Sbírka fyzikálních pokusů

Jednoduchý elektromagnet

Pokus číslo: 2198

• Cíl pokusu

  Cílem pokusu je sestrojit jednoduchý elektromagnet z co možná nejdostupnějších pomůcek a ukázat jeho funkčnost.

• Teorie

  V okolí vodiče s proudem vzniká magnetické pole. Chceme-li toto pole zesílit, navineme z vodiče cívku a vložíme do její dutiny tzv. jádro – kus kovu z magneticky měkké látky (látky, která se chová jako magnet pouze v přítomnosti vnějšího magnetického pole). Tímto jednoduchým způsobem jsme vyrobili tzv. elektromagnet. Velikost magnetického pole \(B\) v dutině cívky je přímo úměrná počtu závitů \(N\), velikosti proudu \(I\) a relativní permeabilitě jádra \(\mu_r\) a nepřímo úměrná délce cívky \(l\):

  \[B=\mu_{0}\mu_{r}\frac {NI}{l},\]

  kde \(\mu_{0}=4\pi\cdot{10}^{-7}\,\mathrm{NA^{-2}}\) je permeabilita vakua. Tento vztah ovšem přibližně splňuje pouze velmi dlouhá cívka (tzv. solenoid), ve které lze pole považovat za homogenní; v dutině reálné cívky se pole mění v závislosti na vzdálenosti od jejího středu.

• Pomůcky

  • izolovaný drát
  • velký hřebík
  • plochá baterie
  • krokosvorka
  • kompas/buzola nebo mobilní telefon s kompasem (my jsme využili aplikaci Kompas zabudovanou přímo do iOS)

• Postup

  1. Naviňte drát na hřebík a ponechte konce drátu volné a přístupné.

  2. Na jeden konec drátu umístěte krokosvorku, druhým obtočte jeden z pólů ploché baterie.

  3. K hřebíku umístěte kompas a krokosvorkou se dotkněte druhého pólu baterie. Pozorujte výchylku kompasu.

• Vzorový výsledek

  Ve videu níže je zachycen vzorový výsledek pokusu. Před připojením zdroje ukazuje kompas na telefonu směr magnetického pole určený magnetickým polem Země; po připojení zdroje se magnetické pole Země skládá s výrazně silnějším polem elektromagnetu, což vede k vychýlení „střelky“ do jiného směru.

• Technické poznámky

  • Pokud je (na rozdíl od vzorového pokusu) izolace drátu zajištěna jeho nalakováním, je třeba konce drátu obrousit smirkovým papírem, aby došlo k odstranění izolujícího laku a drát mohl být vodivě spojen s přívodními vodiči.

  • Ve vzorovém pokusu bylo provedeno měření v tzv. netečném pásmu elektromagnetu, samozřejmě lze ale měřit i poblíž jeho pólů.

  • Kompas využívaný v chytrých telefonech nedoporučujeme využít při pokusech s komerčně dodávaný cívkami a jádry − magnetické pole by v těchto případech mohlo být příliš silné a potenciálně zařízení poškodit. Experimentování s hřebíkem a plochou baterií je ale z tohoto pohledu bezpečné.

• Metodické poznámky

  • Doporučujeme rozdat pomůcky a nechat studenty využít vlastní telefony pro detekování změny magnetického pole. Samozřejmě, pokus lze provést i bez mobilního telefonu, s klasickou buzolou či kompasem.

  • Je na místě upozornit studenty na škodlivý vliv silného magnetického pole na přístroje.

  • Pravděpodobně se nepodaří navinout drát rovnoměrně tak, aby magnetické pole bylo alespoň přibližně homogenní, na což může být vhodné studenty upozornit.

• Komentář

  Máte-li tu možnost, lze využít detekování změny magnetického pole pomocí kompasu v chytrém telefonu i v terénu – např. u projíždějícího metra. Studenty to často baví a mnohdy překvapí.