Конспект уроку " Сила Ампера"

Тема уроку: Сила Ампера

Мета уроку: сформувати знання про силу Ампера та магнітну індукцію як силову характеристику магнітного поля; про момент сил Ампера, які діють на рамку зі струмом.

Очікувані результати: учні повинні вміти характеризувати силу Ампера як фізичну величину, визначати її напрямок за правилом лівої руки, розуміти фізичний зміст магнітної індукції.

Тип уроку: урок засвоєння нових знань.

Наочність і обладнання: навчальна презентація, комп’ютер, підручник.

 

 

Хід уроку

 

І. ОРГАНІЗАЦІЙНИЙ ЕТАП

Привітання з класом.

Перевірка присутніх учнів та готовність до уроку.

II. АКТУАЛІЗАЦІЯ ОПОРНИХ ЗНАНЬ ТА ВМІНЬ

Якщо рамку зі струмом розташувати між полюсами магнітів, рамка повернеться і встановиться перпендикулярно до ліній магнітної індукції поля, створеного магнітами. А як змусити рамку обертатися?

 Як створити електричний двигун, який, до речі, був винайдений на півсторіччя раніше, ніж двигун внутрішнього згоряння? 

Чому магнітне поле чинить на рамку зі струмом орієнтувальну дію? Згадуємо і дізнаємося нове.

 

Ⅲ. Перевірка домашнього завдання.

Бесіда за питаннями.

1.                  Опишіть досліди Г. Ерстеда і А. Ампера. 

2.                  Дайте означення магнітного поля. Які властивості має магнітне поле?

3.                  Охарактеризуйте магнітну індукцію за планом характеристики фізичної величини. 

4.                  Як визначити напрямок вектора магнітної індукції?

5.                  Що називають лініями магнітної індукції? 

6.                  Зіставте магнітні поля соленоїда і штабового магніту: що в них спільне?

7.                  Яке магнітне поле називають однорідним?

 

Ⅳ. Вивчення нового матеріалу

1. Сила Ампера.

Восени 1820 р. А. Ампер, досліджуючи дію магнітного поля на провідники різних форм і розмірів, отримав формулу для визначення сили, що діє на окрему невелику ділянку провідника (на елемент струму). Зараз цю силу називають силою Ампера.

Сила Ампера - це сила, з якою магнітне поле діє на провідник зі струмом.

Якщо провідник прямолінійний, а магнітне поле, в якому він перебуває, однорідне, то модуль сили Ампера визначають за формулою:

𝑭_𝑨 = 𝑩𝑰𝒍𝒔𝒊𝒏𝜶,

де B - магнітна індукція поля, в якому перебуває провідник; I - сила струму в провіднику; l - довжина активної частини провідника; a - кут між вектором магнітної індукції і напрямком струму.

 

Рис. 1 Залежність значення сили Ампера від орієнтації провідника в магнітному полі.

Напрямок сили Ампера визначають за правилом лівої руки (рис.2.): 

Якщо ліву руку розташувати так, щоб лінії магнітної індукції входили в долоню, а чотири витягнуті пальці вказували напрямок струму в  провіднику, то відігнутий на  90° великий палець укаже напрямок сили Ампера.

Рис. 2

 Зверніть увагу: якщо провідник не прямий і (або) магнітне поле неоднорідне, то можна визначити сили Ампера, які діють на невеликі ділянки провідника, а потім геометричним додаванням обчислити силу Ампера, що діє на провідник у цілому. 

2. Момент сил Ампера, які діють на рамку зі струмом.

Візьмемо легку прямокутну рамку зі сторонами a і b, яка складається з одного витка дроту, помістимо її в однорідне магнітне поле так, щоб вона могла легко обертатися навколо горизонтальної осі, і пропустимо в рамці струм (рис. 11.3, а). Погойдавшись, рамка установиться перпендикулярно до ліній магнітної індукції (рис. 11,3, б). Знайдемо момент сил Ампера, що діють на рамку в деякий момент часу (рис. 11.3, в). Для цього визначимо напрямок, модуль і плече кожної із сил, що діють на сторони рамки. Бачимо:

1)                 сили Ампера ̅𝐹̅₃̅ і   𝐹̅₄ не повертають, а лише розтягують рамку - моменти цих сил дорівнюють нулю. 

2)                 сили Ампера 𝐹̅₁  і ̅𝐹̅₂̅ повертають рамку проти ходу годинникової стрілки

- створюють обертальний момент  𝑀: 𝑀 = 𝑀₁ + 𝑀₂ = 𝐹₁𝑑₁ + 𝐹₂𝑑₂. Тут 𝐹₁ =

𝐹₂ = 𝐵𝐼𝑎 , де I - сила струму, a - довжина сторони AK ( і CD);  , де b - довжина сторони KС, α - кут між вектором 𝐵̅  магнітної індукції і нормаллю n до рамки (рис.3, г). Отже:, де

S=ab - площа рамки.

 

Рис. 3. Дослідження дії магнітного поля на рамку зі струмом: а - сили Ампера 𝐹̅₁  і ̅𝐹̅̅₂ повертають рамку AKCD за ходом годинникової стрілки; б  - у положенні рівноваги сили Ампера не повертають рамку, а  розтягують; в  - сили Ампера повертають рамку проти ходу годинникової стрілки.

Момент сил Ампера, які діють на плоский замкнений контур, розташований в однорідному магнітному полі, дорівнює добутку модуля магнітної індукції поля, сили струму в контурі, площі контуру і синуса кута α між вектором магнітної індукції та нормаллю до площини контуру: 

𝑀 = 𝐵𝐼𝑆𝑠𝑖𝑛𝑎.

Зверніть увагу: 1) якщо рамка розташована паралельно лініям магнітної індукції (α=90°), то обертальний момент найбільший  (sina =1): 𝑀_𝑚𝑎𝑥𝐵𝐼𝑆 (див. рис.3, а); якщо рамка розташована перпендикулярно до ліній магнітної індукції (sina = 0) , то обертальний момент дорівнює нулю (sinα = 0) , - це положення стійкої рівноваги рамки (див. рис.3, б). 

2) якщо рамка містить N витків дроту, обертальний момент розраховують за формулою: 𝑀 = 𝑁𝐵𝐼𝑆𝑠𝑖𝑛𝑎. 3. Де застосовують силу Ампера.

Обертання рамки зі струмом у магнітному полі використовують в електричних двигунах - пристроях, в яких електрична енергія перетворюється на механічну. Повернемося до рис.3. Бачимо, що сили Ампера спочатку повертають рамку в одному напрямку (рис.3, а), а після проходження положення рівноваги -в протилежному (рис.3, в). Тому рамка дуже швидко зупиняється в положенні рівноваги. Щоб

Рис. 4. Колектор являє собою рамка не зупинялась і оберталась в одному

два провідних пів-кільцях1,

до кожного з яких притиснута напрямку, застосовують колектор - пристрій, який металева щітка (2); щітки автоматично змінює напрямок струму в рамці ^{з’єднані з полюсами джерела} (рис.4). Півкільця колектора обертаються разом із струму рамкою, а щітки залишаються нерухомими, тому

після проходження положення рівноваги до щіток притискуються вже інші півкільця. Напрямок струму в рамці змінюється на протилежний, а напрямок обертання рамки не змінюється. 

Зрозуміло, що обертальний момент, який створюють сили Ампера в рамці, зображеній на рис.4, є дуже малим, тому потужність такого «двигуна» незначна. Для збільшення обертального моменту (M=NBISsinα) у реальних електродвигунах: 

1) обмотку обертової частини двигуна - ротора (від латин. rotare - обертатися) - виготовляють із великої кількості витків дроту, які вкладають у спеціальні пази на бічній поверхні осердя - циліндра, виготовленого з

 Рис.5. Ротор двигуна (від

_латин. rotore _{– обертатися),} листів магнітном’якої сталі (рис.5);  який містить одну обмотку.            2) використовують кілька обмоток, які намотують на одне осердя; колектор такого

двигуна має низку мідних дугоподібних контактних пластин, закріплених на ізольованому барабані, і кожна обмотка з’єднана з однією парою пластин;

 3) замість постійного магніту використовують електромагніт, який становить одне ціле з корпусом електродвигуна та слугує статором (від латин. stator - той, що стоїть нерухомо). Обмотка статора підключена до того самого джерела струму, що й обмотка ротора.

Проблемне питання.

Як ви вважаєте, за рахунок збільшення якої фізичної величини збільшується обертальний момент у кожному випадку?

 

Електровимірювальні прилади магнітоелектричної та електродинамічної систем.

 У цих приладах використовують залежність обертального моменту, створеного силами Ампера, від сили струму в рамці. Коли прилад вмикають у коло, в рамці починає йти струм і внаслідок дії сил Ампера рамка повертається в магнітному полі магніту. Разом із рамкою повертається стрілка й одночасно закручуються спіральні пружини. Коли момент сил Ампера зрівноважується моментом сил пружності, рух стрілки припиняється, проте вона залишається відхиленою. Чим більша сила струму в

рамці, тим на більший кут відхилиться стрілка. У приладах електродинамічної системи замість постійного магніту застосовують електромагніт.

Електродинамічний гучномовець (динамік). 

У динаміку сила Ампера, що діє на витки котушки, змушує котушку втягуватись у кільцевий магніт. Коли сила струму в котушці змінюється зі звуковою частотою, так само змінюється й сила Ампера - котушка коливається в такт зміні сили струму. Разом із котушкою коливається і прикріплений до неї дифузор, який «штовхає» повітря, створюючи звукову хвилю, - гучномовець випромінює звук. До речі,     поширені зараз навушники -        це      саме електродинамічні випромінювачі звуку.

 

Ⅴ. ЗАКРІПЛЕННЯ НОВИХ ЗНАНЬ І ВМІНЬ

 

1.                  Прямолінійний провідник довжиною 0,5 м, по якому проходить струм силою 2 А, знаходиться в однорідному магнітному полі під кутом 30° до ліній індукції. При цьому на нього діє сила Ампера, модуль якої 0,5 Н. Визначити модуль індукції магнітного поля.

Дано:                           Розв’язання

На провідник зі струмом у магнітному полі діє сила

 

 

Відповідь: .

2.                  Визначте модуль сили Ампера, що діє на провідник зі струмом завдовжки 25 см у магнітному полі з індукцією 0,04 Тл, якщо кут між вектором магнітної індукції й напрямком струму становить 30°. Сила струму в провіднику дорівнює 0,25 А.

Розв’язання На провідник зі струмом у магнітному полі діє сила

 

 

Н

[𝐹_А] = Тл ∙ А ∙ м =  ∙ А ∙ м = Н

А ∙ м

sin 30° = 0,5

𝐹_А = 0,04 ∙ 0,25 ∙ 0,25 ∙ 0,5 = 0,00125 = 1,25 ∙ 10⁻³(Н)

Відповідь: .

 

3.                  Провідник зі струмом 5А знаходиться в магнітному полі з індукцією10 Тл. Визначити довжину провідника, якщо магнітне поле діє на нього з силою 20Н і перпендикулярно розташоване до провідника.

Дано:                           Розв’язання

                                                       На провідник зі струмом у магнітному полі діє сила

                                                                                      

 

 

Відповідь: .

4.                  У провіднику, довжина активної частини якого становить 12 см сила струму дорівнює 50 А. Провідник вміщено в однорідне магнітне поле перпендикулярно лініям індукції, яка дорівнює 10 мТл. Яку роботу виконає магнітне поле при переміщенні цього провідника на 10 см?

Розв’язання На провідник зі струмом у магнітному полі діє сила

 

 

 

𝐴 = 𝐵𝐼𝑙𝑠

𝐻

[𝐴] = Тл ∙ 𝐴 ∙ м ∙ м =  ∙ А ∙ м ∙ м = Н ∙ м = Дж

𝐴 ∙ м

𝑨 = 10⁻² ∙ 50 ∙ 0,12 ∙ 0,1 = 6 ∙ 10⁻³(Дж)

Відповідь: .

 

Ⅵ. ПІДБИТТЯ ПІДСУМКІВ УРОКУ

 

Бесіда з питаннями:

1.Дайте означення сили Ампера. 

2.                  Від яких чинників залежить значення сили Ампера? За якою формулою визначають її значення? 

3.                  Як слід розташувати провідник, щоб сила Ампера була найбільшою? У якому випадку магнітне поле не діє на провідник? 

4.                  Сформулюйте правило для визначення напрямку сили Ампера. 

5.                  Дайте означення індукції магнітного поля. 

6.                  Дайте означення одиниці магнітної індукції.

 

Ⅶ. ДОМАШНЄ ЗАВДАННЯ

Опрацювати § 11, Вправа № 11 (1, 2)