Магнітні властивості речовини
Урок роботи в базово-перехресних групах
Мета. Дати учням поняття про магнітні властивості речовин; розвивати уміння спостерігати, аналізувати, робити висновки; самостійно працювати з науково-популярною літературою; працювати в групах, слухати своїх колег, планувати свою роботу; виховувати в учнів толерантність, наполегливість у досягненні мети.
Тип уроку. Урок вивчення нового матеріалу.
Обладнання. Універсальний демонстраційний трансформатор, джерело постійної напруги (100 В, 10 А), проекційний ліхтар і екран (для демонстрування у тіньовій проекцій); залізний, алюмінієвий, вісмутовий (або з графіту) стержні, шкільний штатив, тонка капронова нитка, підвіс, з'єднувальні проводи, ключ, свічка.
Методичні поради. На даному уроці поряд зі звичними методами — експериментом і фронтальною бесідою — для вивчення нового матеріалу використовується метод базово-перехресних груп. Цей метод активізує пошукову діяльність учнів, залучає їх до самостійного отримання знань, сприяє організації їхньої роботи, змушує переглянути свої знання під час навчання інших. Для роботи за цим методом учитель створює базові групи чисельністю 4-6 учнів. Групи повинні бути гетерогенними, тобто включати учнів і різної статі, і різного рівня навчальних досягнень. У базових групах учні опрацьовують навчальний матеріал із певного питання. По завершенню цієї роботи вчитель формує нові групи (перехресні) таким чином, щоб у кожній групі було по одному учасникові з попередніх базових. На наступному етапі роботи кожен учасник нової групи навчає інших, передаючи їм знання, здобуті у базовій групі. (Базово-перехресні групи можна формувати, наприклад, за таким принципом: учні отримують картки із надписами AI, А2, A3, A4, А5, А6; Б1, Б2, БЗ, Б4, Б5, Б6; В1, В2,... Базові групи формуються за літерами, а перехресні — за цифрами.)
Хід уроку
1. Актуалізація опорних знань Учитель. Пригадаємо навчальний матеріал, засвоєний раніше:
1. Яка внутрішня будова речовини?
2. Яка будова атома?
3. Як рухаються електрони в атомі?
4. Що існує навколо будь-якого провідника зі струмом?
5. Що існує навколо рухомого електрона?
6. Що є силовою характеристикою магнітного поля?
7. Як взаємодіють два паралельні провідники зі струмом? Від чого залежить ця взаємодія?
8. Як визначити напрям вектора індукції магнітного поля струму?
Вивчення нового матеріалу
Учитель. Вивчаючи взаємодію провідників зі струмом, ми звертали увагу на те, що на магнітну взаємодію впливає середовище, в якому перебувають провідники. Окрім цього, із власного досвіду ви вже знаєте, що магнітне поле створюється не тільки електричним струмом, а й постійними магнітами, та й різні речовини по-різному поводять себе у зовнішньому магнітному полі. Ви спостерігали, що магніт притягує до себе залізні ошурки, але чомусь не діє на алюмінієві. У чому ж причина? Намагнічування речовин можна вивчати експериментально. Отож, експеримент.
(Учитель демонструє досліди, учні фіксують результати у робочих зошитах.)
Дослід 1. Замикається і розмикається коло первинної котушки трансформатора без осердя з джерелом живлення постійної напруги. Учні спостерігають незначні відхилення стрілки демонстраційного гальванометра, приєднаного до вторинної котушки. Після введення у котушки стального осердя дослід повторюється, і учні спостерігають значно більші відхилення стрілки.
Дослід 2. Залізний стержень (короткий шматок дроту), підвішений на тонкій капроновій нитці, розміщується у проміжку між полюсами електромагніту. Навіть за умови слабкого струму у колі обмоток залізний стержень повертається, розмішуючись вздовж магнітних силових ліній. Учні спостерігають, що вже за умови незначного струму залізний стержень притягується до одного з полюсів.
Дослід 3. На короткий кусок алюмінієвого стержня, підвішеного на нитці, постійний магніт не діє. Тоді цей стержень вміщується у проміжок між полюсами електромагніту. При вмиканні струму у колі та збільшенні його сили до 8-10 А кусок алюмінієвий стержень повертається і займає таке ж положення, як і залізний стержень. Відмінність від досліду 2 полягає у тому, що сила струму повинна бути значно більшою.
Дослід 4. Аналогічно до попереднього досліду, підвішується на нитці стержень із графіту або вісмуту. Цей стержень вноситься у магнітне поле і розташовують уздовж поля. Вмикають струм у колі обмоток. Якщо сила струму значна, учні спостерігають, що графіт повертається упоперек ліній магнітного поля і виштовхується із проміжку між полюсами.
Дослід 5. У проміжку між полюсами електромагніту запалюється свічка. Учні спостерігають, що полум'я свічки виштовхується магнітним полем.
Учитель. Отож, якого висновку можна дійти, враховуючи ці досліди?
Учні Речовини в магнітному полі намагнічуються, тобто створюють власне магнітне поле.
Учитель. Так. Результуюче магнітне поле у середовищі є сумою полів, створюваних струмом і намагніченим середовищем. Для характеристики магнітних властивостей речовини використовують поняття відносної магнітної
проникності речовини. Ця фізична величина показує, у скільки разів індукція магнітного поля у речовині більша за індукцію магнітного поля, створювану тим самим струмом у вакуумі. Відносна магнітна проникність речовини є безрозмірною величиною.
Причину намагнічення речовин зрозуміти неважко. Уперше її пояснив французький учений Ампер. Спостерігаючи повертання магнітної стрілки поблизу провідника зі струмом у дослідах Ерстеда, Ампер припустив, що магнетизм Землі спричинений струмами, які течуть усередині земної кулі. Він
вказує на те, що магнітні властивості тіла можна пояснити замкнутими електричними струмами, що циркулюють усередині нього.
Згідно з гіпотезою Ампера, всередині молекул і атомів циркулюють елементарні електричні струми. Вони утворюються внаслідок руху електронів у атомах.
Якщо внаслідок теплового руху молекул площини, у яких циркулюють ці струми, розміщені хаотично одна відносно одної (рис. 1), то дія струмів взаємно компенсується і жодних магнітних властивостей тіло не виявляє. У намагніченому стані елементарні струми в тілі орієнтовані так, що їхні дії додаються (рис. 2).

Рис. 1 Рис. 2
Отож, знаючи причину магнітних властивостей речовини, з'ясуємо, чому ж у дослідах, які ми спостерігали, різні речовини поводили себе по-різному.
(Робота у базових групах: учитель формує групи за літерами AI, A2, ..., роздає картки із відповідними завданнями.)
Учитель. Кожна група отримала довідниковий матеріал (див. додатки) та картку із запитаннями. Опрацювавши теоретичний матеріал, ви під час обговорення повинні дати відповіді на запитання, занотовуючи їх у зошит.
Орієнтовні запитання у-картках:
1. Що таке діа- (пара-, феро-) магнетик?
2. Яке значення u. для цього магнетика?
3. Як напрямлене магнітне поле всередині цього магнетика?
4. Як воно впливає на зовнішнє магнітне поле?
5. Яка речовина із спостережуваних у дослідах належить до кожної із груп магнетиків? Чому?
6. Які ще речовини належать до цієї групи?
7. Що таке точка Кюрі (для групи, яка вивчає феромагнетики)
(Робота в перехресних групах: після завершення роботи в базових групах
учитель формує перехресні групи за цифрами 1, 2, ..., дає для них відповідні завдання.)
Учитель. Завдання для нових груп: кожен учасник групи по черзі, використовуючи свої записи у зошитах, розповідає іншим учасникам про «свій» тип магнетика.
III. Закріплення матеріалу (Кожна з груп заповнює таблицю та розв'язує «якісні» задачі)
Задачі
1. Чому корпус компаса виготовляють із пластмаси, латуні або алюмінію, але не із заліза?
2. Чому не можна застосовувати електромагнітний кран для переміщення розпечених сталевих оцупків?
3. Як зміниться магнітне поле котушки, якщо всередину у неї вставити мідне осердя? Чому?
4. Чи не пригадаєте лихого вчинку Негоро із роману Жуля Верна «П'ятнадцятирічний капітан»? Чому корабель збився з курсу?
5. Що станеться з магнітним полем котушки, по якій проходить струм, коли у неї вставити залізне осердя? Чому?
6. Як зміниться магнітне поле котушки, якщо всередину неї вставити алюмінієве осердя? Чому?
7. Як поводиться стержень з діа- (пара-, феро-) магнетика в однорідному та неоднорідному магнітному полі?
(Представник групи, яка першою виконала завдання, доповідає про результати заповнення таблиці. Після цього обговорюються відповіді на «якісні» задачі. Якщо дозволяє час, можна на закріплення розв'язати задачу №846 зі збірника А. ТІ. Римкевича, 1995.)
IV. Підсумки, домашнє завдання
Додатки
Феромагнетики
Особливу групу речовин, що намагнічуються, утворюють феромагнетики (рис. За). Такі речовини, внесені в магнітне поле, під його дією намагнічуються так, що підсилюють зовнішнє магнітне поле, тобто магнітні силові лінії зовнішнього магнітного поля В і магнітного поля речовини В' мають один і той же напрям. Ці речовини намагнічуються дуже сильно (рис. 36) і зберігають власне магнітне поле після припинення дії зовнішнього поля (рис. Зв). Це явище називається залишковим намагнічуванням і лежить в основі утворення штучних магнітів, наприклад, магнітних стрілок). Окрім цього, для них характерне явище магнітного насичення, яке полягає у тому, що при їхньому намагнічені і поступовому збільшенні зовнішнього поля власне поле речовини спочатку зростає пропорційно до зовнішнього, відтак ця пропорційність порушується і, зрештою, зростання власного поля припиняється: речовина знаходиться в стані магнітного насичення.

Рис.3
Властивості феромагнетиків пов'язані з наявністю у їхній структурі груп атомів, які називаються доменами, котрі вже мають узгоджену орієнтацію елементарних магнітних полів. Орієнтація полів самих доменів, яка відбувається при намагнічуванні, створює власне поле речовини значно сильніше, ніж у інших магнетиків, у яких відбувається лише часткова орієнтація елементарних полів атомів речовини. Орієнтація полів доменів значною мірою зберігається і після припинення дії зовнішнього поля. Така суть залишкового намагнічування. Проте інтенсивний тепловий рух може зруйнувати цю орієнтацію, тому за високої температури феромагнітні речовини втрачають свої магнітні властивості.
Температура, за якої це відбувається, має назву точки Кюрі (на честь французького вченого, який відкрив це явище). Якщо намагнічений цвях дуже нагріти, то він втратить здатність притягати до себе залізні предмети. Для заліза і сталі точка Кюрі дорівнює 700-800°С, для нікелю — 300-400°С. Існують магнетики, для яких точка Кюрі нижча від ЮО°С. Стан магнітного насичення відповідає, очевидно, найповнішій можливій орієнтації полів доменів. До феромагнетиків належать: залізо, сталь, нікель, кобальт і деякі сплави (пе-рмалой, магніко, алніко тощо). Отже, магнітне поле, що утворюється у речовині, є результатом додавання двох полів: зовнішнього поля і власного поля речовини, яке виникає у результаті намагнічування. Магнітна індукція В поля
у речовині — це алгебраїчна сума індукції зовнішнього поля В0 та індукції Вв власного поля речовини:
В = В0 + Вв = ßo
Для феромагнетиків ц» 1, тобто індукція результуючого поля є значно більшою від індукції В0 магнітного поля у вакуумі.
Парамагнетики
Речовини атоми яких мають власне елементарне магнітне поле (рис. 4а), що утворилося внаслідок руху електронів по орбітах атомів (цей рух може розглядатися як деякий мікрострум), називаються парамагнетиками. Тіла, що складаються з таких речовин, немагнітні. Вони власного магнітного поля не утворюють, оскільки елементарні поля атомів мають в масі речовини хаотичну просторову орієнтацію, яка в процесі теплового руху весь час змінюється, і тому вони взаємно компенсуються. Але якщо таку речовину внести в потужне магнітне поле, то орієнтація мікрострумів, у результаті якої в атомах па-рамагнетиків створюється власне елементарне магнітне поле, зміниться так, що ці поля набудуть напряму такого ж, як і зовнішнє поле. Додаючись, вони утворюють власне магнітне поле речовини, яке напрямлене узгоджено Із зовнішнім полем і його підсилює (рис. 46). Цей ефект називається парамагнети-змом.

Рис. 4
Якщо парамагнітне тіло піднести до полюсів магніту, воно притягується, а коли стержень із парамагнетика вільно висить на нитці, то встановлюються вздовж силових ліній поля магніту. До парамагнітних тіл належать гази, лужні та лужноземельні метали, алюміній, платина, вольфрам, хром, марганець, розчини солей заліза тощо.
Таким чином, магнітне поле, що утворюється у речовині, є результатом додавання двох полів: зовнішнього і власного поля речовини, яке виникає у результаті намагнічування. Магнітну індукцію В поля в речовині можна виразити як алгебраїчну суму індукції зовнішнього поля В0 та Індукції 5В власного поля речовини:
В = В0 + Яв = МД
Для парамагнетиків відносна магнітна проникність ц > 1, тобто магнітна індукція зовнішнього поля за наявності парамагнетика виявляється більшою за магнітну індукцію без парамагнетика.
У неоднорідному магнітному полі парамагнетик втягується у ділянку з більшою індукцією магнітного поля.
Якщо парамагнетик винести з магнітного поля, то його речовина повертається у вихідний немагнітний стан.
Діамагнетики
Рух електронів по орбітах в атомах можна розглядати як деякий мікро-струм. Усі ці мікроструми утворюють свої магнітні мікрополя, які, додаючись, утворюють власне елементарне магнітне поле атома. Проте в деяких випадках (за певної кількості електронів у атомі і відповідних орієнтаціях їхніх рухів) мікрополя в атомі можуть взаємно компенсуватися і тоді атом власного елементарного магнітного поля не має.
Речовини, атоми яких власного елементарного магнітного поля не мають (рис. 5а), називаються діамагнетиками. Тіла, що складаються з діамагнетич-них речовин, немагнітні. Вони власного магнітного поля не утворюють, оскільки елементарні магнітні поля атомів відсутні.
Якщо діамагнетичну речовину помістити у зовнішнє магнітне поле, то на мікроструми в його атомах з боку поля діятимуть сили Лоренца, які викличуть зміну просторової орієнтації орбіт електронів. У зв'язку з цим в атомах з'являться наведені елементарні магнітні поля, напрями яких протилежні зовнішньому полю (правило Ленца). У результаті додавання цих елементарних полів утворюється власне магнітне поле речовини, яке спрямоване назустріч зовнішньому полю, і його послаблює (рис. 56). На рисунку силові лінії зовнішнього поля позначені суцільною лінією, а речовини власного поля — пунктиром. Цей ефект називається діамагнетизмом і у діамагнетиків є єдиним результатом дії зовнішнього поля.

Рис. 5
Якщо діамагнітне тіло піднести до полюсів магніту, то воно виштовхується в ділянку слабого магнітного поля, а коли стержень з діамагнетика вільно
висить на нитці в однорідному магнітному полі, то встановлюється перпендикулярно до силових ліній поля. До діамагнітних речовин належать: вода, переважна частина органічних сполук (наприклад, вуглеводи і білки), алмаз, графіт, майже всі гази, а також деякі метали (вісмут, срібло, цинк, мідь, золото). Якщо діамагнетик винести із зовнішнього магнітного поля, він повертається у вихідний немагнітний стан.
Таким чином, магнітне поле, що утворюється у діамагнетику, внесеному в зовнішнє магнітне поле, є результатом додавання двох полів: зовнішнього і власного поля речовини, яке виникає у результаті намагнічування. Магнітну індукцію В поля в речовині можна виразити як алгебраїчну суму індукції BQ поля, що намагнічує, та індукції Z?B власного поля речовини:
В = BQ + SB = МД
Для діамагнетиків відносна магнітна проникність ц < 1, тобто магнітна індукція поля за наявності діамагнетика виявляється меншою за магнітну індукцію без діамагнетика.