Тема уроку: Магнітні властивості речовин. Діа-, пара- і феромагнетики. Залежність магнітних властивостей речовини від температури. Застосування магнітних матеріалів

УРОК №____________Дата проведення_____________ Клас____________

Тема уроку: Магнітні властивості речовин. Діа-, пара- і феромагнетики. Залежність магнітних властивостей речовини від температури. Застосування магнітних матеріалів

Мета уроку:

Навчальна: Ознайомити учнів із магнітними властивостями речовини

Розвивальна. Розвивати вміння узагальнювати і систематизувати знання; з метою розвитку мислення розвивати вміння: пояснювати подібні матеріали; виявляти аналогії; розкривати загальне і конкретне; встановлювати закономірності; встановлювати головне, суттєве у матеріалі, що вивчається.

Виховна. Виховувати уважність, зібраність, спостережливість.

Тип уроку: комбінований.

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

Хід уроку

І. ОРГАНІЗАЦІЙНИЙ ЕТАП

II. АКТУАЛІЗАЦІЯ ОПОРНИХ ЗНАНЬ ТА ВМІНЬ

Розглянемо випадок, коли невеликий виток зі струмом помістили в магнітне поле, цей виток установиться перпендикулярно до ліній магнітної індукції поля, поводячись так само, як магнітна стрілка.

Виникає питання, чому постійний магніт створює магнітне поле?

Вчений А. Ампер вважав, що це пояснюється замкненими електричними струмами всередині магніту. Давайте подумаємо чи це так ?

IІІ. ВИВЧЕННЯ НОВОГО МАТЕРІАЛУ

1. Вплив середовища на магнітне поле

Ми знаємо, що будь-яка речовина, поміщена в зовнішнє магнітне поле, намагнічується, створюючи власне магнітне поле, яке в одних речовинах напрямлене так само, як і зовнішнє магнітне поле, а в інших –  протилежно зовнішньому полю.  Тому речовини можуть як посилювати, так і послаблювати зовнішнє магнітне поле.   https://www.youtube.com/watch?v=8cLYGrt5qAQ&list=PLbkUZY5dCYSN4Gm9Hg_EAPu5MsBRiGIri&index=76&t=0s

Відносна магнітна проникність середовища – це фізична величина, яка характеризує магнітні властивості середовища і дорівнює відношенню магнітної індукції магнітного поля в середовищі до магнітної індукції магнітного поля у вакуумі.

2. Магнітний момент

Проблемне питання

• Чому різні речовини намагнічуються по-різному?

Магнітний момент – це векторна фізична величина, що чисельно дорівнює добуткові сили струму , який тече по контуру, на площу контуру.

Напрямок вектора магнітного моменту визначають за правилом правої руки.

Правило правої руки — мнемонічне правило, яке дозволяє визначити напрям силових ліній магнітного поля навколо провідника зі струмом. Якщо обхопити правою рукою провідник таким чином, щоб великий палець вказував напрям струму в ньому, то решта пальців вказуватиме напрям вектора магнітної індукції.

Невеликий виток зі струмом установлюється в магнітному полі таким чином, що напрямок магнітного моменту витка збігається з напрямком вектора магнітної індукції магнітного поля.

Частинки, які входять до складу атома (електрони, протони та нейтрони), мають власні магнітні моменти , які не зумовлені наявністю струму, а є характеристикою частинки (так само як маса та електричний заряд).

Власні магнітні моменти частинок додаються й створюють власний магнітний момент атома і молекули. Магнітні моменти атомів і молекул, у свою чергу, створюють магнітне поле всередині речовини. Під впливом зовнішнього магнітного поля атоми можуть переорієнтовуватися. В результаті чого може, наприклад, збільшитись кількість доменів з однаковими магнітними моментами. Межі між доменами неначе «розмиваються», і  речовина стає все одноріднішою. Сума магнітних моментів всіх атомів і створює власне магнітне поле у речовині.

Розташування та склад атомів і молекул у різних речовин є різними, тому речовини мають різні магнітні властивості. За значенням відносної магнітної проникності розрізняють слабо- і сильномагнітні речовини.

3. Слабомагнітні речовини

Слабомагнітні речовини – це речовини, які створюють слабке магнітне поле, індукція якого набагато менша за індукцію зовнішнього магнітного поля (поля, яке спричинило намагнічування). https://www.youtube.com/watch?v=KbK67D2MUDo&list=PLbkUZY5dCYSN4Gm9Hg_EAPu5MsBRiGIri&index=77&t=0s

До слабомагнітних речовин належать діамагнетики та парамагнетики.

Діамагнетики – це речовини, які намагнічуються, створюючи слабке магнітне поле, напрямлене протилежно до зовнішнього.

• Власне М-поле напрямлене протилежно зовнішньому, тому вони розвертаються впоперек до зовнішнього поля (виштовхуються М-полем)

До діамагнетиків належать інертні гази (гелій, неон тощо), багато металів (наприклад, золото, мідь, ртуть, срібло), молекулярний азот, вода.

Атоми і молекули діамагнітних речовин не мають власних магнітних моментів.

Намагніченість діамагнетиків пояснюється наведеними (індукційними) магнітними моментами, які створюються в атомах під час потрапляння діамагнетиків у зовнішнє магнітне поле. Наведені магнітні моменти завжди напрямлені проти магнітної індукції зовнішнього магнітного поля:  

https://www.youtube.com/watch?v=OWo_xPIMtGI&list=PLbkUZY5dCYSN4Gm9Hg_EAPu5MsBRiGIri&index=78&t=0s

Властивості діамагнетиків:

• Діамагнетики незначно послаблюють зовнішнє магнітне поле: магнітна індукція магнітного поля всередині діамагнетика трохи менша від магнітної індукції зовнішнього магнітного поля :

• Діамагнітна речовина виштовхується з магнітного поля. Цікаво, що людина в магнітному полі поводиться як діамагнетик, бо майже на 70 % складається з води.
• Відносна магнітна проникність діамагнетиків не залежить від температури.

https://www.youtube.com/watch?v=UvNuvSDuh6E&list=PLbkUZY5dCYSN4Gm9Hg_EAPu5MsBRiGIri&index=79&t=0s

Парамагнетики – це речовини, які намагнічуються, створюючи слабке магнітне поле, напрямлене в той самий бік, що й зовнішнє магнітне поле.

До парамагнетиків належать кисень, повітря, платина, алюміній, ебоніт, вольфрам, магній, літій.

Атоми (або молекули) парамагнітних речовин мають власні магнітні моменти.   За відсутності зовнішнього магнітного поля орієнтовані хаотично (рис. а). Якщо парамагнетик помістити в магнітне поле, його частинки починають орієнтуватися так, що їхні власні магнітні моменти спрямовуються в напрямку зовнішнього магнітного поля (рис. б), аналогічно тому, як орієнтуються в електричному полі молекули полярного діелектрика.

а)  б)

https://www.youtube.com/watch?v=vZ7mH2OVcls&list=PLbkUZY5dCYSN4Gm9Hg_EAPu5MsBRiGIri&index=80&t=0s

Властивості парамагнетиків:

• Парамагнетики незначно посилюють зовнішнє магнітне поле:

• Якщо парамагнітну речовину помістити в магнітне поле, вона буде втягуватися в поле, тобто рухатися в бік збільшення магнітної індукції.

• Відносна магнітна проникність парамагнетиків зменшується зі збільшенням температури, оскільки збільшується швидкість теплового руху атомів (або молекул) і їхня орієнтація частково порушується.             

4. Феромагнетики

https://www.youtube.com/watch?v=Gv9ZajU3Ttw&list=PLbkUZY5dCYSN4Gm9Hg_EAPu5MsBRiGIri&index=81&t=0s

Феромагнетики – це речовини, які, намагнічуючись, створюють сильне магнітне поле, напрямлене в той самий бік, що й зовнішнє магнітне поле.

Феромагнегики залишаються намагніченими й у разі відсутності зовнішнього магнітного поля.

До феромагнетиків належить невелика група речовин: залізо, нікель, кобальт, рідкоземельні речовини та низка сплавів.

Йони феромагнітних речовин мають власні магнітні моменти.

Будь-яке феромагнітне тіло складається з доменів – макроскопічних ділянок із лінійними розмірами 1-10 мкм, в яких власні магнітні моменти сусідніх йонів співнапрямлені та мають власну намагніченість. За відсутності зовнішнього магнітного поля магнітні моменти окремих доменів орієнтовані хаотично, тому зразки феромагнітного матеріалу зазвичай розмагнічені.

Коли феромагнітний зразок поміщують у зовнішнє магнітне поле, то домени, магнітні моменти яких зорієнтовані за напрямком цього поля, збільшуються за рахунок зменшення доменів з іншою орієнтацією магнітних моментів; також відбувається частковий поворот магнітного моменту в кожному домені. Ці процеси приводять до намагнічування зразка.

Властивості феромагнетиків:

• Магнітна індукція магнітного поля всередині феромагнетиків у сотні й тисячі разів більша, ніж магнітна індукція зовнішнього магнітного поля, тобто поля, яке спричинило намагнічування:

• Феромагнетики, як і парамагнетики, втягуються в магнітне поле.

• При досягненні певної температури –  температури Кюрі феромагнітні властивості речовини зникають і вона стає парамагнетиком.

• Феромагнітні матеріали умовно поділяють на два типи.

Жорсткомагнітні матеріали – це матеріали, які після припинення дії зовнішнього магнітного поля залишаються намагніченими довгий час. (Застосовують для виготовлення постійних магнітів)

М’якомагнітні матеріали – це матеріали, які легко намагнічуються і швидко розмагнічуються. (застосовують для виготовлення осердь електромагнітів, двигунів, трансформаторів, тобто пристроїв, які під час роботи постійно перемагнічуються).

https://www.youtube.com/watch?v=_IQE0flrvcc&list=PLbkUZY5dCYSN4Gm9Hg_EAPu5MsBRiGIri&index=82&t=0s

Застосування  магнітних полів:

Електромагнітні сепаратори використовуються для відділення залізних частинок від зерна (очищення зерна).

Численні дослідження, проведені в останні роки, показали можливість ефективного застосування магнітної обробки водних систем - технічної і природної води, розчинів і суспензій.

Оскільки вода є активним учасником всіх біологічних і переважної більшості технологічних процесів, зміна її властивостей під дією магнітного поля з успіхом використовують у харчовій технології, в медицині, хімії, біохімії, а також у сільському господарстві.

Вплив магнітного поля Землі на людину:

Дослідження останніх років в області впливу магнітного поля Землі (МПЗ) на розвиток людини, тварин, бактерій, рослин, показали, що без МПЗ існування біологічних систем на Землі неможливе.

Перебування людини в умовах послабленого МПЗ призводить  до різних захворювань, пов'язаних з порушенням обмінних процесів в організмі і зниженням дії імунної системи.

Є підстави стверджувати, що подальше зниження магнітного поля Землі, яке зараз спостерігається, призведе до того, що люди значно раніше, ніж  зараз, будуть мати хвороби старості: гіпертонію, інфаркт, стенокардію, атеросклероз головного мозку, хвороби очей, розсіяний склероз  та ін. Середня тривалість життя знижуватиметься.

Магнітні бурі також впливають на здоров'я і самопочуття людей. Вони небезпечні в першу чергу для тих, хто страждає артеріальною гіпертонією і гіпотонією, хворобами серця. Приблизно 70% інфарктів, гіпертонічних кризів та інсультів відбувається саме під час сонячних бур.

Магнітні бурі нерідко супроводжуються головним болем, мігренню, прискореним серцебиттям, безсонням, поганим самопочуттям, зниженим життєвим тонусом, перепадами тиску. При коливаннях магнітного поля сповільнюється капілярний кровотік і настає кисневе голодування тканин. Помічене різке зростання частоти інфарктів міокарда та інсультів у людей похилого віку, зростання рівня травматизму на транспорті. До негативного впливу магнітних бур вразливі за різними даними від 50 до 75% населення Землі.

ІV. ЗАКРІПЛЕННЯ НОВИХ ЗНАНЬ І ВМІНЬ

1. Сталеву спицю намагнітили. Як буде реагувати компас на приближення до нього спиці? Потім сильно розжарювали її в полум'ї протягом 2-3 хвилин. Та дали охолонути і знову піднесли до компаса. Як буде поводити себе стрілка компаса?

Компас буде реагувати на намагнічену спицю. Після нагріву металу до достатньої температури (точки Кюрі) він розмагнічується і перестає взаємодіяти зі стрілкою компаса. Точка Кюрі для заліза 769 °С.

2. Є два види сталі – м’якомагнітна та жорсткомагнітна. Яка сталь є більш придатною для виготовлення постійних магнітів? (Жорсткомагнітна)
3.  Чому науково-дослідні судна, призначені для вивчення магнітного поля Землі, будують із дерева, а їх деталі скріплюють гвинтами із бронзи, латуні й інших кольорових металів?

(Сталеві деталі намагнічувалися б і заважали точному вимірюванню магнітного поля Землі.)

V. ПІДБИТТЯ ПІДСУМКІВ УРОКУ

Бесіда за питаннями

1. Чому речовина змінює магнітне поле?

2. Дайте означення відносної магнітної проникності середовища.

3. Які особливості діамагнетиків? Як відбувається їх намагнічування? Якими є їхні магнітні властивості?

4. Якими є особливості парамагнетиків? Як відбувається їхні намагнічування? Якими є їхні магнітні властивості?

5. Якими є особливості феромагнетиків? Як відбувається їх намагнічування? Якими є їхні магнітні властивості?

6. Де застосовують магнітні матеріали?

VI. Домашнє завдання

Опрацювати § 15, Вправа № 15 (3-5)