ЗОВНІШНЄ НЕЗАЛЕЖНЕ ОЦІНЮВАННЯ 2018 - ФІЗИКА КОМПЛЕКСНЕ ВИДАННЯ

Частина I НАВЧАЛЬНИЙ ДОВІДНИК — З ПРИКЛАДАМИ ТА ЗАВДАННЯМИ

ЕЛЕКТРОДИНАМІКА

4. МАГНІТНЕ ПОЛЕ, ЕЛЕКТРОМАГНІТНА ІНДУКЦІЯ

4.3. МАГНІТНІ ВЛАСТИВОСТІ РЕЧОВИНИ. ДІА-, ПАРА- ТА ФЕРОМАГНЕТИКИ

4.3.1. ПРИНЦИП СУПЕРПОЗИЦІЇ МАГНІТНИХ ПОЛІВ

Принцип суперпозиції. Індукція результуючого магнітного поля у даній точці простору дорівнює векторної сумі індукцій магнітних полів, створених окремими частинками, тілами або полями:

= + + … .

♦ Магнітні поля не взаємодіють, а тільки накладаються. Провідники зі струмом й намагнічені тіла взаємодіють, оскільки магнітне поле одного тіла діє на інше тіло, й навпаки.

4.3.2. МАГНІТНЕ ПОЛЕ У РЕЧОВИНІ

Частинки, які входять до складу атома (електрони, протони, нейтрони) мають власні магнітні поля (власні магнітні моменти ), найбільші магнітні моменти мають електрони. Ці поля не зумовлені наявністю струму, а є характеристикою частинки (так само, як маса та електричний заряд). Накладаючись, власні магнітні поля частинок створюють власне магнітне йоле атома (власний магнітний момент атома). У зовнішньому магнітному полі:

1) в усіх атомів виникають наведені магнітні моменти, які створюють у речовині магнітне поле, напрямлене проти зовнішнього магнітного поля (рис. 4.8, а) — діамагнітний ефект;

2) власні магнітні моменти атомів орієнтуються за напрямком поля, створюючи у речовині магнітне йоле, яке збігається за напрямком із зовнішнім полем, але цьому перешкоджає тепловий рух атомів (рис. 4.8, б) — парамагнітний ефект.

Рис. 4 8

Отже, будь-яка речовина, поміщена в магнітне поле індукцією , створює власне магнітне поле , тому індукція магнітного поля у речовині відрізняється від індукції магнітного поля у вакуумі:

= + .

Відносна магнітна проникність середовища — фізична величина, яка характеризує магнітні властивості речовини та дорівнює відношенню магнітної індукції В магнітного поля у речовині до магнітної індукції В0 магнітного поля у вакуумі:

= .

Діамагнетики (інертні гази, золото, мідь, цинк, срібло, інертні гази, вода, молекулярний азот та ін.) — речовини, атоми яких не мають власного магнітного моменту. У них наявний тільки діамагнітний ефект, тому всередині діамагнетиків поле трохи слабшає: < 1.

♦ Відносна магнітна проникність діамагнетиків не залежить від температури. Якщо діамагнітну речовину помістити в магнітне йоле, то вона буде відштовхуватися з поля.

Парамагнетики (кисень, платина, алюміній, лужні та лужноземельні метали та ін.). Атоми парамагнітних речовин мають власний магнітний момент. Парамагнітний ефект перекриває діамагнітний, тому всередині парамагнетиків поле трохи посилюється:

> 1.

♦ Відносна магнітна проникність парамагнетик і в зменшується зі збільшенням температури. Якщо парамагнітну речовину помістити в магнітне йоле, то вона буде втягуватися в поле.

Феромагнітні речовини — особлива група магнетиків (Fe, Ni, Со та деякі сплави). У феромагнетиках існують окремі ділянки, які називають доменами. Магнітні моменти атомів усередині доменів спонтанно орієнтуються в певному напрямку, утворюючи магнітний момент домену

(рис. 4.9).

Магнітні моменти доменів хаотично орієнтовані в різних напрямках і, як правило, компенсують один одного.

Рис. 4.9

Якщо феромагнітну речовину помістити в магнітне поле, то домени почнуть орієнтуватися за напрямком зовнішнього магнітного поля. Тому всередині феромагнетиків магнітна індукція поля буде у сотні й тисячі разів більша за магнітну індукцію зовнішнього магнітного поля:

1.

♦ Феромагнетики, як і парамагнетики, втягуються в магнітне поле. При досягненні певної температури (температури Кюрі) феромагнітні властивості речовини зникають і вона стає парамагнітною.

♦ Феромагнітні матеріали, які легко намагнічуються і розмагнічуються, називають м'якими магнітними матеріалами. Їх застосовують для виготовлення осердь електромагнітів, генераторів, двигунів, трансформаторів, тобто пристроїв, осердя яких постійно перемагнічуються.

♦ Феромагнітні матеріали, на намагнічення та розмагнічення яких потрібно витратити значну енергію і які залишаються намагніченими довгий час, називають жорсткими магнітними матеріалами. їх застосовують для виготовлення постійних магнітів, плівок для магнітного запису інформації тощо.

4.3.3. ЕЛЕКТРОМАГНІТИ ТА ЇХ ЗАСТОСУВАННЯ

Котушку з уведеним усередину осердям із м'якого магнітного матеріалу називають електромагнітом (рис. 4.10).

♦ Принцип дії. Якщо замкнути коло котушки, то в її обмотці піде електричний струм, а всередині котушки виникне магнітне поле, яке посилюється завдяки наявності осердя. Якщо вимкнути коло, то струм припиниться, осердя майже миттєво розмагнітиться і магнітне поле зникне.

♦ Магнітна дія електромагніту залежить від:

1) кількості витків у обмотці (зі збільшенням кількості витків магнітна дія посилюється);

2) сили струму в обмотці (збільшення сили струму приводить до посилення магнітної дії);

3) форми та матеріалу осердя (наприклад, якщо осердю надати форму підкови, то магнітна дія електромагніту значно збільшиться).

♦ Застосування. Електромагнітні піднімальні крани, електромагнітне реле, електродвигун, електрогенератор та ін.

Електродинамічний гучномовець (динамік) — електроакустичний пристрій для відтворення звуку (рис. 4.11).

Рис. 4.10

Рис. 4.11

♦ Принцип дії базується на взаємодії магніту та електромагніту (котушки зі струмом та кільцевого ІІІ-подібного магніту). Якщо по котушці проходить електричний струм звукової частоти, то вона (в такт зміни сили струму) буде то втягуватися у зазор постійного магніту, то відштовхуватися з нього. Унаслідок цього прикріплений до котушки дифузор коливатиметься зі звуковою частотою та випромінюватиме звукові хвилі.

Електровимірювальні прилади магнітоелектричної системи (амперметр, вольтметр) (рис. 4.12).

Рис. 4.12

♦ Принцип дії базується на повертанні рамки зі струмом у магнітному полі підковоподібного магніту. Якщо по котушці проходить електричний струм» то рамка повертається» деформуючи пружини. Разом із рамкою повертається і стрілка приладу. Чим більша сила струму в рамці, тим на більший кут повернеться рамка.

ПРИКЛАДИ РОЗВ'ЯЗУВАННЯ ТЕСТОВИХ ЗАВДАНЬ

1. На рисунку зображені два проводи. У проводі 1 струм тече від А до В, у проводі 2 — від С до D. Укажіть правильне твердження.

А Взаємодія між проводами зумовлена електричною взаємодією.

Б Проводи відштовхуються.

В Якщо в обох проводах змінити напрямок струму на протилежний, вони притягуватимуться.

Г Лінії магнітної індукції починаються на проводі 1 і закінчуються на проводі 2.

Обґрунтування вибору відповіді

□ Твердження А є неправильним. Проводи, по яких течуть струми, зазвичай електрично нейтральні, і тому взаємодія між ними є магнітною.

Заряди, рухаючись, утворюють електричний струм, який, у свою чергу, утворює магнітне поле. Воно й здійснює взаємодію провідників зі струмом.

□ Твердження Б є правильним. Досліди, поставлені Ампером, доводять, що паралельні провідники зі струмом притягуються, якщо струми в провідниках течуть в одному напрямку, і відштовхуються, якщо струми течуть у протилежних напрямках.

□ Твердження В є неправильним. Якщо в обох проводах змінити напрямок струму на протилежний, то струми в них, як і раніше, тектимуть у протилежних напрямках, отже, проводи будуть, як і раніше, відштовхуватися.

□ Твердження Г є неправильним. Лінії магнітної індукції прямолінійного провідника зі струмом мають вигляд концентричних кіл.

Відповідь: Б.

2. На рисунку зображено рамку, підключену до джерела струму. Укажіть правильне твердження.

А Протилежні сторони рамки притягуються.

Б Напрямок ліній магнітної індукції в точці А можна визначити за допомогою правила лівої руки.

В Магнітне поле в точці С напрямлене до нас.

Г Лінії магнітної індукції в точках А і С напрямлені однаково.

Обґрунтування вибору відповіді

□ Твердження А є неправильним. Оскільки струми в провідниках течуть у протилежних напрямках, то протилежні сторони рамки відштовхуються.

□ Твердження Б є неправильним. Правило лівої руки використовують для визначення напрямку сили, що діє на провідник від магнітного поля. Напрямок ліній магнітної індукції в точці А можна визначити за допомогою правила свердлика або правила правої руки.

□ Твердження В є неправильним. Щоб визначити напрямок магнітного поля в точці С, потрібно скористатися правилом свердлика: якщо обертати свердлик так, щоб напрямок його поступального руху збігся з напрямком струму, то напрямок обертання ручки свердлика покаже напрямок ліній магнітної індукції (див. рисунок).

□ Твердження Г є правильним. Оскільки лінії магнітної індукції прямолінійного провідника зі струмом мають вигляд концентричних кіл (див. рисунок), то за допомогою правої руки визначаємо, що лінії магнітної індукції в точках А і С на рисунку напрямлені однаково (від нас).

Відповідь: Г.

3. Електрон рухається по колу радіусом 12 см в однорідному магнітному полі з індукцією 2 мТл. Площина кола перпендикулярна до ліній магнітної індукції. Укажіть правильне твердження.

А Па електрон діє сила Ампера.

Б На електрон діє сила, напрямлена по дотичній до кола.

В Швидкість руху електрона менша за 108 м/с.

Г Кінетична енергія електрона перевищує 10-12 Дж.

Обґрунтування вибору відповіді

□ Твердження А є неправильним. Силу, що діє від магнітного поля на заряджену частинку, називають силою Лоренца.

□ Твердження Б є неправильним. Сила Лоренца напрямлена перпендикулярно до швидкості руху частинки й вектора магнітної індукції. При цьому сила Лоренца відіграє роль доцентрової сили, тому вона напрямлена но радіусу до центра кола.

□ Твердження В є правильним. Сила Лоренца, що діє на електрон, дорівнює за модулем Fn = qevB. Оскільки сила Лоренца відіграє роль доцентрової сили, то можна записати:

qevB = m.

Звідси швидкість руху електрона дорівнює v = .

Обчислюємо швидкість руху електрона:

v = = 4,2 ∙ 107().

□ Твердження Г є неправильним. Скориставшись знайденим значенням швидкості руху електрона, обчислюємо кінетичну енергію електрона:

= = 8 ∙ 10-16 (Дж).

Відповідь: В.

4. Горизонтальний провідник масою 50 г і завдовжки 50 см лежить на рійках у однорідному вертикальному магнітному полі з індукцією 0,1 Тл. По провіднику тече струм силою 2 А. Установіть правильне твердження.

А На провідник діє сила Ампера, напрямлена вертикально вниз.

Б Якщо тертя відсутнє, то провідник рухається із прискоренням 2 м/с2.

В Якщо магнітне поле напрямлено горизонтально, то сила Ампера дорівнюватиме нулю при будь-якому горизонтальному розташуванні провідника.

Г Якщо провідник рухається рівномірно прямолінійно, то коефіцієнт тертя ковзання більший за 0,25.

Обґрунтування вибору відповіді

□ Твердження А є неправильним. За правилом лівої руки (лінії магнітної індукції входять у долоню, випрямлені чотири пальці вказують напрямок струму в провіднику, відігнутий на 90° великий палець указує напрямок сили Ампера) встановлюємо, що сила Ампера напрямлена горизонтально вправо.

□ Твердження Б є правильним. Якщо тертя відсутнє, то по горизонталі на провідник діє лише сила Ампера .

Сила реакції опори та сила тяжіння m, які діють на провідник по вертикалі, скомпенсовані. Отже, саме сила Ампера надає провіднику прискорення. За другим законом Ньютона:

FA = ma.

Оскільки FА = BIlsina = BIl (a = 90 sina = 1), то ВIl = та а = = = 2 (м/с2).

□ Твердження В є неправильним. Якщо магнітне поле напрямлено горизонтально, то значення сили Ампера залежить від того, як напрямлені лінії магнітної індукції відносно провідника. Якщо лінії магнітної індукції напрямлені вздовж провідника, то сила Ампера, дійсно, дорівнює нулю (a = 0° sin a = 0); якщо лінії магнітної індукції напрямлені перпендикулярно до провідника, то сила Ампера максимальна (a = 90° sina = l); якщо під кутом до провідника (0 < а < 90°), то 0 < FA < FAmax.

□ Твердження Г є неправильним. Якщо провідник рухається рівномірно прямолінійно, то сили, які діють на нього, скомпенсовані:

N = mg,

Оскільки FA = ВIl sin а = ВIl , а Fтер. ковз N = mg, то ВIl = мmg = = 0,2.

Якщо коефіцієнт тертя ковзання буде меншим від 0,2, то провідник рухатиметься прискорено зі збільшенням швидкості; якщо більшим за 0,2 — не рухатиметься або рухатиметься прискорено зі зменшенням швидкості, доки не зупиниться.

Відповідь: Б.

ТЕСТОВІ ЗАВДАННЯ ДЛЯ САМОСТІЙНОГО РОЗВ'ЯЗАННЯ

1. Визначте, яке з наведених тверджень є правильним. Обґрунтуйте, чому інші твердження є неправильними.

А Магнітна індукція — це векторна фізична величина.

Б Напрямок ліній магнітної індукції визначається за правилом лівої руки.

В Два провідники зі струмом не взаємодіють один з одним.

Г Магнітна стрілка біля прямого провідника зі струмом установлюється вздовж провідника.

2. Установіть відповідність між визначенням фізичної величини та її назвою.

1 Сила, що діє від магнітного поля на заряджену частинку

2 Сила, що діє на провідник зі струмом у магнітному полі

3 Фізична величина, яка характеризує силову дію магнітного поля

4 Фізична величина, яка характеризує магнітні властивості речовини

А Магнітна індукція

Б Сила Ампера

В Сила Лоренца

Г Магнітна проникність

Д Магнітний момент

3. Установіть відповідність між поведінкою тіла або частинки в магнітному полі та пристроєм, дія якого па цьому ґрунтується.

1 Заряджена частинка, яка влітає в магнітне поле перпендикулярно до ліній індукції цього поля, рухається по колу

2 Різнойменні полюса магнітів притягуються

3 Рамка зі струмом повертається в магнітному полі

4 Феромагнітні речовини втягуються в магнітне поле

А Амперметр

Б Електромагнітний піднімальний кран

В Електрометр

Г Компас

Д Прискорювач заряджених частинок

4. Електрон і протон, рухаючись із однаковими за модулем і напрямком швидкостями, влітають в однорідне магнітне поле перпендикулярно до ліній індукції поля. Установіть неправильне твердження. Доведіть, що інші твердження є правильними.

А Обидві частинки рухатимуться по колах однакового радіуса.

Б Обертова частота протона буде у багато разів меншою від обертової частоти електрона.

В Кінетична енергія протона буде у багато разів більшою за кінетичну енергію електрона.

Г Сили Лоренца, які діють на частинки, будуть однаковими за модулем, але протилежними за напрямком.






Відвідайте наш новий сайт - Матеріали для Нової української школи - планування, розробки уроків, дидактичні та методичні матеріали, підручники та зошити

Віртуальна читальня освітніх матеріалів для студентів, вчителів, учнів та батьків.

Наш сайт не претендує на авторство розміщених матеріалів. Ми тільки конвертуємо у зручний формат матеріали з мережі Інтернет які знаходяться у відкритому доступі та надіслані нашими відвідувачами.

Всі матеріали на сайті доступні за ліцензією Creative Commons Attribution-Sharealike 3.0 Unported CC BY-SA 3.0 та GNU Free Documentation License (GFDL)

Якщо ви являєтесь володарем авторського права на будь-який розміщений у нас матеріал і маєте намір видалити його зверніться для узгодження до адміністратора сайту.

Дозволяється копіювати матеріали з обов'язковим гіпертекстовим посиланням на сайт, будьте вдячними ми приклали багато зусиль щоб привести інформацію у зручний вигляд.

© 2007-2019 Всі права на дизайн сайту належать С.Є.А.