ELTE Apáczai Csere János Gyakorló Gimnázium és Kollégium Komplex természettudományi tagozat Fizika 11. osztály II. rész: Az időben állandó mágneses mező Készítette: Balázs Ádám Budapest, 2018.
2. Tartalomjegyzék Tartalomjegyzék II. rész: Az időben állandó mágneses mező........... 3 45. Állandó mágnesek................................ 3 46. A mágneses mező................................ 4 47. Áram és mágnes kölcsönhatása........................ 5 48. A mágneses indukcióvektor........................... 6 49. Az indukcióvektor kiszámítása......................... 7 50. Egyenáramú motor............................... 8
45. óra. Állandó mágnesek 3. 45. óra Állandó mágnesek A mágnesség története: Magnesia 1 bányáiból származó vasérc magához vonzotta a vasat. Az ókori görögök pusztán megfigyelték, de nem tudták mire használni a jelenséget. A kínaiak 2 készítették az első iránytűt, mely beáll észak-dél irányba, de nem tudták miért. Arab közvetítéssel jutott Európába a XIII. században. Mágnes és vas kölcsönhatása: A mágnes vonzza a vasat és viszont. Ez igaz a ferromágneses anyagokra, melyek a mágnesezettséget megtartják 3. Mágneses pólusok: Az iránytű északi pólusa mutat északra, mert ott van a Földnek a mágneses déli pólusa 4. Az ellentétes pólusok vonzzák, az azonos pólusok taszítják egymást. Az erő nagysága függ a távolságtól. Nincs mágneses monopólus. Kísérlet. Végezzük el a 10 alapkísérletet a mágnesség megismeréséhez! Mágnesek lebegtetése. Mágnesek hatása szögekre, fára, gémkapcsokra, üveggolyókra. Rongyba csavart mágnes szögek közé teszünk. Mágnes hatása üveglapra szórt vasreszelékre. Vasreszelék elhelyezkedése mágnes körül a térben. Mágneses mező feltérképezése iránytűkkel. A mágnes mekkora távolságból hat a szögekre? Hűtőmágnesek tanulmányozás. Curie-hőmérséklet megfigyelése. Ismeretlen mágnes pólusának meghatározása. 45. Házi feladat. Készíts szöveges összefoglalót az egyik tanórai kísérletről! 45. Szorgalmi. Írj esszét a mágnesség történetének egy részletéről! 1 A mai Törökország területén található ókori görög település 2 Kr. e. 1000 körül már ismerték a jelenséget 3 A kobalt és a nikkel is ilyen 4 Sokáig hitték, hogy isteni erők irányítják a mágnest, később azt, hogy sok vasérc van északon.
4. 46. óra. A mágneses mező 46. óra A mágneses mező Rúdmágnes és patkómágnes erővonalai: Önmagukba záródó erővonalak és egyforma erősségű pólusok pólusok jellemzik. Az erővonalak érintőjének megfelelően állnak be az iránytűk és a sűrűségük a mező erősségére utal. Földmágnesség: A Föld szilárd belső magját veszi körbe a folyékony külső mag. Itt töltések áramlanak, melyek mágneses mezőt hoznak létre. A deklináció szöge mutatja meg az eltérést a földrajzi és a mágneses pólus között, az inklináció a mező vízszintestől való eltérést méri. A Földet ez a mező védi a világűrből érkező részecskéktől, mert azok az erővonalak körül fognak spirál alakú pályákra állni. 1 Atomi mágnesség: A részecskék elemi mágnesek és rendezetlenül állnak. Külső mágneses mező hatására a test időlegesen mágnesessé válik. Ferromágnesek esetében sok részecske mágneses momentuma egy irányban marad, doméneket alkotnak. 2 Monopólus emiatt nincs. A domének a Curie-hőmérséklet felett szétzilálódnak. 46. Házi feladat. Adott egy vasrúd és egy látszólag teljesen ugyanolyan mágnes. Hogyan dönthető el, hogy melyik a mágnes? 46. Szorgalmi. Rajzold meg két párhuzamosan, de ellentétes pólusokkal állított permanens rúdmágnes mágneses mezőjét! 1 A részecskék a sarkok között vándorolhatnak, és az így kialakult töltött, tórusz alakú rétegek a külső és belső Van Allen-féle sugárzási öveknek nevezzük. A pólusokon a részecskék az atmoszférába juthatnak, és fényjelenséget okoznak, ez a sarki fény (aurora borealis és aurora australis) 2 Antiferromágnesek esetén a szomszédos mágneses momentumok ellentétes irányúak, igy nincs mágneses hatás. Ferrimágnes esetén ellentétes a rendeződés, de a nagyság elérő, ezért van mágnesez tulajdonság, pl. Fe 3 O 4
47. óra. Áram és mágnes kölcsönhatása 5. 47. óra Áram és mágnes kölcsönhatása Kísérlet. Øersted (1777-1851) dán fizikus a vezeték alatt felejtette a kísérletezés közben az iránytűt és az kitért az É-D irányból az áram mágneses hatása miatt. Kísérlet. Vizsgáljuk meg az egyenes vezető, az áramhurok, a szolenoid és a toroid mágneses mezejét vasreszelék segítségével! Elektromágneses eszközök működése: elektromágnes vasmaggal, csengő, relé, automata biztosíték, mikrofon, hangszóró, ampermérő, villanymotor. 47. Házi feladat. Nézz utána egy elektromágneses eszköz működésének! 47. Szorgalmi. Milyen jelenlegi kutatásról tudsz, ami a mágnességgel foglalkozik?
6. 48. óra. A mágneses indukcióvektor 48. óra A mágneses indukcióvektor Mágneses mező: Mozgó töltések által létrehozott, mozgó töltésekre ható mező 1. Kísérlet. Magnetométert 2 elhelyezünk egy iránytű által keltett mágneses mezőbe. A keret síkjának normálisa 3 a pólus felé fog mutatni a fellépő forgatónyomaték miatt. Az 1. jobbkéz-szabály: A keretben folyó áramra jobbkezünket ráhajtva a hüvelykujjunk mutatja meg a mágneses mező irányát a stabil egyensúlyi helyzetben. Kísérlet. A stabil egyensúlyi helyzetre merőlegesen lesz a legnagyobb a forgatónyomaték. Ez az M max egyenesen arányos az I m árammal és az A m összterülettel. A mágneses indukcióvektor: A mágneses mezőt jellemző mennyiség: iránya a körárammal jobbcsavart alkotó normális: n j (s.t.e.) B = M max nagysága s.t.e.-re merőleges helyzetben mérve: I m A m Mértékegysége: [ B ] = N m A m = N 2 A m = J = Q s m2 A Föld mágneses mezőjének erőssége B F 10 5 T V s m 2 = T (tesla) A 2. jobbkéz szabály: Egyenes vezető által létrehozott mágneses mező irányát a jobbkezünk ujjai mutatják, ha az áram irányában fogjuk meg a drótot. Nagysága: A 3. jobbkéz szabály: B = 2 10 7 I r = 4π 10 7 I 2 π r = µ 0 I 2πr N menetes, l hosszúságú szolenoidnál ha megfogjuk az áramiránynak megfelelően a tekercset, jobb hüvelykujjunk mutatja a mező irányát. B = µ 0 N I l 48. Házi feladat. Egy 9 cm hosszú szolenoid menetszáma 500. Mekkora áram folyik benne, ha bent a mágneses mező olyan erős, mint a Föld felszínén? 48. Szorgalmi. Írd fel a 4. jobbkéz szabályt! 1 Itt is a közelhatás érvényesül a távolhatással szemben. 2 Áramjárta vezetőkeret, mely egy torziós szálon tud forogni. 3 Az a vektor, ami keret síkjából merőlegesen kifelé mutat.
49. óra. Az indukcióvektor kiszámítása 7. 49. óra Az indukcióvektor kiszámítása Mágneses fluxus: Egy A felületen átmenő mágneses indukcióvonalak száma: Φ = B A 1 W eber = 1 W b = 1 T m 2 = 1 V s 1. Feladat. Mekkora forgatónyomaték hat a 100 cm 2 felületű vezetőkeretre, ha 1 A folyik benne, és a 0,2 Vs/m 2 indukciójú homogén mágneses térben úgy helyezkedik el, hogy síkjának normálisa az indukcióvonalakkal 60 fokos szöget zár be? 2. Feladat. Mekkora a mágneses indukció nagysága egy áramjárta, hosszú egyenes vezetőtől 5 cm távolságban, ha a vezetőben 10 A erősségű áram folyik? 3. Feladat. Egy 8 cm hosszú légmagos tekercs 600 menetből áll, ellenállása 48 Ω. Mekkora lesz a tekercs belsejében kialakuló homogén mágneses mező indukciója, ha egy 12 V-os áramforrást a tekercs két vége közé kapcsolunk? 4. Feladat. Egy l hosszúságú, N menetes tekercsben 0,04 A folyik. Mekkora áramerősséggel érhető el egy másik tekercsben az előbbivel egyenlő mágneses mező, ha annak hossza kétszer és menetszáma háromszor akkora, mint az elsőé? 5. Feladat. Egy tekercs keresztmetszete 4 cm 2, hossza 10 cm, menetszáma 1000, belsejében a fluxus 2 10 5 W b. A tekercs belsejében levegő van. Mekkora a tekercsben az áramerősség? 49. Házi feladat. Két végtelen hosszú, párhuzamos egyenes vezető egymástól 20 cm távolságra van. A vezetőkön 10 A és 20 A folyik át ellentétes irányban. Mekkora a mágneses indukció a vezetőktől egyaránt 10 cm távolságban? 49. Szorgalmi. Két végtelen hosszú, párhuzamos egyenes vezető távolsága 1m. Az első drótban 3A, a másodikban 2 A áram folyik. Mekkora az indukció az elsőtől 20cm-re és a másodiktól 80 cm-re lévő pontban?
8. 50. óra. Egyenáramú motor 50. óra Egyenáramú motor A Lorentz-erő Az amper definíciója Töltések mozgása mágneses mezőben Ciklotron Gyakorlás Feladatok Maxwell III. és IV. törvénye Alkalmazások Gyakorlás Mozgó vezeték mágneses mezőben Lenz törvény Váltakozó feszültség és áram Effektív érték Generátorok Rendszerezés II. dolgozat írása A dolgozat megbeszélése Változó mágneses mező hatása Az indukált mező szerkezete Maxwell I. és II. kiegészítése Feladatok Be- és kikapcsolási jelenségek A mágneses tér energiája Az energia terjedése Feladatok megoldása Az induktív ellenállás Kondenzátor az áramkörben Kapacitív ellenállás Feladatok RLC kör Munka, teljesítmény Impedancia Feszültség rezonancia Feladatok megoldása Transzformátor Csillapított elektromágneses rezgések Csillapítatlan elektromágneses rezgések Összefoglalás Gyakorlás III. dolgozat írása A dolgozat megbeszélése Változó elektromos mező Maxwell III., IV. kiegészítése Az elektromágneses hullámok Az elektromágneses hullámok terjedési tulajdonságai I. Az elektromágneses hullámok terjedési tulajdonságai II. Az elektromágneses hullámok terjedési tulajdonságai III. Az elektromágneses hullám energiája Az elektromágneses hullámanyag. A rádió és a televízió A mikrohullámok A mikrohullámok terjedési tulajdonságai Fénytani alapfogalmak A fény mint hullám. A fényinterferencia Fényelhajlás résen Fényelhajlás rácson Feladatok A polarizáció Az infravörös és az ultraibolya fény A fényvisszaverődés Síktükör Gömbtükör A fénytörés. A törésmutató Feladatmegoldás A teljes visszaverődés Fénytörés prizmán A színképek. A színkeverés Lencsék Fókusz, fókusztávolság. A nevezetes fénysugarak Képalkotás A tükrök képalkotása A lencsék képalkotása A leképezési törvény Feladatmegoldás A lencsék és gömbtükrök gyakorlati alkalmazása Rendszerezés A IV. dolgozat írása A dolgozat megbeszélése Feladatmegoldás Feladatmegoldás Feladatmegoldás Feladatmegoldás Feladatmegoldás Feladatmegoldás Feladatmegoldás Feladatmegoldás Feladatmegoldás Feladatmegoldás Összefoglalás Összefoglalás Összefoglalás Éves munka értékelése
Irodalomjegyzék 9. Irodalomjegyzék [1] Dr. Jurisits József, Dr. Szűcs József: Fizika 10. Mozaik kiadó 2009. [2] Dégen Csaba, Póda László, Urbán János: Fizika 10. középiskolák számára emelt szintű képzéshez Oktatáskutató és Fejlesztő Intézet 2015. [3] Vass Miklós: www.netfizika.hu [4] Dr. Siposs András: Fizika példatár és megoldások I-II. kötet - Túlélőkönyv középiskolásoknak Műszaki Könyvkiadó 2018. [5] Hevesi Imre: Elektromosságtan Nemzeti Tankönyvkiadó 1998.