LABORATORIUM FIZYKI PAŃSTWOWEJ WYŻSZEJ SZKOŁY ZAWODOWEJ W NYSIE Ćwiczenie nr 8 Temat: Obserwacja i analiza linii sił pola magnetycznego. Zestaw ćwiczeniowy zawiera cztery magnesy (dwa małe i dwa duże) oraz okno do obserwowania efektów działania niewidzialnych pól magnetycznych i obserwowania jak można oddziaływać na te pola magnesami. Prostokątne i przezroczyste okno zawiera magnetyczny proszek zawieszony w płynie i umożliwia obserwację wzorów pól magnetycznych. Kiedy magnes jest obecny, wpływa na proszek, który staje się częściowo namagnesowany. Cząsteczki proszku przyciągają się nawzajem i grupują w liniach, które reprezentują wzorzec pól magnetycznych. Okno wzorów pól magnetycznych pokazuje przekrój trójwymiarowych pól magnetycznych wokół magnesu. Bieguny magnesów są punktami o największe mocy magnetycznej, zawsze występują parami i są nazywane biegunem północnym i biegunem południowym. Bieguny jednoimienne się odpychają a różnoimienne przyciągają. UWAGA: Proszę trzymać okno wzorów pól magnetycznych i magnesy ostrożnie. Unikać upuszczania ich albo wystawiania na wysoką temperaturę. Przezroczyste okno może pęknąć lub się porysować a magnesy mogą się rozmagnesować. Okno można myć wodą z łagodnym mydłem. Gromadzenie się niewielkiej ilości bąbelków w oknie może świadczyć o dostaniu się powietrza do płynu. Małe bąbelki rozprowadzą się w preparacie i nie zakłócą działania okna. Magnesy mogą uszkodzić sprzęt zawierający elementy magnetyczne. Nie kładź magnesów przy kasetach magnetofonowych i wideo, magnetycznych kart płatniczych i dysków komputerowych. Przygotowanie okna do użycia: Zmieszaj cząsteczki w płynie trzymając okno poziomo kręcąc nim tam i z powrotem. Wykonuj tą czynność dopóki cząsteczki w płynie nie zostaną równomiernie rozprowadzone. Zachodzi konieczność każdorazowego rozprowadzenia cząsteczek w płynie przed każdym ćwiczeniem. 1
PRZEBIEG DOŚWIADCZEŃ: 1. Eksperyment polega na zobaczeniu co się stanie jeśli umieścisz sztabkę magnesu na górze okna wzorów pól magnetycznych. Pukaj lekko w środek wizjera dopóki cząsteczki nie ustawią się ukazując kształt pola magnetycznego. Dalsze pukania w brzegi może poprawić rozdzielczość pola oddalonego od magnesu. Jaki rodzaj wzoru zaobserwowałeś? Obserwuj jak linie grupują się nieopodal biegunów magnesu i jak tworzą pętle, które zaczynają się i kończą na biegunach magnesu. Pole magnetyczne jest najsilniejsze tam gdzie linie są najbliżej siebie. Jeśli przyjrzysz się uważniej, zauważysz że dzieje 2
się to na każdym biegunie sztabki, zaś pole magnetyczne jest najsłabsze w połowie drogi między biegunami. 2. Spróbuj umieścić sztabkę magnesu pod oknem wzorów pól magnetycznych. Czy widzisz podobny wzór jak w ćwiczeniu pierwszym? 3. Powoli opuszczaj okno wzorów pól magnetycznych na magnes. W jakiej odległości od magnesu zaczniesz widzieć pole magnetyczne? Kiedy trzymasz okno w odległości 12 milimetrów lub mniej, czy cząsteczki proszku ustawiają się inaczej niż w punktach 1 i 2? Magnes wywiera wpływ na każdy magnetyczny obiekt znajdujący się w pobliżu. To oddziaływanie jest trójwymiarowe i ma miejsce we wszystkich kierunkach wokół magnesu (nazywa się to działaniem pola magnetycznego). Będziesz mógł zauważyć 3
działanie tego pola ponieważ proszek znajdujący się w płynie wewnątrz okna ustawi się w kierunku oddziaływania pola. Linie tego oddziaływania zawsze łączą się z biegunami. Kierunek i siła tego pola zależy od odległości pomiędzy biegunami magnesu. 4. Możesz to stwierdzić poprzez wolne jednoczesne zbliżanie dwóch podobnych biegunów magnesów. Siła pola magnetycznego zależy od odległości względem magnesu. Im bardziej zbliżysz magnes, tym silniejsze będzie jego oddziaływanie. 5. Spróbuj następujących układów magnesów i zobacz jak zmieni się magnetyczny wzór 5.A. Dwie sztabki magnesów leżą równolegle obok siebie zwrócone północnymi i południowymi biegunami przeciwlegle względem siebie. 5.B. Dwie sztabki magnesów ustawione na krawędzi, równolegle obok siebie, zwrócone północnymi i południowymi biegunami przeciwlegle względem siebie. 4
5.C. Dwie sztabki magnesów w jednej linii zwrócone do siebie biegunami północnymi. 5.D. Dwie sztabki magnesów w jednej linii, zwrócone do siebie północnym i południowym biegunem. 5.E. Dwie sztabki magnesu leżąc obok siebie stykając się biegunami północnymi i południowymi. 6. Możesz obejrzeć proszek w detalach używając szkła powiększającego. Widzisz jak zachowuje się proszek gdy nieopodal jest magnes> Czy możesz zaobserwować jakie są kształty linii? Proszek w płynie znajdującym się w oknie wzorów pól magnetycznych jest magnetyczny. Cząsteczki proszku reagują na oddziaływanie magnetyczne i są przyciągane do biegunów magnesu. Możesz zaobserwować działanie pola magnetycznego którego skutkiem jest przyciąganie cząsteczek proszku wzdłuż linii pola magnetycznego. Dzieje się tak dlatego, że namagnesowane materiały czasowo same stają się magnesami gdy znajdują się w polu magnetycznym. Cząsteczki magnetycznego proszku również przyciągają się wzajemnie i tworzą linie. 5
Stwórz nowy wzór poprzez umieszczenie jednego magnesu pod oknem wzorów pól magnetycznych a następnie przesuwaj kolejny magnes w pobliżu pierwszego magnesu. Możesz zaobserwować, że kształt pola zmieni się. Czy możesz utworzyć nowe wzory z udziałem więcej niż jednego magnesu? Czy linie które opuszczą jeden magnes zawsze kończą się na tym magnesie? 7. Czy są jakiekolwiek materiały, które izolują pole magnetyczne? Spróbuj wstawić kawałek papieru, folii aluminiowej, szkła, plastiku lub stali pomiędzy magnesy i okno wzorów pól magnetycznych. Czy którykolwiek z tych materiałów blokuje pole magnetyczne? 8. Co stanie się jeśli przymocujesz kawałek stali do jednego z biegunów magnesu> Jak to wpłynie na powstały wzór? Teraz spróbuj wykryć pole magnetyczne na kawałku stali. Czy taki kawałek stali posiada własne pole magnetyczne czy tylko wtedy, gdy przymocowany jest do magnesu? Co ci to mówi o zjawisku magnetyzmu i różnicy pomiędzy magnesem a zwykłym kawałkiem stali? Kawałek stali może stać się magnesem tylko wtedy kiedy zostanie przymocowany do innego magnesu albo wtedy gdy zostanie umieszczony wewnątrz pola magnetycznego. 9. Postaw okno wzorów pól magnetycznych na krawędzi i obserwuj przemieszczanie się magnetycznych cząsteczek ku dołowi. 9.A. Powtórz tę czynność ale tym razem trzymaj magnes nad oknem zwrócony biegunem wobec okna. Co się stanie jeśli zabierzesz magnes? Kiedy magnes jest 6
trzymany nieopodal, cząsteczki zbierają się razem w polu magnetycznym i tworzą duże grupy które opadają znacznie szybciej niż pojedyncze cząsteczki. 9.B. Teraz powtórz powyższą czynność z magnesem na dole. Jakie nowe wzory się utworzą? Przepływające wzory są tworzone na skutek ruchu magnetycznych cząsteczek w jednym kierunku oraz na skutek ruchu płynu w przeciwnym kierunku. 9.C. Spróbuj ponownie używając pojedynczego pola magnesu trzymanego nad oknem. Jakie nowe wzory powstaną? PAMIĘTAJ O ROZPROWADZENIU CZĄSTECZEK W OKNIE WZORÓW POL MAGNETYCZNYCH PRZED KAŻDYM EKSPERYMENTEM. 7