МГД – двигатель

Вывод: Если в одной системе отсчета существует только магнитное поле, то в любых других, движущихся относительно данной, будет существовать и электрическое поле! Магнитные и электрические поля преобразуются при переходе из одной ИСО в другую!

Вывод: В движущейся системе отсчета сторонняя сила - электрическая сила.

Вывод: Проводник, движущийся в магнитном поле, новый источник электрического тока!

Какова простершая конструкция этого источника тока?

		ε = υ∙В∙l
	Е = υ∙В

Для наблюдателя, который движется вместе с проводником, магнитной силы нет, но перераспределение зарядов происходит (заряд сохраняется). Почему? Это явление похоже на электростатическую индукцию. Вместо магнитной силы можно считать, что на заряженную частицу действует внешнее электрическое поле, которое существует в системе отсчета, связанной с проводником. Тогда можно было бы перемещать и метлу!

В ее системе отсчета существовало бы электрическое поле!

		ε = E∙l =υ∙В∙l
	Е = υ∙В

Мощность, которую я затрачиваю, (модель генератора).

Модель генератора постоянного тока:

Задача: По горизонтальным рельсам, замкнутым через лампочку сопротивлением R_л, равномерно скользит под действием силы металлический стержень длиной L, расположенный перпендикулярно рельсам. Система находится в однородном магнитном поле , составляющем угол с вертикалью. Сопротивление стержня R, сопротивлением рельсов можно пренебречь. Равнодействующая сил трения в подвижных контактах F_тр. Определите силу тока в цепи генератора и его КПД.

МГД – генератор – новый источник электрического тока.

Генератор. Принцип действия генератора переменного тока (демонстра­ция с катушками Гельмгольца и рамкой). Определение направления электрического тока в рамке.

Модель двигателя постоянного тока: .

IV. Задачи:

Коснувшись клемм батареи низкого напряжения языком, можно буквально попробовать электричество на вкус. Например, довольно сильное ощущение вызывает 4,5 В при расстоянии между клеммами 6 см. С какой скоростью нужно трясти головой между полюсами магнита цикло­трона (В = 2 Тл), чтобы ощущать то же самое?

Поток проводящей жидкости течет по керамической трубе. Для опре­деления скорости течения жидкости трубу помещают в однородное маг­нитное поле, перпендикулярное оси трубы. В трубе закрепляют два электрода, образующих плоский конденсатор, и измеряют разность по­тенциалов между электродами. Найти скорость потока, если магнитная индукция поля 0,01 Тл, расстояние между электродами 2 см, измеренная разность потенциалов 0,4 мВ.

Самолет летит горизонтально, держа курс строго на север при сильном западном ветре, имеющем скорость 40 м/с. Собственная скорость самолета 720 км/ч. Чему равна разность потенциалов между концами крыльев самолета, если размах крыльев составляет 50 м, а вертикальная составляющая магнитного поля Земли 50 мкТл?

По горизонтальным параллельным рельсам, расстояние между которыми L, скользит без трения перемычка массой m. Рельсы соединены резистором сопротивлением R и находятся в однородном магнитном поле с индукцией B. Перемычке сообщают скорость υ₀. Какое расстояние она пройдет до остановки?

Металлический стержень массой m лежит на двух проводящих рейках, расположенных в горизонтальной плоскости. Рейки через ключ подсоединены к пластинам конденсатора, а вся система находится в однородном магнитном поле с индукцией В, направленной вертикально. В начальный момент заряд на конденсаторе равен q₀, ключ разомкнут, а стержень покоится. Затем ключ замыкают. Определить заряд на конденсаторе в момент, когда скорость стержня достигнет величины υ. Расстояние между рейками l. Индуктивностью цепи, а также силами трения пренебречь.

Вопросы:

Почему во время грозы нельзя ложиться на землю? (Самый лучший способ защиты: найти овраг или ложбину и сесть, обхватив ноги руками).

Предложите проект МГД - двигателя для морского судна.

Металлический стержень, не соединенный с другими проводниками, движется в магнитном поле. Почему, не смотря на наличие ЭДС, по стержню не течет ток?

Между концами крыльев самолета, летящего в магнитном поле Земли, натянута изолированная проволока. Можно ли экспериментально доказать наличие индуцированного электрического поля в этой проволоке?

ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЙ МАТЕРИАЛ (модель электрического двигателя постоянного тока):

Задача 1: По горизонтальным рельсам может перемещаться металлический стержень длиной L, расположенный перпендикулярно рельсам. Система находится в однородном магнитном поле , составляющем угол с вертикалью. ЭДС источника тока , сопротивление стержня R, сопротивлением источника тока и рельсов можно пренебречь. Равнодействующая сил трения в подвижных контактах F_тр. Определите силу тока в цепи, скорость движения стержня и КПД этого двигателя. Покажите, что работу магнитного поля можно определить по формуле: .

Задача 2: Прямоугольный контур, стороны которого имеют длины и , находится в однородном магнитном поле с индукцией и может вращаться вокруг оси . По контуру течет ток I. Определите механическую работу, совершенную магнитным полем при повороте контура на 180⁰, если вначале плоскость контура была перпендикулярна вектору индукции магнитного поля.

V. Конспект

Предложите проект МГД - насоса для перекачки жидкого металла (ртути) по трубе.

Механические колебания тонкой металлической пластинки между полюсами сильного магнита приводят к появлению индукционного тока (лежачие полицейские). Предложите проект устройства (устройство Биби).

"В связи с этим я свел все магнитные явления к чисто электрическим эффектам".

Ампер

Урок 39/21. МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА

ЦЕЛЬ УРОКА: Познакомить учащихся с классификацией веществ по их магнитным свойствам. Дать представление о гипотезе Ампера и обосновать ее.

ТИП УРОКА: Комбинированный.

ОБОРУДОВАНИЕ: Прибор для демонстрации магнитных свойств вещества, универсальный трансформатор с принадлежностями, блок питания, диа­фильм "Магнитные свойства вещества", кинофильм "Магнитные свойства вещества".

ПЛАН УРОКА:

Вступительная часть 1-2 мин

Опрос 10 мин

Объяснение 20 мин

Закрепление 10 мин

Задание на дом 2-3 мин

II. Опрос фундаментальный:

1. Возникновение ЭДС при движении провод­ника в магнитном поле.

2. Генератор переменного тока.

Задачи:

С какой скоростью должен двигаться проводник длиной 10 см, перпендикулярно к линиям индукции однородного магнитного поля, индукция которого 0,2 Тл, чтобы между концами проводника возникло напряжение 0,01 В. Направление скорости проводника с направлением самого проводника составляет угол 30⁰.

По двум вертикальным металлическим рейкам, замкнутым в верхней части через резистор с сопротивлением 0,2 Ом, без трения скользит стержень длиной 10 см и массой 10 г. Система находится в однородном магнитном поле, индукция которого перпендикулярна плоскости чертежа и равна 0,2 Тл. Определить установив­шуюся скорость падения стержня. Как зависит ответ от направления вектора ?

На рисунке изображена модель двигателя постоянного тока. ЭДС батареи ε, индукция магнитного поля В, сопротивление цепи R, длина перемычки L. Определите установившуюся угловую скорость перемычки и ток в цепи, если сила трения в подвижном контакте F_тр.

По двум горизонтальным металлическим рейкам, в которые с одной стороны включен конденсатор емкости С, без трения скользит стержень длины l и массы m под действием силы F. Система находится в однородном магнитном поле, индукция которого перпендикулярна плоскости чертежа и равна В. Если сопротив­лением подводящих частей контура можно пренебречь, то чему равно ускорение стержня?

Вопросы:

Почему электродвигатель может сгореть, если остановить его ротор?

В цепь небольшого электродвигателя последовательно с ним включают электрическую лампочку мощностью примерно равной мощности электро­двигателя. В момент включения двигателя лампа загорается, а потом быстро гаснет. Если затормозить ротор, то лампа горит ярко. Объяснит явление.

Каким образом электродвигатель превратить в генератор?

III. У соленоида много общего с полосовым магнитом. Должны ли мы из этого заключить, что в магнитах из железа имеются вечные электричес­кие токи (без источника энергии)? Но почему эти токи существуют не во всех материалах? Почему намагниченность веществ различна? В ве­ществе на самом деле существуют вечные токи. Гипотеза Ампера (рису­нок на доске или кододиапозитив).

"...из простого сопоставления фактов мне представляется невозможным сомневаться

в том, что такие токи действительно текут вокруг оси магнита".

Ампер

Электрон в атоме – рамка с током или маленькая магнитная стрелка. Что будет происходить с этими магнитными стрелками во внешнем маг­нитном поле? Демонстрация. Как изменится магнитное поле в веществе? Как влияет на ориентацию этих "магнитных стрелок" тепловое движение? Магнитная индукция в веществе:

где μ – магнитная проницаемость вещества.

Классификация веществ по их магнитным свойствам (диафильм). Диамагнетики. Демонстрация поведения диамагнетика во внешнем поле. Парамагнетики. Демонстрация и объяснение природы парамагнетизма. Ферромагнетики. Почему железо обладает магнетизмом (притягивается к магниту)?

Ферромагнетики отличаются тем, что их намагниченность, появляющаяся в очень слабом магнитном поле в сотни тысяч раз больше, чем у парамагнетика. Например, чтобы в парамагнетике получить такую же намагниченность, какая появляется у железного образца в поле 0,01 Тл, необходимо иметь внешнее поле 1000 Тл. Почему? Доменная структура ферромагнетика. Размеры доменов порядка 10^-2-10^-4 см. Каждый электрон – маленькая магнитная стрелка (спиновой магнитный момент). Свободные электроны во внешнем магнитном поле устанавливаются благодаря спину по линиям этого поля или против них (другого не дано). Пролетая мимо атома ферромагнетика (железа) электрон ориентируется в магнитном поле атома и затем может передать свою ориентацию другому атому решетки, в результате ориентировать его магнитное поле параллельно полю первого атома. Обменное взаимодействие между атомами приводит к возникновению домена, которые располагаются так, что их общее (среднее) магнитное поле равно нулю. Ориенти­ровать целые домены легче, чем огромное количество отдельных "элемен­тарных магнитов". Почему не может быть жидких ферромагнетиков? Намагничивание ферромагнетика во внешнем магнитном поле. Почему ферромагнетики притягивается к магниту, а парамагнетик не притягиваются?

Магнетизм Земли. Решающий опыт Гильберта. Он выточил из куска магнитной руды подобие нашей планеты, поместил на этой модели маленький компас, стрелка которого вела себя как обычно - одним концом указы­вала на север, а другим – на юг.

Историческая справка: После сообщения о результатах своих опытов по взаимодействию параллельных токов Ампер получил вопрос: «Но что же, собственно, нового в том, что Вы сказали? Само собой ясно, что если два тока оказывают действие на стрелку, то они оказывают также действие друг на друга». Ампер не нашел сразу нужного ответа, но ему на помощь пришел Араго. Он вынул из кармана два железных ключа и сказал: «Вот каждый из них тоже оказывает действие на стрелку, однако же, они никак не действуют друг на друга». Почему это так?

IV. Задачи:

Предполагая, что электрон в атоме водорода движется по круговой орбите радиусом 5,3 нм. Определите период обращения электрона вокруг ядра и индукцию магнитного поля, создаваемого дви­жущимся электроном в центре его орбиты.

Каким магнитным моментом обладает частица с зарядом е и массой m движущаяся со скоростью перпендикулярно однородному и постоянному магнитному полю с индукцией ?

ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ИНФОРМАЦИЯ (гигантская магниторезистентность, ГМР – Нобелевская премия 2007 года по физике): В считывающей головке два слоя ферромагнетика (железа) разделены тончайшим слоем неферромагнитного металла, например, хрома. Теперь намагнитим один слой как целое в одном направлении, а другой – в противоположном направлении. Это происходит спонтанно в соседних доменах. Если теперь по этому «сэндвичу» пропустить электрический ток, то входящие в первый слой электроны разделятся на две группы: ориентированные по полю и против него, причем этим двум токам слой оказывает разное сопротивление. При переходе в другой слой токи «обмениваются сопротивлениями». Если такая головка протягивается над ячейкой жесткого компьютерного диска, то слабое поле намагничивает первый слой и за счет магнитного спаривания (ориентация атомов прошедшими в слой электронами) намагнитится в том же направлении второй слой. Это приведет к огромному изменению суммарного сопротивления и тока. Основываясь на этой технологии, фирма IВМ в 1998 году вышла на рынок с новым жестким диском емкостью 16,8 гигабайт.

V. § 66

Нейтрон, не имея электрического заряда, тем не менее, обладает маг­нитным моментом. Как это объяснить?

Предложите свою гипотезу земного магнетизма и обоснуйте ее. Попытайтесь объяснить, почему индукция магнитного поля планеты зависит от ее массы и скорости осевого вращения.

На некотором расстоянии от прямого длинного постоянного магнита находится могущая вращаться магнитная стрелка, которая показывает направление вдоль магнита.

При разведении половинок разрезанного магнита стрелка меняет первоначальное направление на противоположное направление. Объясните явление (можно использовать два полосовых магнита).

Правда ли, что сделать из железа магнит гораздо дешевле, чем из магнита железо?

Притяжение магнитом ферромагнитного шарика сопровождается получением механической работы, но для отрыва его и возвращения в исходное состояние необходимо затратить столько же. Так ли это?

Разработайте способы размагничивания намагниченного тела.

"... по какому закону природы то происходит, что камень притягивать может железо.

Камень же этот по имени месторождения магнитом назван был греками,... "

Лукреций

Урок 40/22. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА И ПРИМЕНЕНИЕ ФЕРРОМАГНЕТИКОВ

ЦЕЛЬ УРОКА: Познакомить учеников с природой ферромагнетизма и практическими применениями ферромагнетиков.

ТИП УРОКА: Комбинированный.

ОБОРУДОВАНИЕ: Катушка с ферромагнитным сердечником, осциллограф, звукосниматель от гитары, штатив с принадлежностями, выпрямитель, кинофильм "Вещество в магнитном поле", обобщающая таблица "Ферромагнетики"

ПЛАН УРОКА:

Вступительная часть 1-2 мин

Опрос 10 мин

Объяснение 20 мин

Закрепление 10 мин

Задание на дом 2-3 мин

II. Опрос фундаментальный:

1. Гипотеза Ампера.

2. Магнитные свойства вещества.

Задачи:

Соленоид с железным сердечником длиной 30 см содержит 500 витков. При силе тока в обмотке 48 А индукция магнитного поля равна 2,2 Тл. Чему равна магнитная проницаемость сердечника в столь сильном магнитном поле?

Магнитный дипольный момент атома железа равен примерно 1,8∙10^-23 А∙м². Определите магнитный дипольный момент железного стержня длиной 12 см, шириной 1,2 см и толщиной 1,2 см при полном магнитном насы­щении. Какой вращающий момент будет действовать на этот стержень в магнитном поле с индукцией 1,2 Тл, направленной перпендикулярно ему?

Вопросы:

Имеется два одинаковых стальных стержня, один из стержней намагничен. Как узнать, какой из них намагничен, не пользуясь ничем, кроме самих стержней?

При длительном хранении качество записи на видеокассетах ухудшается. Почему?

Почему ферромагнетик втягивается в область большего значения индукции неоднородного магнитного поля?

Шарик, лежащий на стекле, притягивается магнитом по направлению к его полюсу. Каким будет движение шарика?

Используя свойство соленоида втягивать внутрь ферромагнитные сердечники, предложите модель "электропушки". В какой момент нужно выключить ток в соленоиде, чтобы снаряд вылетал с наибольшей скоростью? Каким будет движение снаряда, если ток не выключать?

Как изменится магнитное поле катушки с током, если в нее ввести сердечник: а) железный: б) алюминиевый; в) медный?

Французский физик Араго в 1820 г сделал открытие, заключающееся в следующем: когда тонкая медная проволока, соединенная с источником тока, погружалась в железные опилки, то они приставали к ней. Почему?

При исследовании магнитной проницаемости жидкостей их поочередно наливают в сообщающийся сосуд, одно из колен которого помещают между полюсами сильного электромагнита. Отчего одни жидкости поднимаются в этом колене, а другие опускаются?

Что общего и в чем различия между электростатическим полем и магнитостатическим полем?

Принципиально ли важно для сна укладываться головой на север или, например, на восток?

III. Намагниченность вещества:

Зависимость намагниченности ферромагнетика от величины внешнего магнитного поля (демонстрация). На вход "X" напряжение подается напрямую от источника переменного напряжения, а на вход "У" от звукоснимателя, расположенного над катушкой с сердечником.

Петля гистерезиса (рисунок на доске). Остаточная намагниченность. Коэрцитивная сила – наименьшая величина размагничивающего поля. Петлю гистерезиса зарисовать в тетрадь.

Работа по перемагничиванию ферромагнетика за один цикл пропорциональ­на площади петли. Магнитомягкие и магнитожесткие материалы. Их при­менение. Магнитожесткие материалы с большой остаточной магнитной индукцией (β~1 Тл) применяют для изготовления постоянных магнитов. Обычно для этой цели используют углеродистые, хромистые, вольфрамовые или кобальтовые стали. Сплав висмут-марганец обладает коэрцитивной силой ~ 5 Тл.

"Что польза магнита очень велика и прямо изумительна – это настолько хорошо известно, что нет необходимости произносить по этому поводу длинную речь".

Э. Райт

Дата добавления: 2015-07-02