Главная страница «Первого сентября» • Главная страница журнала «Физика» • Содержание №10/2009

Учебные занятия

Н. А. Федоряка,
< nfed07@rambler.ru >, МОУ СОШ № 7, п. Советский, Ейский р-н, Краснодарский кр.

Магнитное поле в веществе. Ферромагнетики

Цели урока: на основе полученных ранее знаний рассмотреть механизм возникновения и существования магнитного поля в веществе. Познакомиться с понятием ферромагнетик.

Образовательные задачи урока: обеспечить в ходе урока усвоение сложных понятий спин электрона, температура Кюри, ферромагнетик, гистерезис; содействовать формированию представлений о природе магнитного поля в веществах, осознанию учащимися того, что ничто в мире не происходит «просто так», что магниты – это не «чудесные вещества».

Развивающие задачи урока: продолжить работу по развитию умений выделять главное, существенное, сравнивать изучаемые факты, логически излагать мысли, умению находить аналогии, приводить собственные примеры физических явлений в окружающей действительности; для развития эмоций создавать на уроке ситуации удивления, парадоксальности; для развития познавательного интереса ввести в содержание урока элементы новизны знаний, связи их с жизнью, побуждать к познавательным спорам.

Оборудование: карточки, компьютер, медиапроектор; программы: Windows-95, -98, ME, NT, 2000, XP, Internet Explorer 5.x/6.0, Pentium-150, 200 Mб свободного дискового пространства, 64 Mб оперативной памяти, CD-ROM, SVGA 800×600.

Ход урока

рис.1 1. Организационный этап (1 мин). Учитель приветствует учащихся, объявляет тему, цели и задачи урока (слайды 1, 2).

2. Проверка ДЗ (5 мин). Учитель организует повторение ДЗ, правила правой и левой руки по слайдам 3–5, раздаёт карточки с тестовыми заданиями и предлагает выполнить любые три задания из предложенных пяти.

3. Объяснение нового материала (22 мин). Учитель читает лекцию, сопровождая её презентацией* (слайды 6–19) и демонстрацией видеофильмов «Намагниченность», «Ферромагнетики» по компакт-дискам ООО «ФИЗИКОН».

Слайд 6. (см. рисунок)

рис.2Слайд 7. • Этот опыт показывает, что индукция магнитного поля, создаваемого электрическими токами в веществе, отличается от индукции магнитного поля, создаваемого теми же токами в воздухе (или вакууме).

• Согласно гипотезе Ампера, в любом теле существуют микроскопические токи, обусловленные движением электронов в атомах и молекулах.

Слайд 8. • Физическая величина, показывающая, во сколько раз индукция  B магнитного поля в однородной среде отличается по модулю от индукции магнитного поля B0 в вакууме, называется магнитной проницаемостью: µ = B/B0.

Слайд 9. • Магнитные свойства веществ определяются магнитными свойствами атомов или элементарных частиц (электронов, протонов и нейтронов), входящих в состав атомов.

• В настоящее время установлено, что магнитные свойства протонов и нейтронов почти в 1000 раз слабее магнитных свойств электронов. Поэтому магнитные свойства веществ в основном определяются электронами, входящими в состав атомов.

• Электрон создаёт магнитное поле за счёт орбитального движения вокруг ядра, которое можно уподобить круговому микротоку. Спиновые поля электронов и магнитные поля, обусловленные их орбитальным движением, и определяют широкий спектр магнитных свойств веществ.

Слайд 10. • Вещества крайне разнообразны по своим магнитным свойствам. У большинства веществ эти свойства выражены слабо. Слабо-магнитные вещества делятся на две большие группы – парамагнетики и диамагнетики. При внесении во внешнее магнитное поле парамагнитные образцы намагничиваются так, что их собственное магнитное поле оказывается направленным по внешнему полю, а диамагнитные образцы намагничиваются против внешнего поля. Поэтому у парамагнетиков μ > 1, а у диамагнетиков μ < 1.

Слайд 11. (см. рисунок.)

Слайд 12. • Следует отметить, что диамагнитными свойствами обладают атомы любых веществ.

• Однако во многих случаях диамагнетизм атомов маскируется более сильным парамагнитным эффектом.

• Явление диамагнетизма было открыто М.Фарадеем (1845 г.).

Слайд 13. • Вещества, способные сильно намагничиваться в магнитном поле, называются ферромагнетиками. Магнитная проницаемость ферромагнетиков по порядку величины лежит в пределах 102–105.

• Например, у стали μ ≈ 8000, у сплавов железа с никелем – до 250 000.

• К группе ферромагнетиков относятся четыре химических элемента: железо, никель, кобальт, гадолиний.

• Из них наибольшей магнитной проницаемостью обладает железо. Поэтому вся эта группа получила название ферромагнетиков.

Слайд 14. (см. рисунок.)

рис.3 Слайд 15. • Непостоянство магнитной проницаемости приводит к сложной нелинейной зависимости индукции B магнитного поля в ферромагнетике от индукции B0 внешнего магнитного поля.

• Характерной особенностью процесса намагничивания ферромагнетиков является так называемый гистерезис, т.е. зависимость намагничивания от предыстории образца.

• Кривая намагничивания B (B0) ферромагнитного образца представляет собой петлю сложной формы, которая называется петлёй гистерезиса.

Слайд 16. (см. рисунок.)

Слайд 17. • Природа ферромагнетизма может быть до конца понята только на основе квантовых представлений. Качественно ферромагнетизм объясняется наличием собственных (спиновых) магнитных полей у электронов.

• В кристаллах ферромагнитных материалов возникают условия, когда вследствие сильного взаимодействия спиновых магнитных полей соседних электронов энергетически выгодной становится их параллельная ориентация.

• В результате такого взаимодействия внутри кристалла ферромагнетика самопроизвольно возникают намагниченные области размером порядка 10-2–10-4 см. Эти области называются доменами.

• Каждый домен представляет собой крошечный постоянный магнит.

Слайд 18. • В отсутствие внешнего магнитного поля направления векторов индукции магнитных полей в различных доменах ориентированы в большом кристалле хаотически. Такой кристалл в среднем окажется ненамагниченным.

• При наложении внешнего магнитного поля происходит смещение границ доменов так, что объём доменов, ориентированных по внешнему полю, увеличивается.

• С увеличением индукции внешнего поля возрастает магнитная индукция намагниченного вещества.

• В очень сильном внешнем поле домены, в которых собственное магнитное поле совпадает по направлению с внешним полем, поглощают все остальные домены, и наступает магнитное насыщение.

Слайд 19. (см. рисунок.)

 

Сообщение заранее подготовившегося учащегося

Ферромагнетиками могут быть различные сплавы, содержащие ферромагнитные элементы. Широкое применение в технике получили керамические ферромагнитные материалы – ферриты.

Для каждого ферромагнетика существует определённая температура (так называемая температура, или точка, Кюри), выше которой ферромагнитные свойства исчезают, и вещество становится парамагнетиком. У железа, например, температура Кюри равна 770 °C, у кобальта 1130 °C, у никеля 360 °C.

Ферромагнитные материалы делятся на две большие группы – магнитно-мягкие и магнитно-жёсткие материалы. Магнитно-мягкие ферромагнитные материалы почти полностью размагничиваются, когда внешнее магнитное поле становится равным нулю. К магнитно-мягким материалам относятся, например, чистое железо, электротехническая сталь и некоторые сплавы. Эти материалы применяются в приборах переменного тока, в которых происходит непрерывное перемагничивание, т.е. изменение направления магнитного поля (трансформаторы, электродвигатели и т.п.).

Магнитно-жёсткие материалы сохраняют в значительной мере свою намагниченность и после удаления их из магнитного поля. Примерами магнитно-жёстких материалов могут служить углеродистая сталь и ряд специальных сплавов. Магнитно-жёсткие метериалы используются в основном для изготовления постоянных магнитов.

 

4. Закрепление материала (7 мин). Учитель предлагает вопросы.

Слайд 20.

  1. Какие вещества называются диа-, пара-, ферромагнетиками?
  2. Какая физическая величина называется магнитной проницаемостью?
  3. Движение каких заряженных частиц создаёт собственную индукцию в ферромагнетике?
  4. Что такое домены ферромагнетика?
  5. Чем отличаются магнитно-жёсткие ферромагнетики от магнитно-мягких?
  6. Что такое температура Кюри?

Ответы учащихся

1. Это вещества, у которых вектор магнитной индукции собственного магнитного поля отличается от вектора магнитной индукции внешнего магнитного поля.

2. Физическая величина, показывающая, во сколько раз отличается вектор магнитной индукции в однородной среде от вектора магнитной индукции того же тока в вакууме.

3. Движение валентных электронов.

4. Самопроизвольно намагниченные области размером порядка 10-2–10-4 см называются доменами.

5. Магнитно-мягкие ферромагнитные материалы почти полностью размагничиваются, когда внешнее магнитное поле становится равным нулю, а магнитно-жёсткие сохраняют свою намагниченность.

6. Для каждого ферромагнетика существует определённая температура – так называемая температура, или точка, Кюри, выше которой ферромагнитные свойства исчезают, и вещество становится парамагнетиком.

5. Задание на дом (1 мин).

Слайд 21. § 29 (ответить на вопросы или уметь пересказать); § 30 (выучить определения).

6. Подведение итогов урока, выставление оценок, ответы на вопросы учащихся (3 мин).

 

Учебная литература

  1. Касьянов В.А. Физика-11. – М.: Дрофа, 2006.
  2. CD «Физика, 7–11 классы». – ООО ФИЗИКОН.
  3. CD «Открытая Физика 2.5». – ООО ФИЗИКОН.

ФедорякаНаталья Александровна Федоряка – учитель физики высшей квалификационной категории, окончила физмат Нижнетагильского ГПИ в 1999 г., педагогический стаж 10 лет. После окончания института работает в МОУ СОШ № 7 п. Советский Ейского района, в 2005–2007 гг. была руководителем РМО учителей физики Ейского района, тьютором. С 2002 г. руководит работой естественно-научного направления научного общества школьников. Педагогическое кредо: уважение к ребёнку, самообразование и саморазвитие. Среди её учеников есть победители и призёры творческих конкурсов муниципального, краевого и федерального уровней.


* Далее мы приводим только слайды с «картинками». На остальных – приведённый в газете текст. – Ред.