Розробка уроку "Електромагніти та їх застосування"

Тема.    ЕЛЕКТРОМАГНІТИ.

 

                                                                    Мало знати, потрібно й використовувати.

Мало бажати, потрібно робити.

Йоганн Вольфганг Гете.

 Мета: ознайомити учнів iз будовою, принципом дії та                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                    практичним застосуванням електромагнітів.

Виховувати інтерес до вивчення фізики, розуміння її ролі та важливості фізичних знань у житті, потяг до наукової творчості, вміння аналізувати усну вiдповiдь; виховувати такі людські якості, як: сумлінність, працелюбність, здатність до подолання труднощів, звичку до систематичної розумової праці.

Розвивати творчі здібності учнів, пам’ять, уяву, критичне мислення, пізнавальний інтерес до навчання; прищеплювати навички інтелектуальної праці.

Основні поняття: електромагніт, магнітне поле, гучномовець.

Тип уроку: засвоєння нових знань.

Обладнання: магнітні стрілки, котушка, осердя, електромагніт, гучномовець.

 

ХІД УРОКУ

1.               Розминка (2 хв)

Вправа «Тренуємо пам’ять»

Вчитель називає десять слів, учні намагаються  їх запам’ятати, а потім записують їх у зошитах. Перевіряємо.   Слова: компас, школа, сонце, дошка, гумка, залізо, телевізор, дитина, Земля, вазон.

Показую, як можна було легко запам’ятати слова, використовуючи ейдетику: для цього треба було всi слова «оживити i придумати добру фантастичну iсторiю про них.

ІІ.   Актуалiзацiя опорних знань (8 хв)

Вправа «Вiдповiдь + рецензія». Один учень біля дошки розповідає теоретичний матеріал теми «Магнітне поле котушки зі струмом». Учні класу мають написати рецензію на його доповідь.

      План рецензії:

1. Повнота вiдповiдi.

2. Логіка викладу.

3. Наявність (вiдсутнiсть) фактичних помилок у викладі.

4. Мовна грамотність.

5. Наявність прикладів.

б. Оцінювання вiдповiдi.

         Рецензії можна перевірити вибірково, дати свої коментарі до них.

ІІ. Перевірка домашнього завдання; контроль i корекція знань, умінь i навичок учнiв (5 хв)

                    Самостійна тестова робота

1.  Що є джерелом магнітного поля?

А    Нерухомі електричні заряди                    Б    Будь – які заряджені частинки

В    Заряджені частинки, що рухаються         Г    Будь-які частинки, що рухаються

2. Що відбудеться з ошурками, якщо їх помістити в магнітне поле?

А    По них починає текти електричний струм         

Б    Вони намагнічуються

В    Вони починають безладно обертатися

Г   Магнітне поле ніяк не впливає на них

3. Силові лінії магнітного поля – це лінії…

А   навколо яких обертаються магнітні стрілки

Б   по яких проходить електричних струм

В   уздовж яких діють магнітні сили

Г   уздовж яких розташовані осі магнітних стрілок

4. Як тече струм у провіднику АВ?

А   Від А до В

Б   Від В до А

В   Струм у провіднику взагалі не виникає

Г   Напрямок струму визначити за рисунком неможливо

5. У яких випадках на рис. (1-3) правильно показані силові лінії магнітного поля провідника зі струмом?

А    1 і 3                       Б    1 і 2                         В    3                           Г    2

6. Які з наведених випадків 1-3 є прикладом прояву магнітної дії струму?

1.     В електричних лампочках спіраль нагрівається до яскравого світіння
2.     Дві заряджені палички притягуються одна до одної
3.     Залізний цвях на який намотаний ізольований дріт зі струмом, притягує невеликі залізні предмети

 А   3                   Б   2                      В   1                       Г   3 і 2

                 Відповідь : 1 В.         2  Б.         3  Г.         4  Б.         5  Б.         6   А

 

III. Мотивація навчальної дiяльностi (2хв)

         Дари, автор відомої книги «Електрика в її застосуванні», наводить розповідь одного французького фокусника про виступ, який він продемонстрував у Алжирі. На неосвічених глядачів фокус справив враження справжнього чародійства. «На сцені, — розповідає  фокусник, — знаходиться невеликий обкутий ящик з ручкою на кришці. Я викликаю з глядачів найсильнішу людину. У вiдповiдь на моє запрошення виступив араб середнього зросту, але міцної статури, такий собі аравійський геркулес. Виходить він з бадьорим i самовпевненим виглядом i, трохи глузливо посміхаючись, зупиняється біля мене.

     —  Дуже ви сильні? — запитав я його, оглянувши з ніг до голови.

•    Так, відповів він недбало.

     —  Чи впевнені ви, що завжди залишитеся сильним?

     —  Абсолютно впевнений.

     —  Ви помиляєтеся: в одну мить я можу забрати у вас силу, i ви станете слабким, як мала дитина.

Араб презирливо посміхнувся на знак недовіри до моїх слів.

     —  Пiдiйдiть сюди, — сказав я, — i пiдiймiть скриньку. Араб нагнувся, підняв ящик i зарозуміло запитав:

     —  Більше нічого?

     —  Почекайте трохи, — відповів я.

Потім, набувши серйозного вигляду, я зробив владний жест i виголосив урочистим тоном:

      —  Ви тепер слабший, ніж жінка. Спробуйте знову відняти ящик.

Силач, анітрохи не боячись моїх чарів, знову взявся за ящик, але цього разу ящик, попри вiдчайдушнi зусилля араба, залишається нерухомим, немов прикутим до місця. Араб силкується підняти ящик з такою силою, якої вистачило б для підняття величезної маси, але все марно. Стомлений, захеканий i згораючи вiд сорому, він, нарешті, зупиняється. Тепер він почав вірити в силу чародійства.»

       — Як ви гадаєте, в чому полягав секрет чародійства? Сподіваюся, що до кінця уроку ви здогадаєтесь. 

ІV. Вивчення нового матеріалу (16 хв)

                         План

1. Від чого залежить магнітна дія котушки зі струмом?
2. Будова електромагніту.
3. Застосування електромагніту.

Дослід Ерстеда став початком досліджень електромагнітних явищ. Котушка, по якій тече електричний струм, є магнітом, має два полюси –  північний і південний. Було виявлено, що біля торців котушки магнітне поле значно сильніше, ніж у прямого проводу зі струмом, з якого згорнута котушка. При збільшенні сили струму магнітне поле котушки підсилюється. Підсилити магнітне поле котушки можна й іншим способом: достатньо ввести усередину котушки залізне осердя.

1.  Вiд чого залежить магнітна дія котушки зi струмом?

       Дослід 1.  Складемо електричне коло з джерела струму, котушки, реостата, амперметра, над котушкою підвісимо на динамометрі залізний циліндр. Якщо замкнути коло, то циліндр притягнеться до котушки. Чому? (Відповіді учнів).    

        Демонструючи досліди, підводимо учнiв до висновку, що магнітна дія котушки зi струмом посилюється у випадках:

•     збільшення сили струму в котушці;
•     збільшення кiлькостi витків котушки;
•     уведення всередину котушки залізного осердя.

2.  Будова електромагніту

Електромагніт – пристрій, в якому при проходженні крізь нього електричного струму виникає магнітне поле. Величина магнітного поля та розташування магнітних полюсів електромагніту залежить від напряму струму. Як тільки струм зникає, зникає і магнітне поле.

           Пристрій, що складається з котушки,  усередині якої знаходиться залізне осердя, називається електромагнітом.                 

                                                      

                  

                  

1 — каркас;

2 — обмотка;

3 — клеми;

4 — осердя

 

 

          Обмотки електромагнітів  виготовляють з ізольованого алюмінієвого або мідного дроту. Осердя електромагнітів виготовляють із магнiтом’яких матеріалів – з електротехнічної або якісної конструкційної сталі, литої сталі, чавуну, залізонiкелевих i залiзокобальтових сплавів.

Дослід 2.  Дія електромагніту:   1) дослід із гвіздком; 2) розбірний електромагніт.

3. Практичне використання електромагнітів

      Електромагніт – одна з основних деталей багатьох технічних приладів.

      Електромагнітами, для перенесення сталевих деталей і залізного брухту, обладнують піднімальні крани. Вони широко використовуються у технiцi завдяки їхнім особливим властивостям:

•      швидко розмагнічуються при вимиканні струму;
•      залежно вiд призначення можна виготовляти різних розмiрiв;
•      можна регулювати магнітну дію електромагніту, змінюючи силу струму в котушці.

Дослідження довели, що сила протягування електромагніту прямо пропорційна силі струму і числу витків у котушці, а також залежить від магнітних властивостей осердя. 1828 року американський фізик Джозеф Генрі, застосувавши багатошарові котушки, створив електромагніт, що піднімав залізні й сталеві предмети масою до однієї тонни.

На металургійних заводах можна бачити гігантські електромагнітні підйомні крани, що переносять величезні вантажі – масивні залiзнi брили або частини машин масою десятки тонн – без всякого прикріплення.

На одному тільки металургійному заводі електромагнітний кран переносить одразу 10 залізничних рейок, замінюючи ручну працю 200 людей. Але якщо струм з якоїсь причини припиниться,  аварія неминуча. Електромагніт діаметром 1,5 м може підняти до 16 т вантажу (товарний вагон). Він не може переміщувати тільки розжарений метал:  нагрітий до 800 °С магніт втрачає магнiтнi якості. Винятком є випадок, коли у розжареному металі існує сильний струм, який утворює магнітне поле, здатне взаємодіяти із зовнішнім магнітним полем.

Вчені з США винайшли світлочутливий  пластиковий магніт, що працює при температурі 75 К. Магнiтнi властивості нового магніту збільшуються в 1,5 рази при опроміненні синім світлом. Зелене світло призводить до протилежного ефекту. Пластиковий магніт виготовлений з полімеру. Керований за допомогою світла, магніт забезпечує можливість записування (стирання) даних за допомогою магнітного поля.  Особливо цікаво, що цей світлочутливий магніт працює i за відносно високої температури.

Найбільший у свiтi електромагніт використовується в Швейцарії. Він має восьмикутну форму, складається з осердя, виготовленого з 6400 т низьковуглецевої сталі, i алюмінієвої котушки масою 1100 т. Котушка має 168 витків, закріплених електрозваркою на рамі. Струм силою 30 кА при проходженні котушкою створює потужне магнітне поле.  Розміри електромагніту – 12х12х12м– перевищують висоту 4-поверхового будинку, його загальна маса 7810 т. На виготовлення такого електромагніту знадобилося більше металу, ніж на побудову Ейфелевої  вежі.

Маса найважчого в світі магніта 36 тис. т, діаметр 60 м. Він був виготовлений для синхрофазотрона, встановленого в Об’єднаному інституті ядерних досліджень у м. Дубно. Електромагніти застосовують в електродвигунах i генераторах, у телеграфних, телефонних апаратах, електричному дзвінку та інших пристроях (показати моделі телеграфного апарату та електричного дзвінка). Важливим є застосування електромагнiтiв у так званих електромагнітних реле — пристроях, що автоматично чи напiвавтоматично керують тими чи іншими електричними кодами.

Як не дивно, але захистом вiд магнітних сил є також залізо. Всередині залізного кільця магнітна стрілка компаса не відхиляється магнітом, розмішеним поза кільцем. Старі механічні годинники зi сталевими або залізними частинами виходять iз ладу, якщо їх намагнітити. Але якщо годинник має залізну або сталеву кришку, то його не намагнітить навіть найсильніший електромагніт.

Важкоатлети використовують електромагніт для тренувань. Його підвішують на висоті, трохи більшій від людського зросту, а спортсмен, тримаючи в руках залізну праску, намагається побороти магнітне притягання. Залежно вiд струму, який регулюється тренером, притягання буває різної сили, i може бути таким, що атлет, не бажаючи випускати праски з рук, ризикує повиснути на магнiтi.

У сільському господарстві магніти використовують для того, щоб відділити ворсисте насіння бур’янів вiд гладенького зерна культурних рослин. Якщо суміш насіння обсипати залізним порошком, то крупинки заліза обліплять насіння бур’янів, але не пристануть до гладенького насіння культурних рослин. Таким чином магніт виловлює все насіння бур’янів.

Інститут залізничних технічних досліджень у Японії продовжує розробку транспорту на магнiтнiй подушці. Проводяться багаторазові експериментальні пробіги поїзда на спеціальній залізниці з метою створення системи для практичної експлуатації. Під час пробігу в 1979 р. без пасажирів була досягнута швидкість 517 км/год, у 1987 р. з пасажирами — 400 км/год. У лінійному двигуні експериментального поїзда використаний як надпровідник ніобій-титановий сплав, а як охолоджувач — рідкий гелій. Втім, гелій має один недолік: він дуже дорогий. Вчені працюють над тим, щоб досягнути потрібної надпровідності хоча б за температури рідкого кисню.

Магнітні властивості котушки зі струмом використовують у навушниках і гучномовцях. Основними елементами навушника є котушка зі струмом і сталевою мембраною. Якщо сила струму в котушці змінюється, змінюється й сила, з якою котушка притягує мембрану. Мембрана коливається, створюючи згущення й розрідження повітря, що до неї прилягає, тобто породжуючи звукові хвилі.

Терміном «реле» позначають велике число приладів, що дозволяють за допомогою слабких струмів керувати роботою потужних пристроїв. До складу будь-якого електромагнітного реле входить електромагніт і контакти, що замикаються чи розмикаються під час руху якоря — залізної пластинки, що притягується до електромагніту.

V. Закріплення вивченого матеріалу (7 хв)

1. Як можна регулювати підйомну силу електромагніту?
2. Що потрібно зробити, щоб змінити полюси котушки на протилежні?
3. Як побудувати потужний електромагніт з малою силою струму?
4. Де застосовуються електромагніти?
5. Чому осердя посилює магнітну дію котушки?

     6. Якісні питання

1. Іноді після вимикання струму частина предметів залишається притягнутою до електромагніту підйомного крана. Що потрібно зробити, щоб ці предмети упали?

2. Чи звучатиме електричний дзвоник і навушник у безповітряному просторі?

3. Як можна регулювати піднімальну силу електромагніту, що використовується в підйомному крані?

      7.  Розв‘язування вправ

1. Вкажіть напрям електричного струму в котушці:

1)                                                                           2) 

               

 

2. Визначте полярнiсть джерела струму.

                   

                   Вiдаовiдь: —о о—

                                         - +

 

 

 

    2. Як буде змінюватися підіймальна сила електромагнiта, якщо перемішувати повзунок реостата праворуч?

 

 

3. На рисунку показана схема будови електричного дзвоника. Використовуючи рисунок, поясніть, як працює дзвоник.

 

 

V. Узагальнення знань (2 хв)

         Складання ОК. 

Магнітна дія котушки зі струмом посилюється у випадках:

• збільшення сили струму у котушці;

• збільшення кількості витків котушки;

• уведення всередину елекгромагнiта залізного осердя.

Властивостi електромагнiтiв:

• швидко розмагнічуються при вимикання струму;

• залежно вiд призначення можна виготовляти різних розмiрiв;

• магнітна дія електромагніту залежить від сили струму в котушці.

VI. Підсумки уроку (2 хв)

Спробуємо дати вiдповiдь на запитання, поставлене на початку уроку: в чому секрет чародійства фокусника, який так просто зумів  відібрати силу в досить сильного чоловіка? Секрет простий. Залізне дно ящика розміщено на пiдставцi, що являє собою полюс сильного електромагніту. Поки струму немає, ящик підняти неважко, але варто пропустити струм через обмотку електромагніту i ящик не можна підняти зусиллями 2-3 осіб. Отже, силою електромагнiтiв iнодi користуються i фокусники.

ІV. Домашнє завдання (1хв)

1. Вивчити теоретичний матеріал підручника  § 6.
2. Виконати вправу  6 (1,3,5).
3. Додаткове завдання. Виготовити саморобний електромагніт і визначити його підйомну силу. (Можливе розв’язання: цвях можна обмотати дротом, кінці якого приєднати до батареї від кишенькового ліхтарика. Підйомну силу визначити за кількістю дрібних цвяхів, утримуваних електромагнітом).
4. Підготувати повідомлення: «Історія створення та використання електромагнітів»

Додаток 1

Історія створення та використання електромагнітів

         Вільям Стержен  (1783—1850) — англійський інженер-електрик, у 1825 р. створив перший підковоподібний електромагніт, здатний утримати вантаж, маса якого перевищує масу самого електромагніту (200-грамовий електромагніт здатний втримати 4 кг заліза).

Перші електромагніти виготовляли так: залізний стрижень обмотували шовком, поверх намотували провідник так, щоб нитки не дотикалися (це було у часи, коли ізольовані провідники ще не вміли виготовляти). Перші електромагніти  В. Стержена зображені  на мал.                                        

Джозеф Генрі (1797 - 1878) - американський фізик, удосконалив електромагніт. 1827 р. він ізолював уже не осердя, а сам дріт. Тільки після цього з’явилася можливість намотувати нитки в кілька шарів. Дж. Генрі досліджував рiзнi методи намотування дроту для отримання електромагніту.  Він створив     29-кiлограмовий електромагніт, який здатний був втримати величезний на той час вантаж масою 936 кг.

Генрі продемонстрував прообраз електромагнітного телеграфу. Пристрій складався з джерела струму та електромагніту, з’єднаних мідним провідником завдовжки 1 миля (1,85 км), протягнутого уздовж стін лекційної зали.

Самюель Фiнлi Бриз Морзе (1791—1872) продемонстрував практично придатну телеграфну систему. Американець С. Морзе був художником. Замолоду він слухав у коледжі лекцію про електрику, яка й надихнула його на думку про передавання електричних сигналів по дротах. 1832 р. він розробив відому азбуку, названу на його честь «азбукою Морзе»  вона стала основним кодом для телеграфу.

1837 р. Морзе виготовив свій  перший  ще недосконалий телеграфний апарат. І тільки через 3 р. він створив апарат, який застосовувався на телеграфних лініях всіх кран майже сто років.

Прообраз електромагнітного телеграфного апарата був створений Дж. Генрі. Саме Дж. Генрі ознайомив Морзе зi своїм пристроєм, що стало поштовхом до створення телеграфу з використанням з електромагнiтiв.

Принцип роботи  телеграфу Морзе: з телеграфного апарата за допомогою «ключа Морзе» замиканням електричного кола в лінії  зв’язку формуються короткі та довгі електричні сигнали, що відповідають «точкам» або «тире» азбуки Морзе. На приймальному телеграфному апараті на час проходження сигналу електромагніт притягає якір, з яким жорстко пов’язане пишуче металеве коліщатко (занурене в чорнильницю). Коліщатко залишало слід на паперовій смужці, що протягувалася за допомогою пружинного механізму.

Перша телеграфна лiнiя (завдовжки 40 км), що використовувала апарат Морзе, була побудована 1844 р. в США мiж містами Вашингтон та Балтимор.

У 1850 р. російський вчений Борис Семенович Якобі винайшов перший літеродрукуючий телеграф, що працює за принципом синхронного руху. У ньому інформація друкувалась на паперовій смузі за допомогою колеса, на якому були вирізані літери.