Na základní stránku projektu Heuréka
 Související články a materiály

Projekt Heuréka – příklad metodiky výuky

Elektromagnetismus

 

(tematický celek, určený pro výuku žáků 8. či 9. ročníku ZŠ)

© Irena Koudelková, 1992-2004

Předpokládáme znalost elektrostatiky, elektrických obvodů a příslušných veličin (napětí, proud, odpor) a magnetického pole trvalého magnetu (včetně indukčních čar).

Na začátku tématu je vhodné děti upozornit na to, že až do začátku devatenáctého století se vyvíjely dvě větve fyziky – magnetismus a elektrostatika s elektřinou – zcela nezávisle. Teprve díky experimentům dánského fyzika Hanse Christiana Oersteda (1777-1851) provedených v letech 1819-1820 byly objeveny magnetické účinky elektrického proudu.

Sled doporučených pokusů, úkolů a úvah:

I.                   Magnetické pole v okolí vodiče

1.      Oerstedův pokus – proud ve vodiči ovlivňuje střelku kompasu.
Úkol – zjistit pomocí kompasu tvar siločar magnetického pole vodiče s proudem. (Pozn. v dalším textu používám tvar siločára místo fyzikálně přesnějšího termínu indukční čára. Domnívám se, že je tento termín pro děti srozumitelnější.)

Z předchozích hodin děti vědí, že mohou zjistit tvar siločar magnetu pomocí kompasu. Stejnou metodu teď přirozeně použijí i při řešení tohoto úkolu. Pokud by si děti nevěděly rady s nejvhodnějším uspořádáním experimentu, může jim učitel poradit, aby zkusily pokládat kompas nad vodič a pod vodič tak, aby byla střelka vždy rovnoběžná s vodičem bez proudu. Potom na okamžik sepnou proud k ploché baterii do zkratu. Sledují směr pohybu střelky v obou případech. Pak vymění směr proudu a pokus opakují.

Pozorují, že střelka kompasu položeného nad vodičem se při daném směru proudu otočí jedním směrem, pod vodičem se otočí opačným směrem. Z těchto experimentů mohou udělat závěr, že siločáry mají tvar orientovaných soustředných kružnic uzavřených kolem vodiče. Požádejte je, aby vám pomocí busoly dokázaly tvar siločar „na boku“ vodiče, nejen nad ním a pod ním (busola neukazuje směr nahoru a dolů). Je třeba, aby děti udělaly myšlenkový krok, při kterém si uvědomí, že stačí umístit vodič vertikálně. Při této poloze vodiče již mohou vodič busolou „objet“.

Při všech úvahách a experimentech je třeba uvažovat vliv magnetického pole Země. (Je třeba umisťovat kompas dostatečně blízko vodiče, ve velké vzdálenosti již pokus není průkazný.)

2.      Závěr – magnetické pole přímého vodiče

Magnetické pole přímého vodiče má tvar orientovaných soustředných kružnic. Ve větší vzdálenosti je magnetické pole slabší. Děti z výše uvedených experimentů mohou udělat také závěr, že siločáry tvoří šroubovici otočenou kolem vodiče. Pokud si uvědomíte výsledek skládání magnetického pole vodiče a Země, může být jejich odpověď vlastně správná a odpovídající realitě. Doporučuji je za jejich úvahy pochválit a říci jim, že magnetické pole samotného vodiče má tvar kružnic.

Máte-li k dispozici silný zdroj stejnosměrného proudu, můžete na okamžik zapojit vodič (umístěný vertikálně) do zkratu k tomuto zdroji a znázornit tvar siločar vodiče pomocí železných pilin, nasypaných na vhodnou podložku (např. čtvrtku papíru), kterou je vodič provlečen.

3.      Jaký směr mají šipky u orientovaných kružnic, jestliže uděláme z vodiče smyčku?

Děti si vezmou do ruky vodič a z prstů udělají kroužky kolem něj, znázorňující orientované kružnice siločar magnetického pole. Potom uvažují, zda šipky uvnitř smyčky mají stejný směr (síly se sčítají) nebo opačný směr (síly se odčítají). Dojdou k závěru, že síla uvnitř smyčky je větší, neboť příspěvky částí vodiče se sčítají. (Pozn. pro „puntičkáře“: Pro jednoduchost a názornost zde mluvíme o silách, protože s jejich skládáním mají děti zkušenosti. V případě magnetického pole by, striktně vzato, šlo o sílu, jíž pole působí na magnetický monopól, což dětem ovšem neříkáme.)

4.      Jak získat silnější magnetické pole vodiče s proudem?

Děti doveďte k závěru, že mohou buď použít silnější proud ve vodiči, nebo namotat z vodiče několik smyček – tedy vytvořit cívku.

5.      Určete tvar magnetického pole cívky.

Děti mohou zjistit tvar magnetického pole cívky sledováním střelky kompasu při pohybu busoly kolem cívky. Je také vhodné demonstrovat tvar siločar nasypáním železných pilin kolem cívky, zapojené k silnému zdroji proudu. Děti obvykle samy udělají závěr, že magnetické pole cívky je hodně podobné magnetickému poli tyčového magnetu.

6.      Navrhněte, jak vyrobit měřák proudu jen s pomocí vodiče a busoly.

Děti mohou dospět k různým návrhům, optimální řešení (a v dřívějších dobách i řešení používané) je namotat z vodiče cívku kolem busoly a položit busolu tak, aby střelka busoly byla rovnoběžná se závity cívky. Pokud nyní zapojíme cívku ke zdroji, začne na střelku působit síla kolmá na směr magnetické indukce Země a střelka se pootočí. Úhel otočení (přesněji tangens tohoto úhlu) je závislý na poměru mezi magnetickou silou cívky a Země. Proto se tento jednoduchý měřák nazývá tangentová busola. Můžete s dětmi uvažovat o tom, jaké výhody a nevýhody by mělo používání tohoto měřáku v praxi.

7.      Znáte ještě nějaké další zařízení, které využívá toho, že v okolí vodiče s proudem vzniká magnetické pole?

Děti si často uvědomí, že znají elektromagnet, který se používá např. při třídění kovového odpadu. Jako dobrovolný domácí úkol si mohou elektromagnet vyrobit (stačí jim k tomu silnější hřebík, vodič a plochá baterie) a použít ho třeba k vyndání ocelového šroubku zapadlého mezi parkety.

II.                 Vzájemné působení magnetu a vodiče s proudem

1.      Zkoumejte chování vodiče mezi dvěma trvalými magnety.

Děti vloží tenký vodič mezi dva přitahující se trvalé magnety, na okamžik zapojí proud do vodiče, sledují pohyb vodiče. Mohou otočit směr proudu ve vodiči, případně obrátit oba magnety a pozorovat výsledek těchto variant pokusů.

Pomocí skládání siločar magnetického pole se pokusí vysvětlit vznik síly, která se snaží vodič vysunout z prostoru mezi magnety. Mohou přitom použít model, který pochází již od Michaela Faradaye (1791-1867), ve kterém si siločáry magnetického pole představují jako natažené gumičky. Z představy o chování gumiček odvodí vlastnosti siločar složeného magnetického pole. (Tento způsob odvození je pro děti velmi názorný, jeho přesnější popis a rozbor by však vyžadoval více místa, snad se k němu někdy vrátíme např. na webových stránkách Heuréky.)

2.      Zkoumejte chování cívky v magnetickém poli magnetů.

Děti zavěsí cívku namotanou z tenkého drátu tak, aby se mohla volně otáčet. Z boku k ní přiloží dva přitahující se trvalé magnety a zapojí přívod proudu. Pozorují natočení cívky a případně její přiskočení k magnetu. Opět je možné provést superpozici obou magnetických polí a z výsledného tvaru siločar zdůvodnit natáčení cívky.

3.      Využití pozorovaného jevu v praxi
Nechte děti prozkoumat princip jednoduchých přístrojů, které využívají výše uvedený jev:

§         školní galvanometr – malý magnet s připevněnou ručičkou se vkládá do cívky

§         motorek

§         demonstrační měřicí přístroj

§         reproduktor

III.              Shrnutí poznatků a vytvoření hypotézy

Z předchozích experimentů můžeme sestavit dvě „rovnice“

Proud + (pohyb)      magnet

Magnet + proud       pohyb

V první rovnici je slovo pohyb v závorce, neboť pohyb je vlastně již přítomen ve slově proud (tj. uspořádaný pohyb nábojů). Z důvodu symetrie ho však v rovnici uvádím.

Můžeme uvažovat, zda by platila i třetí „rovnice“

Magnet + pohyb      proud

Nechte děti navrhovat, jaký bychom museli provést experiment, abychom ověřili, zda tato „rovnice“ platí.

Odbočka pro nedůvěřivé učitele a zvídavé žáky a studenty:

Výše uvedené „rovnice“ lze napsat i pomocí vzorců klasické fyziky. Tím se již ovšem dostáváme až na středoškolskou či úvodní vysokoškolskou úroveň. To, že proud budí magnetické pole, plyne z jedné z Maxwellových rovnic; působení magnetu na proud (tedy na pohybující se náboje) zas popisuje Lorenzova síla. Skutečnost, že při pohybu magnetu u proudové smyčky se ve smyčce indukuje napětí (a při uzavření obvodu proud), je dána Faradayovým zákonem elektromagnetické indukce, tedy vlastně také jednou z Maxwellových rovnic…

IV.             Elektromagnetická indukce

1.      Úvodní experimenty

Děti zřejmě navrhnou experiment, při kterém budou hýbat magnetem kolem vodiče, připojeného k ampérmetru. Máte-li dostatečně citlivý ampérmetr a silný magnet, je možné, že bude výchylka pozorovatelná. (Potřebná citlivost je na úrovni mikroampérů.) Pravděpodobnější však je, že budete muset děti dovést k tomu, že je vhodnější použít k tomuto experimentu cívku. Děti sledují pohyb ručičky měřáku (použijte ampérmetr s nulou uprostřed) v závislosti na pohybu a vlastnostech magnetu a cívky (mohou měnit rychlost pohybu magnetu, vzdálenost od cívky, sílu použitého magnetu, počet závitů cívky, použít jádro, apod.). Přitom popisují, na čem závisí indukovaný proud. Všímají si také toho, že se ručka měřáku pohybuje na obě strany od nulové hodnoty, čili proud jde „tam a zpět“. Stále se jedná pouze o kvalitativní pokusy.

2.      Základní pojmy, závěry z pozorování

Po úvodních experimentech shrňte společně s dětmi získané poznatky, zaveďte a vysvětlete pojmy elektromagnetická indukce (indukce = vzbuzení, srovnejte se známým jevem elektrostatické indukce), střídavý proud. Děti by měly být schopné odpovědět na otázku, proč ampérmetr neukazuje výchylku, když je magnet sice uvnitř cívky, ale v klidu.

3.      Využití v praxi

Nechte děti vyrábět indukované napětí (a proud) pomocí generátoru nebo motorku zapojeného jako generátor a vlastní silou tak rozsvítit žárovku nebo svítivou diodu.

Máte-li k dispozici generátory ze školní žákovské soupravy, můžete nechat děti zapojovat svítivé diody k jedněm či druhým zdířkám a pozorovat rozdíly mezi střídavým a usměrněným proudem.

Děti bude také zajímat telefon vyrobený pouze propojením dvou reproduktorů (přičemž při rozhovoru funguje jeden reproduktor jako mikrofon).

V.               Další experimenty, propojování získaných poznatků

Proveďte níže uvedené experimenty (a libovolné další, které znáte), nechte děti vysvětlovat princip, hledat aplikaci tří „rovnic“, o kterých jste mluvili dříve.

§         Zavěste na nit uzavřený kovový prstýnek z nemagnetického materiálu (stříbro, zlato, mosaz, apod.). Budete-li pohybovat silným magnetem blízko prstýnku, prstýnek se začne natáčet nebo kývat.

§         Navlékněte dvě cívky na společné jádro. K jedné cívce připojte přes spínač plochou baterii, ke druhé ampérmetr. Děti vysvětlují jevy, které pozorují při zapnutí, průchodu a vypnutí proudu.

VI.             Střídavý proud

Dle vlastní úvahy a časových možností můžete pokračovat ve výkladu vlastností střídavého proudu, uvést princip transformátoru, indukční pece, Rumkhorffova induktoru, atd., případně ve výkladu dojít až k třífázovému proudu.