Barbara Fedele, Marisa Michelini, Alberto Stefanel, Udine (I)
1 – Tratwy magnetyczne
Dwa magnesy umieszczamy na małych plastikowych tratwach pływających po powierzchni wody. Jeśli ustawimy biegun północny jednego magnesu do bieguna południowego drugiego zaobserwujemy, Ŝe magnesy się przyciągają. Jeśli umieścimy je tymi samymi biegunami względem siebie (północny-północny, południowy-południowy) zobaczymy, Ŝe magnesy zaczną się obracać, aŜ zetkną się ze sobą po wykonaniu półobrotu przeciwnymi biegunami.
2 – Odległość w oddziaływaniach magnetycznych
Wielkość odległości pomiędzy magnesami wyraźnie wpływa na siłę oddziaływania miedzy nimi. Jeśli zaczniemy oddalać magnesy od siebie siła przyciągania miedzy nimi będzie malała a siła odpychania nie pozwoli się im zetknąć nawet, kiedy umieścimy je bardzo blisko siebie. Magnesy zaczynają na siebie silnie oddziaływać na małych odległościach nawet, jeśli się jeszcze wcale nie stykają.
3 – Odpychanie pomiędzy magnesami I odległości: pomiary
Wkładamy dwa magnesy do plastikowej, przezroczystej rury tymi samymi biegunami względem siebie.
Zaczynają się one odpychać. Kiedy ustawimy rurę pionowo magnes na górze będzie odpychany do góry.
NaleŜy wtedy dołączymy do górnego magnesu dynamometr – nie wykonany z materiału magnetycznego - moŜemy zmierzyć wielkość siły odpychania w zaleŜności od odległości miedzy magnesami.
4 – Zachowanie dwóch napiętych spręŜyn Dwa dynamometry dołączamy do dwóch magnesów umieszczonych w plastikowej rurze i skierowanych do siebie przeciwnymi biegunami. Następnie ciągniemy za oba dynamometry jednocześnie, aŜ do momentu kiedy magnesy oderwą się od siebie. ZauwaŜymy wtedy Ŝe naciągniecie spręŜyny dynamometru będzie takie same dla obu przyrządów. Zmierzymy siłę naciągu spręŜyny DL dla róŜnych połoŜeń magnesów z dala od połoŜenia równowagi – kiedy są zetknięte. MoŜemy wtedy znaleźć zaleŜność siły oddziaływania między magnesami od ich wzajemnej odległości wyraŜonej przez DL*dn=const, dla n>2.
5 – Odchylenie igły magnetycznej połoŜonej blisko magnesu
Na kartce papieru na jednym skraju kładziemy kompas i ustawiamy kartkę tak, aby wskazanie północy pokrywało się z kierunkiem brzegu papieru. Magnes cylindryczny kładziemy po drugiej stronie kartki w takim kierunku, aby wyznaczona północ była prostopadła do kierunku wyznaczonego przez oś magnesu. Przesuwamy kompas w kierunku magnesu i wyznaczamy w kaŜdym połoŜeniu kierunek wskazywany przez igłę kompasu. Rzut kierunku wskazanego przez igłę kompasu pozwala wyznaczyć wartość składowej pola magnetycznego magnesu (Bm) w stosunku do składowej pola magnetycznego Ziemi (Bt). Jeśli wykreślimy prostą równoległą do wyznaczonego kierunku wtedy zmierzymy Bm w jednostkach względnych. MoŜemy zauwaŜyć, Ŝe Bm wzrasta gwałtownie, kiedy zmniejsza się odległość d pomiędzy kompasem i magnesem. Na podstawie zmierzonych wartości moŜemy więc zapisać zaleŜność Bm*d³= const. Jest to typowa zaleŜność dla oddziaływania dipolowego – magnes, oczywiście, ma dwa bieguny.
6 – Opiłki Ŝelaza i magnesy
Weźmy puste pudełko słuŜące do przechowywania CD Ii nasypmy na nie trochę opiłków Ŝelaznych. Jeśli pod pudełko włoŜymy magnes to moŜemy zaobserwować ruch opiłków wtedy, kiedy poruszamy magnesem pod pudełkiem. ZauwaŜmy, Ŝe opiłki pod wpływem magnesu układają się w charakterystyczne wzory (patrz rysunek obok). W szczególności moŜemy rozróŜnić grupy linii wokół dwóch biegunów łączą się one pomiędzy biegunami wyznaczając kierunki pola magnetycznego.
Przestrzeń jaką wyznaczają kierunki, w jakich rozłoŜyły się opiłki staje się polem magnetycznym.
MoŜemy sprawdzić, czy rzeczywiście jest to pole magnetyczne i nie zaleŜy od miejsca gdzie rozsypaliśmy opiłki. Obróćmy pudełko i zauwaŜmy, Ŝe układ linii się nie zmienia. Jest to efekt zachodzący w całej przestrzeni otaczającej magnesy.
7 – Ruch w polu magnetycznym
Stalowa kulka zwalnia podczas spadania ruchem jednostajnie przyspieszonym w płaszczyźnie pionowej.
Kiedy przelatuje ona blisko silnego magnesu jej trajektoria ulega zakrzywieniu. Jej prędkość zmienia się w wyniku oddziaływania z magnesem. Jeśli przyjrzymy się trajektorii, po jakiej porusza się kulka moŜemy zauwaŜyć, Ŝe jest ona inna niŜ linie sił pola wokół magnesu. Pole magnetyczne zakrzywia trajektorię kulki, ale ruch jest złoŜeniem ruchu w dwóch wymiarach, podobny do rzutu poziomego lub ukośnego w polu grawitacyjnym: trajektoria jest zakrzywiana przez (pionowe) pole.
8 – Badanie własności magnetycznych płynącego prądu elektrycznego.
PołóŜ dwa lub więcej magnesów wokół przewodu elektrycznego, w którym płynie prąd (nad przewodem, obok z boku). Ustaw kompasy tak, by igły magnetyczne były prostopadłe do kierunku wyznaczanego przez przewód elektryczny. ZauwaŜmy, jak odchylają się igły magnetyczne przy przepływie prądu elektrycznego raz w jednym a raz w drugim kierunku. Popatrz na zachowanie igieł kompasów znajdujących się w róŜnych miejscach – nie tylko na te połoŜone wzdłuŜ przewodu. Efekty wywołane przez pole magnetyczne pojawiają się w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku przepływu prądu elektrycznego. Pole magnetyczne jest wiec jednoznacznie określone przez kierunek przepływającego prądu.
9 – Pole magnetyczne wokół przewodu przez który płynie prąd elektryczny.
PołóŜmy kompasy wokół przewodu elektrycznego umieszczonego pionowo przez, który płynie prąd elektryczny. Jeśli przez przewód nie płynie prąd elektryczny, igły magnetyczne wskazują kierunek północ-południe. Kiedy przepuścimy przez przewód prąd o dostatecznie duŜym natęŜeniu, igły zaczną wskazywać kierunek zgodny z kształtem koncentrycznych okręgów utworzonych wokół przewodu w ułoŜonych w płaszczyźnie prostopadłej do przewodu. Jeśli rozsypiemy wokół przewodu opiłki Ŝelazne ułoŜą się one w koncentryczne okręgi wokół przewodu.
Wielkość zaobserwowanego pola magnetycznego zaleŜy od natęŜenia prądu elektrycznego płynącego przez przewód oraz od odległości od przewodu. Pole magnetyczne jest zawsze prostopadłe do przewodu, w którym płynie prąd.
10 – Oddziaływanie pomiędzy magnesem i cewką w której płynie prąd elektryczny.
Jesli przez cewkę przepuścimy prąd elektryczny. jest ona przyciągana bądź odpychana przez magnes w zaleŜności od kierunku płynącego prądu.
Efekt będzie jeszcze większy, jeśli do wnętrza cewki włoŜymy rdzeń Ŝelazny.
Cewka, przez którą płynie prąd elektryczny, zachowuje się jak magnes sztabkowy.
11 – Oddziaływanie pomiędzy dwoma zwojnicami przez które płynie prąd.
Ustawmy dwie jednozwojowe cewki wykonane z drutu obok siebie. Po przepuszczeniu przez nie prądu elektrycznego zaczną się one odpychać bądź przyciągać w zaleŜności od kierunku, w jakim płynie prąd elektryczny w kaŜdym uzwojeniu.
12 – Oddziaływanie pomiędzy cewkami.
Dwie cewki, kaŜda po kilkanaście zwojów ustawiamy razem. Kiedy przepuścimy przez nie prąd, będą się ona przyciągały lub odpychały w sposób podobny jak w poprzednim ćwiczeniu. Jednak efekt tego oddziaływania będzie silniejszy. MoŜemy z tego doświadczenia wysnuć wniosek, Ŝe wartość pola magnetycznego wytwarzany przez cewkę zaleŜy od ilości zwojów.