Demagnetizacija materijala

Za izvođenje pokusa potrebno je:

• Magnetiziran čavao
• Hvataljke od toplinskog izolatora
• Magnetska igla
• Plamenik

Magnetskom iglom demonstriramo magnetičnost čavla. Čavao uhvatimo hvataljkama te ga grijemo na plameniku do užarenja. Prinesemo ga blizu magnetske igle. Što opažate? Je li čavao magnetičan? Kako je izgubio magnetičnost? Zagrijavanjem materijala iznad određene temperature (tzv. Curijeve temperature) karakteristične za materijal, gube se magnetska obilježja materijala. Zašto se to dogodilo? Kakva je struktura magnetičnog materijala? Što se promijeni zagrijavanjem?

Inačica ovog pokusa može se izvesti grijanjem, na stalku ovješene magnetizirane igle ili čavlića pokraj kojega se nalazi magnet. Grijanjem igle ona se demagnetizira i zato se odmiče od magneta.

Oerstedov pokus

Za izvođenje pokusa potrebno je:

• vodič pričvršćen između nosača na stalcima
• magnetska igla na nosaču
• baterija
• tipkalo
• vodiči

Bateriju, prekidač i vodič spojimo serijski. Vodič držimo iznad magnetske igle tako da su igla i vodič međusobno okomiti (sl. 1.).



Opisujemo atmosferu u kojoj je Oersted izvodio prezentaciju svoga otkrića i najavljujemo senzacionalan događaj. Svi promatrači moraju obratiti pozornost na magnetsku iglu u trenutku kada žicom poteče struja. Zatvorimo strujni krug, ali unatoč burnoj najavi ništa se ne dogodi: magnetska igla nije pokazala otklon. Otvorimo strujni krug. Oersted uočava da baterija koju je rabio u pokusu još nije sasvim ispražnjena i odlučuje upotrijebiti preostali napon. Okreće magnetsku iglu tako da žica i igla budu međusobno paralelne kao na sl. 2. Zatvorimo strujni krug. Magnetska igla se otkloni. Oko žice se, dakle, pojavilo magnetno polje. Otvorimo strujni krug.

Vodič pričvršćen između nosača na stalcima je također spojna žica. To znači da je strujni krug u ovom pokusu kratko spojen. Zato strujnim krugom mora prolaziti struja što kraće, a otpor vodiča čije magnetno polje demonstriramo, mora biti što veći. Umjesto prekidača može se koristiti tipkalo kako demonstrator ne bi zaboravio otvoriti strujni krug. Električna struja ovisi o unutarnjem otporu baterije, a može iznositi do 5 A.

Ovo je jedan od najvažnijih eksperimenata u povijesti znanosti koji je moguće predstaviti učenicima jednostavnim nastavnim sredstvima. Prema nekim zapisima Hans Christian Oersted je ovu pojavu opazio slučajno dok je kao profesor u Kopenhagenu šk. god. 1819./20. studentima demonstrirao pokuse iz znanosti o elektricitetu.

Magnetsko polje zavojnice

Za izvođenje pokusa potrebno je:

• Izvor istosmjernoga napona od 12 V
• Opruga na stalku s kukicom
• Magnetska igla na nosaču
• Štapićasta željezna jezgra
• Promjenljiv otpornik
• Ampermetar do 6 A
• Zavojnica
• Prekidač
• Vodiči

Sastavimo spoj kao na slici 1. Željezna jezgra visi na opruzi kao na slici 2. Pritiskom na prekidač uspostavimo stalnu struju u krugu.



Što se dogodilo? Jeste li to očekivali? Zašto je željezna jezgra privučena u zavojnicu? Što je uzrok pomaka željezne jezgre? Koje je porijeklo te sile? Zašto se pojavila sila, što ju je uzrokovalo? Na željeznu jezgru djeluje sila koja se pojavljuje oko svakog vodiča kojim prolazi struja pa i oko zavojnice. Kako bismo ispitali postojanje magnetnog polja oko zavojnice? Kako ćemo postaviti magnetsku uglu?

Željeznu jezgru skinemo s opruge i zavojnicu položimo horizontalno. Željezna jezgra je uvučena djelomično. Magnetsku iglu postavimo uz jedan kraj zavojnice. Uočimo otklon. To znači da oko zavojnice postoji magnetno polje kada njome prolazi struja. Duljom uporabom iste željezne jezgre ona se pod utjecajem magnetnoga polja zavojnice magnetizira. Time postaje magnet, koji može imati jače magnetno polje nego ono koje se stvori protokom struje kroz zavojnicu. Ako ono prevladava jakošću, neće se primijetiti učinak polja zavojnice. Tada se mora promijeniti željezna jezgra.

Elektromagnet se može improvizirati namatanjem žice spojene s baterijom na veći vijak. Pomoću čavlića ili spajalica može se ustanoviti nastanak njegovog magnetnog polja. Zbog jednostavnih nastavnih sredstava, učenici mogu pokus izvesti samostalno, za domaći rad.

Magnetna svojstva tvari

Za izvođenje pokusa potrebno je:

• Epruveta s čepom
• Željezna piljevina
• Magnetska igla

Na početku izvođenja pokusa potrebno je napuniti epruvetu željeznom piljevinom te je začepiti. Željeznu piljevinu potrebno je namagnetizirati "češljanjem" magetskim štapom. Epruvetu se ne smije pomicati, već joj primaknemo magnetsku iglu. Nakon toga protresemo epruvetu te joj ponovo prinesemo magnetsku iglu.

Nakon magnetiziranja "češljanjem" magnetskim štapom piljevina je magnetična, a nakon protresanja epruvete više nije. Trešnja demagnetizira željeznu piljevinu.

Prepoznaj magnet

Za izvođenje pokusa potrebno je:

• štapićasti magnet
• komad metala istog oblika i dimenzija

Kako možemo, samo rukovanjem tim štapovima, saznati koji je od štapova magnet, a koji nije? Kako izgledaju silnice magnetnoga polja štapićastog magneta? Gdje oko štapa je polje najslabije, a gdje je najjače?

Postavimo štapove na stol u oblik slova T, najprije tako da je jedan gore, a zatim tako da je drugi gore. Kad je gore magnet privlačenje štapova je slabo jer se ne dodiruju u blizini magnetnoga pola štapa. Kad je gore nemagnetiziran štap tada se štapovi jako privlače.

A znaš li da...

• se metalne štapove može umotati u papir različitih boja radi lakšeg sporazumijevanja prilikom rasprave o pokusu
• se pokus može izvesti i kao misaoni pokus o strukturi magnetnog polja štapićastog magneta – postavi se pitanje uz pomoć slike i raspravlja s učenicima.

Magnetna inklinacija

Za izvođenje pokusa potrebno je:

• tanka ravna žica duljine oko 10 cm
• magnet
• stalak
• konac
• papir formata A4
• škare

Na početku izvođenja pokusa potrebno je žicu ovjesiti na drveni stalak pomoću konca tako da se pri tome treba napraviti jednostavni namotaj umjesto čvora. Žica je s jedne strane dulja pa ju je potrebno sa škarama ili kliještima odrezati dok se ne postigne ravnoteža, odnosno dok žica ne stoji potpuno vodoravno. Nakon toga, žica se namagnetizira "češljanjem" magnetskim štapom. Hoće li žica visiti vodoravno kao i prije magnetiziranja? Zašto ne?

Nakon magnetiziranja, žica je nagnuta u odnosu na vodoravnu podlogu. Kut inklinacije u našim krajevima iznosi oko 62°. Iza žice primaknemo zastor od papira s oznakama kuta za provjeru. Kut inklinacije je kut koji magnetna igla zatvara s vodoravnom podlogom.

A znaš li da...

• Kut inklinacije može biti manji od 62° zbog otpora, tj. trenja između žice i konca, odnosno mehaničkih razloga.
• Je u pokusu bolje koristiti drveni stalak, zbog moguće magnetizacije metalnog stalka. Ukoliko se kut inklinacije ne vidi žicu se može demagnetizirati zagrijavanjem uz pomoć plamenika do Curijeve temperature (dobro koristiti materijel s niskom Curijevom temperaturom) pa je onda ponovno namagnetizirati.

Kako zavojnica postaje magnet

Za izvođenje pokusa potrebno je:

• elektrode od cinka i bakra
• pločica od stiropora ili pluta
• zavojnica
• otopina elektrolita
• magnet

Zavojnicu spoji na elektrode pa ih učvrsti na stiropornu pločicu kao na slici. Pločicu je potrebno postaviti da pliva u otopini elektrolita. Zavojnici nakon toga približi pol magneta.

Zavojnicom spojenom na izvor struje - galvanski članak, prolazi struja pa oko nje nastaje magnetno polje. Zavojnica - magnetni dipol pliva na postolju od stiropora te se može zakrenuti u smjeru silnica Zemljinog magnetnog polja. Kad joj približimo pol magneta zavojnica se pomiče prema magnetu jer se raznoimeni magnetni polovi privlače.

Faradayeva elektromagnetska indukcija

Za izvođenje pokusa potrebno je:

• zavojnica s pravokutnim okvirom
• stalak za zavojnicu s priključnicama
• permanentni potkovičasti magnet
• galvanometar
• vodiči

Sastavimo uređaj kao na slici. Visinu zavojnice prilagodimo tako da se, kada ona miruje, točno u sredinu njezina okvira može postaviti jedan kraj potkovičastoga magneta. Skrenemo pozornost na to da u pokusu ne upotrebljavamo nikakav izvor struje. U sredinu zavojnice ulazimo jednim polom magneta. Što pokazuje galvanometar? Što to znači? Kada se pojavljuje struja? Postoji li struja kada magnet miruje u zavojnici? Galvanometar pokazuje postojanje struje samo kada magnet uvlačimo ili izvlačimo iz zavojnice.

Pratimo otklon kazaljke galvanometra tijekom uvlačenja i izvlačenja magneta. Što uočavate? Je li smjer otklona uvijek isti? Što možemo zaključiti o smjeru inducirane struje? Smjer inducirane struje je pri uvlačenju magneta suprotan smjeru struje inducirane pri izvlačenju magneta.

Magnet postavimo tako da miruje uvučen u zavojnicu. Je li uvjet nastanka elektromagnetne indukcije samo gibanje magneta? Možemo li elektromagnetnu indukciju izazvati i kada magnet miruje? Kako? Zanjišemo zavojnicu i ponovno opažamo indukciju. Promjene magnetnoga toka mogu se proizvesti jednako dobro gibanjem magneta kao i gibanjem zavojnice. Bitan je njihov relativni pomak.

O čemu ovisi inducirana struja, odnosno napon? Izvedemo još jednom uvlačenje i izvlačenje magneta iz zavojnice, ali s dvije bitno različite brzine. Što uočavamo? Kako inducirana struja ovisi o brzini? Inducirana struja je veća pri brzoj promjeni magnetnoga toka.

U nastavi je, zbog boljeg uočavanja, dobro upotrijebiti veliki galvanometar, no tada se može dogoditi da je inducirana struja preslaba pa će otklon kazaljke biti premali, a učinak neprimjetan. Tada je uputno upotrijebiti jači magnet i zavojnicu s više zavoja. Umjesto galvanometra može se upotrebljavati miliampermetar s "0" u sredini skale. Dojmljiva demonstracija može se izvesti tako da se umjesto galvanometra priključi žaruljica. Elektromagnetna indukcija se može demonstrirati kružnom petljom s više zavoja na koju je priključena žaruljica. U petlju brzo uvlačimo i izvlačimo vrlo jaki štapićasti magnet (Faraday je rabio kružnu petlju) ili je stavimo u promjenljivi magnetski tok elektromagneta.

Amperova sila

Za izvođenje pokusa potrebno je:

• Aluminijske tračnice s priključnicama
• Potkovičast magnet
• Metalni štapić
• Brusni papir
• Baterija
• Vodiči
• Tipkalo

Potkovičast magnet stavimo među tračnice, a na njih položimo metalni štap. Pomoću priključnica svaku tračnicu spojimo s jednim polom baterije, a serijski s baterijom spojimo sklopku. Uključimo struju. Što se dogodi? Zašto se štap zakotrlja? Što je uzrok postojanja te sile? Štap je vodič kojim prolazi struja, a nalazi se u magnetnom polju pa na njega djeluje Amperova sila. Zamijenimo polove baterije. Što se promijenilo? Zašto se štap zakotrlja na drugu stranu? Kakav je smjer sile? Okrenemo potkovičast magnet, tj. zamijenimo polove. Sila ponovno promjeni smjer. Ovisnost struje, magnetskog polja i Amperove sile opisuje se pravilom lijeve ruke (palac pokazuje smjer struje, srednjak smjer magnetnog polja, a kažiprst smjer sile, prsti su međusobno okomiti).

Da bi učinak bio uočljiv potrebna je veća struja pa je dobro upotrijebiti alkalijske baterije. Jakost struje koja prolazi strujnim krugom iznosi 5 A, stoga ne treba pretjerivati s pražnjenjem baterije! Aluminijske tračnice potrebno je prije izvođenja vježbe očistiti od prljavštine ili oksida brusnim papirom koji je priložen. Umjesto tračnica, pokus se može izvesti sa stalkom. Žičana “ljuljačka” koja miruje u magnetnom polju potkovičastog magneta, otklanja se pod utjecajem Amperove sile kada kroz nju prolazi struja.

Samoindukcija

Za izvođenje pokusa potrebno je:

• Tinjalica poznatog napona paljenja
• Jezgra od mekog željeza
• Zavojnica
• Prekidač
• Baterija
• Vodiči

Željeznu jezgru sa zavojnicom (sl. 1.) spojimo s izvorom napona i prekidačem, a paralelno spojimo tinjalicu kao na slici 2. Zatvorimo strujni krug.



Što opažate? U kojem trenutku je tinjalica zatinjala? Koji uvjet mora biti ispunjen da tinjalica svijetli? Koliki je napon paljenja tinjalice? Kako je u trenutku uključivanja i isključivanja nastao napon veći od napona paljenja tinjalice, kada je izvor u ovom strujnom krugu baterija čiji je napon puno manji? Napon u ovom strujnom krugu u trenutku uključivanja dostigao je (ili premašio) napon paljenja tinjalice zbog samoindukcije. Promjene struje u zavojnici ili vodiču uzrokuju promjenljiv magnetni tok koji u zavojnici ili vodiču inducira napon samoindukcije.

Rezultat demonstracije je najuočljiviji ako se zavojnica smjesti na srednju kotvu "E" jezgre kao na slici 1. Demonstracija se može izvesti s baterijom od 4,5 V. Zbog boljeg uočavanja samoindukcije potrebno je upotrebljavati zavojnicu s većim brojem zavoja (N = 870).

Transformator - zvono

Za izvođenje pokusa potrebno je:

• dvije zavojnice različitog broja zavoja
• tinjalica poznatog napona paljenja
• električno zvono
• željezna jezgra
• voltmetar
• prekidač
• baterija
• vodiči

Na željeznu jezgru stavimo dvije zavojnice različitog broja namotaja. Sa zavojnicom manjeg broja namotaja serijski spojimo bateriju i prekidač, a sa zavojnicom većeg broja namotaja spojimo tinjalicu. Prekidačem zatvorimo pa otvorimo strujni krug nekoliko puta.

Što opažate? Zašto tinjalica zasvijetli pri svakom isključivanju strujnog kruga? Kako to tumačite? Koliki je u tom trenutku napon na tinjalici? Koliki je napon izvora? Jesu li primarni i sekundarni strujni krug povezani žicama za spajanje? Kako je moguće da tinjalica zatinja unatoč tome što je napon paljenja tinjalice znatno veći od napona izvora?

Promjena struje u primaru izaziva promjenu magnetnoga toka oko zavojnica, zbog kojeg se u sekundaru inducira napon različit od napona u primaru. Primarni i sekundarni strujni krug nisu povezani žicama za spajanje (nemaju izravne veze). Razlika u veličini napona primara i sekundara nastaje zbog razlike u brojevima njihovih namotaja. Koje je osnovno načelo rada transformatora? Može li se, prema tome, inducirani napon pojaviti bez promjene struje u primarnom strujnom krugu?

Inducirani napon pojavljuje se samo kada postoje promjene struje u primarnom strujnom krugu. Ako želimo stalno održavati indukciju napona moramo upotrijebiti mehanički uređaj koji će sam prekidati strujni krug. Za to može poslužiti zvono. U primarni strujni krug umjesto prekidača uključimo zvono i primijetimo da tinjalica tinja i gasi se u ritmu zvonjenja. Demonstracija se može izvesti s baterijom od 4,5 V. Tinjalica mora imati napon paljenja od 130 do 180 V. Poželjno je da zavojnice koje se upotrebljavaju u demonstraciji imaju veliku razliku u brojevima namotaja, (npr. N₁ = 87, N₂ = 870). Na stalak tinjalice treba napisati koliki joj je napon paljenja da bismo naglasili kako je on osobitost pojedine tinjalice.

Posebnu pozornost treba obratiti na uporabu zvona. Ono je mehanička naprava koja radi na načelu opruge i služi kao "automatski prekidač". No potrebno je skicom funkcioniranja zvona ukratko opisati načelo na kojem radi jer ako se to temeljito ne učini, moglo bi se pogrešno shvatiti da je zvonjenje posljedica uporabe transformatora. Međutim ono što želimo postići jest tinjanje, a zvono je samo prekidač potreban za to. Pri tome treba paziti da objašnjenje rada zvona ne potraje duže od objašnjavanja samog transformatora. Zato nastavnik mora, ovisno o vremenu koje ima na raspolaganju (za objašnjenje rada zvona) i razini učeničkog znanja, procijeniti hoće li uopće pokus proširiti demonstracijom zvona.

Konstanta transformatora

Za izvođenje pokusa potrebno je:

• Izvor izmjeničnoga napona
• Željezna jezgra
• Zavojnica
• Voltmetar
• Prekidač
• Žaruljica
• Vodiči

Željeznu jezgru sa zavojnicom spojimo u primarni strujni krug kao na slici te jezgru zatvorimo kotvom. Umjesto sekundarne zavojnice rabimo dugačku žicu za spajanje tako da se oko željezne jezgre omota jedan po jedan namotaj. Početni broj namotaja sekundara je tri. U sekundarni strujni krug je spojena žaruljica radi kvalitativnoga proučavanja pojave.

Kako se mijenja intenzitet svijetljenja žaruljice dok se postupno povećava broj namotaja improviziranoga sekundara? Svijetli li žaruljica dok je broj namotaja mali? Što na temelju toga možemo zaključiti o struji induciranoj u krugu? >

Žaruljica počne svijetliti tek kod određenog broja namotaja i svijetli to jače što je broj namotaje veći. To ukazuje na povećavanje napona i struje induciranih u sekundarnom krugu. Koliko povećanje napona odgovara jednom namotaju ? Kako to možemo izmjeriti ? U sekundarni strujni krug umjesto žaruljice priključimo voltmetar. Smanjimo broj namotaja sekundara na tri, izmjerimo napon u sekundarnom krugu, dodamo jedan namotaj, izmjerimo ponovno napon itd. još nekoliko puta dok ne ustanovimo povećavanje induciranoga napona za jednaku vrijednost sa svakim namotajem. Ta je vrijednost konstanta transformatora. Preporučuje se uporaba primarne zavojnice velikog broja namotaja (N_p = 870) kako bi se spriječilo induciranje prevelikih napona u sekundarnom krugu, štetnih za žaruljicu. Demonstracija se izvodi sa žaruljicom 3,5 V, a kao izvor izmjeničnoga napona rabi se napon gradske mreže.

Paralelni vodiči

Za izvođenje pokusa potrebno je:

• Dva izvora istosmjernoga napona
• Dvije tkaninom izolirane žice za spajanje
• Dva galvanometra
• Dva prekidača
• Dva metra užeta, vune ili debelog konca (u boji)
• Stalak s nosačima žica

Spojimo dva strujna kruga kao na slici 1. Žice su uspravne i međusobno paralelne. Pokraj svake učvrstimo i dobro nategnemo konac kako bismo označili uparalelne položaje i mogli opažati njihove otklone. Kratko uključimo struju u oba kruga. Kako su se žice otklonile? Što znači da su se primaknule? Kakva sila se pojavila među njima? Po otklonu žica od konaca primijećujemo da su se primaknule, a zatim vratile u prvobitne položaje. Među njima se pojavljuje privlačna sila ako njima prolaze paralelne struje. Promijenimo polaritet jedne baterije u pokusu (sl. 2.). Ponovno nakratko uključimo struju u oba kruga. Kako su se sada žice otklonile? Što znači da su se odmaknule? Kakva sila se pojavila među njima?

Među žicama se pojavljuje odbojna sila ako njima prolaze antiparalelne struje.

Demonstracija se može izvesti i s jednim izvorom napona na koji su paralelno spojene obje žice za spajanje. Da bi učinak bio uočljiv, struja u krugu mora biti 10 - 15 A pa je strujni krug u ovom pokusu gotovo u kratkom spoju. Zbog toga uspostavljanje struje u strujnim krugovima mora biti vrlo kratko (uključiti i odmah isključiti) jer se žice za spajanje mogu rastaliti. Kratki se spoj može izbjeći uključivanjem u strujni krug promjenljivog otpornika pri čemu će međudjelovanje biti slabije. Konac za obilježavanje mora biti dobro uočljiv (žut ili crven). Paralelni vodiči trebaju biti tanke, elastične, bakrene žice dugačke oko 1 m, izolirane tkaninom. Budući da su tanke, međudjelovanje će biti uočljivo ako je tkanina kojom su izolirane živih boja. Razmak među njima može biti najviše 1 cm. Umjesto žica mogu poslužiti i trakice od aluminijske folije. Ako se postave na zajednički stalak, umjesto konca za obilježavanje može se na stalku označiti referentna okomita crta. Pokus je teže izvesti s žicama u horizontalnu položaju i tada učenici ne mogu dobro vidjeti pojavu pa ih treba pozvati pojedinačno da svjedoče o otklonu. Horizontalno postavljene žice će se saviti zbog težine.