Постоянные магниты
Постоянными магнитами называют тела, способные продолжительное время сохранять способность к притягиванию металлических предметов. Что лежит в основе этого удивительного свойства, как возникает магнитное поле, какие вещества могут обладать такими свойствами? Попробуем разобраться.
Из истории магнетизма
В VI в. до н.э. в древнем Китае был обнаружен минерал (горная порода), который притягивал к себе железные предметы. Китайцы дали ему название “чу-ши”, что переводится как “любящий камень. “Любящий” — в смысле притягивающий.
Слово “магнит” ввели в обиход древние греки в V в. до н.э. Существует легенда, что первые образцы этих необычных “черных камней” были найдены вблизи города Магнесу, где были обнаружены залежи магнетита. Магнит переводится как “камень из Магнесии”.
Магнетит — это железорудный минерал черного цвета, оксид железа Fe3O4, который имеет природные магнитные свойства.
Определение и основные признаки постоянного магнита
Постоянным магнитом называют твердый предмет, способный долгое время сохранять состояние намагниченности. Состояние намагниченности означает наличие магнитного поля, которое воздействует (притягивает) на металлические предметы.
Постоянные магниты могут быть естественного происхождения (магнетит) и искусственными, которые изготавливают из железа, стали, никеля, кобальта и других, более редких металлов. Искусственные магниты получают с помощью намагничивания заготовок в сильном магнитном поле. Эти магниты могут иметь разную форму и размеры.
Основным признаком постоянного магнита является наличие двух магнитных полюсов: южный — S, и северный — N. Магнитные линии направлены снаружи постоянного магнита от северного полюса к южному, а внутри магнита от южного к северному.
Почему у постоянного магнита имеется магнитное поле
В 1820 г. датский физик Ханс Эрстед при исследовании электрических явлений обнаружил, что если вблизи металлического провода разместить магнитную стрелку компаса, то при включении электрического тока стрелка отклонялась на заметный угол. Хотя он и не смог объяснить это явление, но после опубликования этих результатов французский ученый Андре-Мари Ампер высказал предположение, что движение электрических зарядов в проводе — электрический ток, приводит к появлению магнитного поля. Происходит взаимодействие, и на практике стрелка отклоняется.
Эту же идею Ампер использовал для объяснения природы магнитного поля постоянных магнитов. Согласно его теории магнитное поле появляется из-за наличия в магнитах непрерывно циркулирующих круговых токов, которые эквивалентны небольшим магнитикам. Эти токи складываются, усиливают друг друга и создают общее магнитное поле внутри и вне магнита. Магнит в целом представляет собой набор (сумму) этих магнитиков.
Наша планета представляет собой огромный постоянный магнит. Принципиальная схема постоянного магнита Земли, который создает ее магнитное поле, аналогична природе обычного, природного магнита. Ядро Земли имеет внешнюю оболочку из расплавленных металлов (железа, никеля и ряда примесей) при температуре более 4000 К 0 . Раскаленная масса, состоящая из смеси заряженных частиц, вращается вместе с Землей. В результате возникают непрерывно циркулирующие потоки и вихри, которые являются главной причиной появления магнитного поля Земли.
Как и из чего делают постоянные магниты
Магнетиты имеют довольно слабые магнитные свойства. Промышленным способом налажено массовое производство искусственных магнитов различных размеров. Исходными материалами для этого служат сплавы на основе металлов: железа Fe, никеля Ni, кобальта Co, неодима Nd, самария Sm. Заготовки из этих сплавов получают литьем, прессованием или спеканием. Затем они помещаются в очень сильное однородное магнитное поле, создаваемое электромагнитами. Во время воздействия магнитного поля, намагниченные частицы направляются в одну сторону. Так выравнивается полярность будущего магнита. В результате заготовки сильно намагничиваются и становятся самостоятельными постоянными магнитами.
В последнее время большую популярность получили полимерные постоянные магниты (магнитопласты). Их изготавливают из смеси магнитного порошка и полимерной (пластиковой) эластичной добавки, например, резины. Магнитные свойства магнитопластов невысоки, но их вполне достаточно для изготовления различных полезных приспособлений, например, магнитов на холодильник, пластиковых карт, демонстрационных и учебных досок.
Где используют постоянные магниты
Замечательные свойства постоянных магнитов используются в различных областях науки, техники, на производствах, в повседневной жизнедеятельности. Вот только некоторые из них:
- Запись и хранение информации (магнитные ленты, компьютерные дискеты и диски);
- Пластиковые карты различного назначения (финансовые, бонусные, контрольно-пропускные);
- Микрофоны, громкоговорители, звуковая техника;
- Электродвигатели, генераторы, трансформаторы;
- Компасы;
- В измерительных приборах с отклоняющей стрелкой, например, в амперметрах;
- Пластиковые магниты для использования в учебных выставочных целях;
- Магниты на холодильник;
- Изготовление застежек для одежды и сумок:
- Мебельные фиксаторы (закрывание дверок);
- Детские игрушки.
Пальму первенства среди самых мощных искусственных магнитов на сегодняшний день удерживают магниты, в состав которых включены редкоземельные металлы: неодим (сплав Nd-Fe-B) или самарий (сплав Sm-Co). Эти магниты могут сохранять свои свойства, не размагничиваясь в течение 30 лет.
Что мы узнали?
Итак, мы узнали, что постоянные магниты могут быть естественными и искусственными. Согласно теории Ампера магнитное поле появляется из-за наличия внутри магнитов непрерывно циркулирующих круговых токов. Эти токи и создают общее магнитное поле внутри и вне магнита. Самые сильные постоянные магниты изготавливаются с применением редкоземельных металлов: самария и неодима.
Постоянный магнит
Постоя́нный магни́т, тело, создающее постоянно действующее заданное распределение магнитного поля в окружающей среде. Постоянные магниты относятся к одному из десятков классов существующих магнитных материалов ( Buschow. 2004 ). В настоящее время постоянные магниты изготавливают из магнитотвёрдых материалов (МТМ) с высокой магнитной анизотропией (Kuz’min. 2008 ), что обеспечивает способность постоянных магнитов в значительной степени сохранять свои свойства в течение длительного времени (до 50 лет и более) под действием сильных внешних размагничивающих полей , высокой температуры , вибрации и ударных нагрузок.
Рис. 1. Картина магнитного поля постоянных магнитов. Рис. 1. Картина магнитного поля постоянных магнитов. При намагничивании внешним постоянным или импульсным магнитным полем постоянный магнит приобретает намагниченность , величина которой зависит от марки МТМ. Одновременно у торцов постоянного магнита возникает пара разноимённых магнитных полюсов , на которых замыкаются линии магнитной индукции , образующие внешний магнитный поток постоянного магнита (рис. 1, а). Магнитное поле полюсов в теле постоянного магнита частично размагничивает его ( размагничивающий фактор зависит от марки МТМ, формы и соотношения размеров магнита). Для уменьшения размагничивания к торцам постоянного магнита присоединяют магнитопровод из магнитомягкого материала . В результате этого магнитный поток концентрируется в ограниченном воздушном зазоре (рис. 1, б). Современные постоянные магниты (например, на основе сплава неодим – железо – бор, NdFeB \text NdFeB ,) обладают высокой устойчивостью к размагничиванию и могут использоваться практически без магнитопровода. Это значительно уменьшает габаритные размеры и массу многих устройств. Широко применяются кольцевые магниты с несколькими парами разноимённых полюсов, для создания которых используют специальные приёмы намагничивания.
Технологии производства постоянных магнитов
Слабые постоянные магниты часто встречаются в природе в железной руде ( магнетит , оксид железа Fe 3 O 4 \text_\text_ Fe 3 O 4 , который на поверхности может быть намагничен, например электрическими токами при ударах молнии). Образец магнитного железняка показан на рис. 2.
Рис. 2. Магнитный железняк производства фирмы Max&Kohl Chemnitz. Конец 19 – начало 20 вв. Рис. 2. Магнитный железняк производства фирмы Max&Kohl Chemnitz. Конец 19 – начало 20 вв. Открытие плавления железа привело к созданию 1-го искусственного постоянного магнита – стальной иглы. В настоящее время размеры, форма, цена, тип покрытия, количество пар полюсов, важнейшие энергетические характеристики [максимальное энергетическое произведение ( B H ) max (BH)_> ( B H ) max ( B B B и H H H – индукция и напряжённость магнитного поля соответственно; чем больше эта величина, тем более мощным является магнит)], устойчивость к размагничиванию ( коэрцитивная сила ) и направление намагниченности могут существенно отличаться и в значительной степени зависят от марки МТМ и решаемой технической задачи. Бурное развитие технологии производства МТМ только за последнее столетие привело к увеличению ( B H ) max (BH)_> ( B H ) max в 100 раз – до 54 МГс∙Э (рис. 3). Это позволило пропорционально уменьшить размер и массу самих постоянных магнитов и устройств на их основе.
Рис. 3. Развитие технологии производства магнитотвёрдых материалов. Рис. 3. Развитие технологии производства магнитотвёрдых материалов. Современные технологии производства МТМ направлены не только на улучшение энергетических характеристик МТМ (например, за счёт уменьшения размера зерна ), но и на снижение весового содержания дорогостоящих элементов (как за счёт изменения технологии производства, например применения поверхностной диффузии диспрозия в постоянных магнитах марки NdFeB \text NdFeB , так и за счёт замещения неодима более дешёвым церием ). Теоретические расчёты показывают, что в будущем нанокомпозитные постоянные магниты могут как целиком состоять из МТМ, так и иметь включения из магнитомягких материалов, позволяя достичь величины ( B H ) max = 120 (BH)_> = 120 ( B H ) max = 120 МГс∙Э ( Skomski. 1993 ).
Традиционные технологии производства основных МТМ ( самарий – кобальт , альнико, ферриты и др.) хорошо отработаны (см., например, Strnat. 1988 ). Однако следует различать технологии производства МТМ и самих постоянных магнитов. Так, современное производство МТМ марки NdFeB \text NdFeB включает, помимо традиционных переделов (стадий получения), такие новые переделы, как стрип-каст и водородное охрупчивание , в то время как массовое производство постоянных магнитов невозможно без высокопроизводительных автоматизированных линий по шлифованию (до 10 магнитов в минуту), нанесению многослойного покрытия (до 5 различных слоёв) для защиты от коррозии и намагничивания.
Применение постоянных магнитов
Постоянные магниты используются в составе источников магнитного поля и магнитных систем, которыми могут создаваться не только постоянные, но и переменные магнитные поля (например, генераторы магнитного поля, работающие на принципе вращающихся магнитных сборок Хальбаха с амплитудой до 2 Тл и частотой до 7 Гц) ( Патент №–2466491 ). Поскольку промышленность производит не только двухполюсные, но и многополюсные (включая спечённые постоянные магниты и магнитопласты ), то характер создаваемых ими распределений магнитных полей и их градиентов, например в магнитопроводах или воздушных зазорах, может иметь чрезвычайно сложный вид.
В настоящее время без постоянных магнитов невозможно производство таких устройств, как электрогенераторы и электроприводы с предельными удельными и массогабаритными характеристиками (например, ветрогенератор, выпускаемый компанией «Red Wind» на заводе в г. Волгодонск, содержит более 3 т постоянных магнитов марки NdFeB \text NdFeB ), мобильные телефоны , роботы, устройства автоматики, низкополевые магнитные томографы и др. Спектр областей применения и объёмы выпуска постоянных магнитов увеличиваются до 10 % ежегодно.
Опубликовано 26 мая 2023 г. в 13:36 (GMT+3). Последнее обновление 26 мая 2023 г. в 13:36 (GMT+3). Связаться с редакцией
Физика
Урок 4: Магнитное поле постояннoго электрического тока
- Видео
- Тренажер
- Теория
Введение
Каждый из вас держал в руках магнит и знает его удивительное свойство: он на расстоянии взаимодействует с другим магнитом или с куском железа. Что есть такого в магните, что придает ему эти удивительные свойства? Можно ли самому сделать магнит? Можно, и что для этого нужно – вы узнаете из нашего урока. Забежим наперед: если взять простой железный гвоздь, он не будет обладать магнитными свойствами, но, если обмотать его проволокой и подключить ее к батарейке, мы получим магнит (см. рис. 1).
Рис. 1. Гвоздь, обмотанный проволокой и подключенный к батарейке
Оказывается, чтобы получить магнит, нужен электрический ток – движение электрического заряда. С движением электрического заряда связаны и свойства постоянных магнитов, таких как магнитики на холодильнике. Некого магнитного заряда, подобно электрическому, в природе не существует. Он и не нужен, достаточно движущихся электрических зарядов.
Магнитное поле, вектор магнитной индукции, правило буравчика
Прежде чем исследовать магнитное поле постоянного электрического тока, нужно договориться, как количественно описывать магнитное поле. Для количественного описания магнитных явлений необходимо ввести силовую характеристику магнитного поля. Векторная величина, количественно характеризующая магнитное поле, называется магнитной индукцией. Обозначается она обычно большой латинской буквой B, измеряется в тесла.
Магнитная индукции – векторная величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля в данной точке пространства. Направление магнитного поля определяется по аналогии с моделью электростатики, в которой поле характеризуется действием на пробный покоящийся заряд. Только здесь в качестве «пробного элемента» используется магнитная стрелка (продолговатый постоянный магнит). Такую стрелку вы видели в компасе. За направление магнитного поля в какой-либо точке принято направление, которое укажет северный полюс N магнитной стрелки после переориентации (см. рис. 2).
Рис. 2. Направление магнитного поля
Полную и наглядную картину магнитного поля можно получить, если построить так называемые силовые линии магнитного поля (см. рис. 3).
Рис. 3. Силовые линии магнитного поля постоянного магнита
Это линии, показывающие направление вектора магнитной индукции (то есть направления полюса N магнитной стрелки) в каждой точке пространства. С помощью магнитной стрелки, таким образом, можно получить картину силовых линии различных магнитных полей. Вот, например, картина силовых линий магнитного поля постоянного магнита (см. рис. 4).
Рис. 4. Силовые линии магнитного поля постоянного магнита
Магнитное поле существует в каждой точке, но линии мы изображаем на некотором расстоянии друг от друга. Это просто способ изображения магнитного поля, аналогично мы поступали с напряженностью электрического поля (см. рис. 5).
Рис. 5. Линии напряженности электрического поля
Чем более плотно нарисованы линии – тем больше модуль магнитной индукции в данной области пространства. Как видите (см. рис. 4), силовые линии выходят из северного полюса магнита и входят в южный полюс. Внутри магнита силовые линии поля также продолжаются. В отличие от силовых линий электрического поля, которые начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных, силовые линии магнитного поля замкнутые (см. рис. 6).
Рис. 6. Силовые линии магнитного поля замкнуты
Поле, силовые линии которого замкнуты, называется вихревым векторным полем. Электростатическое поле не является вихревым, оно потенциальное. Принципиальное различие вихревых и потенциальных полей в том, что работа потенциального поля на любом замкнутом пути равна нулю, для вихревого поля это не так. Земля тоже является огромным магнитом, она обладает магнитным полем, которое мы обнаруживаем с помощью стрелки компаса. Подробнее о магнитном поле Земли рассказано в ответвлении.
Компас. Магнитное поле земли
Наша планета Земля является большим магнитом, полюса которого находятся неподалеку от пересечения поверхности с осью вращения. Географически это Южный и Северный полюса. Именно поэтому стрелка в компасе, которая тоже является магнитом, взаимодействует с Землей. Она ориентируется таким образом, что один конец указывает на Северный полюс, а другой – на Южный (см. рис. 7).
Рис. 7. Стрелка в компасе взаимодействует с Землей
Тот, который указывает на Северный полюс Земли, обозначили N, что означает North – в переводе с английского «Север». А тот, который указывает на Южный полюс Земли – S, что означает South – в переводе с английского «Юг». Так как притягиваются разноименные полюса магнитов, то северный полюс стрелки указывает на Южный магнитный полюс Земли (см. рис. 8).
Рис. 8. Взаимодействие компаса и магнитных полюсов Земли
Получается, что Южный магнитный полюс находится у Северного географического. И наоборот, Северный магнитный находится у Южного географического полюса Земли.
Теперь, познакомившись с моделью магнитного поля, исследуем поле проводника с постоянным током. Еще в XIX веке датский ученый Эрстед обнаружил, что магнитная стрелка взаимодействует с проводником, по которому течет электрический ток (см. рис. 9).
Рис. 9. Взаимодействие магнитной стрелки с проводником
Практика показывает, что в магнитном поле прямолинейного проводника с током магнитная стрелка в каждой точке будет устанавливаться по касательной к некоторой окружности. Плоскость этой окружности перпендикулярна проводнику с током, а ее центр лежит на оси проводника (см. рис. 10).
Рис. 10. Расположение магнитной стрелки в магнитном поле прямого проводника
Если изменить направление протекания тока по проводнику, то магнитная стрелка в каждой точке развернется в противоположную сторону (см. рис. 11).
Рис. 11. При изменении направления протекания электрического тока
То есть направление магнитного поля зависит от направления протекания тока по проводнику. Описать эту зависимость можно при помощи простого экспериментально установленного метода – правила буравчика:
если направление поступательного движения буравчика совпадает с направлением тока в проводнике, то направление вращения его ручки совпадает с направлением магнитного поля, создаваемого этим проводником (см. рис. 12).
Рис. 12. Направление магнитного поля
Итак, магнитное поле проводника с током направлено в каждой точке по касательной к окружности, лежащей в плоскости, перпендикулярной проводнику. Центр окружности совпадает с осью проводника. Направление вектора магнитного поля в каждой точке связано с направлением тока в проводнике правилом буравчика. Опытным путем, при изменении силы тока и расстояния от проводника, установлено, что модуль вектора магнитной индукции пропорционален току 
и обратно пропорционален расстоянию от проводника 
. Модуль вектора магнитной индукции поля, создаваемого бесконечным проводником с током, равен:
где – коэффициент пропорциональности, который нередко встречается в магнетизме. Называется магнитной проницаемостью вакуума. Численно равен:
Для магнитных полей, как и для электрических, справедлив принцип суперпозиции. Магнитные поля, создаваемые разными источниками в одной точке пространства, складываются (см. рис. 13).
Рис. 13. Магнитные поля разных источников складываются
Суммарная силовая характеристика такого поля будет векторной суммой силовых характеристик полей каждого из источников. Величину магнитной индукции поля, создаваемого током в определенной точке, можно увеличить, если согнуть проводник в окружность. Это будет понятно, если рассмотреть магнитные поля небольших сегментов такого витка провода в точке, находящейся внутри этого витка. Например, в центре.
Сегмент, обозначенный , по правилу буравчика создает в ней поле, направленное вверх (см. рис. 14).
Рис. 14. Магнитное поле сегментов
Сегмент аналогично создает в этой точке магнитное поле, направленное туда же. Аналогично и для других сегментов. Тогда суммарная силовая характеристика (то есть вектор магнитной индукции B) в этой точке будет суперпозицией силовых характеристик магнитных полей всех малых сегментов в этой и будет направлено вверх (см. рис. 15).
Рис. 15. Суммарная силовая характеристика в центре витка
Для произвольного витка, не обязательно в форме окружности, например для квадратной рамки (см. рис. 16), величина вектора внутри витка будет, естественно, зависеть от формы, размеров витка и силы тока в нем, но направление вектора магнитной индукции всегда будет определяться таким же способом (как суперпозиция полей, создаваемых малыми сегментами).
Рис. 16. Магнитное поле сегментов квадратной рамки
Мы подробно описали определение направления поля внутри витка, но в общем случае его можно находить гораздо проще, по немного измененному правилу буравчика:
если вращать рукоятку буравчика в том направлении, куда течет ток в витке, то острие буравчика укажет направление вектора магнитной индукции внутри витка (см. рис. 17).
Рис. 17. Направление вектора магнитной индукции в витке
То есть теперь вращение рукоятки соответствует направлению тока, а перемещение буравчика – направлению поля. А не наоборот, как было в случае с прямым проводником. Если длинный проводник, по которому течет ток, свернуть в пружину, то это устройство будет представлять из себя множество витков. Магнитные поля каждого витка катушки по принципу суперпозиции будут складываться. Таким образом, поле, создаваемое катушкой в некоторой точке, будет суммой полей, создаваемых каждым из витков в этой точке. Картину силовых линий поля такой катушки вы видите на рис. 18.
Рис. 18. Силовые линии катушки
Такое устройство называется катушкой, соленоидом или электромагнитом. Нетрудно заметить, что магнитные свойства катушки будут такими же, как у постоянного магнита (см. рис. 19).
Рис. 19. Магнитные свойства катушки и постоянного магнита
Одна сторона катушки (которая на рисунке сверху) играет роль северного полюса магнита, а другая сторона – южного полюса. Такое устройство широко применяется в технике, потому что им можно управлять: оно становится магнитом только при включении тока в катушке. Обратите внимание, что линии магнитного поля внутри катушки почти параллельны, их плотность велика. Поле внутри соленоида очень сильное и однородное. Поле снаружи катушки неоднородно, оно намного слабее поля внутри и направлено в противоположную сторону. Направление магнитного поля внутри катушки определяется по правилу буравчика как для поля внутри одного витка. За направление вращения рукоятки мы принимаем направление тока, который течет по катушке, а перемещение буравчика указывает направление магнитного поля внутри нее (см. рис. 20).
Рис. 20. Правило буравчика для катушки
Если поместить виток с током в магнитное поле, он будет переориентироваться, подобно магнитной стрелке. Момент силы, вызывающий поворот, связан c модулем вектора магнитной индукции в данной точке, площадью витка и силой тока в нем следующим соотношением:
Теперь нам становится понятно, откуда берутся магнитные свойства постоянного магнита: электрон, движущийся в атоме по замкнутой траектории, подобен витку с током, и, как и виток, он обладает магнитным полем. А, как мы увидели на примере катушки, множество витков с током, упорядоченных определенным образом, обладают сильным магнитным полем.
Постоянные магниты
Поле, создаваемое постоянными магнитами, – результат движения зарядов внутри них. И эти заряды – электроны в атомах (см. рис. 21).
Рис. 21. Движение электронов в атомах
Объясним механизм его возникновения на качественном уровне. Как известно, электроны в атоме находятся в движении. Так вот, каждый электрон, в каждом атоме создает свое магнитное поле, таким образом, получается огромное количество магнитов размером с атом. У большинства веществ эти магниты и их магнитные поля ориентированы хаотично. Поэтому суммарное магнитное поле, создаваемое телом, равно нулю. Но есть вещества, у которых магнитные поля, создаваемые отдельными электронами, ориентированы одинаково (см. рис. 22).
Рис. 22. Магнитные поля ориентированы одинаково
Поэтому магнитные поля, создаваемые каждым электроном, складываются. В итоге тело из такого вещества обладает магнитным полем и является постоянным магнитом. Во внешнем магнитном поле отдельные атомы или группы атомов, обладающие, как мы выяснили, собственным магнитным полем, поворачиваются как стрелка компаса (см. рис. 23).
Рис. 23. Поворачивание атомов во внешнем магнитном поле
Если они до этого не были ориентированы в одну сторону и не образовывали сильное суммарное магнитное поле, то после упорядочивания элементарных магнитов их магнитные поля сложатся. И если после действия внешнего поля упорядоченность сохранится, вещество останется магнитом. Описанный процесс называется намагничиванием.
Задания
Обозначьте полюса источника тока, питающего соленоид при указанном на рис. 24 взаимодействии. Порассуждаем: соленоид, в котором течет постоянный ток, ведет себя подобно магниту.
Рис. 24. Источник тока
По рис. 24 видно, что магнитная стрелка ориентирована южным полюсом в сторону соленоида. Одноименные полюса магнитов отталкиваются друг от друга, а разноименные притягиваются. Отсюда следует, что левый полюс самого соленоида – северный (см. рис. 25).
Рис. 25. Левый полюс соленоида северный
Линии магнитной индукции выходят из северного полюса и входят в южный. Значит, поле внутри соленоида направлено влево (см. рис. 26).
Рис. 26. Поле внутри соленоида направлено влево
Ну а направление поля внутри соленоида определяется по правилу буравчика. Мы знаем, что поле направлено влево – значит, представим, что буравчик вкручивается в этом направлении. Тогда его рукоятка будет указывать направление тока в соленоиде – справа налево (см. рис. 27).
Рис. 27. Направление тока в соленоиде
Направление тока определяется направлением перемещения положительного заряда. А положительный заряд перемещается от точки с большим потенциалом (положительный полюс источника) в точку с меньшим (отрицательный полюс источника). Следовательно, полюс источника, расположенный справа, – положительный, а слева – отрицательный (см. рис. 28).
Рис. 28. Определение полюсов источника
Задача 2
Рамка площадью 400 
помещена в однородное магнитное поле индукцией 0,1 Тл так, что нормаль рамки перпендикулярна линиям индукции. При какой силе тока на рамку будет действовать вращающий момент 20 
(см. рис. 29)?
Рис. 29. Рисунок к задаче 2
Порассуждаем: момент силы, вызывающий поворот, связан c модулем вектора магнитной индукции в данной точке, площадью витка и силой тока в нем следующим соотношением:
В нашем случае все необходимые данные имеются. Остается выразить искомую силу тока и рассчитать ответ:
Список литературы
- Соколович Ю. А., Богданова Г. С. Физика: Справочник с примерами решения задач. – 2-е издание передел. – X.: Веста: Издательство «Ранок», 2005. – 464 с.
- Мякишев Г. Я. Физика: Учеб. для 11 кл. общеобразоват. учреждений. – М.: Просвещение, 2010.
Дополнительные рекомендованные ссылки на ресурсы сети Интернет
- Интернет портал «Гипермаркет знаний» (Источник)
- Интернет портал «Единая коллекция ЦОР» (Источник)
Домашнее задание
- Дайте определение вектора магнитной индукции.
- Каковы источники магнитного поля?
- Какую величину обозначают и чему численно она равна?
- Каким правилом можно описать зависимость направления магнитного поля от направления протекания тока по проводнику?
2.10. Магнитное поле постоянного магнита. Взаимодействие постоянных магнитов
Постоянные магниты – это тела, длительное время сохраняющие состояние намагниченности.
Области магнита, где обнаруживается самое сильное магнитное взаимодействие, называется полюсами магнита. У магнита два полюса: северный (N) и южный (S). Одноименные полюса магнита – отталкиваются, разноименные полюса магнита– притягиваются. Разделить полюса магнита нельзя, т.е. если разделить магнит пополам, то у каждой части вновь будет два полюса.
Основное свойство магнитов: притягивать тела из железа или его сплавов (например, стали). При этом само железо, помещенное в магнитное поле, намагничивается. В частности, железные опилки, помещенные в магнитное поле намагничиваются и ведут себя как маленькие магнитные стрелки. Это можно использовать для исследования магнитного поля. Железные опилки, помещенные в магнитное поле располагаются вдоль линий. Эти линии называются линиями магнитного поля.
Важно! Вне магнита магнитные линии выходят из северного полюса и входят в южный полюс, т.е. направлены «от севера к югу».
Существование магнитного поля у постоянных магнитов объясняется гипотезой, которую выдвинул Ампер: внутри молекул, из которых состоит магнит, циркулируют элементарные электрические токи. Если эти токи ориентированы определенным образом, то их действия складываются и тело проявляет магнитные свойства. Если эти токи расположены беспорядочно, то их действие взаимно компенсируется и тело не проявляет магнитных свойств.
Решение заданий Открытого банка заданий ФИПИ
1. На рисунке показано, как установилась магнитная стрелка между полюсами двух одинаковых магнитов. Укажите полюса магнитов, обращённые к стрелке.
1) 1 – северный полюс; 2 – южный
2) 1 – южный полюс; 2 – северный
3) и 1, и 2 – северные полюса
4) и 1, и 2 – южные полюса
Нажмите, чтобы увидеть решение
Северный полюс магнитной стрелки притягивается к южному полюсу магнита (1 — южный полюс), а южный полюс магнитной стрелки притягивается к северному полюсу магнита (2 — северный полюс).
Ответ: 2
2. Какой(-ие) из перечисленных материалов не может(-гут) использоваться для изготовления корпуса компаса: алюминий, пластмасса, железо? Ответ поясните.
Нажмите, чтобы увидеть решение
Ответ: железо.
Пояснение. Железо намагничивается в магнитном поле стрелки компаса, начинает взаимодействовать со стрелкой и тем самым искажает показания компаса.
3. На рисунках показано, как установились магнитные стрелки, находящиеся возле полюсов двух магнитов. Укажите полюса магнитов, обращенные к стрелкам.
1) 1 – северный полюс; 2 – южный
2) 1 – южный полюс; 2 – северный
3) и 1, и 2 – северные полюса
4) и 1, и 2 – южные полюса
Нажмите, чтобы увидеть решение
Северный полюс магнитной стрелки притягивается к южному полюсу магнита (2 — южный полюс), а южный полюс магнитной стрелки притягивается к северному полюсу магнита (1 — северный полюс).
Ответ: 1
4. На рисунке показано, как установились магнитные стрелки, находящиеся рядом с магнитом. Укажите полюса стрелок, обращённые к магниту.
1) 1 – северный полюс; 2 – южный
2) 1 – южный полюс; 2 – северный
3) и 1, и 2 – северные полюса
4) и 1, и 2 – южные полюса
Нажмите, чтобы увидеть решение
Северный полюс магнитной стрелки притягивается к южному полюсу магнита (2 — северный полюс), а южный полюс магнитной стрелки притягивается к северному полюсу магнита (1 — южный полюс).
Ответ: 2
5. Стальной полосовой магнит ломают пополам. Каким магнитным полюсам будут соответствовать концы А и В на месте излома магнита?
1) А – северному; В – южному
2) А – южному; В – северному
3) А и В – северному магнитному полюсу
4) А и В – южному магнитному полюсу
Нажмите, чтобы увидеть решение
Если разломать магнит на две половинки, то получим два магнита. У каждого магнита будет два полюса — северный и южный. Значит конец А соответствует северному полюсу левого магнита, а конец В соответствует южному полюсу правого магнита.
Ответ: 1
6. Конец магнитной стрелки притянулся к одному из концов стального стержня. Можно ли сделать вывод о том, что изначально стержень был намагничен? Ответ поясните.
Нажмите, чтобы увидеть решение
Ответ: вывод о намагниченности стержня сделать нельзя.
Пояснение. Магнитная стрелка притянется и к ненамагниченному стержню, если приблизить достаточно близко. Если приблизить магнит к подобному стержню, то почувствуете силу притяжения магнита к стальному стержню, был ли он изначально намагничен или нет.
7. Правильно ли с точки зрения физики утверждение о том, что северный полюс магнитной стрелки указывает на Северный географический полюс Земли? Ответ поясните.
Нажмите, чтобы увидеть решение
Ответ: нет, не верно.
Пояснение. Северный полюс стрелки компаса указывает на ЮЖНЫЙ магнитный полюс, он расположен в нескольких сотнях километров от Северного географического полюса.
8. Изменится ли, и если изменится, то как намагниченность предварительно намагниченного стального стержня при его механическом встряхивании в отсутствие внешнего магнитного поля? Ответ поясните.
Нажмите, чтобы увидеть решение
Ответ: намагниченность уменьшится.
Пояснение. Намагниченность возникает вследствие упорядочения микроскопических токов в веществе. При встряхивании упорядоченность нарушается.
9. Когда железный стержень приблизили к компасу, стрелка компаса отклонилась. Означает ли это, что стержень предварительно был намагничен? Ответ поясните.
Нажмите, чтобы увидеть решение
Смотри задание №6
10. На горизонтальной поверхности вокруг постоянного полосового магнита расположены магнитные стрелки (см. рисунок). Для какой из стрелок (1 — 4) её расположение не соответствует взаимодействию с постоянным магнитом?
Нажмите, чтобы увидеть решение
Северный полюс магнитной стрелки притягивается к южному полюсу магнита (стрелки 1 и 2), а южный полюс магнитной стрелки притягивается к северному полюсу магнита (стрелка 4).
Ответ: 3
11. На рисунках изображены постоянные магниты с указанием линий магнитной индукции полей, создаваемых ими, и магнитные стрелки. На каком из рисунков правильно изображено положение магнитной стрелки в магнитном поле постоянного магнита?
Нажмите, чтобы увидеть решение
Стрелка должна располагаться вдоль линии магнитного поля. Стрелки 1 и 3 расположены неверно. Направление линии указывает северный полюс магнитной стрелки, т.е. стрелка 2 расположена верно.
Ответ: 2
12. Для каждого примера проявления различных физических явлений из первого столбца подберите соответствующее название физического явления из второго столбца.
Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
| ПРИМЕРЫ | ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ |
| А) притяжение волос к пластмассовой расческе в процессе расчесывания |
Б) притяжение железных опилок к стрелке компаса
Нажмите, чтобы увидеть решение
А) притяжение волос к пластмассовой расческе в процессе расчесывания — электризация тела при трении;
Б) притяжение железных опилок к стрелке компаса — намагничивание вещества в магнитном поле постоянного магнита;
В) накопление электрического заряда на молниеотводе во время грозы — электризация тела через влияние.
Ответ: 132
13. Стальную иглу расположили между полюсами магнита. Через некоторое время игла намагнитилась.
Каким полюсам будут соответствовать точки 1 и 2?
1) 1 – северный полюс; 2 – южный
2) 1 – южный полюс; 2 – северный
3) и 1, и 2 – северные полюса
4) и 1, и 2 – южные полюса
Нажмите, чтобы увидеть решение
В результате намагничивания стальной иглы ее магнитные полюса будут обратны полюсам магнита. То есть полюс 1 будет южным, а полюс 2 будет северным.
Ответ: 2
14. Какой набор приборов и материалов необходимо использовать, чтобы экспериментально показать наличие двух разных полюсов у магнита?
1) два полосовых магнита, подвешенных на нитях
2) магнитная стрелка и прямолинейный проводник, подключённый к источнику постоянного тока
3) проволочная катушка, подключённая к миллиамперметру, полосовой магнит
4) полосовой магнит, лист бумаги и железные опилки
Нажмите, чтобы увидеть решение
Для того, чтобы показать наличие двух разных полюсов у магнита необходимо продемонстрировать взаимодействие двух магнитов. Для этих целей достаточно двух полосовых магнитов, подвешенных на нитях.
Ответ: 1
15. На рисунке представлена картина линий магнитного поля от двух полосовых магнитов, полученная с помощью магнитной стрелки и железных опилок. Каким полюсам полосовых магнитов соответствуют области 1 и 2?
1) 1 – северный полюс; 2 – южный
2) 1 – южный полюс; 2 – северный
3) и 1, и 2 – северные полюса
4) и 1, и 2 – южные полюса
Нажмите, чтобы увидеть решение
По картине линий магнитного поля можно судить о том, что магниты отталкиваются. Значит они приближены друг к другу одноименными полюсами. Маленькая магнитная стрелка приближена к полюсу 1 магнита своим северным концом, значит полюс 1 — южный. Следовательно полюс 2 также южный.
Ответ: 4
16. Ученик получил фотографии, на которых изображены картины линий магнитного поля, полученные от немаркированных полосовых магнитов с помощью железных опилок.
 |
 |
| Фотография 1. | Фотография 2. |
Выберите из предложенного перечня два утверждения, которые соответствуют результатам анализа полученных фотографий. Укажите их номера.
1) Магниты 1 и 2 на фотографии 1 приближены друг к другу разноименными полюсами.
2) Взаимодействие магнитов с железными опилками наиболее сильное у полюсов магнитов.
3) Магниты 3 и 2 на фотографии 2 приближены друг к другу одноименными южными полюсами.
4) Магнитное действие магнитов зависит от материала, из которого изготовлен магнит.
5) Магнитное взаимодействие магнитов зависит от свойств среды.
Нажмите, чтобы увидеть решение
Утверждение 1 — верно. На фотографии 1 магниты притягиваются.
Утверждение 2 — верно. Линии расположены гуще у полюсов, кроме того больше опилок скапливается у полюсов, это говорит о том, что вблизи полюсов наблюдается наиболее сильное действие поля на опилки.
Утверждение 3 — неверно. Магниты №3 и №2 приближены друг к другу одноименными полюсами, т.к. отталкиваются. Но на фотографии 1 магнит №2 притягивается к магниту №1. Маленькая магнитная стрелка приближена к полюсу магнита №1 своим северным концом, значит полюс магнита №1 — южный. Следовательно полюс магнита №2 — северный.
Утверждение 4 — неверно. Про материалы магнитов ничего не говорится.
Утверждение 5- неверно. Про среду в опытах ничего не говорится.
Ответ: 12
17. Из какого материала могут быть изготовлены мелкие предметы, чтобы они притянулись к магниту?
А. Эбонит
Б. Железо
1) только А
2) только Б
3) и А, и Б
4) ни А, ни Б
Нажмите, чтобы увидеть решение
Эбонит — неметалл, он не притягивается, в отличии от железа, к магниту.
Ответ: 2
18. Прочитайте текст и вставьте на места пропусков слова из приведённого списка.
От двух полосовых магнитов, размещённых на поверхности деревянного стола, при помощи железных опилок получена картина линий магнитного поля (см. рисунок, вид сверху). В плоскости магнитов размещена также маленькая магнитная стрелка на подставке.
Картина магнитных линий соответствует (А)__________ полосовых магнитов. Следовательно, полюсы 1 и 2 магнитов являются (Б)__________. Так как магнитная стрелка своим (В)__________ полюсом притянулась к полюсу 2, то он является (Г)__________ полюсом указанного магнита.
1) притяжение
2) отталкивание
3) отрицательный
4) положительный
5) одноимённый
6) разноимённые
7) северный
8) южный
Запишите в таблицу выбранные цифры под соответствующими буквами.
Нажмите, чтобы увидеть решение
Комментарий. Характер картины линий магнитного поля свидетельствует о том, что магниты отталкиваются. Значит они расположены одноименными полюсами друг к другу. Северный полюс магнитной стрелки притягивается к южному полюсу магнита и, наоборот, южный полюс магнитной стрелки притягивается к северному полюсу магнита.
Решение. От двух полосовых магнитов, размещённых на поверхности деревянного стола, при помощи железных опилок получена картина линий магнитного поля (см. рисунок, вид сверху). В плоскости магнитов размещена также маленькая магнитная стрелка на подставке. Картина магнитных линий соответствует (А-2) отталкиванию полосовых магнитов. Следовательно, полюсы 1 и 2 магнитов являются (Б-5) одноименными. Так как магнитная стрелка своим (В-8) южным полюсом притянулась к полюсу 2, то он является (Г-7) северным полюсом указанного магнита.
Ответ: 2587
19. Вектор магнитной индукции магнитного поля полосового магнита направлен вправо в точках
1) 1 и 4
2) 2 и 3
3) 1 и 3
4) 2 и 4
Нажмите, чтобы увидеть решение
Линии магнитного поля постоянного магнита направлены от северного полюса к южному, т.е. в точках 1 и 4 линии будут направлены влево, а в точка 2 и 3 — вправо. В точках 2 и 3 векторы магнитной индукции будут направлены по касательно к линиям магнитного поля и направлены также вправо.
Ответ: 2
20. Стальную пластину расположили между полюсами магнита. Через некоторое время пластина намагнитилась. Какие точки соответствуют полюсам намагниченной пластины?
1) 1 – северному полюсу, 3 – южному
2) 3 – северному полюсу, 1 – южному
3) 2 – северному полюсу, 4 – южному
4) 4 – северному полюсу, 2 – южному
Нажмите, чтобы увидеть решение
В результате намагничивания стальной пластины ее магнитные полюса будут обратны полюсам магнита и располагаться на сторонах платины, обращенных к полюсам магнитов. То есть точка 4 будет южным полюсом, а точка 2 будет северным полюсом намагниченной пластины.
Ответ: 3