حلقه های مغناطیسی

اهداف:

در این طرح درس دانش آموزان خواهند توانست:

به کمک یک آزمایش جهت میدا ن مغناطیسی اطراف یک سیم حامل جریان را مشاهده نمایند.

برای پیدا کردن میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط جریانی الکتریکی، از قانونی به نام قانون دست راست استفاده نمایند.

وسایل لازم:

1. باتری 6 تا 12 ولتی
2. یک سیم کلفت به طول یک فوت ( 30 سانتی متر ) که باید به اندازه ی کافی محکم باشد تا شکل خود را از دست ندهد. (می توانید سیم را با بازکردن یک چوب لباسی سیمی بدست آورید.)
3. پایه (می توانید آن را با استفاده از اسباب بازی های مناسب مطابق شکل بسازید.)
4. سطح صاف و محکم حدوداً 15 ×15 سانتی متر می توانید این سطح را با استفاده از کاغذ مانیلا، کاغذ قهوه ای ایجاد کنید شکاف باید به اندازه ای باشد که سیم از آن عبور کند.
5. 4 یا 6 عدد قطب نمای کوچک به قطر 5/2 سانتی متر
6. دو سیم سربی با دو گیره فلزی در دو انتها

توضیح اولیه

عقربه های یک قطب نما آهن رباهای کوچکی هستند که آزادانه می چرخند. قطب نماها به ما کمک می کنند که جهت میدان مغناطیسی را تشخیص دهیم. به طور طبیعی، این عقربه ها به میدان مغناطیسی زمین عکس العمل نشان می دهند و موازی خطوط میدان جهت گیری می کنند. اگر ما، یک میدان مغناطیسی قوی تر از میدان زمین بسازیم – برای مثال با استفاده از جریان های الکتریکی – عقربه های قطب نما موازی با خطوط میدان جدید جهت گیری می کنند.

طرح درس

دانش آموزان را به گروه های کوچکی تقسیم کنید و وسایل لازم را در اختیار گروه ها قرار دهید. ابتدا به آن ها توضیح دهید که هر سیم حامل جریا در اطراف خود میدان مغناطیسی ایجاد می کند. سپس نحوه ی بستن پایه و سیم ها را به صورت زیر برای آن ها توضیح دهید:

پایه ای مطابق شکل با وسایل مناسب ساخته و سطح صاف را در جای مناسب خود روی پایه قرار دهید.

اگر سیمی که از چوب لباسی به دست آورده اید رنگ شده یا روکش دار است، در دو انتهای سیم رنگ را خراشیده و یا روکش را کنده و به این ترتیب در حدود 2/5 سانتی متر از سیم را لخت نمایید.

سیم را از شکاف سطح رد کرده و به طور عمودی با استفاده از پایه، مانند شکل قرار دهید.

قطب نماها را به صورت دایره وار مانند شکل روی سطح بچینید.

گیره های فلزی را به دو پایانه باتری وصل کنید. اما هنوز دو انتهای دیگر سیم را به سیم چوب لباسی وصل نکنید.

انجام آزمایش:

از دانش آموزان بخواهید به حالت عقربه های قطب نما،  زمانی که جریانی از سیم عبور نمی کند دقت کنند. سطح نگه دارنده را بچرخانید و از بچه ها بپرسید عقربه ها چه تغییری می کنند؟ آن ها با جهت گیری به صورتی که موازی میدان مغناطیسی زمین قرار گیرند، شمال را نشان خواهند داد. (تعدادی از قطب نماها ممکن است جنوب را نشان بدهند! قطب نماهای نامرغوب زمانی که در مقابل آهن ربای قوی قرار می گیرند بعضی مواقع در جهتی مخالف، خاصیت مغناطیسی پیدا می کنند. این موضوع جای نگرانی ندارد، فقط در ذهن داشته باشید که کدام انتهای عقربه به سمت شمال است.)

اکنون به دانش آمزان بگویید گیره های فلزی را به دو انتهای سیم چوب لباسی، جایی که سیم لخت است، وصل کنند، و تماشا کنند که در هنگام عبور جریان، عقربه های قطب نماها چه تغییری می کنند. اگر جریان به اندازه کافی قوی باشد، هر قطب نما در جهتی قرار می گیرد که موازی میدان مغناطیسی ای به مرکز سیم چوب لباسی باشد.

مجدداً سطح نگه دارنده را بچرخانید و بپرسید عقربه های قطب نما، این بار چه تغییری می کنند؟ قطب نماها کماکان طوری قرار می گیرند که جهت میدان مغناطیسی به مرکز سیم را نشان دهند.

توجه: به دانش آموزان تأکید کنید که مدار را برای مدت طولانی برقرار نگه ندارند. زیرا جریان الکتریسیته موجب خالی شدن باتری ها می گردد. مدت چند دقیقه برای مشاهدات کافی است. جای دو گیره روی ترمینال ها را با هم تعویض کنید: بپرسید چه رخ می دهد؟ قطب نماها جهت خود را با عوض شدن جهت جریان عوض می کنند.

چه رخ می دهد؟

عقربه های قطب نما در جهت میدان مغناطیسی قرار می گیرند. به این دلیل که زمین یک آهن ربا است، در حالت طبیعی قطب نما به سمت میدان مغناطیسی آن قرار می گیرد. با توجه به اینکه قطب های مخالف مغناطیسی یک دیگر را جذب می کنند، قطب مغناطیسی شمال آهنربا به سمت قطب جنوب زمین قرار می گیرد. (قطب جنوب مغناطیسی زمین در شمال کانادا قرار دارد! این اشتباه چاپی نیست. قطب جنوب آهنربای زمین نزدیک شمال جغرافیایی آن قرار دارد.)

جریان الکتریکی عبوری از سیم، میدان مغناطیسی ایجاد می کند که از میدان زمین قویتر است (در ناحیه نزدیک سیم). می توانید این میدان مغناطیسی جدید را با استفاده از دایره های متمرکز دور تا دور سیم نشان دهید. مرکز هر دایره روی سیم می باشد.

هر چه به سیم نزدیک تر شوید میدان مغناطیسی قوی تر می شود. عقربه های قطب نما جهت میدان برآیند را در هر نقطه نشان می دهند، برآیند میدان زمین و سیم. به این دلیل که میدان سیم در این مورد قوی تر است عقربه های قطب نما بیشتر به جهت میدان سیم قرار می گیرند. زمانی که جریان را برعکس می کنید، جهت میدان مغناطیسی نیز برعکس می شود، و عقربه های قطب نما نیز مطابق تغییر میدان تغییر جهت می دهند.

توسعه

بعد از انجام این آزمایش می توانید قانون دست راست را توضیح دهید.

از دانش آموزان بخواهید دست راست خود را دور سیم طوری قرار دهند که انگشت شستشان موازی سیم حامل جریان باشد و شست را در جهت جریان قرار دهند. (یادآور شوید: جریان الکتریسیته از طرف (+) به پایانه ی منفی(-) باتری می‏رود.) به آن ها بگویید انگشتان خود را دور سیم حلقه کنند. واین که انگشتانشان جهت میدان مغناطیسی اطراف سیم را نشان می دهد. سپس این مساله را عنوان کنید که اگر قطب نماهایی نزدیک سیم قرار داده شوند جهت مشابه انگشتانشان را نشان می دهد.

مترجم: مینا نقش نژاد

تنظیم: نسرین صادقی