Эксперимент

Исследование термоэлектрического магнита. 8-й класс

Проф. В.В.МАЙЕР, И.Т.КАСИМОВ, А.С.КОНДРАТЬЕВ,
ГОУ ВПО ГГПИ им. В.Г.Короленко, г. Глазов, Удмуртская Республика

Исследование термоэлектрического магнита

Проектная деятельность школьников. 8-й класс

Термоэлементы из металлов дают весьма небольшую ЭДС. Например, термопара медь–константан при разности температур спаев 100 °С развивает термоэдс около = 4,1 мВ. Однако, если полное сопротивление замкнутой термоэлектрической цепи мало, скажем, R = 10^–4 Ом, то по ней пойдёт ток I = /R = 41 А! Если такой ток пропустить по обмотке электромагнита даже из одного витка, то сила притяжения якоря к сердечнику может составить около 100 Н.

Сухой рассказ о таком – термоэлектрическом – магните вряд ли произведёт сколько-нибудь значительное впечатление на школьников, хорошо осведомлённых о достижениях физической науки. Однако, как мы и предполагали, демонстрация действующего термоэлектрического магнита вызывает устойчивый интерес, и учащиеся, как правило, сами хотят изготовить и исследовать термомагнит. Впервые этот педагогический эксперимент был проведён в 8-м классе физико-математического лицея в конце урока, посвящённого действиям электрического тока.

Устройство термомагнита показано на рисунке. Медный полувиток изготовлен сплющиванием медной трубки длиной 170 мм, внешним диаметром 16 мм и толщиной стенки 2 мм. В него оловом впаяна перемычка сечением 12 23 мм, набранная из отрезков константанового провода длиной 28 мм и диаметром 1,7 мм. Возле одного из спаев к полувитку оловом же припаяна кювета размером 25 25 20 мм из латунного листа толщиной 0,3 мм. Дюралевый держатель крепится к полувитку гайкой и одновременно служит дополнительным теплоотводом. В качестве сердечника и якоря термомагнита взяли ленточный магнитопровод трансформатора (сечение 12  29 мм, длина средней линии 210 мм).

После объяснения устройства учитель на глазах у всех собрал экспериментальную установку: прибор за держатель закрепил в муфте штатива, в медный полувиток вставил ферромагнитный сердечник, в кювету налил холодную воду. Затем пламенем спиртовки нагрел противоположный спай, подвёл якорь к сердечнику, подвесил груз – и учащиеся с восторгом убедились, что при нагревании спая термопары медь–константан по замкнутой цепи проходит столь значительный ток, что ферромагнитные сердечник и якорь магнитопровода притягиваютcя с силой, достаточной для удержания груза в несколько килограммов!

Объяснение устройства термомагнита и демонстрация опыта заняли менее 10 мин. Чтобы выявить школьников, у которых опыт вызвал наибольший интерес, было предложено письменно ответить на вопросы: какова схема экспериментальной установки? какие проводники используются в термомагните? какое явление наблюдалось в опыте? где можно применить термомагнит?

Пятеро хорошо ответили на все вопросы, а двое заинтересовались опытом настолько, что изъявили желание самостоятельно изготовить термомагнит. Проблема заключалась в том, что не было толстого константанового провода. Поэтому потребовалось изменить конструкцию термомагнита и попробовать выполнить константановую перемычку тонким проводом (диаметром 0,8 мм) от старого реостата. Предположили, что в этом случае перемычку лучше не набирать из отдельных отрезков, а намотать на концы медного полувитка и затем пропаять оловом или оловянно-свинцовым припоем.

Следует отметить, что школьники не имели навыков пайки, не разбирались ни в припоях, ни во флюсах. Тем не менее они решительно взялись за изготовление прибора: не очищенный от окалины константановый провод грубо намотали на концы медного полувитка, места соединений обильно покрыли слоем канифоли и кое-где «заляпали» припоем. Испытание этого устройства показало его полную неработоспособность.

Анализ причин неудачи, проведённый совместно с учителем, позволил предположить, что нужно как следует зачистить константановый провод и обеспечить электрический контакт между медью и константаном во время и после пайки. Вера учителя в успех учащихся явилась решающим фактором продолжения работы. К этому моменту к исследованиям присоединились ещё двое школьников. Напомним, что все они – учащиеся физико-математического лицея, до предела загруженные учёбой и спортом.

В конечном итоге через неделю после постановки проблемы исследовательская группа изготовила термомагнит и убедилась в его работоспособности. Радости школьников, добившихся желаемого результата, не было границ!

Таким образом, проведённый нами педагогический эксперимент показал, что возможность самостоятельного воспроизведения учащимися продемонстрированного им физического явления способна вызывать столь сильный интерес, что наиболее деятельные попытаются эту возможность реализовать. Информация о начале работы быстро распространяется, так что в исследовательскую деятельность спонтанно вовлекаются новые учащиеся. Однако отрицательный результат, обусловленный отсутствием, например, экспериментальных умений, способен надолго отбить охоту к самостоятельному экспериментированию. Поэтому учитель должен организовать деятельность школьников так, чтобы в конечном итоге результат обязательно был бы положительным.

Большое значение имеет презентация результата на школьном уроке, внеурочных занятиях или на школьной научной конференции. Еще больший эффект даст использование результатов проектной деятельности школьников в повседневном учебном процессе. Например, в связи с показанным на уроке термомагнитом учащимся старшей школы можно предложить целый ряд теоретических и экспериментальных задач:

– предложите способ, позволяющий убедиться, что данный образец провода – константановый;

– измерив длины и сечения медного и константанового участков одновитковой обмотки продемонстрированного термомагнита, вычислите сопротивление этой обмотки;

– определите ЭДС термоэлектрического источника, если разность температур горячего и холодного спаев составляет 200 °С;

– оцените максимальную силу тока, которой можно достичь в обмотке термомагнита;

– выясните, как зависит подъёмная сила термомагнита от зазора между его сердечником и якорем;

– экспериментально определите ток в одновитковой обмотке термомагнита, сравнив подъёмную силу термомагнита с подъёмной силой обычного электромагнита.