Název: Studium magnetického pole

Transkript

1 Název: Studium magnetického pole Autor: Mgr. Petr Majer Název školy: Gymnázium Jana Nerudy, škola hl. města Prahy Předmět (mezipředmětové vztahy) : Fyzika, Zeměpis Tematický celek: Elektřina a magnetismus Ročník: 4. (2. ročník vyššího gymnázia) Popis - stručná anotace: Žák pomocí teslametru změří magnetickou indukci v okolí permanentního magnetu, uvnitř cívky a magnetického pole Země. Tento výukový materiál byl vytvořen v rámci projektu Přírodní vědy prakticky a v souvislostech inovace výuky přírodovědných předmětů na Gymnáziu Jana Nerudy (číslo projektu CZ.2.17/3.1.00/36047) financovaného z Operačního programu Praha - Adaptabilita.

2 Pomůcky Výukové materiály Měřící systém, teslametr, různé permanentní magnety (tyčové i podkovovité), elektromagnet, zdroj napětí pro elektromagnet, magnetka. Teorie Kolem magnetu existuje magnetické pole, které ovlivňuje ocelové předměty, ty jsou k magnetu přitahovány magnetickou silou. Existenci magnetického pole můžeme prokázat různými způsoby magnetkou, ocelovými hřebíčky nebo pilinami. Nejsilnější je magnetické pole u konců magnetu. Tyto konce nazýváme póly magnetu a označujeme je písmeny N (north - sever) a S (south - jih), případně je označujeme modrou (S) a červenou barvou (N). Země má vlastnosti magnetu, proto se používá k orientaci magnetka jako kompas. Obr. 1: Magnetka jako kompas Magnet vytváří ve svém okolí magnetické pole, které můžeme znázornit pomocí magnetických indukčních čar. Tvar indukčních čar můžeme jednoduše znázornit pomocí ocelových pilin nebo magnetkou. U indukčních čar volíme jejich směr, i když to jsou uzavřené křivky. Čáry orientujeme tak, že vystupují ven z pólu severního a vstupují do jižního pólu magnetu. Obr. 2: Magnetické pole tyčového magnetu a jeho znázornění siločarami

3 Speciálním případem magnetického pole je homogenní pole, které lze vytvořit mezi póly podkovovitého magnetu, uvnitř dlouhé cívky solenoidu nebo mezi Helmholtzovými cívkami (tj. dvě stejné ploché cívky, jejichž roviny jsou rovnoběžné, jsou procházeny proudy stejných směrů a jejich vzájemná vzdálenost je rovna jejich poloměru. Obr. 3: Magnetické pole podkovovitého magnetu Obr. 4. Magnetické pole cívky Obr. 5: Helmholtzovy cívky Magnetické pole může být stacionární, kdy se vlastnosti pole nemění s časem, a nestacionární, kdy se vlastnosti magnetického pole mění v závislosti na čase. Magnetické pole lze popsat pomocí fyzikální veličiny - magnetické indukce, značíme B. Magnetickou indukci měříme teslametrem v jednotkách tesla, značíme T. Úkol Změřit magnetickou indukci v okolí permanentní magnetu, uvnitř cívky a magnetického pole Země; seznámit se s různými způsoby vzniku magnetického pole. Postup práce 1. K měřícímu systému připojte teslametr. Nastavte ho na vyšší rozsah. 2. Napřed proměřte magnetické pole v okolí tyčového magnetu. Vyberte si jeden tyčový magnet a položte ho na stůl.

4 3. Přibližte teslametr v ose magnetu k jižnímu pólu. Potom teslametr postupně oddalujte (stále po ose magnetu; např. po dvou centimetrech) a zapisujte naměřené hodnoty. Proveďte totéž měření v odpovídajících vzdálenostech od severního pólu. 4. Poté zkuste pohybovat sondou kolmo k magnetu a pozorujte změny magnetické indukce. 5. Změřte magnetickou indukci v různých místech mezi póly podkovovitého magnetu. Co lze říci? 6. Připojte cívku elektromagnetu ke zdroji napětí. Změřte magnetickou indukci v ose cívky. Můžete-li, zvětšete proud procházející obvodem a pozorujte, jak se změní magnetická indukce. 7. Provedeme další měření pro magnetické pole Země. Teslametr nastavte na menší rozsah a upevněte na stativ (nebo ho položte na stůl) a zkuste s ním otáčet ve vodorovné rovině. 8. Poté nechte teslametr orientovaný ve směru, kde měří největší hodnotu, a zkuste ho naklánět nahoru a dolů. Zjistěte, kdy je naměřená hodnota největší. 9. Pomocí předchozího měření určete severní a jižní magnetický pól Země. Ověřte pomocí magnetky/kompasu. Výsledky Měřili jsme závislost magnetické indukce v ose tyčového magnetu v závislosti na vzdálenosti od magnetu. K měření vzdálenosti jsme použili sonar a získali jsme tak rovnou graf závislosti magnetické indukce na vzdálenosti. Obr. 6: Závislost magnetické indukce v ose magnetu na vzdálenosti od pólů

5 Dále jsme proměřovali magnetické pole mezi póly podkovovitého magnetu. Zjistili jsme, že pole je skutečně přibližně homogenní. Totéž jsme konstatovali při měření magnetického pole v ose cívky. Aplikace, další možnosti a doplnění. Dále lze měřit magnetickou indukci magnetického pole elektromagnetu a její závislost na proudu procházejícím elektromagnetem. Dobré výsledky dává i měření s krátkou cívkou z rozkladného transformátoru; teslametr je možné upevnit na stativ tak, aby se nacházel v ose cívky, nebo ho jednoduše položit dovnitř cívky.

6 Pracovní list žáka Studium magnetického pole Laboratorní práce č.: Třída, školní rok: Vypracoval: Spolupracovali: Pomůcky Měřící systém, teslametr, různé permanentní magnety (tyčové i podkovovité), elektromagnet, zdroj napětí pro elektromagnet, magnetka. Teorie Kolem magnetu existuje magnetické pole, které ovlivňuje ocelové předměty, ty jsou k magnetu přitahovány magnetickou silou. Existenci magnetického pole můžeme prokázat různými způsoby magnetkou, ocelovými hřebíčky nebo pilinami. Nejsilnější je magnetické pole u konců magnetu. Tyto konce nazýváme póly magnetu a označujeme je písmeny N (north - sever) a S (south - jih), případně je označujeme modrou (S) a červenou barvou (N). Země má vlastnosti magnetu, proto se používá k orientaci magnetka jako kompas. Obr. 1: Magnetka jako kompas Magnet vytváří ve svém okolí magnetické pole, které můžeme znázornit pomocí magnetických indukčních čar. Tvar indukčních čar můžeme jednoduše znázornit pomocí ocelových pilin nebo magnetkou. U indukčních čar volíme jejich směr, i když to jsou uzavřené křivky. Čáry orientujeme tak, že vystupují ven z pólu severního a vstupují do jižního pólu magnetu.

7 Obr. 2: Magnetické pole tyčového magnetu a jeho znázornění siločarami Speciálním případem magnetického pole je homogenní pole, které lze vytvořit mezi póly podkovovitého magnetu, uvnitř dlouhé cívky solenoidu nebo mezi Helmholtzovými cívkami (tj. dvě stejné ploché cívky, jejichž roviny jsou rovnoběžné, jsou procházeny proudy stejných směrů a jejich vzájemná vzdálenost je rovna jejich poloměru. Obr. 3: Magnetické pole podkovovitého magnetu Obr. 4. Magnetické pole cívky Obr. 5: Helmholtzovy cívky Magnetické pole může být stacionární, kdy se vlastnosti pole nemění s časem, a nestacionární, kdy se vlastnosti magnetického pole mění v závislosti na čase. Magnetické pole lze popsat pomocí fyzikální veličiny - magnetické indukce, značíme B. Magnetickou indukci měříme teslametrem v jednotkách tesla, značíme T.

8 Úkol Změřit magnetickou indukci v okolí permanentní magnetu, uvnitř cívky a magnetického pole Země; seznámit se s různými způsoby vzniku magnetického pole. Postup práce 1. K měřícímu systému připojte teslametr. Nastavte ho na vyšší rozsah. 2. Napřed proměřte magnetické pole v okolí tyčového magnetu. Vyberte si jeden tyčový magnet a položte ho na stůl. 3. Přibližte teslametr v ose magnetu k jižnímu pólu. Potom teslametr postupně oddalujte (stále po ose magnetu; např. po dvou centimetrech) a zapisujte naměřené hodnoty. Proveďte totéž měření v odpovídajících vzdálenostech od severního pólu. 4. Poté zkuste pohybovat sondou kolmo k magnetu a pozorujte změny magnetické indukce. 5. Změřte magnetickou indukci v různých místech mezi póly podkovovitého magnetu. Co lze říci? 6. Připojte cívku elektromagnetu ke zdroji napětí. Změřte magnetickou indukci v ose cívky. Můžete-li, zvětšete proud procházející obvodem a pozorujte, jak se změní magnetická indukce. 7. Provedeme další měření pro magnetické pole Země. Teslametr nastavte na menší rozsah a upevněte na stativ (nebo ho položte na stůl) a zkuste s ním otáčet ve vodorovné rovině. 8. Poté nechte teslametr orientovaný ve směru, kde měří největší hodnotu, a zkuste ho naklánět nahoru a dolů. Zjistěte, kdy je naměřená hodnota největší. 9. Pomocí předchozího měření určete severní a jižní magnetický pól Země. Ověřte pomocí magnetky/kompasu. Výsledky Závěr