Постоянные магниты. Магнитное поле

Ключевые слова: магниты, постоянные магниты, магнитное поле, силовые линии магнитного поля, магнитное поле Земли.

На этом уроке вы научитесь:

• характеризовать основные свойства магнитов и графически изображать магнитное поле посредством силовых линий.

Вспомните, что вы знаете о магнитах. Обсудите известные вам основные свойства магнитов.

Гвозди притягиваются к магнитам, а потом сами начинают притягивать к себе железные опилки. Как вы думаете, почему так происходит?

Мы привыкли к тому, что постоянно сталкиваемся с магнитами. Они широко применяются в различных сферах нашей жизни. Каждый из нас знаком с компасом. Каждый знает, что вокруг Земли есть магнитное поле, которое защищает ее от космических лучей.

И в то же время мы даже не подозреваем, сколько магнитов вокруг нас. Во многих электрических приборах и устройствах (в электробритвах, динамиках, магнитофонах, в часах, в пылесосах) есть магниты и электромагниты. Наша звезда — Солнце — это грандиозный магнит. Галактики и туманности представляют собой огромные по размерам магниты. Магниты широко применяются в ускорителях заряженных частиц, в генераторах переменного и постоянного тока, на заводах для подъема и погрузки контейнеров и металлолома, с их помощью осуществляется подъем затонувших судов. Трудно перечислить области, где не требуются разнообразные по силе и размерам магниты. Проблема создания сильных, сверхсильных магнитных полей стала одной из основных в современной физике и технике. Над их разработкой работают ученые всего мира, в том числе и Казахстана.

Остановимся на магнитных взаимодействиях более подробно.

Магнитные свойства сильномагнитных веществ известны очень давно. Более трех тысяч лет назад свойство магнитных стрелок устанавливаться в направлении с севера на юг уже использовалось в Китае на практике. Еще тогда ученые этой страны снабжали колесницы особыми «указателями», которые обычно представляли собой намагниченную ложку (рис. 31.1) или человеческую фигурку, рука которой при помощи постоянного магнита всегда указывала на юг.

Рис. 31.1

Магнитные свойства были известны и в древней Греции, о чем можно судить по легендам, дошедшим до наших дней. Так, в одной из легенд говорилось о горе, обладающей свойством притягивать железные предметы. Эта магнитная гора, стоящая на берегу моря, якобы выдергивала железные гвозди из приближавшихся к ней кораблей, отчего корабли рассыпались, и мореплаватели погибали. С давних времен известно, что минерал магнетит в подвешенном состоянии всегда указывает одно и то же направление. Залежи минерала были обнаружены в древнем городе Магнесия (рис. 31.2). Слово «магнит» произошло от названия самого города. Данный минерал обладает магнитными свойствами: он притягивает к себе предметы из железа, кобальта, никеля. Словосочетание magnetis lithos означает камень из Магнесии.

В настоящее время известны магниты двух видов: природный, или естественный, и искусственный. К природным относятся железная руда, сплавы из никеля и кобальта, которые обладают свойством притягивать мелкие железные предметы. Предметы, изготовленные из никеля, кобальта или железа, под действием электрического тока приобретают магнитные свойства (намагничиваются). Они становятся искусственными магнитами.

Тела, длительное время сохраняющие магнитные свойства, называются постоянными магнитами. Они относятся к искусственным магнитам.

Постоянные магниты — наиболее привычный нам вид магнитов. Они постоянные в том смысле, что будучи однажды намагниченными эти магниты сохраняют определенный уровень остаточной намагниченности достаточно долго. Разные виды постоянных магнитов имеют различные характеристики или свойства. Одни из них легко размагничиваются, другие, наоборот, трудно размагнитить. Некоторые намагничиваются так, что их магнитные свойства проявляются очень сильно, а у других слабо. Магнитные свойства у разных постоянных магнитов меняются с изменением температуры.

Рис. 31.2

Постоянные магниты можно изготовить только из трех химических элементов и их сплавов: железа, никеля, кобальта.

Опыт показывает, что разные части постоянного магнита притягивают железные опилки с разной силой (рис. 31.3, а и 31.3, б). Наибольшей силой притяжения обладают концы магнита. Их называют полюсами магнита. У любого магнита существует два полюса: северный и южный. Северный обозначают символом $N$ (англ. North), а южный символом $S$ (англ. South).

Рис. 31.3

Если постоянный магнит в форме тонкой полоски расположить на плавающей в воде деревянной дощечке, то он поворачивается одним концом в направлении Северного полюса Земли, а другим — в направлении Южного. Поэтому концы магнита так и называются северным и южным полюсами. Это наблюдение привело к созданию компаса. Первые компасы появились в Китае в III веке. В Европе компасом стали пользоваться, начиная с XII века. Затем были изготовлены магнитные стрелки, которые ориентировались определенным образом под действием магнитного поля Земли.

Если расположить два полосовых магнита рядом на гладком столе, то мы обнаружим, что одноименные полюса отталкиваются, а разноименные полюса притягиваются (рис. 31.4).

Рис. 31.4

Взаимодействие магнитов друг с другом, их действие на магнитные стрелки или железные опилки происходит посредством особого вида материи — магнитного поля. Магнитное поле — это вид материи, непрерывный в пространстве, существующий независимо от нас и наших знаний о нем и не регистрируемый нашими органами чувств.

Обнаружить магнитное поле можно по его действию на магнитные стрелки, железные опилки.

Это интересно! Способность железа и его сплавов, а также никеля и кобальта сильно намагничиваться исчезает при нагревании до высокой температуры. Чистое железо теряет такую способность при нагревании до 753 °C, кобальт при 1127 °C, никель при 358 °C.

Поместим полосовые и подковообразные магниты под листом прозрачного оргстекла, на котором рассыпаны железные опилки. Мы обнаружим, что опилки будут располагаться по замкнутым линиям (рис. 31.5). В зависимости от того, как будут расположены полюсы магнитов, формы этих линий выглядят по-разному. Чтобы получить картину силовых линий магнитного поля, необходимо встряхивать опилки, постукивая по оргстеклу.

Рис. 31.5

Для того чтобы удобнее было иллюстрировать магнитное взаимодействие, учеными было предложено ввести понятие силовых линий магнитного поля.

Силовые линии магнитного поля — это линии, вдоль которых располагаются оси магнитных стрелок или железных опилок. Эти линии замкнутые, у них нет начала и конца. Принято считать полюс магнита, из которого выходят силовые линии, северным, а в который входят — южным. Направление магнитного поля совпадает с направлением северного конца магнитной стрелки. Густота силовых линий больше там, где действие поля сильнее. Понятно, что в реальном поле силовых линий нет.

Как направлены силовые линии внутри магнита?

Во многих опытах железные опилки заменяют магнитными стрелками, т. к. они намагничиваются в магнитном поле и становятся подобны магнитным стрелкам.

Если магнит разрезать на две части, то каждая часть будет иметь два полюса, т. е. магниты всегда имеют два полюса: северный и южный. Поэтому картина расположения опилок возле каждой половинки магнитов останется той же.

Обратимся к истории изучения свойств магнитов.

В 1600 г. английский ученый Вильям Гильберт в труде «О магните, магнитных телах и о великом магните Земли» описал эксперимент, который должен был объяснить магнетизм Земли. Гильберт изготовил шар из магнитной руды и исследовал, каким образом шар действует на маленькую железную стрелку. Он обнаружил сходство поведения этой стрелки с поведением стрелки компаса, вращающейся на горизонтальной оси вблизи Земли, и пришел к заключению, что Земля представляет собой гигантский магнит.

Гильберт формулирует следующие важные свойства магнита.

1. Магнит имеет два полюса (северный и южный) и обладает в различных частях различной силой притяжения; на полюсах эта сила наиболее заметна.
2. Разноименные полюсы притягиваются, одноименные отталкиваются.
3. Магнит, подвешенный на нитке, располагается определенным образом в пространстве, указывая север и юг.
4. Земной шар — это большой магнит.
5. Нельзя получить магнит с одним полюсом.

То, что вокруг Земли существует магнитное поле, доказали исследования французского физика А. М. Ампера. Оно обусловлено круговыми токами, циркулирующими в ядре Земли (рис. 31.6). Земля в целом представляет собой огромный шаровой магнит (рис. 31.6).

Рис. 31.6. Магнитное поле Земли

Магнитные и географические полюса Земли не совпадают друг с другом. Южный магнитный полюс $S$ находится вблизи северного географического полюса недалеко от северного берега озера Виктория (Канада). Северный магнитный полюс $N$ находится вблизи южного географического полюса вблизи берегов Антарктиды. Магнитные полюса Земли перемещаются.

Магнитное поле Земли — невидимый щит, защищающий нашу планету от воздействия космического излучения. Оно не пускает вредоносные частички внутрь и заставляет их огибать планету.

Это вы знаете. На поверхности Земли имеются территории, где ее собственное магнитное поле сильно искажено магнитным полем железных руд, залегающих на небольшой глубине. Одна из таких территорий — Курская магнитная аномалия, расположенная в Курской области.

Перечислим области применения постоянных магнитов:

1. в автомобильных электрогенераторах;
2. в радиомикрофонах;
3. в магнитофонах;
4. в усилителях звука;
5. в трансформаторах.

В стоматологии внедряются импланты на магнитах для надежного закрепления зубных протезов. Они притягиваются друг к другу и поэтому остаются неподвижными, т. е. их закреплять не надо.

Вопросы

1. Проведите опыты, показывающие перераспределение магнитных опилок в поле постоянных магнитов и объясните полученные результаты.
2. Сформулируйте правило взаимодействия магнитных полюсов.
3. Изготовьте самодельный компас. Подумайте, какие предметы вам понадобятся. Объясните принцип работы компаса.
4. Одним и тем же магнитом можно намагнитить очень большое количество стальных палочек. За счет какой энергии происходит намагничивание этих палочек?
5. Определите, на каких рисунках правильно изображены силовые линии магнитных полей (рис. 31.7).
6. Проведите эксперимент. Насыпьте железные опилки на оргстекло. Поднесите под оргстекло полосовой магнит и начните его вращать. Объясните перемещение опилок и полученные рисунки.
7. Объясните, для каких целей можно использовать данное «устройство» (рис. 31.8).
8. Найдите ошибку в рисунке 31.9.
9. Каким образом магнитное поле Земли «участвует» в появлении северного сияния?
10. Почему северное сияние наблюдается только на полюсах Земли?
11. Почему на планетах, где нет магнитного поля, нет жизни?
12. Имеются две одинаковые стальные спицы, одна из которых намагничена. Как узнать, какая из спиц намагничена, не пользуясь ничем, кроме самих спиц?

Рис. 31.7

Рис. 31.8

Рис. 31.9