что это за явление, как действует на заряженные частицы

Содержание:

• Магнитное поле и его характеристики
• Суть ориентирующего действия магнитного поля
• Способы обнаружения магнитного поля
  • Как действует на заряженные частицы
  • Как действует на токи
  • Воздействие токов на магниты

Содержание

• Магнитное поле и его характеристики
• Суть ориентирующего действия магнитного поля
• Способы обнаружения магнитного поля
  • Как действует на заряженные частицы
  • Как действует на токи
  • Воздействие токов на магниты

Магнитное поле и его характеристики

Определение

Магнитное поле — физическое поле, которое действует только на движущиеся заряды (токи) и тела, обладающие магнитным моментом.

Источники магнитного поля — постоянные магниты или электрический ток.

Определение

Магнитный момент — векторная величина, характеризующая магнитные свойства тел и частиц вещества.

Магнитное поле характеризуется магнитной индукцией \(\overrightarrow B\), измеряющейся в теслах (Тл).

Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут.

Еще одной характеристикой магнитного поля служит напряженность \(\overrightarrow Н\), она измеряется в эрстедах и гаммах.

Примечание

Единица напряженности магнитного поля — эрстед (Э) — названа по имени датского физика Ханса Кристиана Эрстеда.

Гамма, \(\gamma\) — стотысячная доля эрстеда. \(\overrightarrow Н\) — скорее вспомогательная характеристика, так как физически корректные и осмысленные методы измерения предполагают нахождение именно \(\overrightarrow B\), но \(\overrightarrow Н\) иногда оказывается удобнее для расчетов.

Суть ориентирующего действия магнитного поля

Определение

Магнитный диполь — неразделимая совокупность двух магнитных полюсов, северного и южного, находящихся на расстоянии друг от друга.

Существование монополей, магнитов с одним полюсом, невозможно, поскольку магнитные силовые линии всегда являются замкнутыми. Полюсы магнита всегда направлены на север и на юг, если на магнит оказывает действие только геомагнитное поле Земли. Даже если разломать прямой или дугообразный магнит, каждая его из частей сохранит полярность и не станет монополем.

Способы обнаружения магнитного поля

Обнаружение того факта, что некоторые предметы, например, натертый тканью янтарь, способны притягивать другие предметы, произошло еще в античные времена, а возможно, и раньше. Тем не менее органы чувств человека не позволяют ему ощутить магнитное поле, поэтому выявление его наличия возможно только по его воздействию на движущиеся электрические заряды или магниты, которые перемещаются в пространстве.

Как действует на заряженные частицы

На заряженную частицу, которая движется в магнитном поле, воздействует сила Лоренца. В системе СИ она описывается следующим выражением:

\(F = q[v, B]\)

Квадратные скобки здесь обозначают векторное произведение.

Как действует на токи

Поскольку на любую движущуюся заряженную частицу в магнитном поле воздействует сила Лоренца, она будет воздействовать и на проводник, по которому идет ток. Сложив силы, влияющие на отдельные движущиеся заряды, можно вычислить

силу Ампера — силу, с которой поле воздействует на проводник. Формула для ее вычисления:

\(d\overrightarrow F\;=\;Id\overrightarrow l\;\times\;\overrightarrow B\)

\(I\) здесь — сила тока, протекающего через проводник; \(l\) — вектор длины проводника, направленный в ту же сторону, куда течет ток; \(В\) — магнитная индукция.

Воздействие токов на магниты

Есть простой способ увидеть магнитные силовые линии — достаточно насыпать на лист железные опилки и положить постоянный магнит рядом с ними, или пропустить сквозь центр листа, перпендикулярно его поверхности, провод под током. Опилки намагнитятся и сами распределятся по листу, создав окружности вокруг магнита или провода. А с помощью глицерина, обладающего подходящими вязкостью и прозрачностью, можно создать условия для наблюдения магнитных силовых линий в объеме.

Намагниченная стрелка всегда отклоняется при попадании в электромагнитное поле, при этом направление отклонения зависит от направления тока, идущего по проводнику. Величина отклонения стрелки при этом пропорциональна напряженности магнитного поля. Именно на основе этого свойства намагниченных предметов были созданы первые детекторы магнитных полей. Приборы такого типа, где величина отклонения стрелки измеряется оптической системой, обеспечивают чувствительность до 4–5 \(\gamma\).

Если поместить намагниченный предмет внутрь проволочной спирали, по которой идет ток, намагничивание усилится. Подобное взаимодействие впервые обнаружил Ампер. На основе этого свойства магнитов работают более чувствительные устройства, которые представляют собой два стержня с обмотками, поверх которых надета измерительная катушка.

Когда на обмотки подают ток, стержни намагничиваются, и в катушке возникает напряжение. Если подобрать такую величину тока и его частоту, что поле катушки скомпенсируется геомагнитным полем в опорном пункте, напряжение не появится. Но если геомагнитное поле изменится при перемещении к другому пункту, изменится и намагниченность стержней, соответственно в катушке появится сигнал.

Насколько полезной была для вас статья?

Рейтинг: 5.00 (Голосов: 1)

Выделите текст и нажмите одновременно клавиши «Ctrl» и «Enter»

Поиск по содержимому

Обнаружение магнитного поля

При помощи органов чувств человек не может обнаружить магнитное поле. Наличие магнитного поля можно установить при его воздействии на:

• магнитную стрелку,
• проводник с током,
• движущийся электрический заряд.

Так, магнитное поле способно поворачивать в пространстве магнитные стрелки и рамки с токами, то есть на данные объекты наше поле оказывает ориентирующее воздействие. На проводник с током и перемещающийся заряд в магнитном поле действуют магнитные силы, перпендикулярные направлению перемещения зарядов.

Ориентирующее действие магнитного поля

Поместим малую (пробную) рамку с током в магнитное поле.

Замечание 1

Пробная рамка с током отвечает следующим требованиям:

1. Она имеет малые размеры, такие, что ее поведение отражало бы характер поля в точке.
2. Сила тока в рамке должна быть малой, такой, что влияние этого тока на источники исследуемого магнитного поля было бы несущественным.

Повернем нашу рамку на некоторый угол $\alpha $ относительно ее положения равновесия. Тогда на рамку будет оказывать действие момент сил, зависящий от силы тока в рамке $I$, площади ее поверхности $S$:

$M\sim IS\sin {\alpha \, \left( 1 \right),}$

где $\alpha $ – угол поворота рамки.

Если рамку развернуть перпендикулярно силовым линиям поля, тогда $\alpha =\frac{\pi }{2},$, а вращающий момент сил становится наибольшим:

$M_{max}\sim IS\left( 2 \right)$.

Отношение $M_max$ к силе тока и площади сечения рамки будет характеристикой магнитного поля в точке расположения рамки:

$B=\frac{M_{max}}{IS}\left( 3 \right)$.

где $B$ – величина вектора магнитной индукции поля, являющаяся одним из основных параметров, описывающих поле.

Действие магнитного поля на заряженные частицы

Проведем следующий эксперимент. В трубке осциллографа получим прямолинейный пучок электронов, которые движутся по прямой линии. Падая на экран, этот пучок оставит лед в виде небольшого пятна. Приблизим к этому пучку снизу северный полюс линейного магнита. Пучок электронов сместится. Изменим полюс магнита, смещение пучка произойдет в противоположную сторону. Данный эксперимент указывает на то, что перемещающиеся электроны испытывают действие некоторой специфической силы в магнитном поле. Причем опыты показали, что эта сила пропорциональна скорости движения электронов. Подобным образом ведут себя любые другие заряженные частицы, перемещающиеся в магнитном поле.

Сила, действующая на заряженную частицу, перемещающуюся в магнитном поле, называется силой Лоренца, она равна:

$\vec{F}_{L}=q\left( \vec{v}\times \vec{B} \right)\left( 4 \right)$,

где характеристиками частицы являются:

• $q$ – величина заряда частицы;
• $\vec v$ — скорость движения частицы.

характеристикой поля является вектор магнитной индукции.

Выражение (4) является справедливым для постоянных и переменных магнитных полей.

Замечание 2

На заряд, находящийся в покое, магнитное поле не оказывает действия. Индикатором наличия магнитного поля служит перемещающийся заряд.

Формула (4) показывает принципиальный способ измерения индукции магнитного поля по силе воздействия поля на движущийся заряд.

С этой целью убеждаются в отсутствии электрического поля при помощи неподвижного заряда.

Находят такое направление скорости ($\vec v$), при котором сила Лоренца становится равной нулю. Это будет происходить, если вектор скорости сонаправлен или направлен в противоположную сторону вектору индукции. {2}}\left( \vec{F}_{L}\times \vec{v}_{n}\right)\left( 6 \right)$.

Формула (6) однозначно определяет вектор магнитной индукции.

Действие магнитного поля на токи

Эксперименты, показывающие действие магнитного поля на движущиеся заряды, обычно проводят не с отдельными частицами, а с их потоками.

Пусть ток создают движущиеся одинаковые частицы с зарядом $q$. Тогда плотность этого тока выразим как:

$\vec{j}=nq\vec{v}\left( 7 \right)$.

Сила, которая действует в магнитном поле на элемент объема ($dV), равна:dV), равна:

$d\vec{F}=nq\left( \vec{v}\times \vec{B} \right)dV=(\vec{j}\times\vec{B})dV\left( 8 \right)$,

где $N=ndV$ — число частиц в объеме $dV$.

Если ток течет по очень тонкому проводу, площадь сечения которого равна $S$, длина его $dl$ (малая длина), тогда сила, действующая на него в магнитном поле равна:

$d\vec{F}=I\left( d\vec{l}\times \vec{B} \right)\left( 9 \right)$.

где $\vec jdV=I d\vec j$. Направление вектора $ d\vec j$ — совпадает с направлением силы тока.

Выражение (9) называется законом Ампера, а сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током, называется силой Ампера.

Так, обнаружить магнитное поле можно по его воздействию силой Ампера на проводник с током.

Для тока, текущего в прямом проводнике, находящегося в однородном магнитном: поле, силу Ампера можно определить как:

$\vec{F}_{A}=I\left( \vec{l}\times \vec{B} \right)\left( 10 \right)$,

где $l$ — длина прямого проводника.

Модуль силы Ампера из (10) равен:

$F_{A}=IBL\sin \left( \hat{\vec{l}\vec{B}} \right)\left( 11 \right)$.

Вектор силы Ампера перпендикулярен плоскости, в которой лежат $\vec l$ и $\vec B$ и направлен по правилу правого винта.

Магнитное поле, которое создается проводником с током можно обнаружить по его действию на другой проводник с током. Если токи в проводниках направлены в одну сторону, то проводники притягиваются. Будем считать, что наши проводники параллельны, и находятся в вакууме, тогда силы притяжения равны:

$dF=\frac{\mu_{0}I_{1}I_{2}}{2\pi R}dl\left( 12 \right)$,

где R – расстояние между проводниками, $dF$ — сила с которой один проводник действует на элемент ($dl$) другого проводника.

Если токи в проводниках направлены в противоположные стороны, тогда они отталкиваются.

Воздействие токов на магниты

Магниты оказывают действие на электрические токи. В свою очередь токи воздействуют на магниты.

Рассмотрим эксперимент, который проводил Эрстед. Ученый разместил над магнитной стрелкой прямой провод (рис.1) параллельно плоскости стрелки. Стал пропускать ток по проводнику. При этом стрелка, способная вращаться около вертикальной оси, отклонялась и устанавливалась нормально к проводнику. Эрстед изменял направление течения тока, стрелка поворачивалась на 180 °. Тот же эффект возникал, когда проводник переносили под стрелку. Опыт Эрстеда показал связь между электрическими и магнитными явлениями.

Рисунок 1. Эксперимент Эрстеда. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Технологическая карта урока «Обнаружение магнитного поля по его действию на электрический ток».

___________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

Тема:

Обнаружение магнитного поля по его действию на электрический ток.

Цель :

Образовательные: изучить как обнаруживается магнитное поле по его действию на электрический ток, изучить правило левой руки, повторить ранее пройденные определения электрического поля, магнитного поля, условия их возникновения, свойства; закрепить правила правой и левой руки с помощью упражнений; закрепить знания по предыдущим темам; научить применять знания, полученные на уроке; показать связь с жизнью; Воспитательные: формировать интерес к предмету, к учебе, воспитывать инициативу, творческое отношение, воспитывать добросовестное отношение к учебе, прививать навыки, как самостоятельной работы, так и работы в коллективе, воспитывать познавательную потребность и интерес к предмету. Развивающие: развивать физическое мышление учащихся, их творческие способности, умение самостоятельно формулировать выводы, расширять познавательный интерес путем привлечения дополнительного материала, а также потребности к углублению и расширению знаний; формировать умения выделять главное, делать выводы, развивать способность быстро воспринимать информацию и выполнять необходимые задания; развивать логическое мышление и внимание, умение анализировать, сопоставлять полученные результаты, делать соответствующие выводы.

Планируемый результат

Предметные умения

УДД

Выделяют и формулируют познавательную цель. Строят логические цепи рассуждений. Выдвигают и обосновывают гипотезы, предлагают способы их проверки

Познавательные УУД Регулятивные УУД Коммуникативные УУД Умеют заменять термины определениями. Устанавливают причинно-следственные связи Составляют план и последовательность действий Работают в группе, устанавливают рабочие отношения, учатся эффективно сотрудничать

Основные понятия

действие магнитного поля на проводник с током

Организация пространства

Межпредметные связи

Формы работы

Ресурсы

Словесный, наглядный, частично-поисковый, проблемный

Учебник, тетрадь, компьютер, мультимедийный проектор и экран, лабораторное оборудование

Ход урока:

Деятельность учителя

Деятельность учащихся

Познавательная

Коммуникативная

Регулятивная

Осуществляемые действия

Формируемые способы деятельности

Осуществляемые действия

Формируемые способы деятельности

Осуществляемые действия

Формируемые способы деятельности

Организация внимания учащихся

Здравствуйте ребята. Проверьте готовность к уроку: учебник, пенал, аккуратность расположения предметов на парте. Оцените свое рабочее место. Чтобы наша работа была успешной на уроке, вспомним законы урока: не выкрикивать, быть терпеливым, дать возможность высказаться своим товарищам, уважать друг друга. Регулятивные. Включение в ритм работы. Личностные. Самоопределение, настрой на урок. Коммуникативные. Планирование учебного сотрудничества с учителем и одноклассниками.

Актуализация ранее изученного

1. Магнитное поле порождается______________ (электрическим током). 2. Магнитное поле создается ______________заряженными частицами (движущимися). 3. За направление магнитной линии в какой-либо ее точке условно принимают направление, которое указывает _________полюс магнитной стрелки, помещенной в эту точку (северный). 4.Магнитные линии выходят из _________ полюса магнита и входят в ________. (Северного, южный). 5. Как взаимодействуют два провода троллейбусной линии: притягиваются или отталкиваются? (Притягиваются). Поменялись листочками и проверили друг друга. На экране высвечиваются правильные ответы. Правильных ответов: 5 ответов– 5 баллов, 4 ответа – 4 балла, 3 ответа – 3 балла, 1 – 2 ответа – 2 балла.

Рассматривают рисунки. Выдвигают предположения о теме урока. Осуществляют актуализацию личного опыта. Записывают вопросы в тетрадь. Отвечают на вопросы

Выделять существенную информацию из текста вопросов и ответов.

Взаимодействуют с учителем и учащимися во время опроса во фронтальном режиме.

Слушать собеседника, строить понятные для собеседника высказывания. Участвовать в диалоге, отвечать на вопросы, слушать и понимать речь собеседника.

Контролируют правильность ответов обучающихся.

Умение слушать в соответствии с целевой установкой. Принимать и сохранять учебную цель и задачу, дополнять, уточнять высказанные мнения по существу полученного задания.

Этап постановки целей и задач урока

Учитель подводит учащихся к формулировке темы урока. Просит сформулировать и записать в тетрадях вопросы по данной теме. Организует беседу по составленным учениками вопросам. Подводит итог беседы. Как можно обнаружить магнитное поле? Оно не действует на наши органы чувств – не имеет запаха, цвета, вкуса. Мы не можем, правда, с уверенностью утверждать, что в животном мире нет существ, чувствующих магнитное поле. В США и Канаде для отгона осьминог с места скопления мальков на реках, впадающих в Великие озера, установлены электромагнитные барьеры. Ученые объясняют способность рыб ориентироваться в просторах океана их реакцией на магнитные поля… Сегодня на уроке мы изучим,  как  обнаружить магнитное поле по его действию на электрический ток и изучим правило левой руки.

Рассматривают рисунки. Выдвигают предположения о теме урока. Осуществляют актуализацию личного опыта. Записывают вопросы в тетрадь. Отвечают на вопросы

Выделять существенную информацию из текста вопросов и ответов.

Взаимодействуют с учителем и учащимися во время опроса во фронтальном режиме.

Слушать собеседника, строить понятные для собеседника высказывания. Участвовать в диалоге, отвечать на вопросы, слушать и понимать речь собеседника.

Контролируют правильность ответов обучающихся.

Умение слушать в соответствии с целевой установкой. Принимать и сохранять учебную цель и задачу, дополнять, уточнять высказанные мнения по существу полученного задания.

Открытие новых знаний

На всякий проводник с током, помещенный в магнитное поле и не совпадающий с его магнитными линиями, это поле действует с некоторой силой, наличие такой силы можно посмотреть с помощью такого опыта: проводник подвешен на гибких проводах, который через ключ присоединен к аккумуляторам. Проводник помещен между полюсами подковообразного магнита, т. е. находится в магнитном поле. При замыкании ключа в цепи возникает электрический ток, и проводник приходит в движение. Если убрать магнит, то при замыкании цепи проводник с током двигаться не будет. Если ученики смогут сами ответить: Значит, со стороны магнитного поля на проводник с током действует некоторая сила, отклоняющая его от первоначального положения. Учитель: Действие магнитного поля на проводник с током может быть использовано для обнаружения магнитного поля в данной области пространства. Конечно, обнаружить магнитное поле проще с помощью компаса. Но действие магнитного поля на находящуюся в нем магнитную стрелку компаса, по существу, тоже сводится к действию поля на элементарные электрические токи, циркулирующие в молекулах и атомах магнитного вещества, из которого изготовлена стрелка. Вывод 1: Таким образом, магнитное поле создается электрическим током и обнаруживается по его действию на электрический ток. Выясним, от чего зависит направление силы, действующей на проводник с током в магнитном поле. Опыт показывает, что при изменении направления тока изменяется и направление движения проводника, а значит, и направление действующей на него силы Направление силы изменится и в том случае, если, не меняя направления тока, поменять местами полюсы магнита (т. е. изменить направление линий магнитного поля). Следовательно, направление тока в проводнике, направление линий магнитного поля и направление силы, действующей на проводник, связаны между собой. Направление силы, действующей на проводник с током в магнитном поле, можно определить, пользуясь правилом левой руки. В наиболее простом случае, когда проводник расположен в плоскости, перпендикулярной линиям магнитного поля, это правило заключается в следующем: если левую руку расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь перпендикулярно к ней, а четыре пальца были направлены по току, то отставленный на 90° большой палец покажет направление действующей на проводник силы. Ученики: за направление тока во внешней части электрической цепи (т.е. вне источника тока) принимается направление от положительного полюса источника тока к отрицательному. — Пользуясь правилом левой руки это следует помнить. Другими словами, четыре пальца левой руки должны быть направлены против движения электронов в электрической цепи. В таких проводящих средах, как растворы электролитов, где электрический ток создается движением зарядов обоих знаков, направление тока, а значит, и направление четырех пальцев левой руки совпадает с направлением движения положительно заряженных частиц.                                                                                    С помощью правила левой руки можно определить направление силы, с которой магнитное поле действует на отдельно взятую движущуюся в нем частицу, как положительно, так и отрицательно заряженную. Для наиболее простого случая, когда частица движется в плоскости, перпендикулярной магнитным линиям, это правило формулируется следующим образом: если левую руку расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь перпендикулярно к ней, а четыре пальца были направлены по движению положительно заряженной частицы (или против движения отрицательно заряженной), то отставленный на 90° большой палец покажет направление действующей на частицу силы. Пользуясь правилом левой руки, можно определить не только направление силы, действующей в магнитном поле на проводник с током или движущуюся заряженную частицу. По этому правилу мы можем определить направление тока (если знаем, как направлены линии магнитного поля и действующая на проводник сила), направление магнитных линий (если известны направления тока и силы), знак заряда движущейся частицы (по направлению магнитных линий, силы и скорости движения частицы). Сила действия магнитного поля на проводник с током или движущуюся заряженную частицу равна нулю, если направление тока в проводнике или скорость частицы совпадают с линиями магнитного поля или параллельны им. А знаете ли вы, что… Сильное магнитное поле влияет на рост кристаллов: например, монокристаллы меди, сформировавшиеся в сильных магнитных полях, обладают более совершенной кристаллической решеткой. Сильное магнитное поле используется и для лечения такого распространенного и опасного заболевания, как нарушение ритма сердечных сокращений (аритмия). Сердце – орган, непрерывно совершающий ритмичные сокращения, период которых определяется слабыми электрическими сигналами, посылаемыми головным мозгом. При заболеваниях сердца ритм сокращений нарушается. В особо тяжелых случаях используют дефибрилляторы – приборы, генерирующие импульсы высокого напряжения, причем электроды накладываются непосредственно на область сердца, в результате чего нередко получается ожог. При использовании пульсирующего магнитного поля, вызывающего индукционные токи в нервных клетках, эта опасность исключается. Магнитный страж прилавка Чтобы как-то защититься от краж, владельцы магазинов прикрепляют к товару особые бирки, которые отрываются на контрольном пункте после того, как уплачены деньги. Бирки – крошечные антенны – при попытке вынести покупку из магазина без оплаты включают на выходе сигнал тревоги за счет резонансного усиления радиосигнала, поступающего от небольших радиопередатчиков, установленных на выходе. Однако этот способ оказался не совсем надежен: вор может, заэкранировав бирку кусочком фольги или собственным телом, обмануть сигнальное устройство. Чтобы этого не случалось, фирма «Чекмейт системс» разработала новую систему. Контрольная бирка изготавливается теперь из магнитного материала, а на выходе магазина стоят высокочувствительные магнитометры. Система отрегулирована так, что она не реагирует на металлические предметы малого размера: ключи, часы, пряжки и ювелирные изделия, но отчаянно трезвонит, когда замечает контрольную бирку.

Анализировать, сравнивать и обобщать факты. Выявлять причины.  Преобразовывать информацию  из одного вида в другой. Составлять различные виды планов. Информацию анализировать и оценивать её достоверность.

Отстаивая свою точку зрения, приводить аргументы, подтверждая их фактами. Уметь взглянуть на ситуацию с иной позиции и договариваться с людьми иных позиций. Понимая позицию другого, различать в его речи: мнение (точку зрения), доказательство (аргументы), факты.

Самостоятельно обнаруживать и формулировать учебную проблему, определять цель учебной деятельности. Выдвигать версии решения проблемы, осознавать конечный результат, выбирать из предложенных и искать самостоятельно  средства достижения цели. Сверять свои действия с целью и при необходимости исправлять ошибки самостоятельно.

Первичное закрепление во внешней речи

Задает вопросы по обсуждаемой проблеме. Учитель анализирует ответы учащихся. Упр. 36 (1). В какую сторону покатится легкая алюминиевая трубочка при замыкании цепи? (дают ответы: по правилу левой руки линии магнитного поля входят в ладонь, электрический ток течет по трубочке, значит, трубочка покатится к источнику тока.)

Отвечают на вопросы.

Осознанно и произвольно строить речевое высказывание в устной форме. Структурировать знания, выделять существенную

Взаимодействуют с учителем и учащимися во время опроса во фронтальном режиме.

Получать необходимую информацию, отстаивать свою точку зрения в диалоге. Взаимодействовать с одноклассниками.

Контролируют правильность ответов обучающихся.

Принимать и сохранять учебную цель и задачу.

Итог урока

Как обнаруживается магнитное поле? ( Ответ: магнитное поле обнаруживается по его действию на электрический ток. На проводник с током магнитное поле действует с определенной силой.) От чего зависит направление силы, действующей на проводник с током в магнитном поле? (Ответ: направление силы зависит от направления тока в проводнике и направления магнитного поля) Как определить направление тока в электрической цепи? (Ответ: направление тока в цепи от «+» источника к «-» источника) Сформулировать правило левой руки для определения силы, действующей на проводник с током в магнитном поле. (Ответ: если левую руку расположить так, чтобы линии магнитного поля входили в ладонь перпендикулярно к ней, а четыре пальца были направлены по току, то отставленный на 90о большой палец покажет направление действующей на проводник силы.) В каком случае сила, действующая на проводник с током, равна нулю? (Ответ: если направление тока в проводнике совпадает с направлением магнитных линий или параллельно им, то сила, действующая на проводник с током в магнитном поле, равна нулю).

Отвечают на вопросы

Осознанно и произвольно строят речевое высказывание в устной форме.

Участвуют в обсуждении содержания урока во фронтальном режиме

Понимать на слух ответы учащихся, уметь формулировать собственное мнение и позицию.

Контроль правильности ответов учащихся

Умение слушать в соответствие с целевой установкой. Уточнение и дополнение высказываний учащихся

Домашнее задание

Объясняет домашнее задание. §

Зрительное ознакомление с содержанием домашнего задания и инструкцией по выполнению.

Определяют область применения полученных знаний

Обсуждают, задают вопросы

Пропедевтика самостоятельной постановки и выполнения коммуникативной задачи.

Самостоятельно определяют степень сложности выполнения задания и необходимой помощи.

Готовность к самостоятельным действиям по воспроизведению и применению полученных знаний.

Рефлексия (целостное осмысление и обобщение полученной информации, выработка собственного отношения к изученному материалу и его повторная проблематизация, анализ всего процесса изучения материала)

Организует обсуждение достижений. Предлагает определить уровень своих достижений, наметить перспективы работы.

Участвуют в беседе по обсуждению достижений, отвечая на вопросы, делают выводы.

Анализировать степень усвоения нового материала

Выслушивают одноклассников, озвучивают своё мнение

Строить понятные для собеседника высказывания

Оценивают уровень личных достижений, уточняют пробелы в знаниях.

Принимать и сохранять учебную цель и задачи, осуществлять самоконтроль, планировать будущую деятельность.

Анализ активности учащихся

Сверхточное обнаружение магнитного поля с помощью

изображение: Хариклея Труллиноу и доктор Вито Джованни Лучиверо работают на экспериментальной установке в лаборатории ICFO. Изображение предоставлено: ©ICFO посмотреть больше 

Кредит: ICFO

Точное обнаружение магнитных полей важно для приложений, которые варьируются от магнитной визуализации мозга до обнаружения затонувших кораблей и исследования Солнечной системы. Для многих из этих приложений наиболее чувствительными приборами для измерения магнитного поля (магнитометрами) являются «магнитометры с оптической накачкой», которые используют лазерный свет для исследования магниточувствительных атомов. Во многих случаях чувствительность этих инструментов ограничена случайными изменениями (шумами) используемого лазерного излучения. Если этот шум можно уменьшить, магнитометр станет более чувствительным, и можно будет обнаруживать мельчайшие изменения в магнитном поле.

Ученые усердно работают над тем, чтобы их лазеры были как можно более бесшумными, но есть ограничения: свет, даже лазерный свет, поступает в виде пакетов энергии (фотонов), и случайное прибытие этих фотонов создает шум, известный как «выстрел». шум.» Даже у самого тихого лазера есть дробовой шум, и это часто ограничивает точность измерения.

Тем не менее, предел дробового шума не является абсолютным. Если бы можно было организовать фотоны так, чтобы они прибывали более регулярным потоком, больше похожим на пиво, вытекающее из крана в баре, чем на капли дождя, случайно падающие на крышу, световой поток был бы тише, а измерения — более точными. Хотя организовать фотоны таким образом непросто, это не невозможно. Идея, известная как «сжатый свет», была предложена теоретиком в 1981 как способ улучшить чувствительность детекторов гравитационных волн, которые также используют лазерный свет. Четыре десятилетия спустя сжатый свет регулярно используется в детекторах гравитационных волн, таких как LIGO и VIRGO, для повышения чувствительности и более точного понимания событий, таких как столкновения черных дыр.

Может ли этот метод сжатого света также улучшить магнитометры? До этой статьи ответ был неизвестен. Самый ранний эксперимент по применению сжатого света к магнитометру (также проведенный в ICFO) показал улучшенную чувствительность. Но более поздний эксперимент с более чувствительным магнитометром показал обратное, что сжатый свет не помог. Почти десятилетие оставался открытым вопрос: «Может ли сжатый свет улучшить чувствительность чувствительного магнитометра?»

В недавнем исследовании, опубликованном в Physical Review Letters, исследователи ICFO Charikleia Troullinou , Ricardo Jiménez-Martínez , Vito Giovanni Lucivero , под руководством ICREA, профессора ICFO Kong3 JJ Mitchell 9, и в сотрудничестве с из Университета Ханчжоу Дяньцзи в Китае, разрешите этот вопрос. Они показывают, что решающим фактором является уклонение от измерения обратного действия. То есть свет, который исследует атомы, должен возмущать атомы только таким образом, чтобы не изменить их реакцию на магнитное поле. Затем они сконструировали уклоняющийся магнитометр обратного действия, применили сжатый свет и увидели, что это улучшило чувствительность.

В своем эксперименте команда построила магнитометр Белла-Блума (BB) с оптической накачкой (OPM) и использовала сжатый поляризационный свет для наблюдения за реакцией плотного горячего облака атомов рубидия ( ⁸⁷ Rb) на магнитное поле. .

Как комментирует Хариклея Труллиноу: «Мы использовали линейно поляризованный свет для исследования магнитных свойств ансамбля горячих плотных атомов и внедрили очень чувствительный магнитометр, ограниченный в основном квантовым шумом. Кроме того, генерация сжатого света и его использование для зондирования вместо этого позволили нам подавить фотонный шум в сигнале. Мы показали, что это напрямую улучшает работу магнитометра, делая его более чувствительным и лучше реагирующим на быстрые сигналы».

 

Что такое обратное действие квантовых измерений? Что такое обратное уклонение?

Когда вы измеряете микроскопическую систему, такую ​​как электрон или атом, микроскопическая система влияет на измерительный прибор — она вызывает некоторые изменения, которые мы можем обнаружить. Это влияние и есть «действие» микроскопической системы на прибор. Принцип неопределенности Гейзенберга гласит, что прибор также должен вызывать «обратное действие квантовых измерений» (или просто «обратное действие») на микроскопическую систему. Например, если вы измеряете положение электрона, обратное действие нарушает его импульс. Это обратное действие может испортить более сложные измерения. Например, если вы попытаетесь измерить скорость электрона, измерив положение сейчас, подождав некоторое время, а затем снова измерив положение, вы будете разочарованы, обнаружив, что ваш результат неточен: обратное действие первого измерения положения нарушает импульс и, следовательно, скорость, прежде чем вы сможете закончить измерение. «Измерение уклонения от обратного действия» не имеет этой проблемы — микроскопическая система возмущается измерением, но таким образом, что это не портит процедуру измерения.

Комментарий доктора Лучиверо: «Мы выяснили, что в контексте атомных датчиков схема измерения Белла-Блума естественным образом уклоняется от обратного действия, поскольку шум обратного действия влияет на компонент вращения, который не измеряется. Тогда эффект сжатого света выгоден во всем частотном спектре».

Как прокомментировал профессор ICREA в ICFO Морган Митчелл: «Важным и удивительным в этом результате является то, что сжатый свет улучшает чувствительность хорошего магнитометра, используемого таким образом, как обычно работают хорошие магнитометры. Это означает, что метод может быть применен на практике почти сразу, например, на магнитометрах, используемых в геотехнических приложениях. Это также означает, что можно получить все преимущества, уже выявленные для этих магнитометров, плюс повышение чувствительности за счет сжатого света. Это действительно «бесплатный обед» — что-то хорошее без негативных побочных эффектов».

###

Ссылка: К. Труллиноу, Р. Хименес-Мартинес, Дж. Конг, В. Г. Лусиверо и М. В. Митчелл, Усиление сжатого света и уклонение от обратного действия в высокочувствительном магнитометре с оптической накачкой , физ. Преподобный Летт. 127, 193601 – ноябрь 2021  

Ссылка на исследовательскую группу, возглавляемую ICREA Проф. ICFO Морган Митчелл

ОБ ICFO

ICFO является членом исследовательского центра CERCA Барселонского института науки и технологий, Правительство Каталонии и Политехнический университет Каталонии · Технологический университет Барселоны, оба из которых являются членами попечительского совета ICFO вместе с фондами Cellex и Mir-Puig, благотворительными организациями, сыгравшими решающую роль в развитии института. Расположенный в Средиземноморском технологическом парке в столичном районе Барселоны, институт в настоящее время принимает 450 человек, организованных в 26 научных коллективах, использующих 80 современных исследовательских лабораторий. Направления исследований охватывают различные области, в которых фотоника играет решающую роль, с акцентом на основные и прикладные темы, относящиеся к медицине и биологии, передовым методам визуализации, информационным технологиям, ряду датчиков окружающей среды, перестраиваемым и сверхбыстрым лазерам, квантовой науке и технологии, фотогальваника, а также свойства и применение нано- и квантовых материалов, таких как графен и другие. В дополнение к трем последовательным аккредитациям национальной программы Северо-Очоа за выдающиеся достижения в области исследований, ICFonians получили 15 элитные профессорские звания ICREA, а также 40 грантов Европейского исследовательского совета. ICFO очень активна в содействии предпринимательской деятельности, создании дополнительных предприятий, а также в налаживании сотрудничества и связей между промышленностью и исследователями ICFO. На сегодняшний день ICFO помогла создать 11 стартапов.

---

---

Journal

Physical Review Letters

Название статьи

Усиление сжатого света и уклонение от обратного действия в высокочувствительном магнитометре с оптической накачкой

Дата публикации статьи

2 ноября 2021 г.

Отказ от ответственности: AAAS и EurekAlert! не несут ответственности за достоверность новостных сообщений, размещенных на EurekAlert! содействующими учреждениями или для использования любой информации через систему EurekAlert.

Квантовый метод измерения мельчайших магнитных полей | MIT News

Исследователи Массачусетского технологического института разработали новый способ измерения магнитных полей атомного масштаба с большой точностью не только вверх и вниз, но и вбок. Новый инструмент может быть полезен в таких разнообразных приложениях, как картирование электрических импульсов внутри активирующегося нейрона, характеристика новых магнитных материалов и исследование экзотических квантовых физических явлений.

Новый подход описан сегодня в журнале Physical Review Letters в статье аспиранта И-Сян Лю, бывшего аспиранта Ашока Аджоя и профессора ядерной науки и техники Паолы Каппелларо.

Этот метод основан на платформе, уже разработанной для высокоточного исследования магнитных полей с использованием крошечных дефектов в алмазе, называемых азотно-вакансионными (NV) центрами. Эти дефекты состоят из двух соседних мест в упорядоченной решетке атомов углерода алмаза, где атомы углерода отсутствуют; один из них заменяется атомом азота, а другой остается пустым. Это оставляет недостающие связи в структуре с электронами, которые чрезвычайно чувствительны к крошечным изменениям в их окружении, будь то электрические, магнитные или световые.

Предыдущее использование одиночных NV-центров для обнаружения магнитных полей было чрезвычайно точным, но способным измерять эти изменения только в одном измерении, совмещенном с осью датчика. Но для некоторых приложений, таких как определение связей между нейронами путем измерения точного направления каждого возбуждающего импульса, было бы полезно также измерить боковую составляющую магнитного поля.

По сути, новый метод решает эту проблему, используя вторичный осциллятор, обеспечиваемый ядерным вращением атома азота. Боковая составляющая измеряемого поля смещает ориентацию вторичного генератора. Слегка сбивая его с оси, боковая составляющая вызывает своего рода колебание, которое проявляется как периодическое колебание поля, совмещенного с датчиком, таким образом превращая эту перпендикулярную составляющую в волновую картину, наложенную на первичное измерение статического магнитного поля. Затем это можно математически преобразовать обратно, чтобы определить величину боковой составляющей.

Этот метод обеспечивает такую ​​же точность во втором измерении, как и в первом измерении, объясняет Лю, при этом все еще используется один датчик, что позволяет сохранить его пространственное разрешение в наномасштабе. Чтобы считать результаты, исследователи используют оптический конфокальный микроскоп, в котором используется особое свойство NV-центров: при воздействии зеленого света они излучают красное свечение или флуоресценцию, интенсивность которой зависит от их точного спинового состояния. . Эти NV-центры могут функционировать как кубиты, квантовые эквиваленты битов, используемых в обычных вычислениях.

«Мы можем определить спиновое состояние по флуоресценции, — объясняет Лю. «Если темно», что приводит к меньшей флуоресценции, «это состояние «единица», а если светло, то это «нулевое» состояние», — говорит она. «Если флуоресценция представляет собой какое-то промежуточное число, то состояние спина находится где-то между «нулем» и «единицей».

Стрелка простого магнитного компаса указывает направление магнитного поля, но не его силу. Некоторые существующие устройства для измерения магнитных полей могут делать обратное, измеряя напряженность поля точно в одном направлении, но они ничего не говорят об общей ориентации этого поля. Эта информация о направлении — это то, что новая система обнаружения не может предоставить.

В этом новом виде «компаса», говорит Лю, «мы можем сказать, куда он указывает, по яркости флуоресценции» и изменениям этой яркости. Первичное поле определяется общим устойчивым уровнем яркости, тогда как колебание, вызванное отклонением магнитного поля от оси, проявляется как регулярное волнообразное изменение этой яркости, которое затем можно точно измерить.

По словам Лю, интересным применением этой техники может быть контакт алмазных NV-центров с нейроном. Когда клетка запускает свой потенциал действия, чтобы вызвать другую клетку, система должна быть в состоянии определить не только интенсивность своего сигнала, но и его направление, помогая таким образом наметить связи и увидеть, какие клетки запускают какие другие. Точно так же при тестировании новых магнитных материалов, которые могут подойти для хранения данных или других приложений, новая система должна позволять детально измерять величину и ориентацию магнитных полей в материале.

В отличие от некоторых других систем, для работы которых требуются чрезвычайно низкие температуры, эта новая система магнитных датчиков может хорошо работать при обычной комнатной температуре, говорит Лю, что позволяет тестировать биологические образцы, не повреждая их.

Технология для этого нового подхода уже доступна. «Вы можете сделать это сейчас, но сначала вам потребуется некоторое время, чтобы откалибровать систему», — говорит Лю.

На данный момент система обеспечивает измерение только общей перпендикулярной составляющей магнитного поля, а не его точной ориентации. «Теперь мы извлекаем только общую поперечную составляющую; мы не можем точно определить направление», — говорит Лю. Но добавить эту трехмерную составляющую можно было бы, введя добавленное статическое магнитное поле в качестве точки отсчета. «Пока мы можем откалибровать это эталонное поле, — говорит она, — можно будет получить полную трехмерную информацию об ориентации поля, и «есть много способов сделать это».

Амит Финклер, старший научный сотрудник в области химической физики израильского Института Вейцмана, не участвовавший в этой работе, говорит: «Это исследование высокого качества. … Они получают чувствительность к поперечным магнитным полям наравне с чувствительностью к постоянному току для параллельных полей, что впечатляет и обнадеживает для практических приложений».

Финклер добавляет: «Как скромно пишут авторы в рукописи, это действительно первый шаг к векторной наноразмерной магнитометрии. Еще неизвестно, действительно ли их метод можно применить к реальным образцам, таким как молекулы или системы конденсированных сред». Тем не менее, он говорит: «Суть в том, что как потенциальный пользователь/исполнитель этой техники я очень впечатлен и, более того, воодушевлен принять и применить эту схему в своих экспериментальных установках».

Хотя это исследование было специально направлено на измерение магнитных полей, исследователи говорят, что та же базовая методология может быть использована для измерения других свойств молекул, включая вращение, давление, электрические поля и другие характеристики. Исследование было поддержано Национальным научным фондом и Исследовательским бюро армии США.

Датчик магнитного поля — нониус

Картографирование магнитного поля стержневого магнита

Датчик магнитного поля

94,00 $ Цена на условиях самовывоза

Датчик магнитного поля можно использовать для изучения поля вокруг постоянных магнитов, катушек и электрических устройств. Он оснащен вращающимся наконечником датчика для измерения как поперечного, так и продольного магнитного поля.

Количество датчиков магнитного поля

• Описание
• Характеристики
• Эксперименты
• Требования
• Что включено
• Аксессуары
• Поддерживать

В этом датчике используется преобразователь на эффекте Холла, и он измеряет векторную составляющую магнитного поля вблизи наконечника датчика. Он имеет два диапазона, что позволяет измерять относительно сильные магнитные поля вокруг постоянных магнитов и электромагнитов, а также измерять слабые поля, такие как магнитное поле Земли. Шарнирный наконечник датчика позволяет измерять как поперечные, так и продольные магнитные поля.

Датчик магнитного поля — Технические советы (2:57) Изготовление магнитов (компьютер) (14:34)

Технические характеристики

Типовое разрешение

• Диапазон ± 0,32 мТл: 0,0002 мТл
• Диапазон ± 6,4 мТл: 0,004 мТл

Эксперименты

Начальная школа (4 эксперимента)

Эксперимент	Лабораторная тетрадь
Обучение использованию датчика магнитного поля	9018 Элементарная наука0187
Exploring the Poles	Elementary Science with Vernier
Making Magnets	Elementary Science with Vernier
Electromagnets	Elementary Science with Vernier

Middle School (8 экспериментов)

Эксперимент	Лабораторная книга
Магнитный детектор	Vernier Engineering Projects with LEGO® MINDSTORMS® Education EV3
Compass	Vernier Engineering Projects with LEGO® MINDSTORMS® Education EV3
Minesweeper	Vernier Engineering Projects with LEGO® MINDSTORMS® Education EV3
Shell Game	Vernier Engineering Projects with LEGO® MINDSTORMS® Education EV3
Mapping a Magnetic Field	Middle School Science with Vernier
Electromagnets	Middle School Science with Vernier
Electromagnets: Winding Things Up	Physical Science with Vernier
Magnetic Полевые исследования	Физические науки с нониусом

Средняя школа (11 экспериментов)

Experiment	Lab Book
Magnet Detector	Vernier Engineering Projects with LEGO® MINDSTORMS® Education EV3
Compass	Vernier Engineering Projects with LEGO® MINDSTORMS® Education EV3
Сапер	Vernier Engineering Projects with LEGO® MINDSTORMS® Education EV3
Shell Game	Vernier Engineering Projects with LEGO® MINDSTORMS® Education EV3
Magnetic Field of a Current	Physics Explorations and Projects
Current from a Changing Field	Physics Explorations and Projects
Электромагниты: намотка вещей	Физические науки с нониусом
Исследования магнитного поля	Physical Science with Vernier
The Magnetic Field in a Coil	Physics with Vernier
The Magnetic Field in a Slinky	Physics with Vernier
The Magnetic Field of a Постоянный магнит	Физика с нониусом

Колледж (5 экспериментов)

Эксперимент	Лабораторная тетрадь
Magnetic Field of a Current	Physics Explorations and Projects
Current from a Changing Field	Physics Explorations and Projects
The Magnetic Field in a Coil	Physics с нониусом
Магнитное поле в обтекателе	Физика с нониусом
Магнитное поле постоянного магнита	Физика с нониусом

Требования

Выберите платформу ниже, чтобы просмотреть ее требования совместимости.

LabQuest

Interface	LabQuest App
LabQuest 3	Full support
LabQuest 2 (discontinued)	Full support
LabQuest (discontinued)	Full support

Computers

	Software
Interface	Graphical Analysis App for Computers	Logger Pro	Logger Lite
LabQuest Mini	Full support	Полная поддержка	Полная поддержка
LabQuest 3	Полная поддержка	Полная поддержка	Несовместимость
LabQuest 2 (discontinued)	Full support	Full support	Full support
LabQuest Stream	Full support 1	Full support	Full support 1
Go!Link	Полная поддержка	Полная поддержка	Полная поддержка
LabQuest (снято с производства)	Полная поддержка	Full support	Full support
LabPro (discontinued)	Incompatible	Full support	Full support

Compatibility Notes

1. Connect LabQuest Stream via USB. Беспроводное соединение не поддерживается.

Chromebook

	Программное обеспечение
Интерфейс	Приложение графического анализа для Chrome
LabQuest Mini	Full support
LabQuest 3	Full support
LabQuest 2 (discontinued)	Full support
LabQuest Stream	Full support 1
Go!Link	Полная поддержка
LabQuest (снято с производства)	Полная поддержка

Примечания о совместимости

1. Подключите LabQuest Stream через USB. Беспроводное соединение не поддерживается.

iOS

	Software
Interface	Graphical Analysis App for iOS	Graphical Analysis GW for iOS
LabQuest Stream	Full support	Full support
LabQuest 3	Полная поддержка 1	Полная поддержка 1
LabQuest 2 (discontinued)	Full support 1	Full support 1

Compatibility Notes

1. iOS and Android ^™ devices can only connect to LabQuest 2 or LabQuest 3 через беспроводной обмен данными.

Android

	Программное обеспечение
Интерфейс	Приложение графического анализа для Android	Графический анализ GW для Android	Google Science Journal
LabQuest Stream	Full support	Full support	Incompatible
LabQuest 3	Full support 1	Full support 1	Incompatible
LabQuest 2 (снято с производства)	Полная поддержка 1	Полная поддержка 1	Несовместимость

Примечания по совместимости

1. Устройства iOS и Android ^™ могут подключаться к LabQuest 2 или LabQuest 3 только через Wireless Data Sharing.

ArduinoLabVIEW

Примечания по совместимости

1. Этот датчик может считывать только необработанные значения счетчика/напряжения. Вы должны выполнить программирование для преобразования в соответствующие единицы измерения датчика.

Texas Instruments3 Несовместимость0184

	Программное обеспечение
Интерфейс	EasyData	DataMate	TI-84 SmartView	DataQuest	TI-Nspire Software
EasyLink	Full support 1	Incompatible	Full support 2	Full support	Full support 2
CBL 2	Полная поддержка 3	Полная поддержка 3 4	Несовместимость	Incompatible
LabPro (discontinued)	Full support 3	Full support 3 4	Incompatible	Incompatible	Incompatible
TI-Nspire Lab Cradle (discontinued)	Несовместимый	Несовместимый	Несовместимый	Полная поддержка	Полная поддержка

Примечания о совместимости

1. Используйте только с калькуляторами TI-84 Plus.