Магнитное поле. Магнитная индукция. Напряженность магнитного поля. Магнитная проницаемость среды. Пара-, диа-, ферромагнитные вещества.
ШЖҚ «Талдықорған медицина колледжі» МКК
ГКП на ПХВ «Талдыкорганский медицинский колледж» САПА ФОРМАСЫ
ФОРМА КАЧЕСТВА
Теориялық сабақтың әдістемелік нұсқамасы
Методическая разработка теоретического занятия
F-05-06-05 Рев. 01 Ревизияның басталу мерзімі 10.04.2015
01.Рев. Дата ввода ревизии 10.04.2015 Бет 1-8
Страница 1 из 8
Методическая разработка теоретического занятия
Предмет: Физика и астрономия
Тема: Магнитное поле. Магнитная индукция. Напряженность магнитного поля. Магнитная
проницаемость среды. Пара-, диа-, ферромагнитные вещества.
Курс: 1
Рассмотрена и одобрена
на заседании ЦМК_____
Протокол №_____
«___»______20___г.
Председатель ЦМК №___
Методическая разработка составлена с рабочей программой преподавателем:
Уразбаева Г.Т.
Методическая разработка теоретического занятия
Тема занятия: Магнитное поле. Магнитная индукция. Напряженность магнитного поля. Магнитная проницаемость среды. Пара-, диа-, ферромагнитные вещества.
Цели занятия:
образовательная - сформировать у учащихся представление об электрическом и магнитном поле, как об едином целом – электромагнитном поле.
воспитательная - воспитать к самостоятельности;
развивающая - делать обобщающие выводы на магнитную сферу Земли и ее взаимодействие с солнечным ветром;
Тип занятия: комбинированный
Метод занятия: словесный, наглядный, частично-поисковый
Время занятия: 90 минут
Место проведения: аудитория
Внутрипредметная связь: влажность воздуха
Межпредметная связь: химия, биология, математика
Оснащение занятия: раздаточные материалы, плакат
Использованная литература:
основная Б. Кронгарт, В. Кем, Н. Қойшыбаев «Физика 10»
дополнительная С. Ж. Асфендияров
Учащийся должен знать: магнитное поле, индукция, магнитное проницаемость среды.
Структурно-логическая схема и хронокарта занятия
І Организационный момент – 3-5 мин
ІІ Опрос домашнего задания– 15-20 мин
ІІІ Объяснение нового материала – 30-45 мин
IV Закрепление нового материала - 10-15 мин
V Подведение итогов занятия – 3-5 мин
VІ Задание на дом – 3-5 мин
Ход занятия
І Организационный момент
Цель: организация деятельности учащихся.
Деятельность преподавателя. Приветствие учащихся, проверка готовности группы к началу работы.
Деятельность учащихся. Приветствие преподавателя, готовность к уроку.
ІІ Опрос домашнего задания
А) По таблице Д. И. Менделеева рассмотреть Si, Ge, Se. Рассказать об их химических свойствах.
Б) Почему из известных полупроводников предпочтительнее других кремний?
ІІІ Объяснение нового материала
То обстоятельство, что взаимодействие полюсов постоянных магнитов сходно с взаимодействием электрических зарядов (одноименные полюса отталкиваются, а разноименные — притягиваются) заставило физиков искать связь между электрическими и магнитными явлениями. В 1820 г. было обнаружено 2 явления:
Магнитная стрелка, установленная около проводника, отклонялась при пропускании по нему электрического тока.
Проводники, по которым протекают токи, взаимодействуют между собой (рис. 9.1): параллельные проводники притягиваются (а), когда токи направлены в одну сторону, и отталкиваются в противном случае (в). Если в одном из проводников тока нет, то взаимодействие не возникает (рис. 9.1.б).
I
I
I
I
I
F
F
F
а
б
в
Рис. 9.1. Взаимодействие проводников с током
На основании этого французский физик Ампер предположил, что взаимодействие магнитов и проводников с током имеет общую природу. В дальнейшем это предположение подтвердилось.
Взаимодействие проводников с током, постоянных магнитов или тока с постоянным магнитом называется магнитным взаимодействием.
Магнитное взаимодействие проводников на расстоянии означает, что вокруг каждого из них возникает силовое поле, которое называют магнитным. Магнитное поле одного проводника действует на другой проводник с током.
Магнитное поле — особая форма материи, посредством которой осуществляется взаимодействие движущихся зарядов.
Магнитное поле материально. Оно создается движущимися заряженными частицами. Природными источниками магнитного поля являются движущиеся элементарные частицы, обладающие зарядом.
В макромире магнитное поле создается проводниками с током или постоянными магнитами. Исследования поля постоянных магнитов показали, что своим происхождением оно обязано особому упорядоченному вращению электронов в некоторых кристаллических веществах. При нагревании до определенной температуры упорядоченность вращения пропадает и вещество размагничивается.
Сила, с которой магнитное поле действует на проводник, зависит от направления тока. В частности,
при изменении направления тока в проводнике сила, действующая на него со стороны магнитного поля, меняет свое направление на противоположенное.
Это свойство магнитного поля иллюстрирует рисунок 9.1. Ток в левом проводнике остается неизменным, поэтому созданное им магнитное поле постоянно. Это поле действует на правый проводник. Когда направление тока в нем изменяется, притяжение (а) сменяется отталкиванием (в).
Зависимость направления магнитной силы от направления тока используют при исследовании магнитного поля с помощью небольшой рамки, по которой пропущен ток (рис. 9.2).
F
F
F
F
I
I
I
I
B
Равновесное положение рамки
Рис. 9.2. Возникновение вращающего момента в магнитном поле
По противоположным сторонам рамки токи текут в противоположных направлениях, поэтому на них действуют противоположные силы. Такие силы создают вращающий момент М и стремятся установить рамку в равновесное положение. Величина вращающего момента зависит от ориентации плоскости рамки.
Существует положение, в котором вращающий момент равен М = 0 (равновесное положение).
Если плоскость рамки расположена перпендикулярно к равновесному положению, то вращающий момент максимален — Mmax.
Величину Mmax используют при выборе характеристики магнитного поля — магнитной индукции.
Величина магнитной индукции равна отношению максимального вращающего момента, действующего на рамку со стороны поля, к площади рамки (S) и силе тока в ней (I):
B = Mmax/(SI).
За направление вектора принимают нормаль к равновесному положению рамки, направленную в соответствии с правилом буравчика (если направление вращения буравчика совпадает с направлением тока в контуре, то направление движения острия указывает направление вектора ).
Единица магнитной индукции в СИ — тесла (Тл).
1 Тл — индукция такого магнитного поля, в котором максимальный вращающий момент, действующий на рамку площади 1 м2, равен 1 Нм при силе протекающего тока I = 1 А.
Мы помним, что напряженность кулоновского поля зависит от диэлектрической проницаемости среды, в которой оно создается. Если в вакууме заряды создают поле с напряженностью Е0, то в диэлектрической среде напряженность поля будет меньше: Е = Е0/, где — диэлектрическая проницаемость среды. Опыт показывает, что магнитная индукция В тоже зависит от свойств среды.
Магнитная индукция в веществе выражается через магнитную индукцию поля в вакууме по формуле:
В = Во,(9.1)
где — магнитная проницаемость вещества. Для вакуума = 1.
Магнитной проницаемостью вещества называется величина, показывающая, во сколько раз индукция магнитного поля в этом веществе отличается по модулю от магнитной индукции в вакууме.
По способности к намагничиванию вещества делятся на три группы:
а) диамагнетики, у которых < 1 (вода, стекло и др.);
б) парамагнетики, у которых > 1 (воздух, эбонит и др);
в) ферромагнетики, у которых >>1 (никель, железо и др.).
Одно из свойств магнитного поля состоит в том, что оно воздействует на проводник с током. Закон, которому подчиняется это воздействие, был экспериментально установлен французским физиком Андре Мари Ампером (1820).
Сила, действующая в магнитном поле на прямолинейный участок проводника с током, пропорциональна величине магнитной индукции (В), длине участка (l), силе тока (I) и синусу угла () между направлением тока и вектором индукции:
B
FА
I
l
FА = BlIsin .(9.3)
Сила Ампера перпендикулярна и к проводнику и к вектору магнитной индукции. Направление на этом перпендикуляре определяется правилом левой руки (рис. 9.5).Магнитобиология занимается изучением воздействия магнитного поля на биообъекты.
Магнитное поле оказывает воздействие на биологические системы, которые в нем находятся. Так, например, имеются сведения:
о гибели дрозофилы в неоднородном магнитном поле;
об угнетении роста бактерий в магнитном поле;
о морфологических изменениях у животных и растений после пребывания в постоянном магнитном поле;
об ориентации растений в магнитном поле;
о влиянии магнитного поля на нервную систему и изменении характеристик крови;
об эффективности процессов регенерации при действии низкочастотного магнитного поля.
Первичными процессами во всех случаях являются физические или физико-химические процессы. Такими процессами могут быть: ориентация молекул; изменение концентрации молекул или ионов в неоднородном магнитном поле; силовое воздействие (сила Лоренца) на ионы и др.
В настоящее время разработан комплекс лечебных и диагностических процедур с использованием магнитного поля.
Постоянная магнитотерапия — лечебное использование нетепловых эффектов постоянного магнитного поля.
Постоянные магнитные поля с индукцией 1–50 мТл вызывают перестройку жидкокристаллических структур биологических мембран, что существенно изменяет проницаемость липидного бислоя и приводит к усилению метаболической и ферментативной активности клеток. В цитоплазме такие поля индуцируют фазовые гель-золь переходы. Воздействие постоянного магнитного поля на кровь и лимфу может существенно изменять их вязкость и другие физико-химические свойства. Вместе с тем следует указать на то, что физическая природа воздействия постоянного магнитного поля на биологические объекты изучена слабо.
В настоящее время с лечебной целью используют устройства нескольких типов.
Магнитоэласты, изготовленные из смеси полимерного вещества с порошкообразным ферромагнитным наполнителем. Их магнитное поле имеет индукцию 8–16 мТл. Используются для изготовления всевозможных радикулитных поясов.
Магниты кольцевые, пластинчатые, дисковые. Магнитная индукция 60–130 мТл.
Микромагниты — намагниченные иглы, шарики, клипсы (для магнитопунктуры). Магнитная индукция 60–100 мТл.
Пластинчатые магниты используют в виде браслетов, носимых на запястье пациента. Магнитная индукция 20–70 мТл.
Импульсная магнитотерапия — лечебное применение импульсного магнитного поля при невысокой частоте следования импульсов (не более 1000 имп/с). Возникающие при этом токи Фуко способны вызвать возбуждение волокон периферических нервов и ритмические сокращения миофибрилл скелетной мускулатуры, гладких мышц сосудов и внутренних органов. Вихревые токи низкой частоты способны блокировать афферентную импульсацию из болевого очага (купирование болевого синдрома).
Высокочастотная магнитотерапия — лечебное применение магнитного поля высокой частоты (выше 10 МГц). Здесь используется тепловое действие токов Фуко (устаревшее название этого метода — индуктотермия). В отличие от методов лечения высокочастотными токами, основное тепловое воздействие в данном случае оказывается на ткани с малым удельным сопротивлением. В этом случае сильнее нагреваются ткани, богатые сосудами, например мышцы. В меньшей степени нагреваются такие ткани, как жир.
Биомагнетизм занимается проблемами, которые связаны с магнитными свойствами и магнитными полями, создаваемыми биологическими объектами.
Магнитное поле человека создается токами, генерируемыми клетками сердца и коры головного мозга. Оно очень мало: индукция магнитного поля составляет для сердца — 10–11, для мозга 10–13 Тл. (ср. с магнитным полем Земли 10–5 Тл). Для измерения магнитного поля тела человека используют специальный магнитометр (сокращенное его название СКВИД), который регистрирует сверхмалые магнитные поля до 10–18 Тл. Метод основан на измерении не самого магнитного поля тела, а его изменения в пространстве. Ниже, в таблице 9.1 представлены характеристики магнитных полей, создаваемых различными источниками.
Таблица 9.1. Диапазоны измеренных магнитных полей
Источник В, Тл
Токи альфа-ритма головного мозга 10–15
Токи, управляющие сокращениями сердца 10–14
Типичный телевизионный сигнал 10–11
Свет 100-ваттной лампы на расстоянии 3 м10–8
У поверхности Земли 5∙10–5
Между полюсами школьного постоянного магнита 2∙10–2
На атомном ядре, создаваемое валентными электронами 102
Поверхность нейтронной звезды 108
IV Закрепление нового материала
Задача 9.4. В однородном магнитном поле расположен виток, площадь которого S = 50 см2. Перпендикуляр к плоскости витка составляет с направлением магнитного поля угол = 60о. Индукция магнитного поля В = 0,2 Тл. Найти среднее значение ЭДС индукции Е, возникающей в витке при выключении поля в течение времени t = 0,02 с.
Решение
В
n
S
Ф1=ВScos
Ф2=0
Ф=ВScos
Е = Ф/t = BScos /t = 0,025 В = 25 мВ
Ответ: Е = 25 мВ.
Задача 9.5. Магнитное поле, в котором находится катушка, направлено по ее оси и равномерно возрастает в течении t = 0,01 с. При этом в катушке возникает ЭДС Е = 200В. Определить изменение магнитного потока Ф через один виток катушки, если она имеет n = 2000 витков.
Решение
См. пример 3.
Е=Ф/t=NФ0/t Ф0=Еt/N.
В
Ф = 10–3 Вб = 1 мВб.
Ответ: Ф = 10–3 Вб = 1 мВб.
V Подведение итогов занятия
Выставление оценок.
VІ Задание на дом
Стр. 224-229. Изучение материала по учебнику