Методика формування поняття поля у курсі фізики середньої школи

     Отже, з досліду можна припустити, що внаслідок опускання чи виймання магніту з котушки в ній  виникає різниця потенціалів (електричне поле), під дією якої відбувається напрямлений  рух електронів у колі.

     Опускаємо у котушку магніт із залишаємо  його там. Бачимо, що стрілка гальванометра  не відхиляється. Звідси робимо висновок, що постійне магнітне поле не може породити електричне.

     Починаємо виймати магніт з котушки або  поміщувати магніт у котушку і  помічаємо, що при цьому стрілка гальванометра рухається то в одну, то в іншу сторону. Можливо електричне поле індукує рух магніту в котушці?

     Вставляємо  магніт у котушку і починаємо  його обертати. Бачимо, що стрілка гальванометра  все ж не відхиляється. Отже, не будь-який рух магніту може спричинити виникнення електричного поля. 

 

     Отже, при обертанні котушки кількість ліній індукції, які перетинають площину поперечного перерізу котушки, залишається сталою, в той же час, при внесенні чи вийманні магніту з котушки кількість ліній індукції, що пронизують поверхню, обмежену витками котушки, весь час змінюється.

     Нагадаємо, що поле, у якого кількість ліній індукції, які пронизують деяку поверхню, з часом змінюється, називається змінним.

     Отже, постійне магнітне поле не може створити електричне. Лише змінне магнітне поле породжує електричне.

     Явище створення електричного поля (електричного струму) змінним магнітним полем називається електромагнітною індукцією (далі ЕМІ).

     Електромагнітна індукція - явище створення змінним магнітним полем електричного поля.

     Властивості ліній магнітної індукції:

• не перетинаються;
• не обриваються;
• перпендикулярні до поверхні провідника;
• через будь-яку точку простору можна провести силову лінію;
• силові лінії виходять з північного полюса магніту і входять у південний.

 

      2.4 Дія магнітного поля на провідник зі струмом 

     Якщо  між полюсами магніту підвісити провідник із струмом, то провідник виштовхується з магнітного поля або втягується в нього, в залежності від напряму струму. Рух провідника є наслідком взаємодії магнітного поля постійного магніту з магнітним полем струму. Сила, з якою магнітне поле діє на провідник зі струмом, називається силою Ампера.

     Напрям  сили Ампера зручно визначати за «правилом  лівої руки»: кисть лівої руки розташовують паралельно торцям магнітів N і S так, щоб долоня була звернута до магніту N. Чотири пальці орієнтують у  напрямі струму в ділянці AB, тоді відставлений великий палець покаже шуканий напрям.

     

     Значний практичний інтерес має дія магнітного поля на дротяну рамку зі струмом (саме цей ефект використовується у вимірювальних приладах магніто-електричної  системи і в електродвигунах). У випадку рамки зі струмом, вертикально підвішеної між полюсами магніту, сили Ампера утворюють пару сил, яка обертає рамку. Найстійкіше положення рамки, коли її площина паралельна торцям магніту, а найнестійкіше — коли ця площина перпендикулярна до торців. 

 

      2.5 Електромагніт 

     Постійні  магніти знайшли широке застосування у побуті та сучасній техніці, але  їх недоліком є те, що неможливо  змінювати індукцію магнітного поля, яке створюється цими магнітами. У цьому випадку досить зручно використовувати котушки зі струмом замість постійних магнітів, адже змінюючи силу струму, який тече обмоткою котушки, ми можемо змінювати  і індукцію магнітного поля, яке існує навколо неї. Саме котушка зі струмом і є найпростішим прикладом електромагніта. Електромагніт легко виготовити і у звичайних умовах. Досить обмотати металевий стержень декількома витками металевого дроту, кінці якого підключені до джерела струму. Часто електромагнітам надають підковоподібну форму, яка є більш зручною для утримання вантажу.

     Магнітне поле котушки можна збільшити у сотні тисяч раз, помістивши усередину котушки залізне осердя. Поле котушки із залізним осердям значно сильніше, ніж поле котушки без осердя, тому що залізо всередині котушки сильно намагнічується і його власне магнітне поле підсилює поле котушки.

     Характеристикою електромагніту є його підіймальна сила - це сила, яку слід прикласти, щоб відірвати від нього шматочок чистого м'якого заліза, який прилипнув до нього.

     Щоб отримати електромагніт з максимально  великою підіймальною силою, потрібно збільшити площу дотику полюсів магніту з тим залізним предметом, який притягується до нього.

 

 

     Застосування  електромагнітів:

• металообробні та машинобудівні заводи;
• видобувна промисловість - збагачення руди за рахунок очищення її від домішок під дією сильного магнітного поля;
• очищення зерна;
• прискорювачі елементарних частинок (циклотрон);
• медицина - видалення при травмі з тіла людини металевих предметів;

 

     Ще  одним розповсюдженим застосуванням  електромагнітів  є  так звані магнітні реле - прилади, які при ввімкненні їх в кола з дуже малими струмами замикають чи розмикають кола з набагато більшими струмами, що приводять у дію який-небудь мотор чи механізм. Реле можуть мати найрізноманітніші конструкції і призначення. Приклад електричного реле зображено на рис. Керуючий струм проходить по обмотці електромагніта 1. Залізний сердечник електромагніту притягує залізну пластину 2-2' замикаючи у точці 2 коло робочого струму (великого). Пружина 3 призначена для розмикання контакту 2, коли електромагніт не працює. Чутливість реле може бути досить велика, що визначається проходженням через електромагніт струмів у десяті і навіть тисячні ампера. Реле знайшли широка застосування у побуті та техніці: електродзвінок, телеграф тощо. 

 

      2.6 Електровимірювальні прилади 

     Електровимірювальні прилади — це такі технічні засоби, які виробляють сигнали вимірювальної інформації у формі, що доступна для безпосереднього сприйняття спостерігачем.

     Електровимірювальні прилади можна класифікувати:

     а) за родом вимірювальної величини;

     б) за фізичним принципом дії вимірювального механізму;

     в) за родом струму;

     г) за класом точності;

     д) за типом відлікового пристрою;

     е) за виконанням залежно від умов експлуатації; є) за стійкістю до механічних впливів;

     ж) за ступенем захисту від зовнішніх магнітних та електричних полів тощо.

     Електровимірювальні прилади дають змогу вимірювати електричні, так і неелектричні величини. На шкалі наводиться назва приладу або початкова латинська літера одиниці, що вимірюється. За вимірювальною величиною електровимірювальні прилади поділяються на:

     — вольтметри (позначаються літерою V);

     — амперметри (А);

     — ватметри (W);

     — омметри (Ώ);

     — лічильники енергії (kWh);

     — фазометри (φ);

     — частотоміри (Hz) тощо.

     До  умовної літери може бути додано позначення кратності основної одиниці, наприклад: міліамперметр — mА; кіловольтметр — kV тощо.  

     За  фізичним принципом дії розрізняють такі системи електровимірювальних приладів:

     а) магнітоелектрична;

     б) електромагнітна;

     в) електродинамічна;

     г) феродинамічна;

     д) індукційна;

     е)електростатична;

     є) вібраційна тощо.

     Умовні  позначення на шкалі приладу характеризують класифікацію приладів зародом струму:

     а) постійний струм;

     б) змінний (однофазна система);

     в) постійний і змінний;

     г) трифазна система;

     д) трифазна несиметрична система.

     Зa класом точності електровимірювальні  прилади класифікуються відповідно до стандартів. Клас точності позначається цифрою, котра дорівнює зведеній похибці  у відсотках, що допускає прилад. Випускають прилади таких класів точності: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0.

     У лічильниках електроенергії класи  точності такі: 0,5; 1,0; 2,0; 2,5.

     За  типом відлікового пристрою електровимірювальні  прилади розрізняються. В залежності від призначення прилади можуть бути:

     — показуючі;

     — реєструючі;

     — самопишучі;

     — друкуючі;

     — інтегруючі;

     — підсумовуючі.

     Більш поширені показуючі прилади, тобто  прилади безпосередньої оцінки. Відліковий пристрій цих приладів складається  звичайно з шкали і показчика. Показчиком може бути стрілка або  світлова пляма з рискою. Треба знати правила користування відліковим пристроєм. Такі показуючі прилади називаються аналоговими. Показання таких приладів — це безперервна функція величини, що вимірюється. В цифрових електровимірювальних приладах показання наводяться у цифровому вигляді.

     У залежності від умов експлуатації, діапазону робочих температур та відносної вологості, електровимірювальні  прилади поділяються на п'ять  груп:

     — група А (температура +10 .+35°С, вологість 80);

     — група Б (температура -30 .+40°С, вологість 90);

     — група B1 (температура -40 .+50°С, вологість 95);

     — група В2 (температура -50 .+60°С, вологість 95);

     — група В3 (температура -50 .+80°С, вологість 98).

     За  стійкістю до механічних впливів  прилади підрозділяються в залежності від значення максимально допустимого прискорення при ударах та вібраціях (м/с2). За стандартом електровимірювальні прилади поділяються на групи:

     — звичайні з підвищеною міцністю (ОП);

     — нечутливі до вібрацій (ВН);

     — віброміцні (ВП);

     — нечутливі до трясіння (ТН);

     — трясінняміцні (ТП);

     — удароміцні (У).

     Звичайні  прилади групи ОП витримують прискорення  до 15 м/с2.

     За  ступенем захисту від зовнішніх  магнітних та електричних полів  прилади поділяються на І і II категорії. Від зовнішніх полів прилади  захищаються екранами.