F2210 Fyzikální praktikum pro nefyzikální obory

Úloha č.10: Magnetizmus

Návod k úloze

www.intermagnet.org – geomagnetické pole

Domácí úkoly, sběr souborů.

Co je možné vypracovat distančně?

K úloze o magnetismu jsme pro vás natočili sérii pokusů přímo v praktiku. Vyplňte povinně všechny otázky zmíněné v následujícím textu. Bude třeba leccos kreslit, pro vyplnění pracovních listů pravděpodobně bude tentokrát nejjednodušší prázdné pracovní listy vytisknout, vyplnit ručně a naskenovat nebo vyfotit. Přejeme veselou zábavu!

Magnetické pole magnetů a stacionárních elektrických proudů

K otázce 1:

V prvním videu používáme feromagnetické piliny ke zviditelnění magnetických indukčních čar v okolí různých magnetů. Nad magnet jsme položili skleněnou desku, na ni sypeme piliny. V případě podkovovitého magnetu jsme vyzkoušeli dvě pozice skleněné desky - nejdříve leží deska přímo na magnetu, podruhé je vzdálena asi 1 cm nad magnetem. Nakonec ukazujeme náš 3D zviditelňovač magnetického pole: jedná se o plastový kvádřík, který je plný oleje, ve kterém volně plavou feromagnetické piliny. Piliny je nejprve potřeba důkladně rozptýlit po celém objemu kvádříku. Následně jsme do dutinky v kvádříku rychle vložili silný tyčový magnet. Výsledek je krásný, podívejte se.
Video - je vhodné užít zobrazení na celou obrazovku.

Nakreslete do svých pracovních listů, jaký tvar mají magnetické indukční čáry kolem tyčového a podkovovitého magnetu.

piliny_magnety.video5

K otázce 2:

Použili jsme přípravek, kde na desce z plexiskla je zapojen přímý vodič a válcové cívky. Sestavili jsme do obvodu zdroj proudu, vybrané vodiče na přípravku a spínač dovolující krátké sepnutí obvodu. Desku jsme jemně sypali pilinami kolem vybraných vodičů. Následně jsme na regulovatelném zdroji nastavili maximální proud (cca 15 A) a krátce (na cca 1 s) několikrát sepnuli elektrický obvod. Abychom pilinám pomohli překonat statické tření, při sepnutém proudu jsme klepali na přípravek.

Podívejte se na video a zakreslete do pracovních listů magnetické indukční čáry kolem vodičů ve všech čtyřech ukázaných případech.

piliny_vodice.video5

piliny_primy_vodic.png

piliny_solenoid.png

piliny_solenoidy_souhlasne.png

piliny_solenoidy_protisobe.png

Silové působení na náboj v magnetickém poli

K otázce 1:

Vzpomeňte si anebo najděte v návodu úlohy, jaký je vztah pro Lorentzovu sílu $\vec{F}$ , která působí na náboj $q$ , který se pohybuje rychlostí $\vec{v}$ v magnetickém poli $\vec{B}$ . Vzpomeňte si také, jak se počítá vektorový součin, zejména jak určit jeho směr. (Jinými slovy - připravte si pravou ruku.)

Nakreslete si do pracovních listů dva rovnoběžné vodiče, kterými prochází elektrický proud. Zakreslete, jak vypadají vektory magnetické indukce $\vec{B}$ v okolí jednoho z vodičů. Směr proudu považujme za dohodnutý, tj. jako by se vodičem pohybovaly kladné částice. (Nápověda: indukční čáry byly zviditelněny v prvním úkolu pilinami, zbývá se jen rozhodnout, jak na ně přikreslit jejich orientaci a vektory indukce. Zase potřebujete pravou ruku.).
Následně si představte, že druhým vodičem se pohybuje kladná částice rychlostí $\vec{v}$ . (Rozmyslete si: jakým směrem letí, pokud jsou proudy v obou vodičích "souhlasné"? A v jakém, pokud jdou proti sobě?) Vektor rychlosti $\vec{v}$ zakreslete do obrázku tak, abyste ho měli ve stejném bodě jako vektor magnetické indukce $\vec{B}$ . (Případně jinak: tam, kde máte vektor rychlosti, tam přikreslete vektor magnetické indukce od prvního vodiče.)
Nakonec zakreslete do téhož bodu výslednou Lorentzovu sílu $\vec{F}$ , která na pohybující se nabitou částici působí. Budou se vodiče přitahovat, nebo odpuzovat?

(Rozmyslete si: jak se situace změní, pokud jako nositele proudu nebudeme uvažovat kladné částice, ale reálně, záporné elektrony? Jakou polaritu náboje $q$ a jaký směr $\vec{v}$ je pak třeba dosadit do vzorce pro Lorenzovu sílu? Změní se výsledná síla $\vec{F}$ ?)

Zakreslete a zřetelně vše označte pro oba případy: vodiče protékané proudem souhlasně i proti sobě.

Vaše úvahy si nakonec ověřte na následujících videích. Do dvou vodičů vždy krátce (po dobu cca 1 s) pouštíme zkratový proud a pozorujeme, jak se k sobě naše vodiče chovají.

vodice_nesouhlasne.video5

vodice_souhlasne.video5

K otázce 2:

Na dalším videu uvidíte cívku zavěšenou v přibližně homogenním poli permanentního magnetu. Cívka je připojena ke zdroji proudu, jako vypínač tentokrát slouží magnetické relé. Pokud k relé přiblížíme silný magnet, spojí se dva magnetické plátky uvnitř relé a obvodem prochází proud. Nejprve pokus provedeme s jednou polaritou zdroje, pak přívodní vodiče přepólujeme, takže proud cívkou poteče opačným směrem.

Prohlédněte si video a do pracovních listů popište, co se dělo s proudovou smyčkou v magnetickém poli.

(Pozn.: Ano, po celou dobu stříhání a upravování videa mě nenapadlo, že bych ho mohla třeba taky otočit. Vy mi to ale odpustíte, viďte?)

civka_v_mg_poli_a.video5

Hallův jev

- tuto sekci můžete celou vynechat.

Látky v magnetickém poli

Otázku 1 vynechte.

K otázce 2:

Vnější magnetické pole indukuje v elektronových obalech atomů magnetické pole, které je orientováno proti vnějšímu poli. Tento jev nazýváme diamagnetismem. Atom může mít i permanentní magnetický moment, magnetický moment bez vnějšího pole. Látky tvořené takovými atomy nazýváme paramagnetickými. Diamagnetizmus je slabší než paramagnetizmus. Proto se diamagnetizmus projevuje jen u látek s atomy bez permanentního magnetického momentu. Takové látky nazýváme diamagnetickými.

V některých materiálech existují tzv. domény, oblasti se shodně orientovanými permanentními magnetickými momenty jednotlivých atomů. Takové materiály nazýváme feromagnetika. Při překročení určité mezní teploty, tzv. Curieovy teploty, se orientace domén zruší a materiál přestane být feromagnetický. Existují tři feromagnetické prvky s Curieovou teplotou vyšší, než je teplota pokojová: železo, kobalt a nikl.

Vaším posledním úkolem bude určit totožnost vzorku, který ukážeme na následujícím videu, víte-li, že jde o prvek. Vzorek je zavěšený na drátku termočlánku a udržuje se ve vychýlené poloze tak, že je přitahován k magnetu. Vzorek zahříváme plamenem z hořáku tak dlouho, až vazba s magnetem pomine. Jak vzorek ochladne pod Curieovu teplotu, vazba vzorku s magnetem se obnoví a závěsný drátek se opět vychýlí. Teplotu vzorku ukazuje digitální teploměr, jednotkou jsou stupně Celsia. Určete podle videa, jaká je Curieova teplota tohoto vzorku, a s pomocí návodu k úloze odhalte, o jaký vzorek se jedná. Zapište to k úloze 2 v pracovním listu. Na tomto místě vyplnění pracovního listu končí.

Zmagnetování, odmagnetování a přemagnetování (výměna pólů magnetu) bude provedeno pro zájemce při výuce praktik přímo v laboratoři.