ΦΥΣΙΚΑ ΣΤ΄
Ηλεκτρομαγνητισμός
Θεωρία, πειράματα, δραστηριότητες
Embedded Files
Εισαγωγή
Εισαγωγή
Με μια ματιά...
Οι μαγνήτες μπορεί να είναι φυσικοί ή τεχνητοί. Οι φυσικοί δημιουργήθηκαν χάρη στο μαγνητικό πεδίο της Γης, ενώ οι τεχνητοί κατασκευάζονται από σιδηρομαγνητικά υλικά με τη βοήθεια του ηλεκτρικού ρεύματος.
Η μαγνητική δύναμη ασκείται με επαφή αλλά και από απόσταση.
Οι ομώνυμοι μαγνητικοί πόλοι απωθούνται, ενώ οι ετερώνυμοι έλκονται.
Όταν ένα καλώδιο διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα, αποκτά μαγνητικές ιδιότητες.
Όταν ένα καλώδιο που διαρρέται από ρεύμα έχει τη μορφή πηνίου, οι μαγνητικές ιδιότητες είναι εντονότερες.
Τοποθετώντας μια ράβδο από σίδηρο στο εσωτερικό ενός πηνίου φτιάχνουμε έναν ηλεκτρομαγνήτη. Οι μαγνητικές ιδιότητες του ηλεκτρομαγνήτη είναι πολύ πιο έντονες από αυτές του πηνίου.
Όταν ένας μαγνήτης περιστρέφεται μέσα σε ένα πηνίο, τότε το πηνίο διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα. Αυτό το φαινόμενο αξιοποιείται στις γεννήτριες.
Οι γεννήτριες είναι συσκευές που προκαλούν τη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος, μετατρέποντας ενέργεια διαφόρων μορφών σε ηλεκτρική.
Γλωσσάρι...
Μαγνήτες ονομάζονται τα σώματα που έχουν την ιδιότητα να έλκουν ορισμένα υλικά, όπως ο σίδηρος, το νικέλιο και το κοβάλτιο.
Σιδηρομαγνητικά ονομάζονται τα υλικά που έλκονται από τους μαγνήτες.
Μαγνητικοί πόλοι ονομάζονται οι δύο περιοχές του μαγνήτη στις οποίες οι μαγνητικές ιδιότητες είναι εντονότερες.
Πηνίο ονομάζεται ένα καλώδιο ή σύρμα, όταν είναι τυλιγμένο με σχήμα ελατηρίου.
Ο ηλεκτρομαγνήτης αποτελείται από ένα πηνίο, στο εσωτερικό του οποίου έχει τοποθετηθεί ράβδος από σίδηρο.
Γεννήτριες ονομάζονται οι συσκευές με τις οποίες μετατρέπουμε ενέργεια διαφόρων μορφών σε ηλεκτρική.
«Το βλέμμα του με τραβά σαν μαγνήτης.»
«Με μαγνητίζει ο τρόπος που μιλάς.»
Τι σημαίνει «με τραβά σαν μαγνήτης»; Μήπως σημαίνει με έλκει, με αναγκάζει να εστιάσω την προσοχή μου και να προσανατολιστώ; Από ποια σώματα έλκουν την καταγωγή τους αυτές οι εκφράσεις; Ποιες ιδιότητες είναι αυτές που μεταφέρουμε στην καθημερινή μας ζωή για να δείξουμε έλξη προς κάποιον ή κάτι;
Τα μαγνητικά φαινόμενα απασχόλησαν τον άνθρωπο εδώ και χιλιάδες χρόνια. Χάρη στη μελέτη τους κατασκευάστηκε η πυξίδα που επέτρεψε στους θαλασσοπόρους να ξεκινήσουν τα μακρινά ταξίδια της ανακάλυψης νέων τόπων. Με τις ανακαλύψεις ήρθαν σε επαφή διαφορετικοί πολιτισμοί και άγνωστα πολύτιμα αγαθά μεταφέρθηκαν από τη μία γωνία της γης στην άλλη. Το εμπόριο άνθησε και το βιοτικό επίπεδο των ανθρώπων βελτιώθηκε.
Τα πειράματα του Δανού φυσικού Hans Christian Oersted (1777-1851) το 1820 με μπαταρίες-πηγές ηλεκτρικής ενέργειας, τον οδήγησαν στο συμπέρασμα ότι το ηλεκτρικό ρεύμα προκαλεί μαγνητικά φαινόμενα και είχαν ως αποτέλεσμα την κατασκευή του ηλεκτρομαγνήτη που χρησιμοποιούμε σήμερα στα κουδούνια, στα τηλέφωνα και για να σηκώσουμε σιδερένια αντικείμενα μεγάλης μάζας, όπως τα παλιά αυτοκίνητα.
Τα πειράματα των Michael Faraday (1791-1867) και Joseph Henry (1797-1878) απέδειξαν ότι και οι μαγνήτες που περιστρέφονται μέσα σε ένα πηνίο προκαλούν τη ροή ηλεκτρονίων, δηλαδή ηλεκτρικό ρεύμα. Η ηλεκτρογεννήτρια που χρησιμοποιείται για τη μετατροπή μιας άλλης μορφής ενέργειας σε ηλεκτρική στο δυναμό του ποδηλάτου, στα υδροηλεκτρικά και θερμοηλεκτρικά εργοστάσια και στις ανεμογεννήτριες ήταν το αποτέλεσμα της ανακάλυψής τους.
Στις μαγνητικές ιδιότητες των υλικών στηρίζουν τη λειτουργία τους πολλές τεχνολογικές εφαρμογές που δεν έχουμε σκεφτεί ότι έχουν «κρυμμένους» μαγνήτες. Από τα μαγνητάκια που συγκρατούν τα σημειώματα στην πόρτα του ψυγείου, τα μεγάφωνα των ηχείων και το ακουστικό του τηλεφώνου, τις δισκέτες αποθήκευσης δεδομένων στους υπολογιστές και τις κασέτες ήχου, μέχρι τις κάρτες που χρησιμοποιούνται στις τράπεζες για ανάληψη μετρητών και την πιο εξελιγμένη διαγνωστική ιατρική μέθοδο, τη μαγνητική τομογραφία, όλα είναι τεχνολογικές εφαρμογές των μαγνητικών φαινομένων.
Φιλλένια Σιδέρη - Νότα Λαζαράκη
ΦΕ1: Ο μαγνήτης
ΦΕ1: Ο μαγνήτης
Η χαρακτηριστική ιδιότητα των μαγνητών είναι η ελκτική δύναμη που ασκούν σε ορισμένα υλικά που ονομάζονται σιδηρομαγνητικά, στο σίδηρο, στο νικέλιο και στο κοβάλτιο. Οι μαγνητικές ιδιότητες οφείλονται στον τρόπο με τον οποίο κινούνται τα ηλεκτρόνια γύρω από τους πυρήνες στα άτομα των μαγνητών.
Οι μαγνήτες μπορεί να έχουν το σχήμα μιας ράβδου, οπότε ονομάζονται ραβδόμορφοι, το σχήμα πέταλου, οπότε ονομάζονται πεταλοειδείς, ή οποιοδήποτε άλλο σχήμα. Όλοι οι μαγνήτες έχουν δύο περιοχές, στις οποίες οι μαγνητικές ιδιότητες είναι εντονότερες. Τις περιοχές αυτές τις ονομάζουμε πόλους του μαγνήτη. Οι όμοιοι πόλοι των μαγνητών απωθούνται, ενώ οι διαφορετικοί έλκονται.
Οι μαγνήτες προσανατολίζονται σύμφωνα με το μαγνητικό πεδίο της Γης. Το μαγνητικό πεδίο αυτό οφείλεται σε ηλεκτρικά φορτία που βρίσκονται σε κίνηση στο εσωτερικό του πλανήτη μας. Το άκρο του μαγνήτη που προσανατολίζεται προς το βόρειο γεωγραφικό πόλο της Γης το ονομάζουμε βόρειο πόλο, ενώ το άκρο που προσανατολίζεται στο νότιο γεωγραφικό πόλο της Γης, νότιο πόλο. Οι μαγνήτες διακρίνονται σε φυσικούς και σε τεχνητούς. Οι φυσικοί μαγνήτες είναι ορυκτά υλικά. Δημιουργήθηκαν χάρη στο μαγνητικό πεδίο της Γης. Οι τεχνητοί μαγνήτες κατασκευάζονται με τη βοήθεια του ηλεκτρικού ρεύματος.
Μαγνητικά υλικά (πείραμα)
Μαγνητικές ιδιότητες (πείραμα)
Ο μαγνήτης έλκει & έλκεται (πείραμα)
ΦΕ2: Ο μαγνήτης προσανατολίζεται
ΦΕ2: Ο μαγνήτης προσανατολίζεται
Βόρειος ή νότιος πόλος: ένα μικρό μπέρδεμα...
Η μαγνητική βελόνα μιας πυξίδας προσανατολίζεται πάντα προς τον Βορρά, επειδή η Γη συμπεριφέρεται ως τεράστιος μαγνήτης. Ο νότιος πόλος του γήινου μαγνήτη, ο νότιος μαγνητικός πόλος της Γης, βρίσκεται κοντά στο βόρειο γεωγραφικό πόλο, ενώ ο βόρειος πόλος του γήινου μαγνήτη, ο βόρειος μαγνητικός πόλος της Γης βρίσκεται κοντά στο νότιο γεωγραφικό. Το χρωματισμένο άκρο δηλαδή της πυξίδας που δείχνει τον γεωγραφικό Βορρά, δείχνει τον νότιο μαγνητικό πόλο, είναι λοιπόν ο βόρειος πόλος του μαγνήτη της πυξίδας.. Ουφ! Όταν προσανατολιζόμαστε με τη χρήση της πυξίδας, δεν πρέπει να ξεχνάμε ότι η πυξίδα «δείχνει» προς τον μαγνητικό πόλο που βρίσκεται κοντά αλλά όχι ακριβώς εκεί που είναι ο γεωγραφικός πόλος.
Η Γη δημιουργεί γύρω της ένα μαγνητικό πεδίο. Το μαγνητικό πεδίο της Γης μοιάζει με αυτό ενός τεράστιου ραβδόμορφου μαγνήτη. Ο βόρειος μαγνητικός πόλος βρίσκεται κοντά στον νότιο γεωγραφικό πόλο, δε συμπίπτει όμως με αυτόν. Η απόστασή τους είναι περίπου 3.000 χμ. Αντίστοιχα ο νότιος μαγνητικός πόλος βρίσκεται κοντά στον βόρειο γεωγραφικό πόλο. Οι ναυτικοί, όταν προσανατολίζονται με την πυξίδα, πρέπει να λάβουν υπόψη τους την απόσταση αυτή και να κάνουν τις απαραίτητες διορθώσεις.
Οι μαγνήτες αλληλοεπιδρούν (πείραμα)
Τρεις μαγνήτες προσανατολίζονται (πείραμα)
ΦΕ3: Από τον ηλεκτρισμό στον μαγνητισμό - Ο ηλεκτρομαγνήτης
ΦΕ3: Από τον ηλεκτρισμό στον μαγνητισμό - Ο ηλεκτρομαγνήτης
Μια από τις σημαντικότερες ανακαλύψεις για την εξέλιξη της τεχνολογίας ήταν η διαπίστωση της στενής σχέσης μεταξύ των ηλεκτρικών και των μαγνητικών φαινομένων. Το 1820 ο Hans Christian Oersted παρατήρησε ότι η μαγνητική βελόνα μίας πυξίδας εκτρέπεται από τη θέση ισορροπίας της, όταν αυτή βρίσκεται κοντά σε αγωγό που διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα. Τα χρόνια που ακολούθησαν αποδείχτηκε ότι η σχέση μαγνητισμού και ηλεκτρισμού είναι πολύ πιο «στενή» απ' ότι αρχικά γνωρίζαμε. Γι' αυτό και το σωστό είναι ο μαγνητισμός και ο ηλεκτρισμός να μελετώνται παράλληλα. Η ονομασία που έχει επικρατήσει σήμερα λοιπόν, για τα φαινόμενα τόσο του ηλεκτρισμού όσο και του μαγνητισμού, είναι ηλεκτρομαγνητισμός.
Oι μαγνητικές ιδιότητες που αποκτά ένας αγωγός, όταν διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα είναι πιο έντονες, όταν ο αγωγός έχει σχήμα πηνίου, όταν είναι δηλαδή τυλιγμένος σπειροειδώς, όπως ένα ελατήριο. Το μαγνητικό πεδίο που δημιουργείται, όταν ένα πηνίο διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα, είναι όμοιο με το μαγνητικό πεδίο ενός ραβδόμορφου μαγνήτη.
Όταν μέσα στο πηνίο τοποθετείται οπλισμός από σιδηρομαγνητικό υλικό, όπως για παράδειγμα από σίδηρο, οι μαγνητικές ιδιότητες είναι ακόμη εντονότερες. Η διάταξη αυτή, λόγω της όμοιας συμπεριφοράς της με τους ραβδόμορφους μόνιμους μαγνήτες, ονομάζεται ηλεκτρομαγνήτης. Για να κατασκευάσουμε έναν απλό ηλεκτρομαγνήτη, αρκεί να τυλίξουμε γύρω από ένα καρφί ένα μονωμένο χάλκινο καλώδιο, τα άκρα του οποίου συνδέονται στους πόλους μιας μπαταρίας. O ηλεκτρομαγνήτης, όπως και ο μόνιμος μαγνήτης, έλκει τα μαγνητικά υλικά (σίδηρο, νικέλιο, κοβάλτιο) και έχει βόρειο και νότιο μαγνητικό πόλο. Η βασική διαφορά του ηλεκτρομαγνήτη από τον μόνιμο μαγνήτη είναι ότι οι μαγνητικές ιδιότητες του ηλεκτρομαγνήτη εξαρτώνται από τη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος.
Από τον ηλεκτρισμό στον μαγνητισμό
Ο ηλεκτρομαγνήτης και οι συνδετήρες (πείραμα)
Ο ηλεκτρομαγνήτης και η πυξίδα (πείραμα)
Ο ηλεκτρομαγνήτης και η φορά ροής του ηλεκτρικού ρεύματος (πείραμα)
Ηλεκτρομαγνητικός γερανός: Πώς λειτουργεί
Κατασκευή ηλεκτρομαγνήτη
ΦΕ4: Από τον μαγνητισμό στον ηλεκτρισμό - Η ηλεκτρογεννήτρια
ΦΕ4: Από τον μαγνητισμό στον ηλεκτρισμό - Η ηλεκτρογεννήτρια
Λίγα χρόνια μετά τις παρατηρήσεις του Hans Christian Oersted το 1820, ο οποίος απέδειξε ότι ένας αγωγός αποκτά μαγνητικές ιδιότητες, όταν ρέει μέσα του ρεύμα, οι Michael Faraday και Joseph Henry, ανεξάρτητα ο ένας από τον άλλο, απέδειξαν ότι συμβαίνει και το αντίστροφο, δηλαδή ότι ένας μαγνήτης που περιστρέφεται μέσα σε ένα πηνίο προκαλεί τη ροή ηλεκτρικού ρεύματος. Στην ανακάλυψη αυτή στηρίζεται η λειτουργία των γεννητριών, των συσκευών στις οποίες η περιστροφή ενός μαγνήτη τοποθετημένου μέσα σε ένα πηνίο προκαλεί τη ροή ηλεκτρικού ρεύματος.
Το ηλεκτρικό ρεύμα προκαλεί μαγνητικά αποτελέσματα αλλά και το αντίστροφο. Η κίνηση ενός μαγνήτη με συγκεκριμένο τρόπο προκαλεί τη ροή του ηλεκτρικού ρεύματος, την κίνηση δηλαδή των ελεύθερων ηλεκτρονίων. Μπορούμε δηλαδή να «πάμε» από τον ηλεκτρισμό στον μαγνητισμό αλλά και αντίστροφα, από τον μαγνητισμό στον ηλεκτρισμό. Ο ηλεκτρισμός και ο μαγνητισμός, λοιπόν, είναι φαινόμενα που έχουν στενή σχέση μεταξύ τους και δεν μπορούν να μελετηθούν ανεξάρτητα. Γι' αυτό ονομάζουμε τα φαινόμενα αυτά ηλεκτρομαγνητικά.
Από τον μαγνητισμό στον ηλεκτρισμό
Υδροηλεκτρικό εργοστάσιο
Επανάληψη ενότητας
Επανάληψη ενότητας
Page updated
Google Sites
Report abuse