Завдання для самооцінювання до розділу 2. Магнітне поле

Зміст

Група результатів 1. Проводимо дослідження природи

1. Яке обладнання із запропонованого переліку ви доберете для виготовлення електромагніту?

Правильні відповіді: Батарейка, ізольований мідний провід, залізний цвях, ножиці.

Пояснення: Для створення найпростішого електромагніту обов’язково потрібні джерело постійного струму (батарейка), провідник для намотування котушки (ізольований мідний дріт) та феромагнітне осердя для підсилення магнітного поля (залізний цвях). Ножиці знадобляться для зачищення та відрізання дроту.

2. Чи відхилиться магнітна стрілка від напрямку «північ — південь», якщо до неї піднести залізний брусок? мідний брусок?

• Якщо піднести залізний брусок: магнітна стрілка відхилиться. Залізо належить до феромагнетиків, тому під дією власного магнітного поля стрілки воно намагнічується і притягує до себе будь-який полюс магнітної стрілки.
• Якщо піднести мідний брусок: стрілка не відхилиться. Мідь є діамагнетиком зі слабкою магнітною сприйнятливістю, тому вона практично не взаємодіє з магнітною стрілкою.

3. Уявіть, що вас попросили створити магнітний лак для нігтів. Складіть орієнтовний план, за яким ви діятимете.

Орієнтовний план створення магнітного лаку:

1. Підібрати відповідну рідку лакову основу помірної в’язкості та дрібнодисперсний феромагнітний порошок (наприклад, мікрочастинки оксиду заліза).
2. Ретельно змішати порошок із лаковою основою для отримання однорідної стійкої суспензії без грудочок.
3. Нанести шар експериментального лаку на тестову поверхню й піднести постійний магніт із певним візерунком до повного висихання покриття.
4. Перевірити чіткість утвореного магнітного малюнка та за необхідності скоригувати густину лаку й концентрацію магнітних частинок.

4. На рисунку зображено дослід із котушкою, магнітом та гальванометром. 1) Яке це явище? У чому полягає його зміст? 2) Що необхідно зробити, щоб стрілка приладу відхилилася в інший від нуля бік? показала більше значення? зупинилася на нульовій позначці? 3) Дія яких пристроїв ґрунтується на цьому явищі? 4) Як часто ви зустрічаєтеся з практичним застосуванням цього явища?

1. Явище: Електромагнітна індукція. Її зміст полягає у виникненні електричного струму (індукційного струму) в замкненому провідному контурі під час зміни магнітного поля, що пронизує цей контур.
2. Керування відхиленням стрілки:
   • В інший бік: змінити напрямок руху магніту (наприклад, витягувати його з котушки замість унесення) або змінити полярність магніту (рухати іншим полюсом).
   • Більше значення: збільшити швидкість руху магніту всередині котушки або взяти потужніший магніт.
   • Зупинка на нулі: припинити відносний рух магніту й котушки (зафіксувати їх нерухомо).
3. Пристрої: Генератори змінного струму на електростанціях, трансформатори, індукційні варильні панелі, електродинамічні мікрофони.
4. Застосування в житті: Щодня — користуючись електроенергією централізованої мережі, бездротовими зарядними станціями для смартфонів чи готуючи їжу на індукційній плиті.

5. На рисунку зображено рамку, що повертається в магнітному полі постійного магніту. Дія яких приладів ґрунтується на цьому явищі? Визначте полюси джерела струму, до якого під’єднано рамку.

• Прилади: Електродвигуни постійного струму, а також вимірювальні прилади магнітоелектричної системи (гальванометри, амперметри, вольтметри).
• Визначення полюсів: Магнітні лінії спрямовані від північного полюса $N$ до південного $S$ (зліва направо). Оскільки ліва частина рамки під дією сили Ампера рухається вгору, то за правилом лівої руки струм у ній тече до спостерігача. Отже, струм надходить до лівого виводу рамки: ліва клема джерела є позитивним полюсом («$+$»), а права — негативним («$-»).

Група результатів 2. Здійснюємо пошук та опрацьовуємо інформацію

6. Розподіліть пристрої на дві групи: група А — пристрої, функціонування яких ґрунтується на дії сили Ампера; група Б — пристрої, які працюють завдяки явищу електромагнітної індукції.

• Група А (дія сили Ампера): електродвигун, динамік (гучномовець), стрілочний амперметр.
• Група Б (явище електромагнітної індукції): генератор електричного струму, трансформатор, індукційна плита.

7. Прочитайте опис будови електродинамічного мікрофона та дайте відповіді на запитання: 1) На якому явищі ґрунтується дія електродинамічного мікрофона? 2) Який об’єкт створює в цьому пристрої магнітне поле? 3) Які перетворення енергії відбуваються в пристрої? 4) Чому електродинамічний мікрофон називають динаміком «навпаки»?

1. Дія приладу базується на явищі електромагнітної індукції.
2. Магнітне поле створюється постійним магнітом циліндричної чи кільцевої форми.
3. Відбувається перетворення механічної енергії звукових коливань повітря на електричну енергію змінного струму.
4. Гучномовець (динамік) перетворює змінний електричний струм на механічний рух дифузора (звук) завдяки силі Ампера, а мікрофон здійснює зворотний процес: механічні звукові коливання мембрани спричиняють рух котушки в магнітному полі та збуджують електричний сигнал.

8. Дві котушки надіто на спільне осердя. Протягом експерименту котушку А переміщують уздовж осердя згідно з графіком залежності відстані між ними від часу $l(t)$. 1) Що відбувалося з котушкою А в інтервалі часу від $0$ до $t_3$? 2) Виберіть усі інтервали часу, протягом яких у котушці А існував електричний струм. 3) У який інтервал часу покази міліамперметра були найбільшими?

1. Рух котушки:
   • Від $0$ до $t_1$: котушка А рівномірно наближалася до котушки Б;
   • Від $t_1$ до $t_2$: котушка А залишалася нерухомою відносно котушки Б;
   • Від $t_2$ до $t_3$: котушка А рівномірно віддалялася від котушки Б.
2. Інтервали існування струму: струм виникав лише під час руху, тобто в інтервалах від $0$ до $t_1$ та від $t_2$ до $t_3$.
3. Найбільші покази: в інтервалі від $t_2$ до $t_3$. На цій ділянці графік має більший нахил (кутовий коефіцієнт), що означає більшу швидкість руху. Швидша зміна магнітного поля зумовлює більшу силу індукційного струму.

Група результатів 3. Усвідомлюємо закономірності природи

9. Постійний штабовий магніт занурили в коробку зі скріпками для степлера. Як будуть розташовані скріпки після того, як магніт обережно витягнуть із коробки?

Відповідь: Скріпки притягнуться до полюсів магніту й утворять характерні ланцюжки біля його кінців, оскільки саме на полюсах магнітне поле має найбільшу індукцію.

10. Прямолінійний провідник завдовжки $0{,}6\text{ м}$ розташований в однорідному магнітному полі індукцією $1{,}2\text{ мТл}$ під кутом $30^\circ$ до ліній індукції магнітного поля. Визначте силу Ампера, що діє на провідник, якщо сила струму в ньому $5\text{ А}$.

Дано:
$l = 0{,}6\text{ м}$
$B = 1{,}2\text{ мТл} = 1{,}2 \cdot 10^{-3}\text{ Тл}$
$\alpha = 30^\circ$
$I = 5\text{ А}$

Знайти:
$F_{\text{А}} – ?$

Розв’язання:
Сила Ампера визначається за законом Ампера:
$$F_{\text{А}} = B I l \sin\alpha$$

Підставимо числові значення:
$$F_{\text{А}} = 1{,}2 \cdot 10^{-3}\text{ Тл} \cdot 5\text{ А} \cdot 0{,}6\text{ м} \cdot \sin 30^\circ$$
$$F_{\text{А}} = 1{,}2 \cdot 10^{-3} \cdot 5 \cdot 0{,}6 \cdot 0{,}5 = 1{,}8 \cdot 10^{-3}\text{ Н} = 1{,}8\text{ мН}$$

Відповідь: $F_{\text{А}} = 1{,}8\text{ мН}$.

11. Магнітна стрілка встановилася в магнітному полі котушки зі струмом. Визначте полюси котушки, напрямок струму в ній і полюси джерела струму.

• Полюси котушки: магнітна стрілка притягується різнойменними полюсами, отже, правий торець котушки є північним магнітним полюсом ($N$), а лівий — південним ($S$).
• Напрямок струму: за правилом правої руки (або правилом свердлика), щоб великий палець вказував праворуч (на північний полюс $N$), чотири зігнуті пальці на ближній частині витків мають бути спрямовані вниз.
• Полюси джерела: оскільки струм тече від позитивного полюса до негативного, права клема джерела є «$+$», а ліва — «$-»$.

12. Провідник зі струмом розташований у магнітному полі підковоподібного магніту. Визначте полюси магніту.

Струм у підвішеному провіднику протікає від клеми «$+$» до клеми «$-»$. Застосовуємо правило лівої руки: ліву руку розташовуємо так, щоб чотири витягнуті пальці вказували напрямок струму в провіднику, а відігнутий на $90^\circ$ великий палець відповідав напрямку сили Ампера (руху провідника). Лінії магнітної індукції мають входити в долоню. Оскільки лінії поля спрямовані від північного полюса до південного, то зверху розташований північний полюс ($N$), а знизу — південний полюс ($S$).

13. Сталевий стрижень завдовжки $40\text{ см}$ і масою $50\text{ г}$ лежить перпендикулярно до горизонтальних рейок. Уздовж рейок напрямлене однорідне магнітне поле індукцією $0{,}25\text{ Тл}$. У стрижні пропускають електричний струм силою $2\text{ А}$. З якою силою стрижень тисне на рейки?

Дано:
$l = 40\text{ см} = 0{,}4\text{ м}$
$m = 50\text{ г} = 0{,}05\text{ кг}$
$B = 0{,}25\text{ Тл}$
$I = 2\text{ А}$
$\alpha = 90^\circ$
$g = 9{,}8\text{ м/с}^2$

Знайти:
$F_{\text{тиску}} – ?$

Розв’язання:
На стрижень діють вертикально вниз дві сили: сила тяжіння $F_{\text{тяж}}$ та сила Ампера $F_{\text{А}}$ (напрямок визначається за правилом лівої руки).

1. Обчислимо модуль сили тяжіння:
   $$F_{\text{тяж}} = m g = 0{,}05\text{ кг} \cdot 9{,}8\text{ м/с}^2 = 0{,}49\text{ Н}$$
2. Обчислимо модуль сили Ампера:
   $$F_{\text{А}} = B I l \sin\alpha = 0{,}25\text{ Тл} \cdot 2\text{ А} \cdot 0{,}4\text{ м} \cdot \sin 90^\circ = 0{,}2\text{ Н}$$
3. Сила тиску стрижня на рейки дорівнює повній силі нормального тиску:
   $$F_{\text{тиску}} = F_{\text{тяж}} + F_{\text{А}} = 0{,}49\text{ Н} + 0{,}2\text{ Н} = 0{,}69\text{ Н}$$

(При прийнятті $g = 10\text{ м/с}^2$: $F_{\text{тиску}} = 0{,}5\text{ Н} + 0{,}2\text{ Н} = 0{,}7\text{ Н}$)

Відповідь: Стрижень тисне на рейки із силою $0{,}69\text{ Н}$ (або $0{,}7\text{ Н}$).