Сила равна нулю, если движение происходит вдоль линий магнитного поля, и максимальна, если скорость частицы перпендикулярна магнитной индукции

3. Направление силы определяется с помощью правила левой руки.

Формулу для магнитной силы можно записать и так: .

Векторное произведение векторов.

Магнитная индукция - свойство магнитного поля действовать на движущуюся заряженную частицу с некоторой силой, измеряемое отношением максимальной силы, действующей в данной точке на частицу, к ее электрическому заряду и скорости.

Благодаря магнитной силе мы живем на Земле, вырабатываем электрическую энергию, практически используем термоядерную энергию. Несколько де­монстраций (упражнений) на определение направления магнитной силы. Опыты с катодной трубкой и осциллографом. Почему правило «левой руки» не применимо? Правило «левой руки» для отрицательно заряженной час­тицы. Открытие позитрона (диапозитив).

Движение заряженной частицы в однородном магнитном поле (демонстрация).

Циклотрон.

Устройство циклотрона и его принцип действия в ознакомительном плане (рисунок на доске). В синхрофазотроне с увеличением импульса частиц увеличивается индукция магнитного поля, поэтому радиус орбиты остается неизменным. Коллайдер – ускоритель на встречных пучках.

Масс-спектрограф. Разделение изотопов урана.

Магнитное поле Земли. Полярные сияния.

"Ах, как играет этот север!

Ах, как пылает надо мной

Разнообразных радуг веер

В его короне ледяной!

Ему, наверно, по натуре

Холодной страсти красота,

Усилием магнитной бури

Преображенная в цвета..."

М. Дудин

Эффект Холла.

IV.Демонстрация фрагмента кинофильма.

Задачи:

1. В однородное магнитное поле с индукцией 0,085 Тл влетает электрон со скоростью 4,5∙10⁷ м/с, направленной перпендикулярно к линиям магнитной индукции. Определить силу, действующую на электрон в магнитном поле и радиус дуги окружности, по которой он движется.

2. В однородное магнитное поле с индукцией 10 мТл перпендикулярно линиям индукции влетает электрон с кинетической энергией 20 кэВ. Каков радиус кривизны траектории электрона в поле и период его обра­щения?

3. Перпендикулярно линиям индукции в однородное магнитное поле влетают протон и однозарядный ион атома гелия, ускоренные одной и той же разностью потенциалов. Во сколько раз радиус окружности, по которой движется ион, больше, чем у протона?

4. В небольшом циклотроне с максимальным радиусом 0,5 м протоны ускоряются в магнитном поле с индукцией 1,7 Тл, Рассчитайте кинетическую энергию протонов, покидающих циклотрон.

Вопросы:

1. Почему жидкий проводник при пропускании по нему тока стремится уменьшить площадь своего поперечного сечения?

2. Отчего пламя свечи, помещенное между полюсами магнита, выталки­вается наружу?

3. Почему два параллельных проводника, по которым текут токи в одном направлении, притягиваются, а два параллельных пучка электронов – отталкиваются?

4. В правую или левую часть экрана кинескопа отклоняются электроны под влиянием магнитного поля Земли? Телевизор находится а) в г. Новокузнецке, б) на экваторе, в) на юге Австралии.

5. Может ли сила, действующая на заряженную частицу в магнитном поле, изменить ее энергию?

6. Почему уровень океана может изменяться в данном месте из-за течений?

7. На плоскости дана дуга окружности. С помощью циркуля и линейки постройте отрезок, равный ее радиусу.

V.

§ 65. Упр. 11, № 4.

1. Ученые установили, что у перелетных птиц есть «магнитный компас», который регистрирует небольшие изменения величины и направления индукции магнитного поля Земли. Как, по вашему мнению, он устроен?

2. Что случилось бы, если бы Земля была внутри пустой?

"Знанию всегда предшествует предположение".

А. Гумбольдт

Урок 37/19. РЕШЕНИЕ ЗАДАЧ

ЦЕЛЬ УРОКА: Развить представления, полученные при изучении магнитной силы. Научить учащихся решать задачи на движение частицы в сложных полях.

ТИП УРОКА: Решение задач.

ОБОРУДОВАНИЕ: Микрокалькулятор.

ПЛАН УРОКА:

1. Вступительная часть 1-2 мин

2. Опрос 10 мин

3. Решение задач 30 мин

4. Задание на дом 2-3 мин

II. Опрос фундаментальный:

1. Магнитная сила.

2. Движение заряжен­ной частицы в магнитном поле.

3. Магнитная сила в природе и технике,

Задачи:

1. Электрон влетает в область однородного магнитного поля с индукцией 0,01 Тл со скоростью 1000 км/с перпендикулярно к линиям магнитной индукции. Какой путь он пройдет к тому моменту, когда вектор его скорости повернется на 1⁰?

2. Пройдя ускоряющую разность потенциалов 3,52 кВ, электрон влетает в однородное магнитное поле с индукцией 0,01 Тл перпендику­лярно линиям магнитной индукции и движется по окружности радиуса 0,02 м. Вычислите отношение заряда электрона к его массе.

3. Положительно заряженный шарик массой m подвешен на нити длиной L и равномерно движется по окружности в однородном вертикальном магнитном поле с индукцией . Заряд шарика q. Нить образует с вертикалью угол α = 60°. Найдите угловую скорость равномерного обращения шарика по окружности.

4. Две частицы, имеющие отношение зарядов = 2 и отношение масс = 4, влетели в однородное магнитное поле перпендикулярно его линиям индукции и движутся по окружностям с отношением радиусов = 2. Определите отношение кинетических энергий этих частиц.

5. Внутренний диаметр дуантов циклотрона 1000 мм. Индукция магнитного поля 1,2 Тл. Ускоряющее напряжение 100 кВ. Найти: а) максимальную энергию, до которой могут быть ускорены в этом цик­лотроне протоны, и скорость, приобретаемую протонами к концу ускорения; б) время, в течение которого длится процесс ускорения.

Вопросы:

1. Почему в Канаде северные сияния бывают чаще, чем в Сибири, расположенной на той же географической широте?

2. Могут ли ионы разной массы, ускоренные одним и тем же электрическим полем, иметь одинаковые траектории в магнитном поле?

3. Два разноименных заряда, связанные легкой пружиной, влетают в однородное магнитное поле перпендикулярно вектору магнитной индукции. Почему увеличивается потенциальная энергия пружины, ведь магнитная сила работу не совершает?

4. Почему даже слабое магнитное поле (магнит объемом до 1 см³) вызывает появление "картины магнитного поля" на экране телевизора?

5. На рисунке изображен участок траектории частицы, движущейся в постоянном магнитном поле. Каков знак заряда частицы?

6. Что произойдет с листочками электроскопа, заряженными отрицательно, если к его головке не касаясь поднести северный полюс полосовой магнита?

III. Задачи:

1. Электрон движется по окружности радиуса 10 см в однородном магнитном поле с индукцией 1 мТл. Параллельно магнитному полю возбуждается однородное электрическое поле с напряженностью 100 В/м. За какой промежуток времени кинетическая энергия электрона возрастет вдвое?

2. Электрон влетает в однородное магнитное поле. В точке А он имеет скорость , которая составляет с направлением поля угол α. При каких значениях индукции магнитного поля электрон окажется в точке В. Заряд электрона е, масса m, расстояние между точками А и В равно L. Проблемы удержания горячей плазмы. Токамак (токовая камера с магнитными катушками). На большом токамаке (США) была достигнута температура 4·10⁸ К, время удержания плазмы до 10 с, мощность 10 МВт. Начато строительство международного экспериментального реактора ( ): объем плазмы 2000 л, мощность 500 МВт, стоимость 5 млрд. евро. Почему технически очень сложно осуществить управляемую термоядерную реакцию на установках типа токамак?

3. Один из предложенных путей получения высоких температур, необходимых для осуществления термоядерных реакций, использует так называемую «магнитную термоизоляцию». Уход быстрых частиц из зоны высокой температуры предотвращается магнитным полем. Оценить силу тока в столбе газового разряда радиуса 3 см, необходимую для того, чтобы электроны, обладающие средней скоростью хаотического движения, соответствующей температуре 10⁶ К, не могли удаляться от поверхности столба на расстояние более чем 3∙10^-3 см.

4. В установке для разделения изотопов U²³⁵ и U²³⁸ пучок однократно ионизованных ускоренных ионов урана с энергией 5 кэВ попадает от источника через щель в однородное магнит­ное поле, перпендикулярное плоскости рисунка. В магнитном поле ионы разных масс движутся по окружностям разного радиуса и, совершив полуоборот, попадают в приемники. Конструкция последних должна быть такова, чтобы расстояние между пучками изотопов урана на выходе было не меньше 5 мм. Каково должно быть магнитное поле, удовлетворяющее этому условию? Найти также время, необходимое для полного разделения 1 кг природного урана, если ионный ток, созда­ваемый источником, равен 5 мА.

IV.

1. Можно ли по знаку холловской разности потенциалов судить о знаке свободных носителей заряда? Будет ли наблюдаться эффект Холла в электролитах, в полупроводниках?

2. Измерьте отношение заряда электрона к его массе с помощью телевизора.

3. Две одинаковые частицы с зарядами q и массами m вылетают одновременно из одной точки в направлении, перпендикулярном линиям однородного магнитного поля с индукцией . Вычислите расстояние между частицами как функцию угла поворота (как функцию времени), если начальные скорости частиц направлены одинаково и равны и .

"Нет ничего позорнее для натуралиста, чем мнение,

будто что-либо может произойти без причины".

Цицерон

Урок 38∕20. ВОЗНИКНОВЕНИЕ ЭДС ПРИ ДВИЖЕНИИ ПРОВОДНИКА

В МАГНИТНОМ ПОЛЕ

ЦЕЛЬ УРОКА: Изучить явление возникновения ЭДС при движении провод­ника в магнитном поле и рассмотреть практические применения этого явления.

ТИП УРОКА: Комбинированный.

ОБОРУДОВАНИЕ: Магнит дугообразный, проводник, гальванометр, катушки Гельмгольца, прибор "Рамка в магнитном поле".

ПЛАН УРОКА:

1. Вступительная часть 1-2 мин

2. Опрос 10 мин

3. Объяснение 20 мин

4. Закрепление 10 мин

5. Задание на дом 2-3 мин

II. Опрос фундаментальный:

1. Практические применения свойства магнитного поля действовать на движущуюся заряженную частицу.

Задачи:

1. α-частица, ускоренная напряжением 250 кВ, пролетает поперечное однородное магнитное поле с индукцией 0,51 Тл. Толщина области с полем 10 см. Определить угол отклонения α-частицы от первоначального направления движения.

2. Протоны движутся по окружности радиусом 8,1 см в магнитном поле с индукцией 0,58 Тл. Какое электрическое поле надо наложить, чтобы протоны двигались по прямой линии? Как должен быть направлен вектор , ? Селектор скоростей: Если заряженные частицы движутся во взаимно перпендикулярных электрических и магнитных полях, то прямолинейно будут распространяться частицы, у которых скорость . Их можно выделить, поместив на их пути диафрагму.

3. Частица массой m с зарядом q движется с постоянной по модулю скоростью в области пространства, где имеются три взаимно перпендикулярных поля: электрическое с напряженностью E, магнитное с индукцией B и поле тяжести g. В некоторый момент поля E и B выключают. Минимальная кинетическая энергия частицы в процессе последующего движения составляет половину начальной. Найдите проекции скорости частицы на направление полей E, B и g.

Вопросы:

1. Увеличение скорости заряженных частиц в циклотроне осуществляется исключительно за счет воздействия на частицы электрического поля. Зачем необходимо еще и магнитное поле?

2. Начальная скорость электрона составляет некоторый угол с совпадающими по направлению векторами напряженности электрического поля и индукции магнитного поля. Каков характер движения электрона?

3. Узкий канал заполнен жидкостью. Если нужным образом создать электрическое и магнитное поля, то жидкость начнет течь. Почему?

4. Почему частица, движущаяся по спирали в неоднородном магнитном поле, «отражается» от области, где магнитная индукция этого поля больше?

5. От каких параметров частицы зависит форма ее траектории при движении в гравитационном поле, электрическом поле, магнитном поле?

6. Изменяется ли скорость заряженной частицы при ее движении в неоднородном магнитном поле?

7. Каким образом постоянная аннигиляция магнитных полей в верхней части солнечной атмосферы приводи к возникновению вспышек и разогреву короны?

8. Утверждают, что при приближении кометы к Солнцу на ее голову налетает солнечный ветер, который захватывает своим магнитным полем ионы кометного газа, и гонит их прочь от Солнца. Так ли это?

III. Возникновение ЭДС при движении проводника в магнитном поле (демонстрация). Движение свободных положительно заряженных частиц в проводнике при его перемещении в однородном магнитном поле (можно и отрицательно заряженных). Для неподвижного наблюдателя-учителя
перераспределение свободных зарядов в проводнике вызывается магнитной силой (сторонняя сила): F_м = q∙υ∙В. В выражение для магнитной силы входит скорость частицы (относительно чего, какой системы отсчета?).

Вывод: Проводник, движущийся в магнитном поле, новый источник электрического тока!

Какова простершая конструкция этого источника тока?

		ε = υ∙В∙l
	Е = υ∙В

Для наблюдателя, который движется вместе с проводником, магнитной силы нет, но перераспределение зарядов происходит (заряд сохраняется). Почему? Это явление похоже на электростатическую индукцию. Вместо магнитной силы можно считать, что на заряженную частицу действует внешнее электрическое поле, которое существует в системе отсчета, связанной с проводником. Тогда можно было бы перемещать и метлу!

В ее системе отсчета существовало бы электрическое поле!

Вывод: В движущейся системе отсчета сторонняя сила - электрическая сила.

		ε = E∙l =υ∙В∙l
	Е = υ∙В

Вывод: Если в одной системе отсчета существует только магнитное поле, то в любых других, движущихся относительно данной, будет существовать и электрическое поле! Магнитные и электрические поля преобразуются при переходе из одной ИСО в другую!

Мощность, которую я затрачиваю, (модель генератора).

Модель генератора постоянного тока:

Задача: По горизонтальным рельсам, замкнутым через лампочку сопротивлением R_л, равномерно скользит под действием силы металлический стержень длиной L, расположенный перпендикулярно рельсам. Система находится в однородном магнитном поле , составляющем угол с вертикалью. Сопротивление стержня R, сопротивлением рельсов можно пренебречь. Равнодействующая сил трения в подвижных контактах F_тр. Определите силу тока в цепи генератора и его КПД.

МГД – генератор – новый источник электрического тока.

МГД – двигатель.

Генератор. Принцип действия генератора переменного тока (демонстра­ция с катушками Гельмгольца и рамкой). Определение направления электрического тока в рамке.

Модель двигателя постоянного тока: .

IV.Задачи:

1. Коснувшись клемм батареи низкого напряжения языком, можно буквально попробовать электричество на вкус. Например, довольно сильное ощущение вызывает 4,5 В при расстоянии между клеммами 6 см. С какой скоростью нужно трясти головой между полюсами магнита цикло­трона (В = 2 Тл), чтобы ощущать то же самое?

2. Поток проводящей жидкости течет по керамической трубе. Для опре­деления скорости течения жидкости трубу помещают в однородное маг­нитное поле, перпендикулярное оси трубы. В трубе закрепляют два электрода, образующих плоский конденсатор, и измеряют разность по­тенциалов между электродами. Найти скорость потока, если магнитная индукция поля 0,01 Тл, расстояние между электродами 2 см, измеренная разность потенциалов 0,4 мВ.

3. Самолет летит горизонтально, держа курс строго на север при сильном западном ветре, имеющем скорость 40 м/с. Собственная скорость самолета 720 км/ч. Чему равна разность потенциалов между концами крыльев самолета, если размах крыльев составляет 50 м, а вертикальная составляющая магнитного поля Земли 50 мкТл?

4. По горизонтальным параллельным рельсам, расстояние между которыми L, скользит без трения перемычка массой m. Рельсы соединены резистором сопротивлением R и находятся в однородном магнитном поле с индукцией B. Перемычке сообщают скорость υ₀. Какое расстояние она пройдет до остановки?

5. Металлический стержень массой m лежит на двух проводящих рейках, расположенных в горизонтальной плоскости. Рейки через ключ подсоединены к пластинам конденсатора, а вся система находится в однородном магнитном поле с индукцией В, направленной вертикально. В начальный момент заряд на конденсаторе равен q₀, ключ разомкнут, а стержень покоится. Затем ключ замыкают. Определить заряд на конденсаторе в момент, когда скорость стержня достигнет величины υ. Расстояние между рейками l. Индуктивностью цепи, а также силами трения пренебречь.

Вопросы:

1. Почему во время грозы нельзя ложиться на землю? (Самый лучший способ защиты: найти овраг или ложбину и сесть, обхватив ноги руками).

2. Предложите проект МГД - двигателя для морского судна.

3. Металлический стержень, не соединенный с другими проводниками, движется в магнитном поле. Почему, не смотря на наличие ЭДС, по стержню не течет ток?

4. Между концами крыльев самолета, летящего в магнитном поле Земли, натянута изолированная проволока. Можно ли экспериментально доказать наличие индуцированного электрического поля в этой проволоке?

5. Какие из перечисленных объектов не создают магнитное поле?

· Раздробленный на мелкие кусочки полосовой магнит.

· Люминесцентная лампа

· Нейтрон.

· Спираль лампочки накаливания при пропускании по ней тока.

· Аккумулятор при его зарядке.

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ (модель электрического двигателя постоянного тока):

Задача 1: По горизонтальным рельсам может перемещаться металлический стержень длиной L, расположенный перпендикулярно рельсам. Система находится в однородном магнитном поле , составляющем угол с вертикалью. ЭДС источника тока , сопротивление стержня R, сопротивлением источника тока и рельсов можно пренебречь. Равнодействующая сил трения в подвижных контактах F_тр. Определите силу тока в цепи, скорость движения стержня и КПД этого двигателя. Покажите, что работу магнитного поля можно определить по формуле: .

Задача 2: Прямоугольный контур, стороны которого имеют длины и , находится в однородном магнитном поле с индукцией и может вращаться вокруг оси . По контуру течет ток I. Определите механическую работу, совершенную магнитным полем при повороте контура на 180⁰, если вначале плоскость контура была перпендикулярна вектору индукции магнитного поля.

V.Конспект

1. Предложите проект МГД - насоса для перекачки жидкого металла (ртути) по трубе.

2. Механические колебания тонкой металлической пластинки между полюсами сильного магнита приводят к появлению индукционного тока (лежачие полицейские). Предложите проект устройства (устройство Биби).

"В связи с этим я свел все магнитные явления к чисто электрическим эффектам".

Ампер

Урок 39/21. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА

ЦЕЛЬ УРОКА: Познакомить учащихся с классификацией веществ по их магнитным свойствам. Дать представление о гипотезе Ампера и обосновать ее.

ТИП УРОКА: Комбинированный.

ОБОРУДОВАНИЕ: Прибор для демонстрации магнитных свойств вещества, универсальный трансформатор с принадлежностями, блок питания, диа­фильм "Магнитные свойства вещества", кинофильм "Магнитные свойства вещества".

ПЛАН УРОКА:

1. Вступительная часть 1-2 мин

2. Опрос 10 мин

3. Объяснение 20 мин

4. Закрепление 10 мин

5. Задание на дом 2-3 мин

II. Опрос фундаментальный:

1. Возникновение ЭДС при движении провод­ника в магнитном поле.

2. Генератор переменного тока.

Задачи:

1. С какой скоростью должен двигаться проводник длиной 10 см, перпендикулярно к линиям индукции однородного магнитного поля, индукция которого 0,2 Тл, чтобы между концами проводника возникло напряжение 0,01 В. Направление скорости проводника с направлением самого проводника составляет угол 30⁰.

2. По двум вертикальным металлическим рейкам, замкнутым в верхней части через резистор с сопротивлением 0,2 Ом, без трения скользит стержень длиной 10 см и массой 10 г. Система находится в однородном магнитном поле, индукция которого перпендикулярна плоскости чертежа и равна 0,2 Тл. Определить установив­шуюся скорость падения стержня. Как зависит ответ от направления вектора ?

3. На рисунке изображена модель двигателя постоянного тока. ЭДС батареи ε, индукция магнитного поля В, сопротивление цепи R, длина перемычки L. Определите установившуюся угловую скорость перемычки и ток в цепи, если сила трения в подвижном контакте F_тр.

4. По двум горизонтальным металлическим рейкам, в которые с одной стороны включен конденсатор емкости С, без трения скользит стержень длины l и массы m под действием силы F. Система находится в однородном магнитном поле, индукция которого перпендикулярна плоскости чертежа и равна В. Если сопротив­лением подводящих частей контура можно пренебречь, то чему равно ускорение стержня?

Вопросы:

1. Почему электродвигатель может сгореть, если остановить его ротор?

2. В цепь небольшого электродвигателя последовательно с ним включают электрическую лампочку мощностью примерно равной мощности электро­двигателя. В момент включения двигателя лампа загорается, а потом быстро гаснет. Если затормозить ротор, то лампа горит ярко. Объяснит явление.

3. Каким образом электродвигатель превратить в генератор?

III. У соленоида много общего с полосовым магнитом. Должны ли мы из этого заключить, что в магнитах из железа имеются вечные электричес­кие токи (без источника энергии)? Но почему эти токи существуют не во всех материалах? Почему намагниченность веществ различна? В ве­ществе на самом деле существуют вечные токи. Гипотеза Ампера (рису­нок на доске или кододиапозитив).

"...из простого сопоставления фактов мне

представляется невозможным сомневаться в том, что такие токи действительно текут вокруг оси магнита".

Ампер

Электрон в атоме – рамка с током или маленькая магнитная стрелка. Что будет происходить с этими магнитными стрелками во внешнем маг­нитном поле? Демонстрация. Как изменится магнитное поле в веществе? Как влияет на ориентацию этих "магнитных стрелок" тепловое движение? Магнитная индукция в веществе:

где μ – магнитная проницаемость вещества.

Классификация веществ по их магнитным свойствам (диафильм). Диамагнетики. Демонстрация поведения диамагнетика во внешнем поле. Парамагнетики. Демонстрация и объяснение природы парамагнетизма. Ферромагнетики. Почему железо обладает магнетизмом (притягивается к магниту)?

Ферромагнетики отличаются тем, что их намагниченность, появляющаяся в очень слабом магнитном поле в сотни тысяч раз больше, чем у парамагнетика. Например, чтобы в парамагнетике получить такую же намагниченность, какая появляется у железного образца в поле 0,01 Тл, необходимо иметь внешнее поле 1000 Тл. Почему? Доменная структура ферромагнетика. Размеры доменов порядка 10^-2-10^-4 см. Каждый электрон – маленькая магнитная стрелка (спиновой магнитный момент). Свободные электроны во внешнем магнитном поле устанавливаются благодаря спину по линиям этого поля или против них (другого не дано). Пролетая мимо атома ферромагнетика (железа) электрон ориентируется в магнитном поле атома и затем может передать свою ориентацию другому атому решетки, в результате ориентировать его магнитное поле параллельно полю первого атома. Обменное взаимодействие между атомами приводит к возникновению домена, которые располагаются так, что их общее (среднее) магнитное поле равно нулю. Ориенти­ровать целые домены легче, чем огромное количество отдельных "элемен­тарных магнитов". Почему не может быть жидких ферромагнетиков? Намагничивание ферромагнетика во внешнем магнитном поле. Почему ферромагнетики притягивается к магниту, а парамагнетик не притягиваются?

Магнетизм Земли. Решающий опыт Гильберта. Он выточил из куска магнитной руды подобие нашей планеты, поместил на этой модели маленький компас, стрелка которого вела себя как обычно - одним концом указы­вала на север, а другим – на юг.

Историческая справка: После сообщения о результатах своих опытов по взаимодействию параллельных токов Ампер получил вопрос: «Но что же, собственно, нового в том, что Вы сказали? Само собой ясно, что если два тока оказывают действие на стрелку, то они оказывают также действие друг на друга». Ампер не нашел сразу нужного ответа, но ему на помощь пришел Араго. Он вынул из кармана два железных ключа и сказал: «Вот каждый из них тоже оказывает действие на стрелку, однако же, они никак не действуют друг на друга». Почему это так?

IV. Задачи:

1. Предполагая, что электрон в атоме водорода движется по круговой орбите радиусом 5,3 нм. Определите период обращения электрона вокруг ядра и индукцию магнитного поля, создаваемого дви­жущимся электроном в центре его орбиты.

2. Каким магнитным моментом обладает частица с зарядом е и массой m движущаяся со скоростью перпендикулярно однородному и постоянному магнитному полю с индукцией ?

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ (гигантская магниторезистентность, ГМР – Нобелевская премия 2007 года по физике): В считывающей головке два слоя ферромагнетика (железа) разделены тончайшим слоем неферромагнитного металла, например, хрома. Теперь намагнитим один слой как целое в одном направлении, а другой – в противоположном направлении. Это происходит спонтанно в соседних доменах. Если теперь по этому «сэндвичу» пропустить электрический ток, то входящие в первый слой электроны разделятся на две группы: ориентированные по полю и против него, причем этим двум токам слой оказывает разное сопротивление. При переходе в другой слой токи «обмениваются сопротивлениями». Если такая головка протягивается над ячейкой жесткого компьютерного диска, то слабое поле намагничивает первый слой и за счет магнитного спаривания (ориентация атомов прошедшими в слой электронами) намагнитится в том же направлении второй слой. Это приведет к огромному изменению суммарного сопротивления и тока. Основываясь на этой технологии, фирма IВМ в 1998 году вышла на рынок с новым жестким диском емкостью 16,8 гигабайт.

V. § 66

1. Нейтрон, не имея электрического заряда, тем не менее, обладает маг­нитным моментом. Как это объяснить?

2. Предложите свою гипотезу земного магнетизма и обоснуйте ее. Попытайтесь объяснить, почему индукция магнитного поля планеты зависит от ее массы и скорости осевого вращения.

3. На некотором расстоянии от прямого длинного постоянного магнита находится могущая вращаться магнитная стрелка, которая показывает направление вдоль магнита.

При разведении половинок разрезанного магнита стрелка меняет первоначальное направление на противоположное направление. Объясните явление (можно использовать два полосовых магнита).

4. Правда ли, что сделать из железа магнит гораздо дешевле, чем из магнита железо?

5. Притяжение магнитом ферромагнитного шарика сопровождается получением механической работы, но для отрыва его и возвращения в исходное состояние необходимо затратить столько же. Так ли это?

6. Разработайте способы размагничивания намагниченного тела.

"... по какому закону природы то происходит, что камень притягивать может железо.

Камень же этот по имени месторождения магнитом назван был греками, ... "

Лукреций

Урок 40/22. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ

ЦЕЛЬ УРОКА: Познакомить учеников с природой ферромагнетизма и практическими применениями ферромагнетиков.

ТИП УРОКА: Комбинированный.

ОБОРУДОВАНИЕ: Катушка с ферромагнитным сердечником, осциллограф, звукосниматель от гитары, штатив с принадлежностями, выпрямитель, кинофильм "Вещество в магнитном поле", обобщающая таблица "Ферромагнетики"

ПЛАН УРОКА:

1. Вступительная часть 1-2 мин

2. Опрос 10 мин

3. Объяснение 20 мин

4. Закрепление 10 мин

5. Задание на дом 2-3 мин

II. Опрос фундаментальный:

1. Гипотеза Ампера.

2. Магнитные свойства вещества.

Задачи:

1. Соленоид с железным сердечником длиной 30 см содержит 500 витков. При силе тока в обмотке 48 А индукция магнитного поля равна 2,2 Тл. Чему равна магнитная проницаемость сердечника в столь сильном магнитном поле?

2. Магнитный дипольный момент атома железа равен примерно 1,8∙10^-23 А∙м². Определите магнитный дипольный момент железного стержня длиной 12 см, шириной 1,2 см и толщиной 1,2 см при полном магнитном насы­щении. Какой вращающий момент будет действовать на этот стержень в магнитном поле с индукцией 1,2 Тл, направленной перпендикулярно ему?

Вопросы:

1. Имеется два одинаковых стальных стержня, один из стержней намагничен. Как узнать, какой из них намагничен, не пользуясь ничем, кроме самих стержней?

2. При длительном хранении качество записи на видеокассетах ухудшается. Почему?

3. Почему ферромагнетик втягивается в область большего значения индукции неоднородного магнитного поля?

4. Шарик, лежащий на стекле, притягивается магнитом по направлению к его полюсу. Каким будет движение шарика?

5. Используя свойство соленоида втягивать внутрь ферромагнитные сердечники, предложите модель "электропушки". В какой момент нужно выключить ток в соленоиде, чтобы снаряд вылетал с наибольшей скоростью? Каким будет движение снаряда, если ток не выключать?

6. Как изменится магнитное поле катушки с током, если в нее ввести сердечник: а) железный: б) алюминиевый; в) медный?

7. Французский физик Араго в 1820 г сделал открытие, заключающееся в следующем: когда тонкая медная проволока, соединенная с источником тока, погружалась в железные опилки, то они приставали к ней. Почему?

8. При исследовании магнитной проницаемости жидкостей их поочередно наливают в сообщающийся сосуд, одно из колен которого помещают между полюсами сильного электромагнита. Отчего одни жидкости поднимаются в этом колене, а другие опускаются?

9. Что общего и в чем различия между электростатическим полем и магнитостатическим полем?

10. Принципиально ли важно для сна укладываться головой на север или, например, на восток?

III. Намагниченность вещества:

Зависимость намагниченности ферромагнетика от величины внешнего магнитного поля (демонстрация). На вход "X" напряжение подается напрямую от источника переменного напряжения, а на вход "У" от звукоснимателя, расположенного над катушкой с сердечником.

Петля гистерезиса (рисунок на доске). Остаточная намагниченность. Коэрцитивная сила – наименьшая величина размагничивающего поля. Петлю гистерезиса зарисовать в тетрадь.

Работа по перемагничиванию ферромагнетика за один цикл пропорциональ­на площади петли. Магнитомягкие и магнитожесткие материалы. Их при­менение. Магнитожесткие материалы с большой остаточной магнитной индукцией (β~1 Тл) применяют для изготовления постоянных магнитов. Обычно для этой цели используют углеродистые, хромистые, вольфрамовые или кобальтовые стали. Сплав висмут-марганец обладает коэрцитивной силой ~ 5 Тл. Самое сильное полученное в лаборатории магнитное поле – 85 Тл, выше магниты просто разрушаются.