2. Магнитное поле постоянных магнитов
Постоянный магнит — изделие из материала, сохраняющего состояние намагниченности в течение длительного времени.
Постоянные магниты являются источниками постоянного магнитного поля .
Полюсами магнита называют его противоположные концы, на которых магнитная сила притяжения или отталкивания наибольшая. По аналогии с географическими, магнитные полюса назвали северный магнитный полюс \(N\) и южный магнитный полюс \(S\).
Обозначения северного магнитного полюса происходит от английского слова North — Север, южного — South, что значит Юг. На рис.\(1\) северный полюс магнита обозначен красным цветов, а южный — синим. Раскрашивать магниты и стрелки могут и в другие цвета.
Рис. \(1\). Металлические опилки вокруг постоянного магнита
Более \(2500\) лет назад в окрестностях города Магнессия минерал, который притягивали железные предметы, назвали магнетитом .
Как взаимодействуют магниты?
Если учесть, что магнитная стрелка является маленьким постоянным магнитом, то и ориентироваться (поворачиваться) в магнитном поле она будет как постоянный магнит. Поэтому южный полюс одной магнитной стрелки притянется к северному полюсу другой стрелки (рис. \(2\)).
Рис. \(2\). Магнитные стрелки
Точно так же магнитная стрелка будет взаимодействовать и с магнитом.
Если поднести к магнитной стрелке магнит северным полюсом, то к нему притянется южный полюс магнитной стрелки. А если поднести к магнитной стрелке магнит южным полюсом, то притянется северный полюс магнитной стрелки (рис. \(3\)).
Рис. \(3\). Воздействие постоянного магнита на магнитную стрелку
Таким образом можно доказать, что одноимённые магнитные полюсы отталкиваются, а разноимённые магнитные полюсы притягиваются.
Это правило распространяется и на электромагниты.
Почему же взаимодействуют магниты?
Вокруг магнита существует магнитное поле. Поля двух магнитов взаимодействуют между собой, и это взаимодействие проявляется как притяжение или отталкивание магнитов.
Для визуализации магнитного поля постоянного магнита используют железные опилки.
На лист прозрачного пластика насыплем железные опилки и разровняем их, встряхнув лист. Затем поместим под листом дугообразный магнит. Железные опилки придут в движение и расположатся вдоль линий магнитного поля магнита (рис. \(4\)).
Рис. \(4\). Железные опилки на листе прозрачного пластика
В физике для исследования магнитного поля с точки зрения математического описания его свойств, выведения закономерностей используется геометрическое понятие «линия». Магнитное поле описывается термином « силовая линия », исходя из экспериментального факта возникновения силы со стороны поля. По причине отсутствия в природе магнитных зарядов силовые линии магнитного поля являются замкнутыми, что определяет название магнитного поля как вихревого (рис. \(1\)).
Направление линий магнитного поля изображено на рисунках \(5\) и \(6\) для одноимённых и разноимённых полюсов постоянных магнитов.
1. Постоянные магниты
Постоянными магнитами называют тела, способные сохранять намагниченность на протяжении длительного времени.
Катушка с током, имеющая железный сердечник внутри (рис. \(1\)), обладает магнитными свойствами до тех пор, пока по ней течёт ток.
Рис. \(1\). Катушка с сердечником
Для увеличения магнитной силы в катушку вставляют сердечник — брусок стали. Стальной сердечник сохраняет намагниченность после извлечения из катушки. Этот стержень можно назвать постоянным полосовым магнитом.
Рис. \(2\). Дугообразный (подковообразный) магнит
Рис. \(3\). Полосовой магнит
Магнитные свойства проявляются с различной интенсивностью.
Лучше всего к магнитам притягиваются:
- Железо (\(Fe\)) и его сплавы: чугун, сталь;
- Кобальт (\(Co\));
- Никель (\(Ni\)).
Магнитные свойства присущи не всем металлам. Это обусловлено внутренним строением: наличием свободных носителей электрических зарядов.
Месторождения магнетита:
- Кусинское месторождение (Россия, Челябинская область)
- Ковдор (Россия, Мурманская область)
- Копанское месторождение (Россия, Южный Урал)
- Садбери (Канада, провинция Онтарио)
- Адирондак (США, штат Нью-Йорк)
- Айрон-Маунтин (США, штат Вайоминг)
- Бушвелдский комплекс (ЮАР)
Рис. \(4\). Железная руда (магнетит)
Ферромагнетики — железо, сталь, никель, кобальт и их сплавы.
Если ферромагнетик поместить в магнитное поле, он приобретает магнитные свойства, которые могут сохраняться в течение продолжительного времени.
Постоянные магниты: какие тела называют постоянными магнитами
Люди заметили, что в природе встречается руда, притягивающая к себе металлические предметы. Последние, вследствие намагничивания, также приобретают способность притягивать железные объекты. После удаления естественного магнита тело остаётся намагниченным, и со временем это воздействие ослабевает. Рассмотрим, какие тела называют постоянными магнитами, их свойства.
Природа и принцип действия
Постоянные магниты – естественные вещества и прецизионные сплавы со значительной остаточной намагниченностью, которая сохраняется продолжительное время. Они изготавливаются из ферромагнитных материалов – веществ, способных сохранять намагниченность в условиях отсутствия магнитного поля, встречаются в ряде полезных ископаемых (руд). К веществам, поддающимся влиянию магнитов, относятся: железо, кобальт, никель. Сплав железа с кобальтом обладает более высоким ферромагнитными свойствами, чем каждый металл в отдельности.
Движущиеся в атоме электроны вследствие вращения формируют крохотные вихревые магнитные поля. Основу магнитного поля создаёт вращающийся вокруг собственной оси атом, как планеты, их спутники, звёзды.
Почему к постоянному магниту не притягиваются одни материалы, зато отлично «липнут» другие? Дело в направленности, ориентации магнитных линий. В немагнитных материалах (веществах с крайне слабой намагниченностью) поля атомов направляются в различные стороны, часто гася друг друга, а не усиливая.
В ряде металлов атомы структурированы, объединены в группы – домены – миниатюрные магнитики. В состоянии покоя кусок стали не обладает магнитными свойствами, а приложенное к нему поле, эти домены упорядочивает; они ориентируются в одну сторону, силовые линии складываются.
Как взаимодействуют постоянные магниты
Изготавливаются магниты из редкоземельных металлов, например, неодима, и сплавов: неодим, железо, бор. Иногда в состав включают минерал магнетит или магнитный железняк. У таких материалов есть полюса: южный и северный. Противоположные полюса двух магнитов притягиваются, одинаковые – отталкиваются.
Что постоянный магнит притягивает, что – отталкивает
Каждый сталкивался с ситуациями, что одни металлические предметы взаимодействуют с намагниченным предметом, а другие не реагируют на него. Хорошо притягиваются к постоянному магниту так называемые магнитные материалы: железо и большинство его сплавов, кроме некоторых сортов чугуна – соединение железа с углеродом. Слабее магнитное воздействие оказывают кобальт с никелем.
Алюминий со свинцом и медью – немагнитные материалы или слабомагнитные.
Существует немного веществ, из каких можно сделать постоянные магниты в домашних условиях. Это неодим, железо, его сплав с углеродом – поднесите вплотную к такому предмету постоянный магнит, и вскоре кусок стали начнёт притягивать мелкие гвозди, скрепки, металлические опилки.
Различают магнитотвердые и мягкие материалы. Первые сохраняют свойства долго, но теряют их вследствие несильных ударов, вибраций; вторым присущи свойства ферромагнетика, которые быстро теряются.
Постоянные магниты. Магнитное поле постоянных магнитов
Магнитное поле возникает при наличии движущихся зарядов. Например, при наличии проводника с током. Но все мы видели магниты и в повседневной жизни, хоть в виде тех же значков на холодильнике.
Рядом с такими магнитами ведь никакого проводника с током. Тогда почему они все же обладают магнитными свойствами? Притягивают к себе другие металлические предметы или сами притягиваются к ним? На данном уроке вы узнаете много нового и интересного про магниты, природу их магнитного поля и его свойства.
Постоянный магнит
Начнем с определения. Какие тела называют постоянными магнитами?
Постоянный магнит (или просто магнит) — это тело, длительное время сохраняющее намагниченность.
Что это означает? Если мы вставим в катушку с током обычный железный стержень, он начнет притягивать к себе другие железные предметы. В этот момент он намагничен и обладает магнитными свойствами. Выключим ток — и намагниченность сразу исчезнет.
Но если мы вставим в катушку с током стержень из закаленной стали, после выключения тока он не размагнитится. Он будет сохранять намагниченность (рисунок 1). Такое устройство мы можем называть магнитом.
Получается, что создавать магнитное поле могут всего две вещи:
- проводник с током;
- постоянный магнит.
Объяснение явления намагниченности
Одно из первых объяснений этого явления принадлежало Андре-Мари Амперу.
Как Ампер объяснял намагниченность железа?
Французский ученый говорил о существовании электрических токов. Эти токи по его предположению циркулировали внутри каждой молекулы вещества.
Странное объяснение, не так ли? Дело в том, что в те времена еще не было достаточно знаний о строении вещества. Про атомы еще никто не слышал и не говорил. Так что такое мнение не имело доказательств, ведь природу молекулярных токов никто не мог объяснить.
С тех времен физика шагнула далеко вперед. Как можно теперь объяснить молекулярные токи Ампера?
Давайте вспомним строение атома. Вокруг ядра вращаются электроны. Каждый электрон имеет заряд и находится в движении. Значит, вокруг него существует магнитное поле. Но большинство веществ устроено таким образом, что эти крошечные магниты нейтрализуют друг друга.
В строении веществ, из которых делают магниты, такой нейтрализации не происходит (рисунок 2). Электроны таких атомов вращаются в одном и том же направлении. Поэтому их магнитные поля складываются, и вокруг такого вещества образуется единое магнитное поле.
Искусственные магниты
Постоянные магниты, сделанные человеком, имеют две основные разновидности. Они могут быть полосовыми (рисунок 3, а) и дугообразными (рисунок 3, б).
Полюса магнита
Каждый магнит, как и магнитная стрелка, обладает двумя полюсами: северным ($N$) и южным ($S$).
Что называется магнитными полюсами магнита (рисунок 4)?
Полюса магнита — это те места магнита, где обнаруживается наиболее сильные магнитные действия.
Мы можем это проверить с помощью простого опыта. Возьмем полосовой магнит и динамометр. К динамометру прикрепим железный шарик.
Касаемся шариком магнита в разных его точках, а потом аккуратно его отрываем. При этом следим за показаниями динамометра в момент отрыва. Так мы можем судить о силе притяжения шарика к разным точкам магнита. Опыт покажет, что самое сильное притяжение будет как раз в местах, которые мы называем полюсами (рисунок 5).
Этот же опыт покажет нам что в середине магнита шарик практически не испытывает притяжение.
Нейтральная зона магнита — место магнита, где практически не проявляется притяжения.
Что лучше всего притягивается к магнитам?
Это чугун, сталь, железо и некоторые сплавы. Также притягивается никель и кобальт, но значительно слабее.
Естественные магниты
Также в природе встречаются и естественные магниты. Например, железная руда. Из-за ее свойств ее называют магнитным железняком. Богатые залежи этого минерала зафиксированы на Урале, в Карелии, Курской области и других местах.
Если рядом с железом, сталью, никелем и кобальтом оказывается магнитный железняк, то эти металлы приобретают магнитные свойства. Именно поэтому магнитный железняк и открыл людям возможность наблюдать эти свойства.
Взаимодействие магнитной стрелки и магнита
Теперь возьмем магнит и поднесем его к магнитной стрелке (рисунок 7). Что мы увидим?
Северный полюс магнитной стрелки оттолкнулся от северного полюса магнита. Он притягивается к его южному полюсу.
В это же время южный полюс магнитной стрелки отталкивается от южного полюса магнита и притягивается к северному.
Взаимодействие полюсов магнитов между собой
Так как взаимодействуют между собой полюсы магнитов? Вышеописанные и другие опыты подводят нас к выводам (рисунок 8).
Разноименные магнитные полюсы притягиваются, а одноименные — отталкиваются.
Это легко запомнить. Аналогия проходит с электрическими зарядами: одноименные отталкиваются, а разноименные притягиваются.
При этом сила взаимодействия будет прямо пропорциональна расстоянию между полюсами взаимодействующих магнитов.
Это применимо и к магнитным стрелкам, и к постоянным магнитам, и к электромагнитам.
Но чем объясняется это явление? Все дело в существовании магнитного поля вокруг любого магнита. Магнитные поля взаимодействующих магнитов обоюдно действуют друг на друга.
Разница магнитных и электрических взаимодействий
Хоть мы и провели аналогию с электрическими зарядами, это не позволяет применять нам все законы электричества к магнетизму.
Например, есть одно очень большое отличие. Мы можем разделять электрические заряды. Это происходит при электризации в источниках тока. А вот полюсы магнита неразделимы. Если мы разрежем магнит на части, у нас все равно не получится отделить один полюс от другого. Мы просто получим два новых магнита (рисунок 9).
Разделяемые части могут равными или разными — результата все равно один. Получатся новые магниты, каждый из которых будет иметь два полюса и нейтральную зону.
Магнитное поле, созданное двумя магнитами
Как будет выглядеть магнитное поле, созданное сразу двумя магнитами?
Если два магнита расположить друг к другу одноименными полюсами, то получим результат, показанный на рисунке 11.
Если два магнита расположить друг к другу разноименными полюсами, то получим совсем другую картину (рисунок 12).
Подтверждение вышесказанному вы можете легко получить, проводя тот же опыт с опилками. Опилки выстроятся вдоль магнитных линий, изображенных на рисунках выше.
Упражнения
Упражнение №1
Предложите способ определения полюсов намагниченного стального стержня.
Это можно сделать с помощью магнитной стрелки. Поднесите ее к одному из концов стального стержня. Посмотрите, в каком положении она установится. Если магнитная стрелка повернется к стержню южным полюсом, то этот конец стержня является его северным полюсом (рисунок 13).
К южному полюсу стержня стрелка повернется своим северным полюсом. Помните: разноименные полюса притягиваются, а одноименные — отталкиваются.
Упражнение №2
Какую форму надо придать проводу, чтобы при наличии тока в нем силовые линии его магнитного поля были расположены так же, как у полосового магнита?
Для этого нам нужно намотать этот проводник на катушку. Силовые линии магнитного поля катушки с током расположены так же, как и у полосового магнита (рисунок 14).
Задания
Задание №1
Дугообразный магнит поднесите к листу картона. Магнит не притянет его. Затем положите картон на мелкие гвозди и снова поднесите магнит. Лист картона поднимется, а за ним и гвозди. Объясните явление.
Магниты притягивают к себе не все материалы. Так, картон не притягивается к магниту, поэтому он останется неподвижен.
Когда вы положите картон на гвозди и поднесете магнит, то картон поднимется вместе с гвоздями. Точнее говоря, магнит будет притягивать к себе гвозди (так они сделаны из железа). Под действием магнитного поля магнита гвозди придут в движение и поднимут на себе картон (рисунок 15).
Задание №2
Положите дугообразный магнит на край стола. Тонкую иглу с ниткой положите на один из полюсов магнита. Затем осторожно потяните иглу за нить, пока игла не соскочит с полюса магнита. Игла зависает в воздухе (рисунок 16). Объясните явление.
Когда игла соскользнет с полюса магнита, она все еще будет находиться в его магнитном поле. Магнит продолжит притягивать ее. В этот момент сила натяжения нити уравновешивает силу притяжения магнита. Так будет казаться, что игла зависла в воздухе. Если же расслабить нить, то игла снова притянется к магниту и «прилипнет» к нему.