолев за счет большой скорости притяжение Солнца, эти частицы рассеиваются в космическом пространстве, продолжая двигаться со значительными скоростями. Этот поток частиц и представляет собой солнечный ветер.

Земля обладает значительным магнитным полем. Эго поле можно представить как сумму двух полей. Одно из них - это основная (постоянная) составляющая, которая не меняется заметно со временем; второе - это переменная составляющая (менее 1 %), зависящая от процессов в околоземной плазме, в основном от явлений на Солнце.

Существуют еще местные магнитные поля, возникающие за счет наличия в земной коре залежей ферромагнитных руд, в основном магнитного железняка. Эти местные поля называются магнитными аномалиями. Одна из них - Курская магнитная аномалия - в настоящее время интенсивно разрабатывается.

У всех планет земной группы (кроме самой Земли), а также у спутников планет, в том числе и у Луны, практически нет магнитных полей.