Магнитное поле и его применение в технике
Максимов Егор, 10а
Научный руководитель – Алексеева И.В., учитель физики
Открытие магнитного поля – одно из самых важных научных открытий в истории. Без него было бы трудно представить нашу современную жизнь: не было бы изобретено множество приборов, не были бы получены важнейшие технологии.
Целью данного проекта является изучение применения магнитного поля в технике. Исходя из поставленной цели, формулируются задачи проекта:
1. Изучить литературу, содержащую информацию о магнитном поле.
2. Провести классические опыты по обнаружению магнитного поля, создаваемого движущимся зарядом.
3. Изучить интернет-источники, которые содержат информацию о применении магнитного поля в технике.
4. Систематизировать информацию, полученную из источников.
В ходе работы были использовны следующие методы: анализ источников информации по теме исследования, обобщение и систематизация полученной информации, проведение экспериментов по обнаружению магнитного поля.
В первой (теоретической) главе проекта рассмотрены основные этапы история магнетизма. Например, такие как:
1) На территории Малой Азии, в Магнезии, находили горную породу, образцы которой притягивались друг к другу.
2) Ещё 2600 лет до н.э. китайский император Хванг Ти вёл своё войско в густом тумане с помощью магнитной фигурки, что всегда смотрела на юг (прототип первого компаса).
3) Со второго века н.э. в Китае изготавливались постоянные магниты, надолго сохраняющие магнитные свойства. А в 13 веке о магнитах и компасе узнали в Европе.
4) В 1269 г. французский ученый Пьер Перегрин описал о многих фактах магнетизма в сочинение «Книга о магните».
5) В XIX веке была обнаружена связь между электричеством и магнетизмом, и возникло представление о магнитном поле.
6) В 1820 г. датский физик Ханс Кристиан Эрстед обнаружил, что магнитная стрелка, расположенная рядом с электрическим проводником, отклоняется, когда по проводнику течет ток, получается вокруг проводника с током создается магнитное поле.
7) Узнав о работе Эрстеда, французский физик Андре Мари Ампер исследовал взаимодействие параллельных проводников с током. Он установил, что при наличии в проводниках разнонаправленных токов – проводники отталкиваются друг от друга. А если токи имеют одинаковое направление, то проводники будут притягиваться.
Это были два самых известных опыта в истории изучения магнитного поля, которые подтолкнули других учёных делать всё новые и новые исследования в области магнетизма.
Также в данной главе были изучены понятие о магнитном поле, его основные свойства, источники магнитного поля.
Более подробно рассмотрена основная силовая характеристика магнитного поля - это векторная величина – магнитная индукция, которая характеризует магнитное поле в каждой точке пространства. Для того чтобы охарактеризовать магнитное поле во всех точках пространства, ограниченных определенным замкнутым контуром, вводится физическая скалярная величина, которая называется магнитным потоком или потоком вектора магнитной индукции, пронизывающим поверхность, ограниченную контуром.
При рассмотрении проводников с током в магнитном поле на них действует сила Ампера Если проводник, по которому течет ток, находится в поле, магнитная индукция которого равна 
, то на каждый из носителей тока в проводнике действует сила Лоренца. Сила Ампера является результирующей всех сил Лоренца.
На виток с током в магнитном поле действует момент силы, которая стремится развернуть этот виток таким образом, чтобы его плоскость стала перпендикулярна линиям магнитного поля.
Появляется возможность измерять силу тока по величине угла поворота рамки, которая реализована в измерительном приборе – амперметре.
Область применения магнитов невероятно широка, начиная от применения в бытовых целях и заканчивая медициной, промышленностью и т. д.
Люди изобрели электромашинные генераторы и электродвигатели, которые преобразуют либо механическую энергию в электрическую (генераторы), либо электрическую в механическую (двигатели). Действие генераторов основано на принципе электромагнитной индукции. А также трансформаторы — устройство, осуществляющее повышение и понижение напряжения переменного тока при неизменной частоте и незначительных потерях мощности. Кроме преобразования напряжений в электрических сетях, трансформаторы часто применяются в блоках питания радиоэлектронных устройств. Преимущественно это автотрансформаторы, которые одновременно выдают несколько напряжений для различных узлов.
Одним из современных изобретением стал Маглев - это поезд на магнитной «подушке». Он удерживается над дорожным полотном и движется силой электромагнитного поля. В основу маглева положено базовое свойство магнитов: одинаковые полюса отталкиваются, а разные – притягиваются. Маглев — это самый быстрый наземный общественный транспорт. Рекорд скорости был установлен японским поездом Синкансэн L0 в апреле 2015 года — он разогнался до 603 км/ч.
Был проведен ряд опытов связанных с магнитным полем, а именно: Опыт Эрстеда, Взаимодействие параллельных токов, Магнитное поле кругового тока.
В опыте Эрстеда обнаружено магнитное действие электрического тока с помощью магнитной стрелки, расположенной вблизи провода, где протекает электрический ток. Провод был подключен к источнику постоянного напряжения. В исходном состоянии стрелка был ориентирована вдоль магнитного меридиана земли. После включения источника тока, стрелка пришла в движение и установилась перпендикулярно направлению проводника. Пока тока в цепи нет, стрелка занимает своё исходное положение. При изменении полярности подключения провода стрелка приходит в движение и устанавливается перпендикулярно направлению проводника, но к нам она была расположена другим концом.
Во втором опыте «Взаимодействие параллельных токов» я использовал две проволочные катушки, подвешенные на длинных проводах, направление намотки проволоки в катушках совпадало. Так же использованы два амперметра которые помогали определять силу и направление тока в двух катушках. Направление тока можно было изменять при помощи переключателя. Два амперметра были подключены к источнику постоянного тока и пропустил ток через левый амперметр, пока не подали ток в правую катушку, левая с ним не взаимодействовала. После подачи тока в правую катушку в том же направлении, что в левой, катушки начали притягиваться друг к другу. При изменении направления тока в одной из катушек, они начинали отталкиваться. При возвращении одинакового направления тока катушки притягивались. Тем самым мы выяснили, что если пропустить ток через две катушки в одинаковом направлении, катушки начинали притягиваться, а при изменении направления тока в одной из катушек, они начинали отталкиваться.
В третьем опыте «Магнитное поле кругового тока» была получена картина магнитных линий магнитного поля тока текущего по кольцу с помощью плоской катушки, подключенной к источнику тока. Катушка имела специальный столик, куда были насыпаны металлические опилки равномерным слоем. После замыкания ключа, опилки пришли в движение, выстраиваясь вдоль линий магнитного поля, постукивая по столику, мы смогли получить более чёткую картину линий. Также мы заметили, что вблизи проводника форма линий близка к окружности, в центре кольца линии были практически параллельны друг другу. Мы выяснили, что форма линий напрямую зависела от расстояния до проводника с током.
Проделав выше представленные опыты, мы решили сконструировать модель спидометра. Прибор представляет собой алюминиевый диск, который может вращаться с небольшим трением вокруг оси. Диск закрепляется в штативе. Вблизи диска установленного вертикально помещают магнит, который можно вращать с помощью центробежной машины. Концы спиральной пружины прикреплены соответственно к оси диска и к вилке. При вращении магнита диск поворачивается на угол, зависящий от скорости вращения магнита. Об угле поворота диска судим по изменению треугольной метки, нанесенной на краю диска. Поставив между диском алюминиевую пластину, результат получается аналогично первому. Если между диском и магнитом поставить пластину из железа, то диск при вращении магнита не вращается!
Подводя итоги, можно сказать, что развитие современной цивилизации трудно представить без широкого использования магнитных материалов и магнитного поля. Значительный эффект использования магнитных полей и материалов достигнут в науке и технике: это использование электромагнитного двигателя, использование Маглев и прочее.
Применение магнитного поля в различных технических устройствах и бытовых приборах можно перечислять бесконечно. И это лишь неполный перечень применений магнитного поля. А впереди еще более потрясающие открытия магнитных свойств, новых магнитных материалов и уникальных применений магнитного поля в науке, в промышленности, на транспорте и т.д.
Внутренний фотоэффект
Михнев Егор, 11в
Научный руководитель – Черная Е.Л., учитель физики
Фоторезистивный эффект, или фотопроводимость – явление изменения электропроводности среды, обусловленное действием электромагнитного излучения, такого как видимое, инфракрасное, ультрафиолетовое и т.д.
Впервые данное явление было обнаружено Уиллоуби Смитом в 1873 году, когда он изучал эффект фотопроводимости селена.
Сущность фоторезистивного эффекта заключается в том, что при поглощении фотонов с энергией, достаточной для ионизации собственных атомов полупроводника, происходит увеличение концентрации носителей заряда. В результате увеличения концентрации носителей заряда увеличивается проводимость проводника, и, как следствие, при приложении напряжения к проводнику создается электрический ток.
Фоторезистор – полупроводниковый прибор, изменяющий величину своего сопротивления при облучении светом. Так как фоторезистор не имеет p-n перехода, он обладает одинаковой проводимостью вне зависимости от направления протекания тока.
Устройство фоторезистора: Фоторезистор представляет из себя керамическую подложку, на которую первым покровом нанесен светочувствительный слой, а вторым – металлический слой с зазором в виде изогнутой линии. Зазор разделяет металлизацию на два отдельных контактных слоя, к которым закреплены выводы под пайку. Форма выреза в виде изогнутой линии обеспечивает хорошую засветку фоточувствительного материала.
В качестве светочувствительного слоя могут использоваться: сульфид кадмия, сульфид свинца, селенит кадмия и др.
Принцип работы фоторезистора: Сопротивление фоторезистора уменьшается при увеличении интенсивности светового потока и возрастает при уменьшении интенсивности светового потока. Доказательство этого утверждения будет проведено в ходе эксперимента.
Для исследования данного явления и определения зависимости сопротивления фоторезистора от освещенности, необходимо собрать макет с использованием фоторезистора и нескольких приборов: омметра для определения сопротивления фоторезистора (например – универсальный измерительный прибор – мультиметр), а также люксметра для определения величины освещенности в данный момент (например – встроенный датчик освещенности в смартфоне).
Оборудование для проведения эксперимента: фоторезистор, макетная доска, провода с клеммами типа «крокодил», омметр, люксметр.
Ход работы:
Прежде чем начать проводить опыты, необходимо объяснить принцип проведения эксперимента. В нашем случае источником света будет являться простая настольная электрическая лампа. Стоит подробно остановиться на таком понятии, как освещенность.
Освещенность — световая величина, равная отношению светового потока, падающего на участок поверхности, к его площади:
где 
– освещенность (в люксах по СИ), 
– световой поток (в люменах по СИ), 
– площадь участка.
Величина светового потока в нашем эксперименте будет постоянной, так как участвует один и тот же источник света. Известно, что лампа рассеивает свет на определенной площади участка. Изменяя высоту источника света над фоторезистором, будет также изменяться и площадь рассеивания света, и, как следствие, величина освещенности. Таким образом, нам удастся исследовать зависимость сопротивления фоторезистора от уровня освещенности.
Перед тем, как проводить замеры сопротивлений, стоит отметить, что сопротивления проводов, щупов, а также в местах соединения крайне малы, так что можно пренебречь ими.
1. Для начала стоит провести замеры темнового сопротивления фоторезистора, то есть его сопротивление в полной темноте. Оно составляет 1715 кОм;
2. Проведем замеры сопротивления фоторезистора на высоте источника над фоторезистором, равной 50 см. Освещенность составляет ~470 люкс, сопротивление равно 885 Ом;
3. Проведем замеры сопротивления фоторезистора на высоте источника над фоторезистором, равной 40 см. Освещенность составляет ~759 люкс, сопротивление равно 766 Ом;
4. Проведем замеры сопротивления фоторезистора на высоте источника над фоторезистором, равной 30 см. Освещенность составляет ~1122 люкс, сопротивление равно 613 Ом;
5. Проведем замеры сопротивления фоторезистора на высоте источника над фоторезистором, равной 20 см. Освещенность составляет ~3340 люкс, сопротивление равно 439 Ом.
Результаты измерений получены: сопротивление зависит обратно пропорционально от освещенности, что доказывает принцип работы фоторезистора, описанный ранее.
В заключении можно отметить, что мы:
1. Изучили такое понятие, как фоторезистивный эффект и продемонстрировали его в эксперименте;
2. Познакомились с фоторезистором, изучили его принцип работы и устройство;
3. Провели эксперимент по определению зависимости сопротивления фоторезистора от освещенности.
Считаем, что все поставленные задачи были выполнены, а цель -достигнута.