Предметное обучение (старшая школа) - Онлайн
Теплопроводность твердых тел
Модель наглядно демонстрирует распространение тепла вдоль стержня. Левый конец стержня нагревается горелкой. Показан график температуры вдоль стержня. Можно изменять материал стержня и его толщину.
Теплопроводность - это вид теплообмена, при котором происходит непосредственная передача энергии от частиц более нагретой части тела к частицам его менее нагретой части. При теплопроводности переносится лишь энергия, а перемещение частиц вещества при этом не происходит. Итак, теплопроводность - это передача кинетической энергии атомов и молекул более нагретой области атомам и молекулам менее нагретых областей. Это вызвано тем, что при взаимодействии (столкновении) сблизившихся атомов более быстрый атом чаще всего передает часть своей энергии менее быстрому. При теплообмене твердого тела с газом или жидкостью необходимо учитывать конвекцию и излучение. При не очень высоких температурах излучением обычно можно пренебречь. Модель содержит металлический стержень, с температурами t1 и t2 укрепленный на опорах, плохо проводящих тепло. Левый конец стержня нагревается горелкой и тепло переносится (распространяется) вдоль стержняслева направо. Если бы стержень не терял тепло (из-за нагрева окружающего воздуха и теплового излучения), то температура стержня была бы постоянной и определялась бы только интенсивностью нагрева. Поскольку стержень отдает тепло окружающему воздуху (температура которого в модели предполагается равной 20ºC), температура вдоль стержня при смещении от нагревателя уменьшается. График показывает изменение температуры вдоль стержня (в предположении, что в поперечном сечении температура постоянна). Можно регулировать толщину стержня и интенсивность горения горелки (горелка идеализированная и для простоты регулируется температура нагреваемого конца стержня, а не поток тепла от горелки). Эксперименты с моделью показывают, что наилучшей теплопроводностью обладает медь, а за ней идут алюминий, железо и сталь. А также, что толстые стержни лучше передают тепло, чем тонкие.
Можно также выбирать стержни из различных металлов.
Громкоговоритель
Модель наглядно демонстрирует устройство и принцип действия простейшего громкоговорителя.
Действие магнитного поля на проводник с током используется в громкоговорителе. Магнитная система, состоящая из центрального цилиндрического стержня и охватывающего его кольца, создает сильное магнитное поле в узком кольцевом зазоре, в который вставлена катушка. Катушка (это обычно тонкая проволока, намотанная на бумажный каркас) приклеена к диффузору. Для получения сильного поля зазор делают очень узким. При пропускании через катушку переменного тока (например, от усилителя магнитофона или радиоприемника) на катушку действует сила Ампера. Она заставляет катушку совершать возвратно-поступательные движения вдоль стержня. Такие движения диффузора создают звук. Реальный громкоговоритель всегда воспроизводит звук с искажениями, но у высококачественных громкоговорителей искажения меньше.
Электрический звонок
Модель наглядно демонстрирует устройство и принцип действия простейшего электрического звонка.
Модель простейшего электрического звонка содержит электромагнит, чашку, издающую при ударе мелодичный звон, молоточек с железной пластиной (якорем), контактом и пружиной. Все это соединено так, что в начальном положении контакт замкнут, при смещении якоря к электромагниту, контакт прерывается, а пружина стремится вернуть якорь в начальное положение. Электромагнит включен последовательно с контактом. Поэтому при появлении тока электромагнит притягивает якорь, молоточек ударяет по чашке, контакт разрывается и ток в цепи прекращается. Под действием пружины якорь возвращается в нейтральное положение, контакт опять замыкается и весь этот процесс повторяется периодически - звенит звонок.
Электродвигатели
Электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую. Модель наглядно демонстрирует принцип действия двухполюсного и трехполюсного двигателей.
Электродвигатель преобразует электрическую энергию в механическую. Он содержит обмотки, намотанные на ферромагнитный сердечник - ротор двигателя, размещенный в магнитном поле статора. Ротор закреплен на валу и может вращаться. При подаче напряжения ротор создает магнитное поле, которое, взаимодействуя с постоянным магнитным полем статора, стремится повернуть ротор. Чтобы ротор вращался непрерывно, нужно в определенных его положениях изменять направление тока в обмотках. В двигателях постоянного тока это переключение осуществляется с помощью коллектора и щеток. Щетки - это неподвижные контакты, подводящие ток к пластинам коллектора, расположенным на роторе. Для уменьшения трения щетки часто изготавливают из графита. Магнитное поле статора в электродвигателе создается либо постоянными магнитами, либо электромагнитами. Двухполюсный двигатель В двухполюсном двигателе ротор имеет две обмотки, соединенные последовательно и подсоединенные к двум контактам коллектора. Направление вращения ротора зависит от полярности питания и начального положения ротора. У двухполюсного двигателя есть такие начальные положения ротора, при которых вращение не начинается. Они называются мертвыми точками. В этой модели есть мертвые точки, обусловленные симметрией - силы, вращающие якорь, уравновешивают друг друга, поэтому ротор не может начать вращение и остается неподвижным. Еще две мертвые точки возникают из-за конструкции коллектора и щеток. При вертикальном расположении ротора цепь оказывается разомкнутой, т.к. щетки находится между контактами коллектора. Трехполюсный двигатель В трехполюсном двигателе ротор - это сердечник с тремя обмотками, соединенными последовательно и подсоединенными к трем контактам коллектора. Щетки почти в любом положении ротора подсоединены к одной (верхней) обмотке, а остальные две обмотки подключены последовательно в противоположном направлении. Поэтому катушки ротора всегда стремятся повернуться в одном и том же направлении. Направление вращения ротора зависит только от полярности питания и не зависит от начального положения ротора.
Электромагнит
Электромагниты используются для создания управляемых электрическим током магнитных полей в различных механизмах. Модель наглядно демонстрирует взаимодействие электромагнита и постоянного магнита. Можно изменять число витков в катушке и силу тока в ней. Электромагниты используются для создания управляемых электрическим током магнитных полей в различных механизмах (электродвигателях, генераторах, реле). Катушку, в форме полого цилиндра, принято называть соленоидом. Если по такой катушке пустить ток, то появится магнитное поле, аналогичное полю постоянного магнита. Внутри соленоида поле имеет наибольшую силу и в небольших областях пространства его можно считать постоянным (однородным).Величина магнитного поля в соленоиде пропорциональна силе тока и числу витков. Изменение направления тока меняет и направление магнитного поля. Для определения направления магнитных линий соленоида используется правило правой руки. Если ладонью правой руки обхватить катушку с током так, чтобы пальцы расположились вдоль витков в направлении тока, то отставленный в сторону большой палец укажет направление магнитных линий внутри катушки. Изменим направление тока в катушке.Линии магнитного поля соленоида тоже меняют свое направление. Ферромагнитный сердечник в катушке усиливает возникающее магнитное поле. При пропускании тока через катушку сердечник намагничивается и создает поле, усиливающее поле катушки. Поэтому катушку с ферромагнитным сердечником называют электромагнитом. Отталкивание Сила отталкивания магнитов (направленных друг к другу одноименными полюсами) уменьшается с увеличением расстояния между ними. Магнит висит на высоте, на которой сила отталкивания равна его весу. При увеличении силы тока или числа витков в электромагните создаваемое им магнитное поле усиливается и поэтому расстояние между магнитами увеличивается. Притяжение На большом расстоянии сила притяжения меньше веса магнита. Если постоянный магнит приподнимать мышкой, то сила притяжения будет увеличиваться, и начиная с некоторой высоты, станет больше его веса. При увеличении силы тока или числа витков в электромагните магнитное поле усиливается.
Например, они используются для крепления обрабатываемых деталей на станках.
Магнитное поле проводника с током
Магнитное поле проводника с током
Магнитное поле проводника с током зависит от формы проводника. Модель демонстрирует магнитные поля, создаваемые прямым проводом и соленоидом.
Магнитное поле проводника с током зависит от формы проводника. В простейших случаях поле может быть описано. При изменении направления тока в проводнике на противоположное, магнитное поле проводника с током изменяет свое направление (в каждой точке) на противоположное. Используя магнитные стрелки, можно получить картину линий магнитного поля для проводников различной формы. Прямой провод Силовые линии магнитного поля прямого провода имеют форму концентрических окружностей, охватывающих провод. Величина поля наибольшая вблизи провода, но с удалением от провода убывает. Расположим несколько магнитных стрелок вокруг вертикального отрезка прямого провода. При отсутствии в проводе тока магнитные стрелки будут направлены на север. Пустим по проводнику достаточно сильный ток. Магнитные стрелки ориентируются определенным образом: северный конец стрелки показывает направление линий магнитного поля прямолинейного проводника с током. Видно, что линии магнитного поля прямого провода являются окружностями, лежащими в перпендикулярных к проводу плоскостях, с центром в проводе. Заметим, что вблизи провода магнитное поле провода неоднородно. Изменим направление тока. Магнитное поле изменит направление на противоположное. Соленоид Для определения направления магнитных линий соленоида используется правило правой руки. Если ладонью правой руки обхватить катушку с током так, чтобы пальцы расположились вдоль витков в направлении тока, то отставленный в сторону большой палец укажет направление магнитного поля внутри катушки. Ферромагнитный сердечник в соленоиде усиливает возникающее магнитное поле. Ферромагнитный сердечник с намотанным на него проводом называют электромагнитом.
Если по катушке (соленоиду) пустить ток, то появится магнитное поле, аналогичное полю постоянного магнита. Внутри соленоида поле имеет наибольшую силу, в небольших областях пространства его можно считать постоянным. Сила магнитного поля соленоида пропорциональна силе тока и числу витков. При изменении направления тока меняется и направление магнитного поля.
Опыт Эрстеда
Модель опыт демонстрирует появление магнитного поля вблизи проводника с током.
До 1819 года не было замечено никакой связи между магнитами и электричеством, и никто даже не предполагал, что они могут быть связаны. Чтобы заметить эту связь, достаточно было поместить магнитную стрелку вблизи провода с сильным током. Это сделал впервые в 1819 году профессор Копенгагенского университета Эрстед, читая лекцию об открытиях Гальвани и Вольта. На демонстрационном столе оказались вместе батарея, как у Вольта, и магнитная стрелка на острие. В конце лекции Эрстед, включив ток через провод вблизи стрелки, заметил, что стрелка отклонилась. В опыте Эрстеда используется источник тока, выключатель, провода и реостат, который ограничивает ток в цепи. Магнитная стрелка направлена на север. Прямой участок провода расположен параллельно магнитной стрелке, над ней. При включении тока стрелка поворачивается и устанавливается перпендикулярно проводу. Поворот стрелки означает, что появилось магнитное поле. Причиной его появления стал электрический ток в проводе. Изменим направление тока. Стрелка поворачивается в противоположную сторону. Значит, магнитное поле также изменило свое направление. Для повторения опыта Эрстеда нужен источник тока, выключатель, провода и реостат (который ограничивает ток). Все эти устройства соединяются последовательно. Первоначально магнитная стрелка направлена на север. Расположим провод параллельно магнитной стрелке. При включении тока стрелка поворачивается и устанавливается перпендикулярно проводу. Поворот стрелки означает, что появилось магнитное поле. Причиной его появления стал электрический ток. Изменим направление тока. Стрелка поворачивается в противоположную сторону, т. е. магнитное поле изменило свое направление. Опыт демонстрирует появление магнитного поля вблизи проводника с током. Ток или вообще любые движущиеся заряды создают магнитное поле.
Магнитное поле Земли
Эта совсем простая модель наглядно демонстрирует магнитное поле Земли. Показаны также линии магнитного поля Земли.
Планета Земля обладает собственным магнитным полем. Магнитное поле Земли, на большей части земной поверхности направленное с юга на север,используется для ориентации в незнакомой местности. Компас - это магнитная стрелка (иголка), расположенная на острие так, что может легко поворачиваться в горизонтальной плоскости.Компас можно использовать для определения направлений, благодаря взаимодействию его магнитной стрелки с (очень слабым) магнитным полем Земли. Северный полюс магнитной стрелки направлен в сторону Северного полюса Земли. На рисунке источник магнитного поля Земли показан в виде постоянного стержневого магнита. Показаны линии магнитного поля. Точки пересечения оси этого магнита с поверхностью Земли называют магнитными полюсами Земли: N - северный магнитный полюс Земли, S - южный. (Реальные магнитные полюсы расположены на большой глубине.) Ось магнита не совпадает с осью вращения Земли, поэтому магнитные полюсы Земли не совпадают с ее географическими полюсами. Итак, Земля представляет собой гигантский магнит. Его южный полюс находится вблизи северного географического полюса, а северный - вблизи южного географического полюса. Линии магнитного поля Земли идут с юга на север.
Для описания этого магнитного поля можно считать, что внутри Земли находится гигантский постоянный магнит. На самом деле вопрос о происхождении магнитного поля Земли сложен и связан с ее внутренним строением и с вращением Земли вокруг своей оси.
Поле постоянных магнитов
Модель наглядно демонстрирует линии магнитного поля, создаваемое двумя постоянными магнитами. Взаимное положение магнитов можно изменять.
В простейших опытах с магнитами взаимодействие между ними проявляется как непосредственное действие магнитов (или их полюсов) друг на друга на расстоянии. Ранее в курсе физики уже были рассмотрены поле тяготения( гравитационное поле),создаваемое массами, и электрическое поле, создаваемое электрическими зарядами. Магнитное поле обнаруживается с помощью маленького магнитика (стрелки), который может свободно поворачиваться в пространстве. Все эти три поля в каждой точке пространства характеризуются величиной и направлением. В магнитном поле магнитная стрелка ориентируется определенным образом. Поскольку она сама является маленьким магнитом, то один из ее полюсов всегда притягивается к ближайшему полюсу большого магнита, а другой от него отталкивается. Поскольку магнитная стрелка мала в сравнении с большим магнитом, то силы действующие на ее полюсы по величине приблизительно равны, но направлены в противоположные стороны. Поэтому они всегда поворачивают стрелку вдоль магнитного поля. Таким образом, мы видим, что магнитное поле в каждой точке пространства характеризуется определенным направлением. В этом направлении указывает северный конец маленькой магнитной стрелки, помещенной в эту точку. (2) Модель показывает магнитное поле двух противоположно направленных и последовательно расположенных стержневых магнитов. Магниты отталкиваются друг от друга. (3) Модель показывает магнитное поле двух одинаково направленных и параллельно расположенных стержневых магнитов. Магниты отталкиваются друг от друга. (4) Модель показывает магнитное поле двух противоположно направленных и параллельно расположенных стержневых магнитов. Магниты притягиваются друг к другу. (5) Модель показывает магнитное поле подковообразного магнита, когда вблизи находится железный стержень, притягивающийся к магниту. Железный стержень, приближаясь к магниту все больше и больше, намагничивается,втягивая в себя линии магнитного поля. Магнитное поле в зазорах между стержнем и магнитом усиливается, линии поля становятся гуще. Это используется в технических устройствах: для создания сильного магнитного поля магниты снабжают ферромагнитными наконечниками.
Но для понимания более сложных явлений необходимо использовать понятие магнитного поля.
Так, взаимодействие между электрическими зарядами объясняется тем, что каждый заряд создает вокруг себя электрическое поле, которое действует на другие заряды.
Аналогично, каждый магнит создает вокруг себя магнитное поле, которое действует на другие магниты. Поле тяготения проявляется своим действием на массы, электрическое поле - действием на электрические заряды.
(1) Модель показывает магнитное поле двух одинаково направленных и последовательно расположенных стержневых магнитов. Магниты притягиваются друг к другу. При сближении магнитов внутренние полюсы противоположного типа частично компенсируют друг друга: линии магнитного поля идут из одного полюса в другой. У сдвинутых вплотную магнитов, магнитное поле такое же. как и у одного длинного стержневого магнита.
При сближении магнитов одноименные внутренние полюсы усиливают друг друга.
При сближении магнитов одноименные полюсы усиливают друг друга. Сдвинутые вплотную магниты образуют стержневой магнит.
При сближении магнитов разноименные полюсы ослабляют друг друга. Сдвинутые вплотную магниты образуют магнит с четырьмя слабыми полюсами.
Соприкасаясь с концами магнита, стержень вбирает в себя почти все поле магнита, большая часть силовых линий идет внутри железного стержня. Так работают экраны, используемые для зашиты от магнитного поля.
Линии магнитного поля постоянного магнита
Линии магнитного поля постоянного магнита
Модель наглядно демонстрирует проявление линий магнитного поля в опытах с магнитной стрелкой или опилками. Можно выбрать прямой магнит или подковообразный.
Для получения вида магнитного поля можно использовать железные опилки, насыпав их равномерно на какую-либо поверхность. Намагничиваясь, опилки слипаются, образуя как бы маленькие магнитные стрелки, которые слипаются в линии и дают некоторое представление о структуре магнитного поля. Вблизи магнита можно определить линии, которые в каждой своей точке направлены вдоль магнитного поля в этой же точке. Такие линии называют линиями магнитного поля .Они аналогичны силовым линиям электрического поля. Наглядно магнитное поле изображается линиями поля, которые можно провести так,что направление линии в каждой ее точке совпадает с направлением, по которому поле ориентирует северный (N, синий) конец магнитной стрелки. Причем линии проводятся тем гуще, чем сильнее поле. Можно также считать, что линии поля натянуты и отталкиваются друг от друга. Магнит следует представлять себе окруженным линиями поля, выходящими из северного полюса и входящими в южный. Линии поля не прерываются, а входят в магнит в южном полюсе, проходят внутри магнита к его северному полюсу и выходят из магнита вблизи северного полюса. Напомним, что силовые линии электрического поля начинаются на положительных, а заканчиваются на отрицательных зарядах (или "на бесконечности"). В отличие от электрического поля, магнитных зарядов, на которых могли бы либо начинаться, либо только заканчиваться линии магнитного поля (такой объект называют монополем), в природе не существует . Важно понимать, что линии магнитного поля вводятся лишь для наглядного описания структуры магнитного поля; реально они не существуют. Поэтому при изображении поля линии магнитного поля можно проводить по-разному (и опилки собираются в линии случайным образом). Модель демонстрирует проявление линий магнитного поля в опытах с магнитной стрелкой или опилками. (1) Передвигая срелку, можно увидеть направление магнитного поля в различных точках. Чтобы сравнивать ориентацию стрелки в соседних точках, стрелка оставляет след. (2) Мышкой можно двигать пробирку с опилками. Плотность высыпающихся опилок регулируется. Можно выбрать тип магнита, прямой или подковообразный Опилки под действием магнитного поля становятся маленькими магнитами и выстраиваются друг за другом: голова к хвосту. Таким образом по расположению опилок можно судить о силе и направлении магнитного поля.
Силы, действующие на полюсы маленькой магнитной стрелки, по величине приблизительно равны, но направлены в противоположные стороны. Поэтому они всегда стремятся повернуть стрелку вдоль магнитного поля. Стрелка, свободно поворачивающаяся вокруг своего центра, ориентируется вдоль линии магнитного поля.
Отталкивание магнитов
Модель наглядно демонстрирует отталкивание магнитов. Эксперименты с этой моделью показывают зависимость силы отталкивания магнитов от расстояния между ними.
В модели два магнита в форме дисков помещены в стеклянную трубу. Нижний магнит закреплен, а верхний может свободно перемещаться вдоль трубки. Расположение полюсов магнитов показано цветом. Модель демонстрирует зависимость силы отталкивания магнитов от расстояния между ними. Для этого используются три немагнитных груза с отношением масс 1:2:3. Линейка позволяет измерить расстояние между магнитами. Зависит ли сила отталкивания от расстояния линейно? Отложите измеренные величины на графике сила -расстояние.
Мощность электроприборов
Электрический ток в участке цепи совершает работу. При прохождении электрического тока по проводнику, проводник нагревается. Количество теплоты, выделяемое в проводнике определяется законом Джоуля–Ленца. Модель 10 упражнений на вычисление мощности различных электроприборов.
Электрический ток в участке цепи совершает работу. Часть этой работы изменяет энергию внешних тел (например, если в цепь включен электродвигатель), а другая часть выделяется в проводнике в виде тепла. Величина электрического заряда q, прошедшего за время t через рассматриваемый участок цепи, выражается через ток I, имеем q=I t. Итак, работа тока на участке цепи равна произведению напряжения U на концах этого участка, силы тока I и времени t, в течение которого совершалась работа. Действие тока характеризуется не только работой A, но и мощностью P. Мощность тока показывает, какую работу совершает ток за единицу времени. Если за время t была совершена работа A, то мощность тока P=A/t. Подставляя в это равенство выражение для работы, находим мощность: Итак, чтобы найти мощность P электрического тока, потребляемую цепью, надо силу тока I умножить на напряжение U. В Международной системе единиц (СИ) работу выражают в джоулях (Дж), мощность - в ваттах (Вт), а время - в секундах (с). При этом При прохождении электрического тока по проводнику, проводник нагревается. Количество теплоты, выделяемое в проводнике с током, равно (в зависимости от того, какие две из трех величин U, I, R известны) Этот закон называют законом Джоуля--Ленца. Нагревание током проводника обусловлено взаимодействием носителей тока с атомами или ионами вещества. Точнее, электрическое поле ускоряет носители тока (электроны, ионы), которые при столкновении с атомами или ионами вещества передают им часть своей (избыточной) энергии. В результате этого взаимодействия внутренняя энергия проводника возрастает и он нагревается. Нагретый проводник отдает полученную энергию окружающей среде. Эта энергия и представляет собой то количество теплоты, которое определяется по закону Джоуля-Ленца. Заметим, что температура проводника зависит не только от выделяемой током мощности, но и от скорости отвода тепла.
Вспомним, что напряжение U- это работа, которую совершает электрическое поле при перемещении единичного заряда. Точнее, это отношение совершенной электрическим полем работы A к величине перемещенного заряда q:
Подставляя это в равенство A=qU, получаем:
Взаимодействие магнитов
Модель наглядно демонстрирует взаимодействие магнитов. В модели три магнита в форме дисков помещены в стеклянную трубку. Нижний магнит закреплен, а верхний и средний могут свободно перемещаться вдоль трубки. Эксперименты с этой моделью показывают, что одноименные полюсы магнитов отталкиваются, сила увеличивается при сближении полюсов. А при увеличении расстояния между полюсами сила взаимодействия быстро уменьшается.
В модели три магнита в форме дисков помещены в стеклянную трубку. Нижний магнит закреплен, а верхний и средний могут свободно перемещаться вдоль трубки. Расположение полюсов магнитов показано цветом. Эксперименты с этой моделью показывают, что одноименные полюсы магнитов отталкиваются. Причем, сила увеличивается при сближении полюсов. При увеличении расстояния между полюсами сила быстро уменьшается.
Тренажер: сопротивление участка цепи
Тренажер: сопротивление участка цепи
Модель помогает усвоить и закрепить навыки вычисления сопротивления нескольких соединенных резисторов. Это 30 упражнений.
Во многих случаях ток I через проводник прямо пропорционален приложенному напряжению U. Закон, выражающий эту связь, был установлен в 1827 г. немецким ученым Г. Омом и носит его имя. Выделим в произвольной электрической цепи участок, обладающий сопротивлением R и находящийся под напряжением U. Согласно закону Ома сила тока на участке цепи равна отношению напряжения на этом участке к его сопротивлению. Закон Ома записывается в виде следующей формулы: Коэффициент R называется электрическим сопротивлением (или просто сопротивлением) проводника. Закон Ома устанавливает связь между силой тока I на участке цепи, приложенным напряжением U и сопротивлением участка R.
Единица сопротивления называется омом (Ом). Сопротивление 1 Ом - это сопротивление проводника, в котором при напряжении 1 В сила тока равна 1 А.
Притяжение магнитов
Постоянные магниты действуют на расстоянии и друг на друга, и на некоторые другие металлические предметы. Модель наглядно демонстрирует притяжение магнитов, зависимость силы сопротивления от расстояния между магнитами. В модели два магнита в форме дисков помещены в стеклянную трубку, нижний магнит закреплен, а верхний может свободно перемещаться вдоль трубки.
Постоянные магниты действуют на расстоянии и друг на друга, и на некоторые другие металлические предметы.У магнита есть места, которые выделяются среди остальных особенно сильным действием на другие предметы. Такие места называются полюсами постоянного магнита. Простейший магнит в форме стержня или подковы имеет два полюса. Полюсы бывают двух типов: северные (условно отмечаются синим цветом) и южные (отмечаются красным цветом). При взаимодействии магнитов одноименные полюсы отталкиваются, а разноименные - притягиваются. Сила взаимодействия зависит от расстояния: чем меньше расстояние, тем больше сила. С увеличением расстояния взаимодействие магнитов быстро убывает. Магниты притягивают некоторые металлы и сплавы, а с другими веществами взаимодействуют настолько слабое, что пракимчески не заметно. Магниты могут намагничивать некоторые предметы, т.е. вблизи магнита эти предметы ведут себя подобно постоянным магнитам и остаются магнитными и тогда, когда все другие магниты убирают. Вещества, которые сильно намагничиваются вблизи магнита, называются ферромагнитными. Они содержат атомы железа, никеля, кобальта или некоторых других веществ. В модели два магнита в форме дисков помещены в стеклянную трубку. Нижний магнит закреплен, а верхний может свободно перемещаться вдоль трубки. Расположение полюсов магнитов показано цветом.
Удельное сопротивление
Сопротивление проволоки из однородного проводника постоянного поперечного сечения зависит от материала проводника, его длины проволоки и площади ее поперечного сечения. Материал характеризуется удельным сопротивлением. В модели показаны две схемы с проволочными сопротивлениями, параметры которых можно изменять.
Сопротивление R проволоки из однородного проводника постоянного поперечного сечения зависит от материала проводника, его длины l и площади поперечного сечения S и выражается формулой где ρ - удельное сопротивление вещества, из которого изготовлен проводник. Удельное сопротивление вещества - это физическая величина, показывающая, каким сопротивлением обладает сделанный из этого вещества проводник единичной длины и единичной площади поперечного сечения. В СИ единицей сопротивления является 1 Ом, единицей площади 1 м², а единицей длины 1 м, поэтому единицейудельного сопротивления в СИ будет 1 Ом·м²/м, или 1 Ом·м. На практике площадь сечения тонких проводов часто выражают в квадратных миллиметрах (мм²). В этом случае более удобной единицей удельного сопротивления является Ом ·мм²/м. Так как 1 мм² = 0,000001 м², то 1 Ом·мм²/м=0,000001 Ом·м. Удельное электрическое сопротивление ρ некоторых металлов, Ом ·мм²/м (при t=20ºC) Среди металлов наименьшим удельным сопротивлением обладают серебро, медь и алюминий. Эти металлы являются наилучшими проводниками электричества и применяются для изготовления проводов. Сопротивление медной проволоки очень мало. На практике его надо учитывать только если проволока очень тонкая, или же она очень длинная. Действительно, Если l=1 м, то проволока имеет сопротивление 1 Ом при S≈ 0,017· мм², т. е. при диаметре d=√4S/π ≈ 0,147мм. Если S=1мм², то сопротивление проволоки равно 1 Ом при l ≈ 5м.
Разламывание магнитов
Модель наглядно демонстрирует, что происходит при разламывании магнитов.
Магниты одинаковой формы могут быть по-разному намагничены, т.е. иметь различное расположение полюсов и различную силу намагниченности. Важным свойством магнитов является то, что магнит всегда имеет и северный, и южный полюсы. Удивительным свойством магнитов состоит в том, что если разломать магнит, то каждый обломок остается магнитом. Если продолжать разламывание магнита, то мы дойдем до субатомных масштабов, и увидим, что составные частицы атома - электроны, протоны и нейтроны сами являются магнитами с парой полюсов. При этом лишь очень немногие вещества являются магнитами. Итак, если магнит разломать на куски, то каждый из кусков сохранит магнитные свойства,причём каждый из них будет иметь по крайней мере один северный полюс и один южный.
Точнее, разделить магнитные полюсы так, чтобы получить магнит с одним полюсом, то есть только с северным или только с южным полюсом нельзя.
Реостат
Реостат – переменное сопротивление. Модель наглядно демонстрирует использование реостата для изменения яркости свечения электрической лампочки.
Резистором(от лат. resisto - сопротивляюсь) называют деталь, имеющую заданное электрическое сопротивление и использующееся в электрических устройствах. Сопротивление резистора указывают на его корпусе либо в виде числового значения, либо в закодированной форме (например, в виде набора определенных цветных полосок). Условное обозначение резистора на принципиальных схемах: В зависимости от материала, из которого изготовлена токопроводящая часть резистора, различают металлические, углеродистые, керамические и другие резисторы. Для защиты от пыли, влаги и механических повреждений снаружи их покрывают стеклоэмалью или каким-либо другим твердым материалом. Существуют резисторы, как с постоянным сопротивлением, так и с переменным. К последним относятся реостаты. Условное обозначение реостата на принципиальных схемах: Действие реостатов основано на зависимости сопротивления проводника от его длины. Конструкция реостатов позволяет изменять длину участка, по которому идет ток. При увеличении этой длины сопротивление реостата возрастает, при уменьшении - убывает. Изменяя сопротивление цепи можно влиять на силу тока в ней, устанавливая необходимое действие тока в различных устройствах. Реостаты позволяют эти действия как усиливать, так и ослаблять.
Постоянные магниты
Модель наглядно демонстрирует силу взаимодействия двух магнитов, притяжение и отталкивание.
Магнитная железная руда, по-видимому, была первым магнитным явлением, с которым встретились люди в глубокой древности, но систематическое изучение этого явления началось лишь пару сотен лет. Теперь научились создавать искусственные магниты и эффективно использовать их в различных технических устройствах. Постоянный магнит представляет собой намагниченное тело (в виде подковы, полосы, стержня, шайбы, кольца и т. д.), сохраняющее намагниченность в течение длительного времени. Магниты притягивают некоторые металлы и сплавы, а с другими веществами взаимодействуют настолько слабо, что влияние магнита практически не заметно. Постоянные магниты действуют (притягиваются или отталкиваются) на расстоянии и друг на друга. Различные участки постоянного магнита притягивают железные предметы по-разному. Участки магнита, которые притягивают другие предметы наиболее сильно, называются полюсами магнита Участки магнита, где притяжение практически отсутствует, называется нейтральной зоной магнита . Искусственные магниты в виде подковы или стержня всегда имеют два полюса на концах полосы и нейтральную зону между ними. Соотношение между размерами полюсных областей и нейтральной зоны магнита зависит от его формы. Простейший магнит в форме стержня или подковы имеет два полюса. Полюсы бывают двух типов: северные и южные . Обычно северный полюс магнита окрашивают синей краской (и обозначают буквой N), южный полюс магнита окрашивают красной краской (и обозначают буквой S). При взаимодействии магнитов одноименные полюсы отталкиваются, а разноименные - притягиваются. Сила взаимодействия зависит от расстояния: чем меньше расстояние, тем больше сила. С увеличением расстояния взаимодействие магнитов быстро убывает. В наиболее простых случаях постоянный магнит представляет собой тело (в виде подковы, полосы, шайбы, стержня и т. д.) из специального материала, прошедшее термическую обработку и намагниченное до насыщения. Магнитная стрелка - это маленький постоянный магнит в форме длинного тонкого стержня. Магнитная стрелка, установленная на острие иглы (или подвешенная) так, чтобы стрелка могла свободно вращаться, - это простейший компас. Северный (красный) конец магнитной стрелки компаса указывает на географический север Земли, Компас используют для ориентирования на местности. Магнитные характеристики постоянных магнитов ухудшаются в результате старения. Постоянные магниты теряют свои магнитные свойства при сильном нагреве.
а противоположный (синий) - на юг.
Гирлянда
Модель наглядно демонстрирует устройство гирлянды, составленной из последовательно и параллельно соединенных лампочек с разными сопротивлениями. Наглядно показано вычисление сопротивления такой гирлянды.
Это пример практического использования последовательного и параллельного соединения проводников. Гирлянда составлена из различных лампочек. Чтобы обеспечить нужный ток через каждую лампочку, одинаковые лампочки (т.е. лампочки с одинаковым током) соединены последовательно, а цепи из одинаковых лампочек соединены параллельно. Количество последовательно соединяемых одинаковых лампочек зависит от их рабочего напряжения (или тока). Если рабочее напряжение лампочки равно Uл, то при подключении гирлянды к сети напряжением U0 необходимо соединить последовательно n лампочек. Чтобы лампочка не сгорела должно выполняться неравенство Для наглядности показано, как электрическая цепь гирлянды преобразуется в один резистор. Замечание. Сопротивление лампочки в холодном состоянии значительно меньше, чем в рабочем (очень горячем). Сопротивление лампочки в рабочем состоянии можно найти по закону Ома где Uл - рабочее напряжение лампочки, Iл - рабочий ток лампочки.