Магнітні властивості речовини

Реферат з фізики Магнітні властивості речовини Урок роботи в базово-перехресних групах Мета: Дати учням поняття про магнітні властивості речовинрозвивати уміння спостерігати, аналізувати, робити висновкисамостійно працювати з науково-популярною літературоюпрацювати в групах, слухати своїх колег, планувати свою роботувиховувати в учнів толерантність, наполегливість у досягненні мети.

Тип уроку: Урок вивчення нового матеріалу.

Обладнання: Універсальний демонстраційний трансформатор, джерело постійної напруги (100 В, 10 А), залізний, алюмінієвий, вісмутовий (або з графіту) стержні, шкільний штатив, тонка капронова нитка, підвіс, з'єднувальні про­води, ключ, свічка.

Хід уроку.

Актуалізація опорних знань.

1. Яка внутрішня будова речовини?

2. Яка будова атома?

3. Як рухаються електрони в атомі?

4. Що існує навколо будь-якого провідника зі струмом?

5. Що існує навколо рухомого електрона?

6. Що є силовою характеристикою магнітного поля?

7. Як взаємодіють два паралельні провідники зі струмом? Від чого зале­жить ця взаємодія?

8. Як визначити напрям вектора індукції магнітного поля струму?

Конспект.

Вивчаючи взаємодію провідників зі струмом, ми звертали увагу на те, що на магнітну взаємодію впливає середовище, в якому перебувають провідники. Окрім цього, із власного досвіду ви вже знаєте, що магнітне поле створюється не тільки електричним струмом, а й постійними магнітами, та й різні речовини по-різному поводять себе у зовнішньому магнітному полі. Ви спостерігали, що магніт притягує до себе залізні ошурки, але чомусь не діє на алюмінієві. У чому ж причина? Намагнічування речовин можна вивчати екс-периментально. Отож, експеримент.

Дослід 1. Замикається і розмикається коло первинної котушки трансфор­матора без осердя з джерелом живлення постійної напруги. Учні спостеріга­ють незначні відхилення стрілки демонстраційного гальванометра, приєдна­ного до вторинної котушки. Після введення у котушки стального осердя до­слід повторюється, і учні спостерігають значно більші відхилення стрілки.

Дослід 2. Залізний стержень (короткий шматок дроту), підвішений на то­нкій капроновій нитці, розміщується у проміжку між полюсами електромаг­ніту. Навіть за умови слабкого струму у колі обмоток залізний стержень по­вертається, розмішуючись вздовж магнітних силових ліній. Учні спостеріга­ють, що вже за умови незначного струму залізний стержень притягується до одного з полюсів.

Дослід 3. На короткий кусок алюмінієвого стержня, підвішеного на нитці, постійний магніт не діє. Тоді цей стержень вміщується у проміжок між по­люсами електромагніту. При вмиканні струму у колі та збільшенні його сили до 8−10 А кусок алюмінієвий стержень повертається і займає таке ж поло­ження, як і залізний стержень. Відмінність від досліду 2 полягає у тому, що сила струму повинна бути значно більшою.

Дослід 4. Аналогічно до попереднього досліду, підвішується на нитці сте­ржень із графіту або вісмуту. Цей стержень вноситься у магнітне поле і роз­ташовують уздовж поля. Вмикають струм у колі обмоток. Якщо сила струму значна, учні спостерігають, що графіт повертається упоперек ліній магнітно­го поля і виштовхується із проміжку між полюсами.

Дослід 5. У проміжку між полюсами електромагніту запалюється свічка. Учні спостерігають, що полум’я свічки виштовхується магнітним полем.

Отож, результуюче магнітне поле у середовищі є сумою полів, створюваних струмом і намагніченим середовищем. Для характеристики ма­гнітних властивостей речовини використовують поняття відносної магнітної проникності речовини:

= -, де Віндукція магнітного поля у середовищі, ss0 — індукція магнітного поля у тій самій точці простору у вакуумі. Ця фізична величина показує, у скільки разів індукція магнітного поля у речови­ні більша за індукцію магнітного поля, створювану тим самим струмом у ва­куумі. Відносна магнітна проникність речовини є безрозмірною величиною.

Причину намагнічення речовин зрозуміти неважко. Уперше її пояснив французький учений Ампер. Спостерігаючи повертання магнітної стрілки поблизу провідника зі струмом у дослідах Ерстеда, Ампер припустив, що ма­гнетизм Землі спричинений струмами, які течуть усередині земної кулі. Він вказує на те, що магнітні властивості тіла можна пояснити замкнутими елек­тричними струмами, що циркулюють усередині нього.

Згідно з гіпотезою Ампера, всередині молекул і атомів циркулюють еле­ментарні електричні струми. Вони утворюються внаслідок руху електронів у атомах.

Якщо внаслідок теплового руху молекул площини, у яких циркулюють ці струми, розміщені хаотично одна відносно одної (рис. 1), то дія струмів взає­мно компенсується і жодних магнітних властивостей тіло не виявляє. У нама­гніченому стані елементарні струми в тілі орієнтовані так, що їхні дії дода­ються (рис. 2).

Рис. 1 Рис. 2.

Отож, знаючи причину магнітних властивостей речовини, з’ясуємо, чому ж у дослідах, які ми спостерігали, різні речовини поводили себе по-різному.

Кожна група отримала довідниковий матеріал та картку із запитаннями. Опрацювавши теоретичний матеріал, ви під час обго­ворення повинні дати відповіді на запитання, занотовуючи їх у зошит.

Запитання.

1. Що таке діа- (пара-, феро-) магнетик?

2. Яке значення u. для цього магнетика?

3. Як напрямлене магнітне поле всередині цього магнетика?

4. Як воно впливає на зовнішнє магнітне поле?

5. Яка речовина із спостережуваних у дослідах належить до кожної із груп магнетиків? Чому?

6. Які ще речовини належать до цієї групи?

7. Що таке точка Кюрі.

Задачі.

1. Чому корпус компаса виготовляють із пластмаси, латуні або алюмінію, але не із заліза?

2. Чому не можна застосовувати електромагнітний кран для переміщення розпечених сталевих оцупків?

3. Як зміниться магнітне поле котушки, якщо всередину у неї вставити мідне осердя? Чому?

4. Чи не пригадаєте лихого вчинку Негоро із роману Жуля Верна «П'я­тнадцятирічний капітан»? Чому корабель збився з курсу?

5. Що станеться з магнітним полем котушки, по якій проходить струм, коли у неї вставити залізне осердя? Чому?

6. Як зміниться магнітне поле котушки, якщо всередину неї вставити алюмінієве осердя? Чому?

7. Як поводиться стержень з діа- (пара-, феро-) магнетика в однорідному та неоднорідному магнітному полі?

Феромагнетики.

Особливу групу речовин, що намагнічуються, утворюють феромагнетики (рис. За). Такі речовини, внесені в магнітне поле, під його дією намагнічу­ються так, що підсилюють зовнішнє магнітне поле, тобто магнітні силові лі;

нії зовнішнього магнітного поля В і магнітного поля речовини В' мають один і той же напрям. Ці речовини намагнічуються дуже сильно (рис. 36) і збері­гають власне магнітне поле після припинення дії зовнішнього поля (рис. Зв). Це явище називається залишковим намагнічуванням і лежить в основі утво­рення штучних магнітів, наприклад, магнітних стрілок). Окрім цього, для них характерне явище магнітного насичення, яке полягає у тому, що при їхньому намагнічені і поступовому збільшенні зовнішнього поля власне поле речови­ни спочатку зростає пропорційно до зовнішнього, відтак ця пропорційність порушується і, зрештою, зростання власного поля припиняється: речовина знаходиться в стані магнітного насичення.

Рис. 3.

Властивості феромагнетиків пов’язані з наявністю у їхній структурі груп атомів, які називаються доменами, котрі вже мають узгоджену орієнтацію елементарних магнітних полів. Орієнтація полів самих доменів, яка відбува­ється при намагнічуванні, створює власне поле речовини значно сильніше, ніж у інших магнетиків, у яких відбувається лише часткова орієнтація елеме­нтарних полів атомів речовини. Орієнтація полів доменів значною мірою зберігається і після припинення дії зовнішнього поля. Така суть залишкового намагнічування. Проте інтенсивний тепловий рух може зруйнувати цю орієн­тацію, тому за високої температури феромагнітні речовини втрачають свої магнітні властивості.

Температура, за якої це відбувається, має назву точки Кюрі (на честь фра­нцузького вченого, який відкрив це явище). Якщо намагнічений цвях дуже нагріти, то він втратить здатність притягати до себе залізні предмети. Для за­ліза і сталі точка Кюрі дорівнює 700−800°С, для нікелю — 300−400°С. Існу­ють магнетики, для яких точка Кюрі нижча від 100 °C. Стан магнітного наси­чення відповідає, очевидно, найповнішій можливій орієнтації полів доменів. До феромагнетиків належать: залізо, сталь, нікель, кобальт і деякі сплави (пе-рмалой, магніко, алніко тощо). Отже, магнітне поле, що утворюється у речо­вині, є результатом додавання двох полів: зовнішнього поля і власного поля речовини, яке виникає у результаті намагнічування. Магнітна індукція В поля у речовині - це алгебраїчна сума індукції зовнішнього поля В0 та індукції Вв власного поля речовини:

В = В + Вв =.

Для феромагнетиків «1, тобто індукція результуючого поля є значно більшою від індукції В магнітного поля у вакуумі.

Парамагнетики.

Речовини атоми яких мають власне елементарне магнітне поле (рис. 4а), що утворилося внаслідок руху електронів по орбітах атомів (цей рух може розглядатися як деякий мікрострум), називаються парамагнетиками. Тіла, що складаються з таких речовин, немагнітні. Вони власного магнітного поля не утворюють, оскільки елементарні поля атомів мають в масі речовини хаотич­ну просторову орієнтацію, яка в процесі теплового руху весь час змінюється, і тому вони взаємно компенсуються. Але якщо таку речовину внести в поту­жне магнітне поле, то орієнтація мікрострумів, у результаті якої в атомах па-рамагнетиків створюється власне елементарне магнітне поле, зміниться так, що ці поля набудуть напряму такого ж, як і зовнішнє поле. Додаючись, вони утворюють власне магнітне поле речовини, яке напрямлене узгоджено Із зов­нішнім полем і його підсилює (рис. 46). Цей ефект називається парамагнети-змом.

Рис. 4.

Якщо парамагнітне тіло піднести до полюсів магніту, воно притягується, а коли стержень із парамагнетика вільно висить на нитці, то встановлюються вздовж силових ліній поля магніту. До парамагнітних тіл належать гази, лу­жні та лужноземельні метали, алюміній, платина, вольфрам, хром, марганець, розчини солей заліза тощо.

Таким чином, магнітне поле, що утворюється у речовині, є результатом додавання двох полів: зовнішнього і власного поля речовини, яке виникає у результаті намагнічування. Магнітну індукцію В поля в речовині можна ви­разити як алгебраїчну суму індукції зовнішнього поля В0 та Індукції 5 В влас­ного поля речовини:

В = В+ в =.

Для парамагнетиків відносна магнітна проникність ц > 1, тобто магнітна індукція зовнішнього поля за наявності парамагнетика виявляється більшою за магнітну індукцію без парамагнетика.

У неоднорідному магнітному полі парамагнетик втягується у ділянку з бі­льшою індукцією магнітного поля.

Якщо парамагнетик винести з магнітного поля, то його речовина поверта­ється у вихідний немагнітний стан.

Діамагнетики Рух електронів по орбітах в атомах можна розглядати як деякий мікро-струм. Усі ці мікроструми утворюють свої магнітні мікрополя, які, додаю­чись, утворюють власне елементарне магнітне поле атома. Проте в деяких випадках (за певної кількості електронів у атомі і відповідних орієнтаціях їх­ніх рухів) мікрополя в атомі можуть взаємно компенсуватися і тоді атом вла­сного елементарного магнітного поля не має.

Речовини, атоми яких власного елементарного магнітного поля не мають (рис. 5а), називаються діамагнетиками. Тіла, що складаються з діамагнетич-них речовин, немагнітні. Вони власного магнітного поля не утворюють, оскі­льки елементарні магнітні поля атомів відсутні.

Якщо діамагнетичну речовину помістити у зовнішнє магнітне поле, то на мікроструми в його атомах з боку поля діятимуть сили Лоренца, які викли­чуть зміну просторової орієнтації орбіт електронів. У зв’язку з цим в атомах з’являться наведені елементарні магнітні поля, напрями яких протилежні зо­внішньому полю (правило Ленца). У результаті додавання цих елементарних полів утворюється власне магнітне поле речовини, яке спрямоване назустріч зовнішньому полю, і його послаблює (рис. 56). На рисунку силові лінії зов­нішнього поля позначені суцільною лінією, а речовини власного поля — пунктиром. Цей ефект називається діамагнетизмом і у діамагнетиків є єди­ним результатом дії зовнішнього поля.

Рис. 5.

Якщо діамагнітне тіло піднести до полюсів магніту, то воно виштовхуєть­ся в ділянку слабого магнітного поля, а коли стержень з діамагнетика вільно висить на нитці в однорідному магнітному полі, то встановлюється перпен­дикулярно до силових ліній поля. До діамагнітних речовин належать: вода, переважна частина органічних сполук (наприклад, вуглеводи і білки), алмаз, графіт, майже всі гази, а також деякі метали (вісмут, срібло, цинк, мідь, золо­то). Якщо діамагнетик винести із зовнішнього магнітного поля, він поверта­ється у вихідний немагнітний стан.

Таким чином, магнітне поле, що утворюється у діамагнетику, внесеному в зовнішнє магнітне поле, є результатом додавання двох полів: зовнішнього і власного поля речовини, яке виникає у результаті намагнічування. Магнітну індукцію В поля в речовині можна виразити як алгебраїчну суму індукції BQ поля, що намагнічує, та індукції B власного поля речовини:

В = B + B =.

Для діамагнетиків відносна магнітна проникність < 1, тобто магнітна ін­дукція поля за наявності діамагнетика виявляється меншою за магнітну інду­кцію без діамагнетика.