Глава 3. Электромагнитные явления. Итоги главы — с. 228
Итоги главы. Обсудим. Прочитайте описание устройства гальванометра. Между полюсами магнита на оси помещена маленькая рамка 1. С ней жёстко связана стрелка 2. Выводы от рамки идут к клеммам прибора. При включении прибора в цепь по рамке протекает постоянный ток, и она стремится установиться перпендикулярно магнитным линиям. Однако сделать это ей мешают две спиральные пружины 3. Чем больше значение силы тока, который течёт по рамке, тем большая закручивающая сила действует на её проводники и тем на больший угол поворачивается рамка. Вместе с рамкой поворачивается стрелка, которая скользит вдоль шкалы прибора. С помощью каких несложных конструктивных изменений гальванометр можно преобразовать в вольтметр или амперметр?
Как изменится при этом шкала прибора? [на рисунке: гальванометр с рамкой 1, стрелкой 2 и спиральными пружинами 3 между полюсами магнита]
Угол поворота стрелки пропорционален силе тока в рамке, а рамка выдерживает лишь очень малый ток. Поэтому гальванометр можно превратить в измерительные приборы, подключив к нему резисторы.
Амперметр. Параллельно рамке подключают шунт — проводник с очень малым сопротивлением. Почти весь измеряемый ток идёт через шунт, и лишь малая его часть — через рамку. Пример: гальванометр рассчитан на 1 мА и имеет сопротивление 100 Ом; для измерения до 1 А нужен шунт R = 0,001 А · 100 Ом / 0,999 А ≈ 0,1 Ом. Шкалу градуируют в амперах: деление, соответствующее полному отклонению стрелки, получает значение 1 А, а не 1 мА.
Вольтметр. Последовательно с рамкой включают добавочный резистор с большим сопротивлением. Прибор подключают параллельно участку цепи, ток через него мал и пропорционален напряжению (I = U/R), поэтому по отклонению стрелки можно судить о напряжении. Пример: для шкалы до 10 В при токе полного отклонения 1 мА полное сопротивление должно быть 10 В / 0,001 А = 10 кОм, то есть добавочное сопротивление примерно 9,9 кОм. Шкалу градуируют в вольтах.
У обоих приборов само устройство и принцип действия остаются прежними, меняется только градуировка шкалы: вместо микро- или миллиампер на ней указывают амперы или вольты, а цена деления зависит от сопротивления шунта или добавочного резистора.
Амперметр. Параллельно рамке подключают шунт — проводник с очень малым сопротивлением. Почти весь измеряемый ток идёт через шунт, и лишь малая его часть — через рамку. Пример: гальванометр рассчитан на 1 мА и имеет сопротивление 100 Ом; для измерения до 1 А нужен шунт R = 0,001 А · 100 Ом / 0,999 А ≈ 0,1 Ом. Шкалу градуируют в амперах: деление, соответствующее полному отклонению стрелки, получает значение 1 А, а не 1 мА.
Вольтметр. Последовательно с рамкой включают добавочный резистор с большим сопротивлением. Прибор подключают параллельно участку цепи, ток через него мал и пропорционален напряжению (I = U/R), поэтому по отклонению стрелки можно судить о напряжении. Пример: для шкалы до 10 В при токе полного отклонения 1 мА полное сопротивление должно быть 10 В / 0,001 А = 10 кОм, то есть добавочное сопротивление примерно 9,9 кОм. Шкалу градуируют в вольтах.
У обоих приборов само устройство и принцип действия остаются прежними, меняется только градуировка шкалы: вместо микро- или миллиампер на ней указывают амперы или вольты, а цена деления зависит от сопротивления шунта или добавочного резистора.
Проекты и исследования.
1. «Модель электромагнитного крана» (возможная форма: презентация, опыт, модель).
План проекта.
1. Цель: создать действующую модель крана с электромагнитом и объяснить принцип его работы.
2. Материалы: железный гвоздь или болт (сердечник), изолированный медный провод (около 2–3 м), батарейка или источник 4,5 В, ключ, стальные скрепки и мелкие гвозди как «груз», картонная или деревянная конструкция для стрелы.
Ход работы. Намотайте на гвоздь 50–100 витков провода в одном направлении, подключите через ключ к батарейке и закрепите на стреле крана. При замкнутом ключе по обмотке идёт ток, вокруг катушки возникает магнитное поле, сердечник намагничивается, и электромагнит притягивает железные предметы. При размыкании ключа ток исчезает, сердечник почти полностью размагничивается, и груз отпадает.
Исследование. Сравните, сколько скрепок удерживает электромагнит при 25, 50 и 100 витках; затем при одном и том же числе витков — при одной и двух батарейках. Результаты занесите в таблицу и сделайте вывод: подъёмная сила растёт с увеличением числа витков и силы тока, а также при наличии железного сердечника.
Применение. Настоящие электромагнитные краны используют на металлургических заводах и в портах для перемещения железного лома, стальных листов и труб. Преимущества: груз захватывается и отпускается простым включением и выключением тока, не нужны крюки и стропы. Недостатки: груз падает при внезапном отключении питания, поэтому краны имеют аварийные источники тока; кроме того, магнит не поднимает немагнитные материалы и нагретую выше температуры Кюри сталь. Презентация: слайды «Что такое электромагнит», «Схема модели», «Результаты опытов», «Применение», «Выводы».
Ход работы. Намотайте на гвоздь 50–100 витков провода в одном направлении, подключите через ключ к батарейке и закрепите на стреле крана. При замкнутом ключе по обмотке идёт ток, вокруг катушки возникает магнитное поле, сердечник намагничивается, и электромагнит притягивает железные предметы. При размыкании ключа ток исчезает, сердечник почти полностью размагничивается, и груз отпадает.
Исследование. Сравните, сколько скрепок удерживает электромагнит при 25, 50 и 100 витках; затем при одном и том же числе витков — при одной и двух батарейках. Результаты занесите в таблицу и сделайте вывод: подъёмная сила растёт с увеличением числа витков и силы тока, а также при наличии железного сердечника.
Применение. Настоящие электромагнитные краны используют на металлургических заводах и в портах для перемещения железного лома, стальных листов и труб. Преимущества: груз захватывается и отпускается простым включением и выключением тока, не нужны крюки и стропы. Недостатки: груз падает при внезапном отключении питания, поэтому краны имеют аварийные источники тока; кроме того, магнит не поднимает немагнитные материалы и нагретую выше температуры Кюри сталь. Презентация: слайды «Что такое электромагнит», «Схема модели», «Результаты опытов», «Применение», «Выводы».
Проекты и исследования.
2. «Создаём макет магнитного поля Земли» (возможная форма: презентация, макет).
План проекта.
1. Цель: показать форму магнитного поля Земли и его свойства с помощью макета.
2. Материалы: пенопластовый или пластилиновый шар (модель Земли), полосовой магнит, железные опилки, лист прозрачного пластика или бумаги, магнитная стрелка (компас), ватман для оформления.
Изготовление. Внутрь шара вставляют полосовой магнит вдоль оси так, чтобы он был слегка наклонён (магнитная ось Земли наклонена к оси вращения примерно на 11°). Рядом с шаром располагают лист с опилками: после лёгкого постукивания опилки выстраиваются по магнитным линиям, выходящим из одного полюса и входящим в другой. Передвигая компас вокруг макета, показывают, как стрелка устанавливается вдоль магнитных линий.
Ключевые факты для рассказа. Земля — большой магнит. Вблизи Северного географического полюса находится южный магнитный полюс, вблизи Южного географического — северный, поэтому северный конец стрелки компаса показывает на север. Магнитные полюса не совпадают с географическими, поэтому существует магнитное склонение. Магнитное поле простирается далеко в космос и образует магнитосферу, которая защищает живые организмы от заряженных частиц солнечного ветра; при попадании частиц в атмосферу у полюсов возникают полярные сияния. Бывают магнитные бури. Презентация: слайды «Магнитные полюса Земли», «Макет и опыты», «Магнитосфера», «Полярные сияния», «Значение для жизни и навигации».
Изготовление. Внутрь шара вставляют полосовой магнит вдоль оси так, чтобы он был слегка наклонён (магнитная ось Земли наклонена к оси вращения примерно на 11°). Рядом с шаром располагают лист с опилками: после лёгкого постукивания опилки выстраиваются по магнитным линиям, выходящим из одного полюса и входящим в другой. Передвигая компас вокруг макета, показывают, как стрелка устанавливается вдоль магнитных линий.
Ключевые факты для рассказа. Земля — большой магнит. Вблизи Северного географического полюса находится южный магнитный полюс, вблизи Южного географического — северный, поэтому северный конец стрелки компаса показывает на север. Магнитные полюса не совпадают с географическими, поэтому существует магнитное склонение. Магнитное поле простирается далеко в космос и образует магнитосферу, которая защищает живые организмы от заряженных частиц солнечного ветра; при попадании частиц в атмосферу у полюсов возникают полярные сияния. Бывают магнитные бури. Презентация: слайды «Магнитные полюса Земли», «Макет и опыты», «Магнитосфера», «Полярные сияния», «Значение для жизни и навигации».