МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ВІННИЦЬКИЙ  КОЛЕДЖ

НАЦІОНАЛЬНОГО  УНІВЕРСИТЕТУ ХАРЧОВИХ ТЕХНОЛОГІЙ

План-конспект

 відкритого заняття з дисципліни «Фізика»

на тему:

“ Магнітні матеріали та їх застосування”

Викладач фізики

Тичук Руслан Борисович

09.02.2015

Вінниця, 2015

Тема заняття:  “ Магнітні матеріали та їх застосування”

Вид заняття:  лекція (тематична)

Група: 2ОК1.              Дата: 09.02.2015.            Аудиторія: 232.

Мета заняття:

1. Навчальна: розглянути  будову, принцип дії та застосування приладів, що використовують магнітні властивості речовини; продовжувати формувати уявлення про пізнаваність світу; розвивати вміння аналізувати і класифікувати факти.

2. Виховна: виховувати прагнення до самостійного поповнення знань, колективізм, культуру поведінки, свідомої дисципліни; виховувати та прививати професійні якості; привити інтерес до вивчення фізики.

3. Розвиваюча: розвивати логічне мислення, вміння аналізувати, робити висновки; розвивати політехнічний кругозір, формувати світогляд пов'язаний з роллю фізики в науці, техніці, виробництві, розвивати вміння розв’язувати фізичні задачі.

Міжпредметна інтеграція: ТЕМК, хімія, програмування (курсове проектування), електрорадіовимірювання, архітектура ЕОМ, периферійні пристрої, медицина.

Методичне та матеріальне забезпечення заняття: ноутбук, проектор, екран, комп’ютер, телевізор, презентація  «Магнітні матеріали», стенд «Періодична таблиця хімічних елементів Д. І. Менделєєва», стенд «Фізичні основи ЕОМ», прилади для установок до дослідів, носії зовнішньої памяті.

Програмний засіб «Таймер, секундомір», роздатковий матеріал, презентації студентів.

Демонстрації: фізичні досліди:  температура точки К’юрі, знімання петлі гістерезиса, підсилення магнітного поля електромагніту введенням у нього феромагнітного осердя; презентації.

Студенти повинні знати: магнітна проникність, вектор намагніченості, магнітна   сприйнятливість, діамагнетики, парамагнетики, феромагнетики, домени, петля гістерезису, магніто-м’які і магніто-жорсткі феромагнетики.

Студенти повинні вміти: розв’язувати фізичні задачі, пояснювати принцип роботи вінчестера; відрізняти магнітом’які  та магніто жорсткі  речовини.

Студенти повинні мати навички: розрізняти магнітном’які і магніто жорсткі матеріали в побуті і комп’ютерній техніці.

Методи, які використовуються на занятті: пояснювально-ілюстративний, евристичний, проблемний, бесіда, робота в малих групах, навчальне заохочення, фізичний експеримент,  робота з проектом.

Методична спрямованість: активізація пізнавальної діяльності засобами НІТ та інтерактивних методів навчання.

План заняття

1. Організаційний момент.                                                                                 (2 хв.)

2. Мотивація навчальної діяльності. (та на протязі всього заняття)             (2 хв.)

3. Актуалізація опорних знань.                                                                          (5 хв.)

Фізична вікторина

4. Повідомлення теми, мети і плану заняття.                                                   (3 хв)

Тема: «Магнітні матеріали та їх застосування»

5. Вивчення нового навчального матеріалу:                                                 (51 хв.)

5.1 Вивчення нового навчального матеріалу

План

1.                   Магнітні властивості атомів. Види магнетиків.
2.                   Вектор намагніченості. Магнітна   сприйнятливість.
3.                   Діамагнетики. Парамагнетики.
4.                   Феромагнетики.
5.                   Магнітні матеріали та їх застосування.

5.2.  Закріплення, осмислення, узагальнення  знань.

Захист проектів. 

6. Узагальнення і систематизація вивченого матеріалу.                            (10 хв.)               

Самостійна робота.

7. Підсумкова частина і оголошення домашнього завдання                         (7 хв)

7.1 Оголошення домашнього завдання:

7.2 Інтерактивна вправа «Мікрофон» 

Ключові слова:  магнітна проникність, вектор намагніченості, магнітна   сприйнятливість, діамагнетики, парамагнетики, феромагнетики, домени, петля гістерезису.

Епіграфи до заняття:

Хід заняття

1.Організаційний момент.                                                                                  (2 хв)

Преревірка присутності студентів.

Студенти поділені на 3 малі групи по рядах парт. 

Оголошення в малих групах,  хто виконує обов’язки керівника проекту, з акцентом на взаємодовіру та колективізм. Оголошення правил ведення «Листа діяльності».

2. Мотивація навчальної діяльності студентів                                          (2 хв)

На попередньому занятті ми вивчали магнітне поле, сьогодні маємо зясувати його вплив на всі речовини без виключень, в тому числі і на живі організми. Сьогодні ми маємо розглянути магнітні властивості речовини.

Видатний радянський фізик в галузі магнетизму акад. АН СРСР С.В.Вонсовський так відмітив значення магнетизму: «Щоб наочно зрозуміти велике значення магнетизму в житті людини, уявимо собі на мить, що матерія миттю втратила магнітні властивості. Це відразу викличе катастрофічні наслідки. Повністю буде паралізована енергетика світу, так як вийдуть з ладу всі електричні генератори і двигуни, замовкнуть телефони, радіоприймачі, перестануть діяти телевізори і магнітофони. Зупиняться електропоїзди, тепловози та теплоходи. Сучасна цивілізація замре, і людство буде відкинуто на сотні років назад».

Немагнітних речовин не існує, будь-яка речовина має свої магнітні  властивості, тобто в магнітному полі змінює не лише  своє положення в просторі, а й фізичні властивості. Але ці прояви бувають різні. Іноді ці зміни невеликі і виявити їх можна лише за допомогою дуже складної апаратури, а іноді вони значні і їх виявити дуже легко. Магнітні властивості сильно магнітних речовин відомі давно. Більше трьох тисяч років назад  властивість магнітних стрілок встановлюватися в напрямку з півночі на південь уже практично  використовувалось в Китаї. Сучасна електротехніка дуже широко використовує магнітні властивості речовини для отримання електричної енергії, для перетворення її в інші види енергії В апаратах проводового і безпроводового  зв’язку, в телебаченні в автоматиці та комп’ютерній мікроелектроніці застосовуються матеріали із  певними визначеними магнітними властивостями. Вивчення магнітних властивостей різних речовин і є метою даного заняття.  (див. слайд 3)

На магнітну взаємодію впливає  середовище, в якому містяться провідники, тобто речовина може посилювати або послаблювати магнітне поле порівняно з вакуумом. Вплив різних речовин на магнітне поле, створене електричним струмом, або, інакше кажучи, намагнічування речовин, можна вивчити експериментально, наприклад за допомогою установки, що зібрана на рисунку, слайд № 4.

3.  Актуалізація опорних знань:                                                                  (5 хв)

• Фізична вікторина (див. слайд 5)
• Фізичні величини та їх позначення. (див. слайд 6)
• Фізичні величини та їх одиниці вимірювання. (див. слайд 7)
• Фізичні формули та закони. (див. слайд 8)
• Умовні позначення на електричних схемах. (див. слайд 9)

 ( Усне опитування студентів)

4.  Повідомлення теми мети і плану заняття.                                            (3 хв)

Тема: «Магнітні матеріали та їх застосування»

План

1. Магнітні властивості атомів. Види магнетиків.
2. Вектор намагніченості. Магнітна   сприйнятливість.
3. Діамагнетики. Парамагнетики.
4. Феромагнетики.
5. Магнітні матеріали та їх застосування.

(див. слайд 10)

5.  Вивчення і засвоєння нового матеріалу.                                                  (51 хв)

1.  Магнітні властивості атомів

На основі експериментальних досліджень і теоретичних узагальнень, можна зробити висновок. що єдиними джерелами магнітного поля у вакуумі є рухомі вільні електричні заряди або струми в провідниках. У речовині, крім цього, магнітне поле створюється рухомими електрично зарядженими частинками всередині самих атомів та молекул. Це підтверджує ідею Ампера, що магнетизм речовини можна пояснити наявністю мікроскопічних електричних струмів, рівномірно розподілених в усьому об’ємі речовини.

Як відомо, що речовина складається з частинок і ці частинки перебувають у безперервному русі і з цими рухами пов’язані механічний та магнітний моменти. За сучасними поглядами магнітні властивості речовини зумовлені трьома причинами:

1.               орбітальним магнітним моментом електронів, який виникає внаслідок їхніх рухів навколо ядер;
2.               магнітним моментом електронів, який перебуває у певному співвідношенні з їхнім власним механічним моментом – спіном. Спіном електрона називають його власний механічний момент імпульсу;
3.               власним магнітним моментом атомних ядер.  (див. слайд 12)

Види магнетиків

Під час внесення довільної речовини у зовнішнє магнітне поле вона намагнічується. Речовини в зовнішньому магнітному полі змінюються так, що самі стають джерелами магнітного поля, їх називають магнетиками. При цьому в кожній точці простору, де є речовина, індукція магнітного поля дорівнює векторній сумі індукцій зовнішнього магнітного поля і магнітного поля магнетика. Набуття магнітних властивостей речовиною під дією магнітного поля називають намагнічуванням магнетика. Магнетики поділяють на три класи: діамагнетики, парамагнетики і феромагнетики. Більшість речовин у зовнішньому полі намагнічуються слабко (діа- і парамагнетики). Сильні магнітні властивості мають тільки феромагнітні речовини (залізо, нікель, кобальт, їхні сплави). Значна кількість магнетиків після припинення дії зовнішнього магнітного поля втрачає намагнічення. Однак є речовини, в яких намагнічення залишається на довгий час, і тільки механічними діями або нагріванням їх можна розмагнітити. Такі намагнічені тіла називають постійними магнітами.

Залежно від значення відносної магнітної проникності всі речовини можна розділити на три  групи:

1.                 діамагнетики, для яких  трохи менша одиниці (<1);
2.                 парамагнетики, для яких  трохи більша одиниці (>1);
3.                 феромагнетики, для яких  набагато більша одиниці (<<1);

Оскільки в парамагнетиків >1, то магнітна індукція поля в присутності парамагнетика виявляється більшою за магнітну індукцію без парамагнетика, а якщо ми внесемо феромагнетик в магнітне поле, то магнітна індукція підсилиться в сотні а той в тисячі разів. (див. слайд 22)

Дослід №1. «Підсилення магнітного поля котушки феромагнетиком»

2.  Вектор намагніченості.  Магнітна   проникність

Магнітні властивості атомів кількісно можна характеризувати на основі міркувань:

  - магнітний момент електрона;       

- магнітний момент атома. (див. слайд 24,25)

Кількісною характеристикою намагнічування магнетика є вектор намагнічування , який являє собою магнітний момент одиниці об'єму, що виникає у зовнішньому магнітному полі . Він пов’язаний із напруженістю магнітного поля , як

,                                                      (1)

де – магнітна сприйнятливість магнетика.

Магнітна сприйнятливість  характеризує здатність речовини намагнічуватись під дією зовнішнього магнітного поля.

Магнітна сприйнятливість феромагнетиків , на відміну від інших магнітних речовин (пара- та діамагнетиків), є дуже великою і може сягати значень 10⁴ – 10⁵.

Якщо феромагнетик помістити в магнітне поле , то магнітна індукція у ньому буде виражатися співвідношенням:

,                                           (2)

де Гн/м – магнітна стала. Перший доданок праворуч у співвідношенні (2) відповідає магнітній індукції, створеній магнітним полем у вакуумі, а другий – магнітній індукції у магнетику, обумовленій його намагнічуванням .

Оскільки має місце співвідношення (1), вектор магнітної індукції можна записати у вигляді

,                                                 (3)

де – магнітна проникність.

3.   Діамагнетики. Парамегнетики

Діамагнетики

Під час внесення діамагнетиків у зовнішнє магнітне поле в електронних оболонках атомів, за законом електромагнітної індукції, виникають індуковані колові струми. Ці струми створюють додаткові магнітні моменти атомів, напрямлені за законом Ленца, проти напряму зовнішнього магнітного поля. (див. слайд 31)

Речовини, в атомах яких орбітальні і спінові магнітні моменти електронів, якщо немає зовнішнього магнітного поля, є взаємно скомпенсованими, називають діамагнетиками.

Властивість речовин намагнічуватись протилежно до зовнішнього магнітного поля називають діамагнетизмом. Діамагнетизм, або діамагнітний ефект, властивий всім речовинам, оскільки він пов’язаний з виникненням додаткових колових рухів електронів в атомах речовин і зміною їхньої частоти обертання під час внесення в зовнішнє поле.

Парамагнетики

Для парамагнетиків В_n > В₀, а

Парамагнетизм проявляється у речовин, атоми яких, маючи власне магнітне поле, ніби магнітні стрілочки повертаються під дією зовнішнього магнітного поля, збіль­шуючи його магнітну індукцію.

5.  Феромагнетики

Речовини, які сильно взаємодіють з маг­нітним полем, назвали феромагнетиками. З чистих речовин чітко виражені феромагнітні властивості мають лише залізо, нікель, ко­бальт і гадоліній. Проте існує дуже багато штучних феромагнетиків, виготовлених на основі навіть не феромагнітних речовин. Се­ред них особливо поширені — ферити.

Відмітною ознакою феромагнетиків є  їх дуже велика магнітна проникність. Так, чис­те залізо,  тривалий час відпалене у водні, має магнітну проникність до 340 000.

Висока магнітна проникність феромаг­нетиків пояснюється особливостями їх кри­сталічної будови. Маючи певні особливості в забудові електронних орбіт, атоми феромагнетика об'єднуються так, що вся речовина поділяється на домени. Домени — це області феромагнетика, в яких магнітні моменти атомів розміще­ні впорядковано. Така область нагадує ма­ленький постійний магнітик. Він має власне магнітне поле як результат накладання маг­нітних полів усіх атомів, що входять в домен.

Природа феромагнетизму має квантове пояснення. За магнітні властивості феромагнетиків несуть відповідальність електрони недобудованих 3-d - оболонок феромагнетиків. В цих оболонках частина електронів мають не скомпенсовані спіни. Спін електрона – це невіддільна квантова властивість електрона. Тому природа феромагнетизму є спінова.  (див. слайд 36)

Багато властивостей феромагнетиків є похідними від їх кристалічної будови. При внесенні феромагнетиків у магнітне поле фізичні зміни в них відбуваються на рівні кристалічної ґратки. Тому вони мають спе­цифічні магнітні властивості і складають окремий клас.

Найтиповішою властивістю феромагне­тиків є нелінійний характер процесу їх на­магнічення. Якщо феромагнетик внести в магнітне поле і поступово збільшувати маг­нітну індукцію цього поля, то магнітна ін­дукція у феромагнетику не буде пропор­ційною зовнішній. При поступовому збільшенні магнітної індукції зовнішнього поля магніт­на індукція у феромагнетику спочатку зро­стає повільно, потім — швидше, а потім знову зростання уповільнюється. Лише при досягненні так званого наси­чення магнітна індукція в феромагнетику зростає лінійно. З такого складного характеру намагнічення можна зробити ви­сновок, що магнітна проникність не зали­шається постійною.

Відставання зміни індукції від зміни напруженості магнітного поля називається магнітним гістерезисом. У результаті, коли зовнішнє поле досягне нульового значення, індукція буде відмінна від нуля й дорівнюватиме В_зал. Це значення називається залишковою індукцією. Поява залишкової індукції пов'язана з доменною будовою феромагнетиків, так як тепловий рух не в змозі розорієнтувати магнітні моменти таких великих утворень, якими є домени. Щоб розмагнітити феромагнетик, потрібно утворити магнітне поле протилежного напрямку. Значення зовнішнього поля  В_к при якій індукція стає рівною нулю, називається коерцитивною силою. Отримана замкнута крива називається петлею гістерезису. (див. слайд 42)

Дослід №2. «Демонстрація петлі гістерезису».

Якщо максимальні значення напруженості такі, шо намагнічування досягає насичення, то петля називається максимальною петлею гістерезису (див слайд № 47). Якщо насичення у феромагнетику не досягається, то виходять часткові петлі гістерезису, які лежать усередині максимальної петлі, а їхні вершини перебувають на основній кривій намагнічування. При подальшому зростанні напруженості зовнішнього магнітного поля площа петлі залишається незмінною. Плоша петлі гістерезису чисельно дорівнює питомій густині енергії, витраченої на один цикл перемагнічування. (див. слайд 47)

Різні феромагнетики мають різні гістерезисні петлі. Феромагнетики з малою (у межах від декількох тисячних до 100-200 А/м) коерцитивною силою Н_с (з вузькою петлею гістерезису) називаються м'якими, з великою (від декількох сотень до декількох десятків тисяч ампер на метр) коерцитивною силою (із широкою петлею гістерезису) - твердими. (див слайд № 48)

Для кожного феромагнетика є своя температура, яку називають температурою Кюрі, при якій феромагнетик втрачає магнітні властивості і перетворюється у парамагнетик. При цій температурі зникають області спонтанного намагнічування, які називають доменами. (див слайд № 50)

При температурах вище точки Кюрі усі феромагнітні тіла стають парамагнітними. У заліза точка Кюрі дорівнює 767°С, у нікелю 360°С, у кобальту близько 1130°С.   У деяких феромагнітних сплавів точка Кюрі лежить поблизу 100°С.

Легкі удари по торцю сталевого стрижня, розташованого вздовж ліній індукції магнітного поля Землі, полегшують намагнічення стрижня. Сильні удари по постійному магніту можуть привести до його розмагні­чування.

Дослід №3. «Демонстрація точки Кюрі».

6.  Магнітні матеріали та їх застосування

При взаємодії з магнітним полем зміню­ються не тільки магнітні властивості речо­вин, а й інші — механічні, теплові, елект­ричні, оптичні і навіть хімічні.

Магнітострикція - відкрите Дж. Джоулем у 1842 р. явище зміни розмірів і форми тіла внаслідок його намагнічування. (див слайд № 53)

На явищі магнітострикції ґрунтується дія випромінювачів ультразвуку. Якщо феромагнетик помістити в змінне магнітне поле, в ньому виникатимуть механічні коливання, частота яких залежить від частоти змінного поля.

Магнітострикцію використовують також у радіотехнічних пристроях для стабілізації частоти, в роботі магнітострикційних перетворювачів, датчиків і реле.

Магнітом'які феромагнітні матеріали (хімічно чисте залізо, електротехнічна сталь та ін.), які майже втрачають намагніченість після видалення із зовнішнього поля, використовують в тих електротехнічних пристроях, в яких відбувається безперервне перемагнічування осердь, магнітопроводів та інших частин трансформаторів, генераторів змінного струму, електродвигунів. Магнітожорсткі  матеріали (вуглецева сталь, хромиста сталь і спеціальні сплави) використовують здебільшого для виготовлення постійних магнітів.

Великого застосування набули в сучасній радіотехніці ферити - феромагнітні матеріали, які погано проводять електричний струм. До них належать речовини, що є хімічними сполуками оксиду заліза з оксидами інших металів. Ферити використовують для виготовлення осердь котушок індуктивності, внутрішніх антен малогабаритних приймачів тощо.

Завдяки явищу гістерезису, яке полягає у властивості магніту зберігати «пам'ять» про минуле, став можливим запис звуку в магнітофонах і довільної інформації у довготривалій пам'яті комп'ютера.

Магнітний запис інформації широко використовується в електронно-обчислювальній техніці.  Оскільки вся інформація для комп'ютера є набором сигналів типу «так» чи  ні», цю  інформацію можна записати на магнітну стрічку або магнітний диск як чергування ділянок з різною полярністю намагнічування.  (див слайд № 58)

5.2.  Закріплення, осмислення, узагальнення  знань.

5.2.1. Захист проекту «Магнетики в промисловій та побутовій техніці»

5.2.2. Захист проекту «Магнетики в комп’ютерній техніці і периферійних пристроях»

5.2.3. Захист проекту «Види памяті ЕОМ. Використання магнетиків в пристроях памяті»

Питання до студентів: (див слайд № 62)

1. Класифікувати речовини за магнітними властивостями і вказати сфери їх використання.
2. Види феромагнетиків і їх використання в комп’ютерній і офісній техніці.

6. Узагальнення і систематизація навчального матеріалу.                  (10 хв)

Систематизація навч. матеріалу і перевірка домашнього завдання.

Виконання тестових завдань за варіантами.                                                    (7 хв)

7. Підсумкова частина і оголошення домашнього завдання                  (7 хв)

 7.1 Оголошення домашнього завдання:

1. Л₁ с. 163-166
2. Повторити конспект.
3. Підготуватись до практичного заняття на тему «Розв’язування задач з електромагнетизму»

7.2 Інтерактивна вправа «Мікрофон» 

Оголошення отриманих оцінок студентами.

Студенти, які отримують символічний «мікрофон», висловлюють свої враження про заняття, відмічаючи, що сподобалося, а що не вдалося виконати. Пропонується  висловити свою думку за планом:

„Мікрофон”

1.               Які нові поняття ми  вивчили на занятті?
2.               Чи досягли очікуваних результатів ви особисто, група у цілому? Чому ви так вважаєте?
3.               Що могло б бути організовано краще, корисніше?
4.               Над якими навичками, вміннями ще треба працювати?
5.               Що вам найбільше сподобалось на занятті?

Список використаної літератури

1. Зачек І.Р., Кравчук І.М., та ін. Курс фізики: Навчальний підручник./ за редакцією І.Е. Лопатинського. – Львів: Бескид-Біт, 2002.
2. Бушок Г.Ф., Венгер Е.Ф. Курс фізики. 1-3 т. – Київ.: Вища школа, 2002.
3. Дмитрієва  В.Ф. Фізика: навч. посіб. / В.Ф. Дмитрієва. – К.: Техніка, 2008.
4. Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высшая школа, 2003.
5. Волькенштейн. Сборник задач по общему курсу физики. – М.: Наука, 1973.
6. Гончаренко С.У. Фізика 11 клас. [текст] / С.У. Гончаренко. – Київ: 1994
7. Чоплан П.П. Фізика: Підручник. – К.: Вища шк.., 2003.
8. Учитель року – 2005. Конкурсні уроки.  / Укладач ДорошенкоВ.А. –Х, Основа, 2006.
9. Нетрадиційні уроки фізики. 10-11 кл.   – (упорядкування З.В. Дубаса, В. Р. Шаромової). – Тернопіль: Підручники і посібники, 2003.
10. Біда Д.Д. Інтерактивні уроки фізики. / Д.Д. Біда – Х.: Основа, 2005.