Magnetické pole elektrického proudu

Žáci v 9. ročníku navazují na učivo o magnetismu a stejnosměrném obvodu. Zkoumají, jak se magnetické pole kolem vodiče s proudem projeví vychýlením blízké magnetky, a porovnávají pole přímého vodiče a cívky. Pozorují také, jak na vodič s proudem působí magnet, a sestaví jednoduchý elektromagnet z cívky s jádrem.

Výstup CAP-FYZ-004-ZV9-012 požaduje experimentálně ukázat vzájemné působení magnetu a vodiče s proudem a uvést praktické využití tohoto jevu. S tím souvisí princip elektromotoru; elektromagnet se využívá také například v relé a některých sluchátkách.

Směr magnetického pole kolem vodiče a směr síly na vodič mohou žáci určovat podle příslušného pravidla pravé ruky, bez vektorových výpočtů. Důraz je na pozorování, zapojení obvodu a slovní popis jevů, ne na výpočty elektromagnetické indukce.

Předpoklady

• Magnetické pole, póly magnetu a siločáry
• Elektrický proud v uzavřeném obvodu
• Sestavení jednoduchého obvodu a značení jeho prvků
• Vzájemné působení permanentních magnetů

Klíčové pojmy

Magnetické pole vodiče s proudem

Kolem přímého vodiče, kterým prochází proud, vzniká magnetické pole. Jeho přítomnost lze prokázat například vychýlením blízké magnetky.

Magnetické pole přímého vodiče

Magnetické indukční čáry kolem přímého vodiče tvoří soustředné kružnice. Jejich směr se určuje pravidlem pravé ruky: palec ukazuje směr proudu a ohnuté prsty směr pole.

Cívka

Magnetická pole jednotlivých závitů se skládají, takže cívka vytváří výraznější pole než samotný přímý vodič. Chová se podobně jako tyčový magnet a při změně směru proudu se její póly prohodí.

Elektromagnet

Cívka se železným jádrem vytváří elektromagnet. Jádro magnetické pole zesiluje a přívodem či přerušením proudu lze elektromagnet zapnout nebo vypnout.

Síla na vodič v magnetickém poli

Na vodič s proudem v magnetickém poli působí síla, která ho může vychýlit. Její směr závisí na směru proudu i orientaci magnetického pole; tento jev využívá elektromotor.

Praktické využití

Elektromotor mění elektrickou energii na pohyb. V relé elektromagnet přitahuje pohyblivou část a spíná obvod; v některých sluchátkách cívka v magnetickém poli rozkmitá membránu.

Síla elektromagnetu

Síla elektromagnetu závisí mimo jiné na proudu a počtu závitů; železné jádro ji obvykle zesiluje. Po přerušení proudu elektromagnet přestane aktivně působit, jádro si však může zachovat slabý zbytkový magnetismus.

Časté miskoncepce

• Častá chyba

  Žáci očekávají, že vodič bez jádra nebude mít žádné magnetické účinky, nebo magnetku umístí příliš daleko a vychýlení nezaznamenají.

  Jak na to

  Umístěte magnetku blízko vodiče a porovnejte její polohu při vypnutém a zapnutém proudu. Použijte vhodný nízkonapěťový zdroj a zapojení určené k pokusu; potom porovnejte pole přímého vodiče a cívky.

• Častá chyba

  Žáci určují póly cívky podle toho, kudy vedou její přívody, nikoli podle směru proudu v závitech. Po přepólování zdroje proto očekávají, že póly zůstanou stejné.

  Jak na to

  Označte konce cívky A a B, určete její póly pomocí kompasu, přepólujte zdroj a nechte žáky zaznamenat, jak se póly změnily.

• Častá chyba

  Žáci považují elektromagnet za permanentní magnet a čekají, že po odpojení proudu bude jádro stále silně přitahovat sponky.

  Jak na to

  Zvedněte elektromagnetem sponky a potom vypněte proud. Vysvětlete, že většina sponek odpadne; slabé přitahování, které může přetrvat, způsobuje zbytkový magnetismus jádra.

• Častá chyba

  Při vysvětlení motoru žáci připisují pohyb vzájemnému přitahování magnetů a přehlížejí působení magnetického pole na vodič s proudem.

  Jak na to

  Porovnejte polohu vodiče mezi póly magnetu bez proudu a při průchodu proudu. Žáci tak mohou pozorovat, že se vodič vychýlí, když jím prochází proud.

Jak učit

2–3 hodiny

1. Evokace: přibližte kompas k vodiči bez proudu a potom k témuž vodiči při průchodu proudu. Žáci popíší, co se změnilo, přestože se magnet neposunul.
2. Uvědomění: žáci zkoumají pole přímého vodiče a cívky, sestaví elektromagnet a pozorují sílu působící na vodič s proudem v poli magnetu. Jev propojí s principem elektromotoru a s využitím elektromagnetu v relé nebo sluchátku.
3. Reflexe: žáci vlastními slovy vysvětlí, co se změní po vypnutí proudu, a uvedou jeden přístroj, který využívá magnetické působení proudu.

Nápady na aktivity

• Stanoviště: pozorování magnetky u přímého vodiče a u cívky, porovnání cívky bez jádra a s jádrem a zvedání sponek elektromagnetem. Žáci zaznamenají, za jakých podmínek je účinek nejsilnější.
• Sestavení nebo pozorování jednoduchého stejnosměrného motorku či relé a slovní určení, kde je cívka a magnet a která část se pohybuje.

Hodnocení

Žák pokusem ukáže vychýlení vodiče s proudem v magnetickém poli a vysvětlí, že po vypnutí proudu toto působení ustane.

Žák uvede alespoň jedno praktické využití magnetického působení proudu, například v elektromotoru, relé nebo sluchátku, a stručně popíše, jak se v něm uplatní.

Zdroje

• Rámcový vzdělávací program pro základní vzdělávání
• Faraday's Electromagnetic Lab (PhET)

Co pro vás ScioBot připraví k tématu Magnetické pole elektrického proudu

Interaktivní aktivity, které žáci spustí na tabletu či tabuli, tisknutelné kartičky a hry pro celou třídu – každý formát na téma Magnetické pole elektrického proudu jedním klikem.

Základní materiály

• Příprava na hodinu

  Kompletní příprava s cíli, průběhem a aktivitami.

• Pracovní list

  List s úlohami, klíčem a variantou.

• Písemka

  Časovaná písemka s body a variantami.

• Aktivita

  Aktivita do hodiny, kterou žáci hned spustí.

• Prezentace

  Sada slajdů k výkladu a procvičení.

• Kartičky

  Materiál k tisku (kartičky, plakát, pracovní list).

• QR hra

  Interaktivní hra k procvičení tématu.

Interaktivní aktivity 15

• Křížovka s tajenkou

  Legendová křížovka, kde se ve sloupci skrývá tajenka. Skvělá na opakování pojmů.

  10–20 min

• Kartičky

  Sada oboustranných kartiček na učení pojmů a definic. Žáci si je procvičí překlápěním.

  5–20 min

• Pexeso a spojovačka

  Dvojice kartiček s obrázky, pojmy nebo příklady. Spojovačka, pexeso i volné třídění – ideální na slovní zásobu i opakování.

  10–25 min

• Poslechové cvičení

  Vícehlasý dialog s namluvenými hlasy a navázanými otázkami k poslechu.

  5–30 min

• Rozhodovačka

  Rychlé rozhodování mezi možnostmi s okamžitou zpětnou vazbou.

  5–12 min

• Otázky

  Sada otázek s výběrem odpovědí; jedna nebo více správných. Okamžitá sebekontrola.

  5–15 min

• Vpisování

  Žáci dopisují krátké odpovědi a ihned vidí, zda se trefili.

  5–15 min

• Rozřazovačka

  Žáci přetahují kartičky do správných kategorií.

  5–15 min

• Rozbory

  Žák přiřazuje značky k částem věty nebo výrazu — větné členy, slovní druhy, větné rozbory. Sebevyhodnocovací procvičování.

  10–20 min

• Označování

  Žáci označují správná slova přímo v textu.

  5–15 min

• Doplňování textu

  Žáci doplňují chybějící slova přímo do vět nebo krátkého textu.

  5–15 min

• Krok po kroku

  Žáci řadí kroky procesu do správného pořadí.

  5–15 min

• Popis obrázku

  Diagram s očíslovanými špendlíky. Žáci přiřazují popisky k částem obrázku — biologie, zeměpis, anatomie.

  5–15 min

• Přesouvání

  Žáci přetahují kartičky do přesně určených slotů.

  5–15 min

• Čtení s porozuměním

  Žáci čtou krátký text a odpovídají na otázky k jeho obsahu.

  10–25 min

K tisku a rozstříhání 8

• Páry

  Kartičky se dvěma polovinami, které k sobě patří (např. datum–událost). Žáci je vystřihnou a párovají.

  10–20 min

• Výběr z možností (s tajenkou)

  Kartičky s úlohami a třemi možnostmi. Písmena u správných odpovědí složí tajenku — žák si tak řešení zkontroluje sám.

  10–20 min

• Doplňování do vět

  Věty s výběrem ze dvou možností uvnitř — žák zakroužkuje správnou.

  10–20 min

• Hra Riskuj

  Kvízová hra se třemi podtématy a otázkami různé hodnoty — klasický formát Riskuj / Jeopardy.

  15–30 min

• Hra AZ kvíz

  28 otázek na hexagonální hrací pole — cílem je spojit všechny tři strany.

  15–35 min

• Označ správnou možnost

  Kartičky s otázkou a čtyřmi možnostmi — žák označí správnou (např. kolíčkem).

  10–20 min

• Já mám, kdo má …?

  Kartičky s tvrzením a otázkou — žáci je čtou v kruhu a hledají navazující odpověď.

  10–25 min

• Hádej, kdo jsem

  Kartičky s popisem osobnosti, věci nebo zvířete v 1. osobě — žáci tipují, o koho/co jde.

  10–25 min

Hry pro celou třídu 4

• AZ kvíz

  28 otázek na hexagonálním hracím poli — cílem je spojit všechny tři strany. Včetně náhradních ANO/NE otázek.

  15–35 min

• Riskuj

  Klasická hra se 5 kategoriemi a otázkami za 100–500 bodů — týmy soutěží o nejvyšší skóre.

  15–40 min

• Pexeso

  Klasické pexeso s 10 dvojicemi (pojem ↔ popis) — dva týmy se střídají a hledají shody.

  10–25 min

• Šarády

  Šarády se 12 úkoly (mluvení, kreslení, pantomima) — dva týmy hádají, kdo uhodne první, dostane bod.

  15–30 min

Očekávané výstupy