Hæfniviðmið náttúrugreina/Rafmagn og segulmagn (4)

við lok 4. bekkjar

við lok 7. bekkjar

við lok 10. bekkjar

... getur nemandi kannað eiginleika segla

Verkefni

Könnun og umræður út frá fyrirbæri

Nemendur taka stangarsegla með skýrt merktum norður- og suðurpólum og prófa að láta þá verka á hver annan. Nemendur eiga svo í litlum hópum að lýsa í máli og mynd hvað þau sjá og leggja til líkan af seglunum sem skýrir hegðunina. Hóparnir kynna svo líkön sín og bekkurin ræðir þau; styrkleika og spurningar sem vakna.

Til að opna umræðuna ennþá meir má jafnvel láta nemendur fá segla hverra skaut eru ekki sérstaklega merkt (leikfangaseglar eru dæmi um þetta). Dæmi um atriði sem gætu komið fram:

• Stundum dragast seglar að hver öðrum, og stundum ýtast þeir í sundur.
• Krafturinn virkar mjög stutt.

Ef seglarnir eru með merkt skaut er eðlilegt að nemendur átti sig á að:

• Eins skaut (norður og norður, suður og suður) leitast til að fjarlægjast
• Ólík skaut (norður og suður)

Spurningar sem velta má upp:

• Hvernig vita seglarnir af hvor öðrum?

Tengdar kannanir:

• Leggja segul og lítinn áttavita á blað, færa áttavitann um og merkja stefnu áttavitans á ýmsum stöðum umhverfis segulinn.
• Leggja segul undir blað (svo járnsvarfið festist ekki við hann) og strá járnsvarfi ofan á til að sjá hvernig það lagar sig upp í mynstur.

Víxlverkun segla og segulvirkra efna má útskýra með svokölluðu segulsviði. Því má lýsa sem litlum örvum sem segja hversu sterkt og í hvaða átt seglar mundu stilla sig af í kringum segul.

Það er erfitt að fara djúpt í orsök segulkrafta en við getum útskýrt það sem lágmörkun á orku í segulsviðinu. Fyrir nemendur er þó nóg að vita að þetta er grunneiginleiki seglanna og hefur með

Sýndartilraunir sem sýna ósýnilegt segulsviðið:

• Seglar og rafseglar sýndartilraun frá PhET.

Ítarefni fyrir kennara

Rafmagn og segulmagn eru nátengd fyrirbæri og samofin en hversdagslega birtast þau sem aðskild fyrirbæri. Í hæfniviðmiði fyrir náttúrugreinar um Rafmagn og segulmagn segir að „Við lok 4. bekkjar getur nemandi kannað eiginleika segla.“

Seglar

Rafhleðslur og rafsegulsvið eru eiginleikar sem verða lítt skýrðir frekar nema með því að kafa ofan í skammtafræði. Fyrir grunnskólanemendur nægir að kynna segula og segulsvið sem fyrirbæri sem leiða af eiginleikum atóma/frumeinda og sameinda, og að þessir eiginleikar eru nátengdir rafhleðslum og rafsviði.

Byrjum kannski á því að kynna nokkur hugtök:

rafhleðsla

rafsvið

segulsvið

rafsegulsvið

frumeind, atóm

(rafsegul-)span

Við getum búið til segul með því vefja að leiða rafstraum í lykkju. Rafstraumur myndar ætíð segulsvið umhverfis sig og með því að vefja rafleiðara í lykkju leggst segulsviðið inni í miðju saman og myndar svið í laginu eins og kleinuhringir utan um lykkjuna (sem kallast tvípólssvið).

Segulmögnuð efni eru gerð úr frumeindum sem eru með rafeindir á brautum sem valda því að þær hegða sér eins og rafstraumslykkjur. Samlíkingin virkar ágætlega en felur svolítið flókin fyrirbæri tengd eiginleika rafeinda sem kallast spuni (sem er ekki snúningur rafeinda en virkar svolítið eins) og rafeindahvelum sem eru ólík þeirri einföldun að teikna brautir rafeinda sem hringi um kjarnann (þessi klassíska mynd af frumeind). En það má vel lýsa þessu sem svo að spuni rafeinda og snúningur þeirra myndi segulsvið á sama hátt og rafstraumur í lykkju.

Felst efni hafa slíkt en efnin sem hafa stórsætt segulsvið haga sér þannig að þau raða segulsviðum sínum upp sem magnast þá upp.

Önnur verkefni

• Tilraunir með segla úr Verklegar æfingar í náttúrufræði.

Segulvirk efni

Flest efni bregðast við segulsviði, en aðeins sum gera það svo við finnum fyrir.

Algengt er að við tengjum segulvirkni við málma má leiða líkum að því að fyrir því séu tvær ástæður. Í fyrsta lagi vegna þess að málmleysingjar bregðast lítið við seglum (mælitæki eða mjög sérstakar aðstæður þarf til að greina segulvirkniþeirra). Í öðru lagi er stál afar algengt í (byggðu) umhverfi okkar, og stál innihledur járn sem er einmitt segulvirkt.

Svo algegnt er járnið að helsta gerð seglunar/segulmögnunar er kölluð járnseglun. Aðrir (járn-)seglandi málmar eru kóbolt og nikkel.

Ýmsar málmblöndur eru líka járnseglandi, sér í lagi málmblöndur úr lantaníðum (e. lantanide/rare-earth metals) eins og neodýmíum (Nd).

Vert er að gefa því gaum að frumefnið járn finnst sjaldan hreint í umhverfi okkar og hlutir og verkfæri eru ekki gerð úr járni heldur málmblndunni stál sem er blönda járns og kolefnis (auk ýmissa annarra efna sem gefa ólíkum gerðum stáls ólíka eiginleika).

Af gerðum segulmögnunar nægir að þekkja járnseglunina og í góðu lagi að vísa til járnseglunar með yfirheitinu seglunar/segulmögnunar. En fyrir áhugasöm eru hér allar gerðir seglunar:

járnseglun

andjárnseglun

ferríseglun

meðseglun

mótseglun