Dodaj do ulubionych Udostępnij materiał Wydrukuj

Gdy rozsypiemy drobne opiłki metalowe wokół magnesu i przewodnika, przez który przepływa prąd elektryczny, ułożą się one w określone kształty geometryczne. Wiesz już, że przyczyną tego zjawiska jest pole magnetyczne wytwarzane przez magnes. Czy tak samo będzie w przypadku przewodnika?

R8IKd86evULNv1
Elektromagnesy to urządzenia o szerokim znaczeniu praktycznym. Stosuje się je dosłownie wszędzie: od zamków w drzwiach, dzwonków do drzwi i głośników, przez urządzenia przemysłowe i szybką kolej, aż po aparaturę medyczną i badawczą
Już potrafisz
  • opisać właściwości magnesu: każdy magnes jest dipolem, tzn. posiada dwa bieguny magnetyczne: północny (N) i południowy (S). Bieguny jednoimienne (dwa północne albo dwa południowe) się odpychają, a różnoimienne (północny i południowy) – przyciągają;

  • podać definicję pola magnetycznego jako przestrzeni wokół magnesu, w której działają siły magnetyczne;

  • stwierdzić, że północny biegun igły magnetycznej skierowany jest ku południowemu biegunowi magnetycznemu, a południowy biegun igły – ku północnemu biegunowi magnetycznemu;

  • wymienić właściwości ferromagnetyków i podać ich przykłady (żelazo, kobalt, nikiel);

  • stwierdzić, że wokół Ziemi znajduje się pole magnetyczne.

Nauczysz się
  • badać pole magnetyczne wokół przewodnika z prądem;

  • opisywać i prezentować działanie elektromagnesu;

  • omawiać rolę rdzenia w elektromagnesie;

  • budować prosty elektromagnes;

  • stosować elektromagnes.

Przygotuj przed lekcją:
  • miedziany przewód o długości 30–50 cm;

  • baterię 4,5V;

  • gwóźdź;

  • igłę magnetyczną (lub kompas);

  • drobne przedmioty, np.: spinacze, szpilki, pierścionek, kolczyki, gumkę do ścierania, folię aluminiową;

  • magnes;

  • 2 złączki, tzw. krokodylki.

Wskazówka

Możesz wykorzystać znajdujące się w wielu szkołach przewody zakończone wtyczkami oraz podstawkę do baterii i inne elementy znajdujące się w zestawach do nauki o elektryczności.

ic1Ezp5YEk_d5e327

1. Pole magnetyczne wokół przewodnika z prądem

Obecność pola magnetycznego można zbadać za pomocą igły magnetycznej. W pobliżu magnesu ustawia się ona wzdłuż linii sił pola magnetycznego i wskazuje biegun południowy. Za pomocą igły magnetycznej wyznacza się położenie biegunów magnetycznych Ziemi oraz kierunki geograficzne. Czy pole magnetyczne występuje tylko wokół magnesów i Ziemi? Aby się tego dowiedzieć, wykonaj doświadczenie.

R1STDWA1BqsIk1
Nagranie wideo na temat oddziaływania na odległość. Widok na stół laboratoryjny. Na stole potrzebne przyrządy: igła magnetyczna na ostrzu z podstawką, obwód prądowy zbudowany z grubego przewodu miedzianego, przewód jest umieszczony na izolujących podstawkach, jego część przebiega nad igłą magnetyczną i ta część jest prostoliniowa; końce przewodu podłączone do zasilacza wysokoprądowego 5A/30V.Najazd kamery na igłę. Inset w wolnym rogu ekranu pokazujący rękę demonstratora włączającą zasilacz. Igła odchyla się w bok. Dalej widok igły i inset w rogu. W insecie widać jak ręka demonstratora wyłącza zasilacz. Igła powraca do pierwotnego położenia (równolegle do przewodu).

Na na powyższym filmie nie pokazano prostownika zamieniającego zmienne napięcie na stałe.

Ćwiczenie 1
RM5wb0hub3d2i1
Zadanie interaktywne.
Źródło: Magdalena Grygiel <Magdalena.Grygiel@up.wroc.pl>, licencja: CC BY 3.0.

Ruch igły magnetycznej w pobliżu przewodnikaprzewodniki prądu elektrycznegoprzewodnika, przez który płynie prąd elektryczny, informuje o występowaniu pola magnetycznego. Kierunek wychylenia igły zależy od tego, w którą stronę płynie prąd. Związek ten odkrył najprawdopodobniej Hans Christian OerstedHans Christian OerstedHans Christian Oersted, dlatego doświadczenie przedstawione na filmie nazywane jest doświadczeniem Oersteda.

przewodniki prądu elektrycznego
przewodniki prądu elektrycznego

– substancje, które przewodzą prąd, np. miedź, aluminium, złoto, elektrolity, zjonizowane gazy.

Ciekawostka

Już w dawnych czasach zauważono, że żelazne przedmioty magnesują się pod wpływem uderzenia pioruna. Źródła historyczne podają, że doświadczenie Oersteda po raz pierwszy w 1802 r. przeprowadził włoski prawnik Gian Domenico Romagnosi. Opublikował on dwie prace dotyczące eksperymentu polegającego na dotykaniu igłą magnetyczną srebrnego łańcuszka połączonego drugim końcem ogniwem Volty. Efektem doświadczenia było odchylenie igły magnetycznej. Doświadczenie Romagnosiego opierało się jednak na oddziaływaniu elektrostatycznym.

Ćwiczenie 2
R1byjqDtBHaFN1
Zadanie interaktywne.
Źródło: Magdalena Grygiel <Magdalena.Grygiel@up.wroc.pl>, licencja: CC BY 3.0.
Polecenie 1

Czy zmiana kształtu przewodnika wpłynie na zmianę kształtu pola magnetycznego?

RHybeEqWAG0FR1
Pole magnetyczne

Linie pola magnetycznego wokół przewodnika zwiniętego w pętlę zagęszczają się w jej wnętrzu. Jeśli drut zwiniemy wielokrotnie, to otrzymamy zwojnicę, a opiłki żelaza będą się układać w identyczny sposób jak wokół magnesu.

Zapamiętaj!

Wokół przewodnika, przez który płynie prąd, powstaje pole magnetyczne. Układ linii tego pola zależy od kształtu przewodnika. Kierunek pola magnetycznego zależy od tego, w którą stronę płynie prąd.

ic1Ezp5YEk_d5e489

2. Elektromagnesy i ich zastosowanie

Występowanie pola magnetycznego wokół przewodnika z prądem ma szerokie zastosowanie w technice i przemyśle. Często wykorzystywane są urządzenia nazywane elektromagnesamielektromagneselektromagnesami. Elektromagnes składa się ze zwojnicy, rdzenia i źródła prądu.

RiduScicbCg2D1
Budowa elektromagnesu

Ważną rolę odgrywa ferromagnetyczny rdzeń elektromagnesu. W jego wnętrzu powstają domeny magnetyczne, wzmacniające pole magnetyczne zwojnicy. Zbudujmy elektromagnes i sprawdźmy, na jakiej zasadzie on działa.

Doświadczenie 1

Budowa elektromagnesu i badanie jego wpływu na różne substancje.

Co będzie potrzebne
  • miedziany przewód o długości 30–50 cm;

  • bateria 4,5 V;

  • gwóźdź;

  • igła magnetyczna (lub kompas);

  • drobne przedmioty np. spinacze, szpilki, pierścionek, kolczyki, gumka do ścierania, folia aluminiowa itp.;

  • 2 złączki, tzw. krokodylki.

Instrukcja
  1. Na gwóźdź nawiń przewód tak, by jego końce można było połączyć z baterią.

  2. Połącz przewód z baterią.

  3. Za pomocą igły magnetycznej zbadaj pole magnetyczne wokół zwojnicy. Określ bieguny magnetyczne elektromagnesu.

  4. Odłącz przewód od baterii. Podłącz ponownie, ale zmień kierunek przepływu prądu.

  5. Ponownie zbadaj pole magnetyczne i określ bieguny magnetyczne elektromagnesu.

  6. Zbliżaj elektromagnes (przede wszystkim rdzeń) do małych przedmiotów.

Podsumowanie

Zidentyfikowałeś bieguny magnetyczne północny i południowy. Drobne przedmioty wykonane z ferromagnetyków są najsilniej przyciągane przez bieguny elektromagnesu. Można więc stwierdzić, że pole magnetyczne wokół elektromagnesu jest podobne do pola magnesu sztabkowego.

Elektromagnesy mają różne zastosowanie. W składnicach złomu dźwigi elektromagnetyczne przenoszą wraki samochodów. Elektromagnesy stosuje się w zamkach elektrycznych. Gdy przez elektromagnes płynie prąd, wytwarzane jest pole magnetyczne, które silnie działa na metalowy (stalowy) element zamka (zasuwę). Powoduje to przesunięcie zasuwy i możliwość otwarcia drzwi. Po zamknięciu drzwi umieszczona odpowiednio spężyna powoduje przesunięcie zasuwy i zablokowanie zamka. Zamek można otworzyć po ponownym podłączeniu prądu. Najsilniejsze elektromagnesy znajdują zastosowanie w akceleratorachakceleratorakceleratorach służących do kontrolowania ruchu cząstek mających wysoką energiach. Pole magnetyczne wytwarzane przez przewodniki z prądem do niedawna sterowało ruchem elektronów w kineskopach telewizyjnych i monitorach komputerowych.

ic1Ezp5YEk_d5e592

Podsumowanie

  • Jeśli przez przewodnik płynie prąd, wokół tego przewodnika wytwarza się pole magnetyczne.

  • Kierunek linii sił pola magnetycznego można określić za pomocą igły magnetycznej.

  • Kierunek linii sił pola magnetycznego zależy od tego, w którą stronę płynie prąd elektryczny.

  • Układ linii sił pola magnetycznego wokół przewodnika z prądem zależy od kształtu przewodnika.

  • Wokół prostoliniowego przewodnika z prądem pole magnetyczne ma kształt współśrodkowych okręgów.

  • Pole magnetyczne wokół zwojnicy przypomina kształtem pole magnetyczne wokół magnesu sztabkowego.

  • Elektromagnes działa dzięki polu magnetycznemu wokół przewodnika z prądem.

  • Elektromagnes składa się ze zwojnicy i ferromagnetycznego rdzenia.

  • Elektromagnesy stosuje się m.in. w zamkach elektromagnetycznych i akceleratorach.

Praca domowa
Doświadczenie 2.1
Problem badawczy

Czy elektromagnes i magnes działają wzajemnie jeden na drugi?

Hipoteza

Elektromagnes działa na magnes i magnes działa na elektromagnes.

Co będzie potrzebne
  • miedziany przewód o długości 30–50 cm;

  • bateria 4,5 V;

  • gwóźdź;

  • 2 złączki tzw. krokodylki;

  • magnes.

Instrukcja
  1. Zbuduj elektromagnes – nawiń przewód na gwóźdź tak, by jego końce można było połączyć z baterią.

  2. Zbadaj oddziaływanie magnesu i elektromagnesu – zbliż je do siebie biegunami jednoimiennymi i różnoimiennymi.

  3. W zeszycie sporządź schemat doświadczenia i sporządź notatkę zawierającą wyniki obserwacji oraz wnioski.

ic1Ezp5YEk_d5e698

Słowniczek

akcelerator
akcelerator

– urządzenie, które przyspiesza elektrony, protony i jony do bardzo dużych prędkości, tzn. bliskich prędkości światła (300 000 km/s).

elektromagnes
elektromagnes

– magnes, którego pole magnetyczne powstaje w wyniku przepływu prądu elektrycznego. Jest to zwojnica, wewnątrz której znajduje się ferromagnetyczny rdzeń (np. ze stali, żelaza).

ic1Ezp5YEk_d5e759

Biogram

Hans Christian Oersted
RmKFIu1zhJVuE1
Źródło: Nico-dk (https://commons.wikimedia.org), public domain.

Hans Christian Oersted

Hans Christian Oersted był duńskim fizykiem i chemikiem. Odkrył, że prąd elektryczny powoduje powstawanie pola magnetycznego. Jak podają źródła historyczne, 21 kwietnia 1820 r. Oersted zauważył, że igła kompasu odchyla się od kierunku północnego, gdy przewód jest na przemian podłączany do baterii i odłączny od niej. To stwierdzić naukowcowi, że występuje jakiś związek między elektrycznością a magnetyzmem. Trzy miesiące później Oested opublikował pracę, w której pokazał, że pole magnetyczne wokół przewodnika z prądem ma kształt okręgu.

ic1Ezp5YEk_d5e858

Zadania podsumowujące lekcję

Ćwiczenie 3
RDmHeUfJ7qa3l1
Zadanie interaktywne.
Źródło: Magdalena Grygiel <Magdalena.Grygiel@up.wroc.pl>, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 4
R14c6F2q5KYRD1
Zadanie interaktywne.
Źródło: Magdalena Grygiel <Magdalena.Grygiel@up.wroc.pl>, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 5
R1S44c27GAG8W1
Zadanie interaktywne.
Źródło: Magdalena Grygiel <Magdalena.Grygiel@up.wroc.pl>, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 6
R1HTGkLvGUdb51
Zadanie interaktywne.
Źródło: Magdalena Grygiel <Magdalena.Grygiel@up.wroc.pl>, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 7
R1DICrpl91cr51
Zadanie interaktywne.
Źródło: Magdalena Grygiel <Magdalena.Grygiel@up.wroc.pl>, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 8
R1F0pnVPKkYgv1
Zadanie interaktywne.
Źródło: Magdalena Grygiel <Magdalena.Grygiel@up.wroc.pl>, licencja: CC BY 3.0.