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.
Výukové materiály 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.
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. 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 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
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.
Pracovní list žáka
Studium magnetického pole Laboratorní práce č.:
Vypracoval:
Třída, školní rok:
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.
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.
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
