Invitation to Science Inquiry Invitation to Science Inquiry : (Mida teeb magnetism?)

Mida teeb magnetism?

8.1 Hõljuv kirjaklamber

Niidi otsa kinnittud kirjaklamber jääb justkui õhku rippuma, kui asetada selle lähedusse magnet.

Vahendid:

1. Pulkmagnet, statiiv ja näpitsklamber
2. Kirjaklamber ja niit (läbipaistev või must)

Protseduur:

Hõljuv kirjaklamber

1. Kinnita pulkmagnet näpitsklambri abil vertikaalselt statiivile ja teibi selle ette papist silt kirjaga ,,Hõljuv kirjaklamber”. (Sildi alumine äär peaks olema pulkmagneti servaga kohakuti.)

2. Seo kirjaklamber niidi külge ja teibi niidi teine ots statiivi aluse külge nii, et klamber tänu magnetile õhus püsiks (kuid et need üksteist ei puudutaks).

3. Näita õpilastele, et klamber ei ripu niidi küljes, liigutades selleks sildi ja klambri vahelt läbi näiteks joonlaua, paberitüki vms.

4. Võta nüüd käärid ja ”lõika läbi” kirjaklambrit üleval hoidva magnetvälja jõujooned.

Millisest materjalis esemeid võib liigutada klambri ja magneti vahel ilma, et klamber alla kukuks? Vastama
Millised materjalid „lõikavad” magnetvälja jõujooned kindlasti katki? Vastama
Millised mündid magnetvälja jõujooni ei katkesta? Vastama
Mida tegid käärid tegelikult magnetvälja jõujoontega? Vastama

Selgitus Kirjaklambrit hoiavad tõepoolest üleval magnetilised jõud. Kui klambri ja magneti vahele panna metallist käärid, siis magnetväli koondub kääride sisse, klambri ümber olev magnetväli nõrgeneb ja klamber kukub alla. Materjalid, mis magnetvälja jõujooni "neelavad", on näiteks raud, nikkel ja koobalt ning esemed, mis neid aineid sisaldavad (sulamid). Nähtuse põhjuseks on asjaolu, et magnetilised materjalid (raud, nikkel, koobalt) esemed koosnevad justkui pisikestest juhuslikult asetatud magnetitest. Kui need magnetid joonduvad ühes suunas, võib ese muutuda tugevaks magnetiks.  See tähendab ka seda, et kui panna sellised esemed magnetvälja, siis magnetväli koondub nende sisse.

8.2 Millisel poolusel on külgetõmbejõud?

Vahendid:

1. Kaks märgistustega pulkmagnetit
2. Üks märgistusteta pulkmagnet
3. Nöörijupp

Protseduur:

1. Seo märgistatud pulkmagneti külge nöörijupp ja lase sel horisontaalselt vasaku käe (või statiivi) küljes rippuda.

2. Liiguta selle magneti suunas oma parema käega teist märgistustega pulkmagnetit. Lase õpilastel näha, mida teeb esimese magneti lõuna- või põhjapoolus, kui sellele lähendada teise magneti lõuna- või põhjapoolus

3. Asenda nüüd sinu paremas käes olnud märgistustega magnet märgistusteta magnetiga ja küsi: „Milline poolus hakkab liikuma selle magneti suunas?“

4. Oota, kuni õpilased on küsimusele reageerinud (mõned oodatavad vastused: ,,Me ei tea, kui sa ei ütle, millist poolust sa rippuva magneti poole liigutad“).

5. Ütle: „Kui ma ütlen, milline poolus on mu paremas käes, kas te siis oskaksite öelda, milline rippuva magneti poolus selle külge tõmbub?“

Kas on võimalik koostada seadus, mille järgi kõik magnetid käituksid? Vastama
Mida teeb rippuv magnet, kui sellele lähendad tavaline teraspulk? Vastama
Mida saab öelda teraspulga kohta, kui nii N kui ka S poolus tõmbuvad selle suunas? Vastama

Selgitus Selle katse peamine eesmärk on juhtida õpilased järelduseni, et sarnased magnetpoolused tõukuvad ja vastupidised poolused tõmbuvad. Seda nähtust mitu korda demonstreerides peaksid õpilased jõudma antud järeldusele iseseisvalt. Rippuvale magnetile magnetiseerimata teraspulga lähendamisel tümbuvad mõlemad poolused selle suunas. See on nii, sest magnetiseerimata pulgas olevad magnedomeenid suvaliselt paigutunud ja nii lõuna- kui ka põhjapoolus tahavad terastoru enda poole tõmmata. Sama juhtuks ka siis, kui kasutaksime naela.

8.3 Maagiline tantsija

Vahendid:

1. Kaks väikest ketasmagnetit
2. Puidust statiiv, teip

Protseduur:

1. Valmista puidust aluse ja painutatud traadiga statiiv ja lõiga välja papist tantsija figuur.

2. Riputa tantsija niidi abil statiivile.

3. Kinnita ketasmagnet teibi abil otse tantsija alla ning peida teine ketasmagnet tantsija jala otsale.

4. Liiguta tantsijat veidi ja vaatle.

Miks jätkab tantsija oma liikumist? Vastama
Kuids tuleb magnetpoolused sättida? Vastama
Miks peab statiivi alus olema valmistatud puidust? Vastama

Selgitus Varjatud ketasmagnetid on seatud nii, et samasugused poolused oleksid vastakuti – niisis tõukuvad need üksteisest. Nii liigub tantsija kogu aeg vertikaalselt selle all asuvast punktist eemale, põhjustades pikaajalist „tantsimist“. Kui statiivi alus oleks tehtud rauast või muust magnetilisest materjalist, tõmbuks ülemine magnet kogu aeg aluse poole, peatades seega tantsija liikumise.

8.4 Hõljuvad kettad

Vardasse aetud magnetrõngad hõljuvad üksteise kohal.

Vahendid:

1. Kuus või kaheksa väikest ketasmagnetit (või rõngasmagnetit)
2. Katseklaas (ketaste jaoks) või klaastoru koos üheavalise tihendiga (rõngaste jaoks)

Protseduur:

Hõljuvad kettad

1. Kinnita kuus või kaheksa ketasmagnetit paaridena üksteise külge.

2. Libista esimene paar katseklaasi põhja.

3. Libista teine paar katseklaasi, veendudes, et see tõukuks esimesest paarist (kui esineb tõmbumine, võta kõik neli katseklaasist välja ja alusta uuesti).

4. Tee sama ka järgmise kahe paariga.

5. Kui kasutad rõngasmagneteid: libista need klaastoru ümber nii, et need tõukuksid üksteisest.

Miks kinnituvad ketasmagnetid paaridena kokku? Vastama
Kuidas on ketasmagnetite poolused asetatud? Vastama
Märgi iga pooluse juurde vastavalt N ja S tähed. Vastama
Kuidas saada magnetid katseklaasist välja ilma seda ümber pööramata? Vastama
14262_1

Selgitus Ketasmagnetite poolused on orienteeritud nii, et kumbki selle lamedast otsast on üks poolus. Ketasmagnetite paarid on seatud nii, et nende erinimelised poolused oleksid üksteise poole suunatud, sellepärast tõmbuvad magnetid üksteise poole.  „Hõljumine“ tekib seetõttu, et samanimelised poolused on orienteeritud üksteise suunas – seega tõukuvad need üksteisest. Kui  oletada, et kõige alumise magneti põhjapoolus on  suunatud alapoole, peavad ülejäänud magnetite poolused olema orienteeritud nii, nagon on näha juuresoleval joonisel. Vaid nii tekib ,,hõljuvate“ magnetite paaride kombinatsioon. Sama saab teha ka rõngasmagnetitega.

8.5 Magnetjoonte visualiseerimine

Vahendid:

1. 1. Kaks pulkmagnetit (või muu kujuga magnetit)
2. Läbipaistvast materjalist või klaasist leht
3. Rauatükikesed

Protseduur:

1. Aseta pulkmagnetid grafoprojektorile nii, et üksteise poole oleksid suunatud vastasmärgilised poolused. Pooluste vahele peaks jääma umbes 4-5 cm. Kui sul puudub projektor, lase õpilastel enda ümber koguneda.

2. Kata magnetid läbipaistvast materjalist lehekesega ja puista sellele rauatükikesi nii, et need oleksid pooluste läheduses (sobib ka klaasitükk või valge paberileht).

3. Pärast rauatükikeste puistamist koputa kergelt lehekesele (klaasile või paberile).

4. Tee sama ka olukorras, kus üksteise poole on suuntud samasugused poolused (Joonis B).

Mida näitavad saadud joonte mustrid? Vastama
Milline näeks välja hobuseraua-kujulise magneti poolt tekitatud muster? Vastama
Milline näeks välja muster, kui magnetid oleksid asetatud paralleelselt ning nende samamärgilised poolused oleksid kohakuti? Aga siis, kui vastasmärgilised poolused oleksid kohakuti? Vastama
Kuidas näeks välja muster, kui kasutada vaid ühte pulkmagnetit? Vastama

Selgitus Rauatükikeste abil magnetvälja jõujoonte näitamiseks peab kasutama mittemagnetilisest materjalist lehekest – see ei tohi sisaldada rauda, niklit või koobaltit. Grafoprojektori kasutamisel on see eelis, et selle abil saab katset näidata kogu klassile korraga. Kui katset seinale ei projitseerita, peaksid õpilased kogunema katse lähedusse. Järgmised mustrid tekivad, kui kasutada hobuseraua-kujulist magnetit ja paralleelseid pulkmagneteid:

8.6 Kumb on magnet?

Vahendid:

1. Tugev pulkmagnet
2. Magnetiga samasugune terasest pulk

Protseduur:

1. Näita õpilastele kahte identset pulka ning ütle: „Üks nendest pulkadest on magnet. Kuidas me teada saame, kumb nendest, ilma teisi materjale kasutamata?“

2. Katseta õpilaste pakutud viisidel (mõned pakkumised: lase ühel pulgal laual vastu teist veereda, ühenda pulgad otsapidi kokku).

3. Kui õpilased ei paku varianti joonisel C, anna neile vihje, et nad mõtleksid magnetvälja jõujoontele, mis ümbritsevad pulkmagnetit. Siis küsi: „Kus on magneti tõmbejõud kõige nõrgem?“

4. Siis näita ja demonstreeri varianti joonisel C.

Kas variantidega joonistelt A ja B on võimalik kindlaks teha, kumb pulkadest on magnet? Vastama
Kui vertikaalne pulk mõjutab horisontaalset pulka (joonis C), siis kumb pulk on magnet? Vastama
Miks teraspulga ots (mittemagnetiline) ei mõjuta magnetpulga keskkohta. Vastama
Kuidas magnetvälja jõujooned mõjuvad pulkmagneti läheduses? Vastama

Selgitus Kui pulgad on asendites jooniselt A või B, pole võimalik öelda, kumb kahest pulgast on magnet - pulgad alati tõmbuvad, kuna üks pulk on tavaline mittemagnetiline teraspulk. Ainus võimalus öelda, et kumb pulk on magnet, on näidatud joonisel C. Kuna magnetvälja tugevus on magneti keskpunktis kõige nõrgem. Võib öelda, et magneti kaks poolust neutraliseerivad üksteist magneti keskel.

8.7 Müstiliselt liikuv nõel

Vahendid:

1. Lame magnet, keskmise suurusega nõel
2. Lai kuid madal klaasist või plastmassist kandik (vee hoidmiseks)
3. Väike kork võik väike tükk stüroplasti

Protseduur:

1. Magnetiseeri nõel, hõõrudes magneti põhjapoolust korduvalt punktist augu suunas (vt punkt 1 töös Nõelkompassi valmistamine).

2. Täida kandik veega (umbes 2cm sügavuselt) ja aseta see magneti peale (seades selle ääre nii, et veetase püsiks horisontaalselt).

3. Torka nõel läbi pooleks tehtud korgi või väikese stüroplasti tüki nii, et nõela terav ots oleks suunatud vertikaalselt alla.

4. Aseta nõel nüüd magneti põhjapooluse lähedusse ja vaatle! (Veendu, et nõelateravik hõljuks kandiku põhjast umbes 2-3 mm kõrgusel; kui see nii pole, lisa kandikusse rohkem vett).

Kuidas käitus nõel? Vastama
Mis juhtuks, kui asetada nõel magneti lõunapooluse lähedusse? Vastama
Kas nõela liikumine oleks erinev, kui oleksime sed hõõrunud magneti lõunapoolusega? Vastama
Kuidas oleks nõel käitunud sis, kui kui oleksime seda hõõrunud magneti põhjapoolusega vastupidises suunas (august terava otsa poole)? Vastama
Miks ei liigu nõel pooluste suunas sirgjooneliselt? Vastama

Selgitus Nõela hõõrumisel tugeva magneti põhjapoolusega teravikult augu suunas muutub nõel magnetiks, mille teravik on põhjapoolus, teine ots aga lõunapoolus. Pärast nõela asetamist vertikaalselt veepinnale saab see vabalt liikuda, mistõttu kandiku alla asetatud magneti põhjapoolus tõukab seda eemale ning lõunapoolus tõmbab enda suunas. Magnetiseeritud nõel liigub tugevas magnetväljas  kõverjooneliselt, järgides selle magnetvälja jõujooni. Väli on kõige tugevam just pooluste lähedal, mistõttu on nõela liikumine nendes alades ka kõige kiirem. Magnetiseerimata nõel liiguks lihtsalt sirgjooneliselt kõige lähemal asuva magnetpooluse suunas. Mis juhtuks nõelaga, kui veekandiku all oleks hobuseraua-kujuline magnet?

8.8 Katseklaasi magnet

Magnet muudab rauapuruga täidetud klaaskolvi magnetiks.

Vahendid:

1. Katseklaas sobiva korgiga
2. Tugev magnet
3. Rauatükikesed
4. Väike kompass

Protseduur:

Katseklaasi magnet

1. Pane natuke rauapuru katseklaasi, pane katseklaasile kork peale ja raputa seda hoides katseklaasi horisontaalselt.

2. Vii katseklaasi ots kompassi lähedale ja näita, et katseklaas mõjutb kompassi nõela vähe või üldse mitte. Lisaks näita õpilastele, et mõlemale katseklaasi otsale mõjub sama nõelaots, vahet pole, kumma otsaga kompassi katseklaasile lähendada.

3. Nüüd võta tugev magnet ja magnetiseeri rauatükid katseklaasis liigutades magnetit horisontaalselt hoitava katseklaasi all ringikujuliste liigutustega (vaata joonist).

4. Pärast magneti liigutamist umbes 5-6 korda, näita õpilastele, et katseklaas käitub nagu tavaline magnetitükk, kui sellele mõlemast katseklaasi otsast kompassi lähendada.

Miks näitas kompassinõel rauatükkide läheduses magnetilisi omadusi, kui katseklaas polnud magnetiseeritud? Vastama
Miks peab magnetit katseklaasi all liigutama ringikujuliste liigutustega? Vastama
Kuidas me teame, kas rauatükid katseklaasis on magnetiseeritud või ei ole seda mitte? Vastama
Kuidas käituks kompassi nõel, kui sellele lähendada tavalist magnetpulka? Vastama
Mida võib kasutada kompassi asemel? Vastama

Selgitus Rauapuru koosneb väikestest rauaosakestest, mis on alati magneetunud, aga mis on suvaliselt orienteeritud. Kui need osakesed magneti liigutamisega korrastatakse, saab rauapuruga katseklaasist magnet. Niisiis saab selle katsega demonstreerida, kuidas mangeetub raudpulk, kui selle magnetilised domeenid korrapäraselt orienteerida. Kui katseklaasi pärast katset raputada, siis osakesed orienteeruvad jälle juhuslikult ja katseklaasis oleva rauapuru magnetväli nõrgeneb oluliselt.

8.9 Magnetiline segadus

Kompassi põhjapoolus näitab magneti lõunapooluse poole.

Vahendid:

1. Väike kompass
2. Märgistustega pulkmagnet

Protseduur:

Magnetiline segadus

1. Jaota kompassid klassis õpilastele laiali ning küsi: „Milline nõela ots näitab põhjasuunda ja milline ots lõunasuunda?“

2. „Kuidas me teada saame?“ Lähendame märgistatud magneti põhjapooluse kompassile.

3. Nüüd kui õpilased teavad, kumb kompassi nõela ots näitab magneti põhjapooluse suunas ja kumb ots lõunapooluse suunas, küsi: „Kumb kompassi nõela ots näitab põhja suunas?“

4. „Kas põhjapoolus tõmbab põhjapooluse poole? Kas see pole mitte vastuolus füüsikaseadustega?“

Kuidas me saime teada, kumb magnetnõela ots näitab põhjapooluse poole? Vastama
Kuidas seda omadust siis teada saada, kui meil poleks magneti poolused märgistatud? Vastama
Kuidas orienteeruks nööri küljes rippuv magnet, st millisesse suunda näitaks selle põhjapoolus? Vastama
Kuidas saaksime teada milline on magneti põhja ja milline lõunapoolu, kui magnet oleks märgistamata? (Kuidas võis juhtuda see, et magneti poolused on selliselt tähistatud?) Vastama

Selgitus See katse võib õpilased segadusse viia, eriti kui nad on just õppinud magnetite vastastikmõju seaduseid. Asjaolu, et magneti põhjapoolus orienteerub maa põhjapooluse suunas võis olla põhjuseks, miks magneti poolused endale sellised nimed said. Ilmselt kehtib üks kahest - kas on magnetvälja põhjapoolus tegelikult lõunapoolus või asub Maa magnetiline põhjapoolus tegelikult lõunapooluse lähedal. Kõige lihtsam on õpilasel seda meelde jätta nii, et kompassi põhjapoolne ots on põhi, sest ta „otsib põhjapoolust“. Kõik nööri horisontaalselt nööri otsas rippuvad magnetipulgad näitavad põhja-lõuna suunas. Magneti põhjapoolus näitab põhja poole, sest ta „otsib põhjapoolust“.

8.10 Nõelkompassi valmistamine

Vahendid:

1. Peenike õmblusnõel, küünlajupp
2. Tugev magnet, klaas või tops

Protseduur:

1. Võta nõel oma sõrmede vahele ning hõõru teise käega magneti üht poolust vastu nõela ainult ühes suunas. Pärast igat liigutust liiguta magnet nõelast eemale ja lähenda uuesti „silmuse“ otsale (Joonis A). Tee nii umbes 10 korda.

2. Hoia nõela pöidla ja nimetissõrme vahel horisontaalselt ja liiguta see veepinnale võimalikult lähedale ilma seda puudutamata. Lase nõelast lahti. (Kui nõel vajub põhja, hõõru seda enne vette asetamist vastu küünlapinda, et see vett tõrjuks).

3. Kui nõel ujub, on see selgelt ühes suunas orienteeritud. Proovi seda ümber orienteerida, lähendades topsile magnet ning see siis eemaldades.

Miks ei tohi nõela magneti vastu hõõrudes kasutada edasi-tagasi liigutust? Vastama
Kui hõõrume nõela magneti lõunapoolusega suunas silmus-teravik, siis milline on magnetiseeritud nõela põhjapoolus? Vastama
Milline nõela ots näitab kompassis põhja suunas? Vastama

Selgitus Nõela tuleks magnetiga hõõruda vaid ühes suunas, sest hõõrumise eesmärk orienteerida nõela magnetilised domeenid ühes suunas. Kui hõõruda nõela edasi-tagasi sellist ühtset orientatsiooni nii lihtsalt ei teki. Kui hõõruda nõela magneti lõunapoolusega suunas silmus-teravik, muutub teravik põhjapooluseks ning seega näitab see põhja suunda. See ei ole nii seetõttu, et „põhja“ suund tõmbuks „põhja“ suuna poole – see on nii seetõttu, et maa geograafiline põhjapoolus on magnetiline lõunapoolus. Teine viis nõela kompassi horisontaalselt asetada on riputada see klaaspurgi sisse, kusjuures niidi teine ots on kinnitatud purgisuule paigaldatud klaas- või puupulga külge. Nõela võib ka panna ujuma veepinnale asetatud lameda korgist ketta peal.

8.11 Ajutine magnet

Magnet teeb naela magnetiliseks.

Vahendid:

1. Tugev pulkmagnet
2. Pikk raudnael
3. Kirjaklambrid

Protseduur:

Ajutine magnet

1. Pane mõned kirjaklambrid paberile.

2. Pane naela ots vastu kirjaklambrite hunnikut ning vaata, kas nael tõmbab neid kirjaklambreid (ei tohiks tõmmata).

3. Hoia magnetit vastu naelapead ja puuduta naela teise otsaga kirjaklambrite hunnikut (mõned kirjaklambrid jäävad naela külge, vaata joonist).

4. Eemalda magnet naelast (kirjaklambrid kukuvad maha).

5. Korda punkte 2, 3 ja 4, et näidata naela magnetilised omadused tekivad ja siis jälle kaovad.

Mis muutis naela magnetiliseks? Vastama
Kas vasest või alumiiniumist nael käituks samamoodi? Vastama
Kui naela puudutada magneti põhjapoolusega, siis milline poolus on naela teises otsas? Vastama
Kuidas nimetatakse magneti ajutiselt magnetiks muutmise protsessi? Vastama
Milliseid materjale saab veel ajutiselt magneetida? Vastama

Selgitus Magnetit ümbritsev magnetväli võib tekitada ajutised magnetilised omadused rauast, niklist ja koobaltist esemetes. Sellel juhul öeldakse, et objekt on magneetunud. Kui magneti põhjapoolusega naela pead puudutada, muutub see lõunapooluseks ning naela teravasse otsa tekib põhjapoolus. Magneetunud naelas on naela materjali magnetilised domeenid orienteerunud samas suunas ja kogu nael moodustab ajutise magneti. Kohe kui püsimagnet naelast eemaldada, orienteeruva osakesed taas suvalistes suundades ning naela magnetilised omadused kaovad.