Содержание
Домашний научный эксперимент с прядильной проволокой | ARC Center of Excellence in Future Low-Energy Electronics Technologies
Эксперимент с вращающейся проволокой на самом деле представляет собой эксперимент по созданию простого двигателя, известного как униполярный двигатель, с использованием всего трех вещей.
Загрузить задание в формате pdf, включающее таблицу с примерами для записи наблюдений учащихся
Учебные намерения
Учащиеся воспроизведут простой электродвигатель Фарадея, чтобы развить свое понимание взаимосвязи между магнетизмом и электричеством.
Цель Изучить и понять взаимосвязь между электричеством и магнетизмом и использовать эти знания для создания электродвигателя.
Перед экспериментом С помощью магнитов, батареи и медной проволоки вы воспроизведете один из первых электродвигателей. Физик Майкл Фарадей, вероятно, был первым, кто продемонстрировал, что силы, создаваемые электрическими токами и магнетизмом, могут быть превращены в механические силы, которые он использовал для демонстрации первого электродвигателя. Его исследования и грубый электродвигатель проложили путь к современному электродвигателю, а вскоре после этого и к знанию, позволяющему превращать механическое движение в электричество, с помощью которого мы до сих пор вырабатываем большую часть нашего электричества.
Гипотеза
Вы образовали цепь, потому что соединили провод между положительной и отрицательной клеммами батареи. По проводу будет течь заряд, который создаст магнитное поле.
Магнит, который вы поместите на конец вашей батареи, будет генерировать собственное магнитное поле, через которое будет проходить провод с его потоком заряда. Сделайте несколько прогнозов на основе следующих вопросов:
Здесь действуют силы. Куда нужно приложить силы, чтобы проволока закрутилась?
Какое влияние окажет магнитное поле электрического провода на магнитное поле магнита?
Что произойдет, если вы перевернете батарею другой стороной и поместите провод поверх противоположной клеммы?
Что произойдет, если вы добавите два (или более) магнита? Что произойдет, если вы переместите нижнюю часть провода, касающуюся (или почти касающуюся) нижней клеммы, подальше от клеммы?
Материалы
- Батарейка AA
- Медная проволока (вы можете приобрести медную проволоку в хозяйственных магазинах)
- Круглый неодимовый магнит. Они легко доступны в Интернете, на eBay или в магазинах электротоваров.
Метод
- Прикрепите неодимовый магнит к одному концу батареи.
- Поместите аккумулятор вертикально на стол магнитом вниз (между столом и аккумулятором).
- Сформируйте медный провод, как показано на рис. 1.
- Поместите провод поверх аккумулятора
Посмотрите, как он вращается (возможно, вам придется немного подтолкнуть его, чтобы он заработал).
Проверьте свои гипотезы контролируемым экспериментом.
Составьте таблицу, подобную приведенной ниже, для записи своих наблюдений.
В своей таблице понаблюдайте и запишите поведение провода в каждом из следующих сценариев (плюс любые другие интересные идеи, которые вы хотите проверить):
- Замкнутая цепь и магнитное поле (как описано в шагах 1-4 в методе выше)
- Аккумулятор перевернут
- Два или более магнита
- Провод, отодвинутый от нижней клеммы аккумулятора
Указание по технике безопасности: Когда вы закончите, отсоедините провод от аккумулятора, так как он может быстро нагреться и вызвать пожар. Удалите магниты из батареи, так как оставление их прикрепленными может привести к разрядке батареи.
Рис. 1. Форма медного провода, подходящего для аккумулятора и магнита.
Земля имеет магнитное поле. Почему это не заставляет все наши провода крутиться? Чего не хватает, чтобы это произошло?
Подумайте, на что был бы похож мир, если бы у нас не было электродвигателя — другими словами, если бы не было такой вещи, как сила Лоренца? Сколько вещей у вас есть дома или вы используете, для которых требуется электродвигатель? Обратите внимание на положение полюсов батареи север-юг в вашем эксперименте. Полюса вертикальны, север выше юга. Подумайте о направлении магнитного поля, которое исходит от этой ориентации магнита. Что произошло бы с проводом, если бы вы использовали магнит с полюсами, выровненными горизонтально, влево-вправо, как на изображении справа на рисунке 2. Обратите внимание на силовые линии магнитного поля и направление, в котором они движутся по проводу. Сравните это с левым изображением.
Заметки учителя
Годовой уровень и знания учащегося определяют уровень критического мышления, необходимый для гипотезы. Учащиеся старших классов должны понимать, что магнитная сила каким-то образом воздействует на провод, заставляя его вращаться. Учащиеся старшего возраста должны уметь думать о взаимодействии магнитных полей, создающем силу, необходимую для вращения проволоки. Учащиеся получают возможность построить схему в ресурсе FLEET Schools, Проводники, изоляторы и электричество (Занятие 9).
Что происходит?
Электроны, проходящие через нашу цепь, будут генерировать магнитное поле, которое будет взаимодействовать с магнитным полем, создаваемым магнитом. Обратите внимание, что магнитные поля от магнита исходят наружу от северного полюса к южному полюсу снаружи магнита. См. рис. 2. Взаимодействие двух магнитных полей создает так называемую силу Лоренца, которая представляет собой просто силу, которую вы получаете, когда соединяете одни и те же магнитные полюса магнита. Они будут противодействовать друг другу, но в этом случае сила Лоренца перпендикулярна (на 9угол 0 градусов) как к направлению движения электрона, так и к магнитному полю. Чтобы визуализировать это, представьте, что вы стоите в углу комнаты и кладете руки вдоль каждой стены. Одно плечо указывает в направлении движения тока (от отрицательного к положительному*). Другая ваша рука указывает в направлении силы поля магнита. Ваша голова и ноги указывают в направлении действия силы Лоренца. Сила Лоренца действует на ваш провод, заставляя его вращаться. На рисунке 2 обратите внимание, что на левом изображении, которое представляет установку в этом эксперименте, направление магнитного поля на одном проводе противоположно на другом проводе. Это означает, что сила Лоренца будет толкать провод с одной стороны и тянуть его с другой стороны, поэтому ваш провод продолжает вращаться.
Рисунок 2. Работа вращающейся проволоки, показывающая направление потока электронов через проволоку, магнитное поле и действие силы Лоренца.
*В традиционной модели считается, что ток проходит от положительной клеммы к отрицательной. Вы часто будете видеть ссылку на правило правой руки, которое похоже на приведенную выше аналогию, где вы стоите в углу комнаты, чтобы определить направление тока, магнитного поля и силы Лоренца. В электронной модели, где ток течет от отрицательного к положительному, вы должны использовать левую руку для достижения того же эффекта.
Узнайте больше о проводниках, изоляторах и электричестве в ресурсе FLEET Schools
Вернуться к Домашняя наука .
Веселые и легкие научные эксперименты для детей и взрослых. Физика Соберите простой униполярный двигатель из батарейки, медной проволоки и неодимовых магнитов. Этот эксперимент демонстрирует, как взаимосвязь между электричеством и магнетизмом может порождать силы и движение.
Видеоyoutube.com/embed/L2iO4zlSFc0″ frameborder=»0″ allow=»accelerometer; autoplay; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture» allowfullscreen=»»> Материалы
Внимание!Удаляйте медный провод, когда он не используется, иначе он может нагреться и вызвать пожар. Шаг 1С помощью плоскогубцев сформируйте медную проволоку, как показано на рисунке. Этап 2Прикрепите магниты к отрицательной клемме аккумулятора. Этап 3Сбалансируйте медный провод на положительной клемме батареи. Убедитесь, что концы проволоки соприкасаются с магнитами, но не друг с другом. Шаг 4Вуаля! Посмотрите, как крутится медный провод. Краткое пояснениеСуществует тесная связь между электрическими и магнитными явлениями. Здесь электрический ток в медной проволоке проходит через магнитное поле вокруг магнитов. Это приводит к возникновению силы, которая давит на медный провод и заставляет его двигаться. Длинное объяснениеВы только что построили машину, которая может приводить что-то в движение с помощью электрического тока — электродвигатель. Электродвигатель работает благодаря определенному взаимодействию, существующему между электрическим током и магнитным полем. Несколько магнитов действуют как один. Вокруг этого магнита есть магнитное поле. Это поле похоже на сферу вокруг магнита, но также говорят, что оно имеет направление (это направление — направление, в котором указывает северный конец стрелки компаса). Это направление; от северного полюса магнита (в данном случае верхний конец), по большой дуге снаружи магнита и к южному полюсу магнита (внизу). Если в это магнитное поле поместить электрический ток, может случиться что угодно. В этой демонстрации электрический ток проходит от положительной клеммы (вверху) батареи к ее отрицательной клемме (внизу). Электрический ток проходит в основном по медному проводу, но в конце концов и по магниту. То что магнит тоже часть электрической цепи не обязательно — достаточно чтобы магнит был только рядом — а тут практично. Там, где электрический ток движется в том же направлении или в прямо противоположном направлении, что и направление магнитного поля, ничего не происходит. Но там, где этого нет, на материале, проводящем электрический ток, возникает сила (сила Лоренца). Эта сила максимальна там, где ток движется перпендикулярно магнитному полю. В этом электродвигателе это происходит примерно посередине медного провода (см. рисунок). Сила ( F на рисунке) действующее на медный провод направлено как перпендикулярно направлению тока, так и направлению магнитного поля в этом месте. В результате медный провод начинает вращаться. Этот тип электродвигателя называется униполярным двигателем , потому что направление тока всегда одинаково. Этот тип электродвигателя был разработан англичанином Майклом Фарадеем в 1821 году. ЭкспериментВы можете превратить эту демонстрацию в эксперимент. Это сделает его лучшим научным проектом. Для этого попробуйте ответить на один из следующих вопросов. Ответом на вопрос будет ваша гипотеза. Затем проверьте гипотезу, проведя эксперимент.
Яркий электродвигательФизика Соберите униполярный двигатель с подсветкой. Об электричестве и магнетизме. Лампочка для микроволновкиФизика Зажгите лампочку с помощью микроволновки. Да будет свет! Об энергии. Осмос мармеладных мишекБиология Выращивание и уменьшение мармеладных мишек. Эксперимент о том, как осмос влияет на наши клетки. Плавающий мячик для пинг-понгаФизика Поднимите мяч над научным феном. О принципе Бернулли. Special: Цветной огоньХимия Создать пламя различных цветов. Об огне и тепле. Special: Огненные пузыриФизика Держи огонь в руке. Эксперимент об энергии, тепле и многом другом. Показать больше… Контент сайта Главная Огненная тема Научные проекты Поиск © Архив эксперимента. |