علوم تجربی پایه هشتم
فصل 10 مغناطیس
بسیاری از دانش آموزان شیفتهٔ آهن ربا هستند. شاید بیشتر به این سبب که آهن ربا از دور عمل می کند. به کمک آهن ربا می توان میخی در نزدیکی آن را حتی وقتی یک تکه چوب بین آنها باشد به حرکت در آورد؛ به همین ترتیب، جراح مغز و اعصاب می تواند با حداقل آسیب به مغز، الکترودهایی در آن کار گذارد یا چشم پزشک، براده های آهن را از چشم بیمار خارج کند.
می دانیم آهن رباها برخی مواد را جذب می کنند. ما از همین خاصیت برای چسباندن یک برگهٔ کاغذ روی بدنهٔ یخچال استفاده می کنیم. دور تا دورِ در یخچا لها نیز آهن رباهایی وجود دارد که سبب بسته شدن آن می شود. بسیاری از اسباب بازی های الکتریکی با استفاده از خواص مغناطیسی طراحی و ساخته می شوند.
بلندگوها، دینام دوچرخه، موتور ماشین لبا سشویی و … بر اساس ویژگی های مغناطیسی کار می کنند.
قطب های آهن ربا
در علوم دورهٔ ابتدایی دیدیم، وقتی آهن ربا را به ظرف گیره های کاغذی یا جعبهٔ میخ های کوچک نزدیک می کنیم ، گیره ها یا میخ ها جذب آهن ربا می شوند و بیشتر گیره ها یا میخ ها به دو سر آهن ربا می چسبند. این قسمت ها را که خاصیت مغناطیسی ( آهن ربایی ) قوی تری دارند، قطب های آهن ربا نامیدیم.
همچنین دیدیم که اگر یک آهن ربای تیغه ای را با نخی آویزان کنیم، طوری که به راحتی بتواند بچرخد، همواره یکی از قطب ها به طرف شمال جغرافیایی و قطب دیگر به طرف جنوب جغرافیایی می ایستد.
قطبی را که به سمت شمال جغرافیایی می ایستد، قطب شمال یا قطبN نامیدیم و قطبی را که به سمت جنوب می ایستد، قطب Sنام گذاری کردیم.
شکل 1
الف) همانند شکل با استفاده از خمیر بازی، مداد و آهن ربای نعلی شکل قطب شمال و جنوب را پیدا کنید (شکل الف).
پاسخ: آهن ربای نعلی شکل پس از چرخیدن در راستای شمال –جنوب به گونه ای قرار می گیرد که قطب N به سمت شمال و قطب S آن به سمت جنوب باشد.
شکل الف)
ب) به کمک یونولیت و یک آهن ربای تیغه ای کوچک و ظرف آب یک قطب نمای ساده بسازید (شکل ب).
پاسخ: آهن ربای تیغه ای روی قطعه یونولیت شناور بر سطح آب در راستای شمال – جنوب زمین قرار می گیرد و قطب N آن به سمت شمال و قطب Sآن به سمت جنوب است.
شکل ب)
با استفاده از آهن ربا و وسایل روبه رو، مواد را به دو دسته تقسیم بندی کنید. موادی را که جذب آهن رباها می شوند مواد مغناطیسی و بقیه را غیر مغناطیسی بنامید.
مواد مغناطیسی: قیچی، میخ، گیره کاغذی، سکه ، قوطی نوشابه
مواد غیر مغناطیسی: فویل آلومینیم ، بطری، مداد و لیوان
قیچی، میخ، گیره کاغذی، فویل آلومینیم، بطری، مداد،لیوان، سکه وقوطی نوشابه
آهن ربای تیغه ای را همانند شکل به وسیلهٔ نخی بیاویزید و سپس قطب های آهن ربای دیگری را به قطب های این آهن ربا نزدیک کنید. مشاهدهٔ خود را برای حالت هایی که قطب های همنام و غیر همنام آهن ربا به هم نزدیک می شوند، بیان کنید.
پاسخ: قطب های همنام (هر دو Nیا هر دوS ) یکدیگر را دفع و قطب های غیر همنام (یکی N و دیگری S)یکدیگر را جذب می کنند.
با انجام دادن فعالیت بالا و آزمایش های مشابه نتیجه می گیریم، هما نطور که بارهای الکتریکی همنام، یکدیگر را دفع و بارهای غیر همنام همدیگر را جذب می کنند، قطب های همنام آهن ربا نیز همدیگر را دفع و قطب های غیر همنام آهن ربا همدیگر را جذب می کنند. البته تفاوت بسیار مهمّی بین قطب های مغناطیسی و بارهای الکتریکی وجود دارد. بارهای الکتریکی را می توان از هم جدا کرد؛ولی آزمایش نشان می دهد، قطب های مغناطیسی را نمی توان از هم جدا کرد. به عبارت دیگر قطبN هرگز بدون حضور قطب S وجود ندارد و بر عکس. اگر آهن ربای میله ای را دو تکه کنیم، هر تکهٔ آن یک آهن ربا با دو قطب خواهد بود (شکل2)
همانند شکل روبه رو یک میخ کوچک یا سوزن ته گرد را به انتهای آهن ربا نزدیک کنید تا به آهن ربا بچسبد.میخ بعدی را به نوک میخ اول نزدیک کنید. این کار را برای میخ های دیگر نیز تکرار کنید. به نظر شما چگونه آهن ربا، میخ اول را جذب کرده است؟
القای مغناطیسی
میخ اولی چگونه میخ دوم را جذب کرده است؟
پاسخ: در واقع میخ اولی توسط آهن ربا به آهن ربایی تبدیل می شود که قطب غیرهمنام آن در مجاورت آهن ربای اصلی قرار می گیرد بنابراین میخ اولی جذب آهن ربا می شود. به همین ترتیب میخ دوم ، سوم و … همگی به آهن ربا تبدیل می شوند، به گونه ای که قطب های ناهمنام آنها در مجاورت یکدیگر واقع شوند.
اگر به آرامی میخ اول را از آهن ربا جدا کنیم، چه اتفاقی می افتد؟ آیا میخ های دیگر سر جای خود باقی می مانند یا اینکه از میخ اول جدا می شوند؟
پاسخ: اگر به آرامی میخ اول را از آهن ربا جدا کنیم، میخ های دیگر همچنان سر جای خود باقی می مانند و از میخ اول جدا نمی شوند.
اگر در فعالیت بالا مقوا یا شیشه ای را بین میخ اوّل و آهن ربا قرار دهیم، باز هم می توان مانند قبل میخ ها را به دنبال هم قرار داد؛ یعنی بدون تماس آهن ربا با میخ، می توان در آنها خاصیت مغناطیسی ایجاد کرد. به این پدیده، یعنی ایجاد خاصیت مغناطیسی در یک قطعه آهن به وسیلهٔ آهن ربا بدون تماس با آن را القای مغناطیسی می گوییم. در فعالیتی که انجام دادید، ابتدا میخ اوّل آهن ربا می شود طوری که سر نزدیک تر به قطب
N آهن ربا قطب S می شود و سر دورتر قطب N .چون قطب های غیرهمنام همدیگر را جذب می کنند، میخ جذب آهن ربا می شود. همین اتفاق برای میخ های دیگر نیز می افتد. یعنی میخ ها به گونه ای آهن ربا می شوند که قطب های غیر همنام آنها به هم نزدیک باشند.
توجه کنید که هر چه آهن ربای اصلی خاصیت مغناطیسی قوی تری داشته باشد، تعداد میخ هایی که از یکدیگر آویزان می شوند، بیشتر خواهند بود؛ به عبارت دیگر به روش القا خاصیت مغناطیسی قوی تری در میخ ها ایجاد می شود.
الف) همانند شکل به کمک یک آهن ربای تیغه ای و یک میخ، یک آهن ربا بسازید وسپس قطب های آهن ربای ساخته شده را به وسیلهٔ آهن ربای تیغه ای یا قطب نما تعیین کنید.
پاسخ: با یک قطب آهن ربای تیغه ای چند بار و در یک جهت از ابتدا تا انتاهای میخ را مطابق شکل مالش می دهیم، میخ خاصیت مغناطیسی پیدا کرده و آهن ربا می شود در این روش قطبی که در انتهای مسیر مالش به وجود می آید، مخالف قطب مالش دهنده است (یعنی نوک میخ در اینجا قطب s می شود).
ب) به کمک میلهٔ چوبی، پایه و چند آهن ربای حلقه ای، فنر مغناطیسی بسازید و دربارهٔ کاربرد های احتمالی آن فکر کنید.
پاسخ: فنر مغناطیسی در بعضی صنایع خاص نقش یک ضربه گیر قوی یا ضربه گیر چند مرحله ای مکانیکی را برای تضعیف نیرو وبالا بردن استحکام وسایل ایفا می کند.
آهن ربای الکتریکی
در زندگی روزمره از آهن رباهای الکتریکی استفاده های فراوانی می شود. در انواع زنگ ها، جرثقیل های مغناطیسی، ساعت های الکتریکی و… از این نوع آهن رباها استفاده می شود.
در دورهٔ ابتدایی با ساخت سادهٔ آهن ربای الکتریکی آشنا شده ایم. با آزمایش زیر ضمن یادآوری آن مطالب، مفاهیم جدیدی را می آموزیم.
آهن ربای الکتریکی
هدف آزمایش: ساخت آهن ربای الکتریکی
مواد و وسایل: دو باتری قلمی و جای آن، سیم های رابط، کلید قطع و وصل، میخ یا پیچ در اندازهٔ متوسط، چسب نواری، سیم مخصوص (لاکی) برای درست کردن سیم پیچ براده های آهنی و یا واشرهای فلزی
روش اجرا:
١. دور میخ یا پیچ سیم مخصوص را بپیچید.
٢. همانند شکل مدار الکتریکی را کامل کنید و کلید را ببندید.
٣. میخ را به گیره های کاغذی یا واشرهای آهنی نزدیک کنید. چه اتفاقی می افتد؟
پاسخ: گیره های کاغذی یا براده های آهن جذب میخ می شوند.
۴. اگر کلید را باز کنید، چه اتفاقی می افتد؟
پاسخ: گیره های کاغذی یا براده های آهن می افتند با قطع جریان خاصیت مغناطیسی از بین می رود.
با انجام دادن آزمایش بالا درمی یابیم، سیم پیچ و میخ دارای خاصیت مغناطیسی شده است و می تواند همانند یک آهن ربا عمل کند. برای تعیین عوامل موثر بر خاصیت مغناطیسی آهن ربا، فعالیت صفحه بعد را انجام دهید.
الف) به کمک قطب نمایا یک آهن ربا که قطب N و Sآن معلوم است، قطب های آهن ربای الکتریکی ساخته شده درآزمایش صفحهٔ قبل را تعیین کنید.
پاسخ: قطب های آهن ربای الکتریکی درست مانند قطب های یک آهن ربا عمل می کنند هر قطب آهن ربای الکتریکی توسط قطب نا همنام آهن ربا جذب می شود و بوسیله قطب همنام آهن ربا رانده می شود.
ب) در شکل رو به رو، جای پایانه های باتری را در مدار عوض می کنیم. در نتیجه جای قطب های N و Sآهن ربای الکتریکی عوض می شود. از این آزمایش چه نتیجه ای می گیرید؟
پاسخ: قطب N و S آهن ربای الکتریکی به جهت جریان بستگی دارد اگر جهت جریان تغییر کند .قطب های آهن ربا عوض می شود قطبی که N بوده S می شودو قطبی S بوده N می شود.
پ) اگر به جای یک باتری از چند باتری پشت سر هم استفاده کنیم و آهن ربای الکتریکی را در گیره های کاغذی یا براده های آهن قرار دهیم، تعداد بیشتری گیره را جذب می کند. از این آزمایش چه نتیجه ای می گیرید؟
پاسخ: هر چه شدت جریان عبوری از سیم پیچ بیشتر شود، خاصیت مغناطیسی آهن ربای الکتریکی بیشتر می شود.
ت) هر چه تعداد دورهای سیم پیچ بیشتر شود،آهن ربای الکتریکی براده های بیشتری را جذب می کند. از این آزمایش چه نتیجه ای می گیرید؟
پاسخ: هر چه تعداد دور های سیم پیچ بیشتر شود خاصیت مغناطیسی آهن ربای الکتریکی بیشتر می شود.
با انجام دادن فعالیت بالا در می یابیم:
۱. قطب Nو Sآهن ربای الکتریکی به جهت جریان الکتریکی بستگی دارد.
۲. هر چه جریان گذرنده از سیم پیچ بیشتر شود، خاصیت مغناطیسی آهن ربای الکتریکی بیشتر می شود.
۳. هر چه تعداد دورهای سیم پیچ بیشتر شود، خاصیت مغناطیسی آهن ربای الکتریکی بیشتر می شود.
یکی از کاربردهای آهن رباهای الکتریکی، در جرثقیل هایی است که ماشین های قراضه یا زباله های آهنی بزرگ را بلند می کنند. در شکل توضیح دهید:
الف) چگونه این جرثقیل ها اجسام را بلند می کنند؟
پاسخ: وقتی آهن ربای الکتریکی خاصیت آهن ربایی پیدا می کند قطعات بزرگ آهنی را جابه جا می کند.
ب) وقتی بخواهند ماشین یا زباله را رها کنند، چه عملی را انجام می دهند؟
پاسخ: با قطع جریان آهن ربای الکتریکی خاصیت مغناطیسی را از دست می دهد و زباله ها رها می شوند.
موتور الکتریکی
آیا می دانید در ماشین لباس شویی، استوانه ای که لباس در آن قرار می گیرد، چگونه می چرخد و لباس ها شسته می شوند؟ یا در ماشین های اسباب بازی الکتریکی، چرخ ها چگونه می چرخند و ماشین حرکت می کند؟
یکی از رایج ترین کاربردهای علم مغناطیس در زندگی روزمره، ساخت و استفاده از موتورهای الکتریکی است. موتورهای الکتریکی در جاروبرقی، خنک کن ،کولرهای آبی، خودروها و.. . استفاده می شوند. برای آشنایی با کارکرد موتورهای الکتریکی آزمایش زیر را انجام می دهیم.
هدف آزمایش: ساخت موتور الکتریکی ساده
مواد و وسایل:
چند متر سیم مخصوص 0/5 میلی متری لاکی، لیوان کاغذی یا پلاستیکی مقاوم، چند آهن ربای کوچک قوی (نئودیمیوم)، باتری بزرگ 1/5 ولتی ،گیرهٔ کاغذی و سیم های سوسماری، دو باتری قلمی و جای باتری.
روش اجرا
١. همانند شکل الف توسط سیم مخصوص یک سیم پیچ درست کنید.
٢. دو طرف لیوان را با دقت سوراخ کنید و گیره های کاغذی را (همانند شکل پ) به طرفین آن بچسبانید.
٣. آهن رباها را (همانند شکل ت) در طرفین لیوان قرار دهید.
۴. سیم پیچ را در لیوان قرار دهید و سیم های دو طرف آن را طوری از سوراخ ها خارج کنید که با پایین گیرهٔ کاغذی تماس داشته باشند (در نقطهٔ تماس با گیره، روکش یک طرف سیم به طورکامل و طرف دیگر تنها نیمی از آن تراشیده شود).
۵. یک سر سیم سوسماری را به گیرهٔ کاغذی و سر دیگر را به باتری وصل کنید و حرکت سیم پیچ را در نظر بگیرید. هم اکنون شما یک موتور الکتریکی ساخته اید. شکل آخر (ث) نمونهٔ ساده ای از موتور الکتریکی ساخته شده توسط یک دانش آموز را نشان می دهد.
پاسخ: درموتورهای الکتریکی انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی تبدیل می شود و می توان از چرخش محور برای چرخاندن قطعات دیگر استفاده کرد.
در موتور های الکتریکی، انرژی الکتریکی تبدیل به انرژی حرکتی می شود و می توان از چرخش محور برای چرخاندن قطعات دیگر استفاده کرد.به نظر شما از حرکت این سیم پیچ چه استفاده هایی می توان کرد؟
تولید برق
ما همگی از انرژی الکتریکی استفاده می کنیم. بدون آن زندگی بسیار دشوار است. بدون این نوع انرژی، تلویزیون، رایانه، یخچال، لباس شویی، ظرف شویی و … نمی توانند کار کنند. آزمایش زیر به شما نشان می دهد که چگونه می توان به کمک یک سیم پیچ و آهن ربا جریان الکتریکی تولید کرد.
هدف آزمایش: ساخت یک مولد برق ساده
مواد و وسایل: لولهٔ پلاستیکی (سرنگ)، سیم مخصوص نازک یک آه نربای کوچک قوی، ،LED لاکی، لامپ کوچک چسب لنت، سوکت و سیم های رابط.
روش اجرا
١. سیم مخصوص را به دور لولهٔ پلاستیکی آنقدر می پیچیم تا یک سیم پیچ با حداقل ۶۰۰ الی ۱۰۰۰ دور تشکیل شود.
2. دو سر سیم را به پایانه هایLEDوصل می کنیم.
٣. آهن ربا را در لوله (سرنگ) قرار می دهیم و سر
لوله را می بندیم.
۴. آهن ربا را با سرعت در لوله حرکت می دهیم.
آیا لامپ روشن می شود؟ پاسخ: بله
چگونه می توان نور لامپ را بیشتر کرد؟
پاسخ: با قرار دادن آهن ربای قویتر یا با افزایش عده ی دورهای سیم به دور سیم پیچ و یا با تندتر حرکت دادن آهن ربا در لوله نور لامپ بیشتر می شود.
آیا می توانید توضیح دهید در این آزمایش انرژی جنبشی شما به چه انرژی هایی تبدیل شده است؟
نور و گرمایی
تحقیق کنید در یک نیروگاه برق آبی، چگونه برق تولید می شود؟
پاسخ: نیروگاه برق آبی نیروگاهی است که در آن از انرژی پتانسیل آب جمع شده در پشت سد برای تولید برق استفاده می شود آب جمع شده در پشت سدها با برخورد به پره های توربین آبی سبب چرخش روتور توربین می شود. چرخش روتور توربین نیز سبب چرخش ژنراتور و در نتیجه تولید برق می شود. این طریق تولید برق از لحاظ اقتصادی با صرفه است ولی محدودیت جغرافیایی محل از لحاظ سد سازی دارد.
شهر تاریخی گمیش تپه- گلستان
موفق و پیروز باشید