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”.
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.
Рис. 1. Постоянные магниты разной формы. Полосовые и дуговые магниты
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.
Рис. 2. Гипотеза Ампера. Модель Ампера для внутренних токов в магнитах
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.
Постоянные магниты. Магнитное поле Земли
В данный момент вы не можете посмотреть или раздать видеоурок ученикам
Чтобы получить доступ к этому и другим видеоурокам комплекта, вам нужно добавить его в личный кабинет.
Получите невероятные возможности
Конспект урока «Постоянные магниты. Магнитное поле Земли»
На прошлом уроке мы с вами изучали магнитное поле катушки с током:
Катушку с сердечником называют электромагнитом. Многочисленные опыты по усовершенствованию электромагнитов показали, что если вставить в катушку с током сердечник из закалённой стали, то в отличии от железного стержня, он не размагничивается даже после выключения тока и способен долгое время сохранять намагниченность.
Тела, способные длительное время сохранять намагниченность, называются постоянными магнитами или просто магнитами.
История магнетизма уходит корнями в глубокую древность, к античным цивилизациям Малой Азии. Ещё за 600 лет до н. э. в древнем городе Магнесия на территории Малой Азии была обнаружена горная порода, образцы которой притягивали друг друга. По названию города их стали называть магнитами.
А впервые свойства магнитных материалов использовали в Китае: именно там более 4 000 лет назад был сконструирован первый компас.
И лишь в начале XII в. магнитные компасы стали использовать в Европе.
Магниты могут иметь разнообразные форму и размеры. Но наиболее распространены полосовой и подковообразный магниты, которые есть в любом кабинете физики.
Также принято различать естественные и искусственные магниты. Естественные магниты представляют собой некоторые железные руды, которые обладают способностью притягивать к себе находящиеся поблизости небольшие железные предметы и оказывают влияние на компас.
Кусок железа или его сплава можно намагнитить, то есть сделать его искусственным магнитом. Например, если к металлу достаточно близко поднести магнит, то он приобретёт магнитные свойства и будет притягивать к себе другие железные предметы. Однако после удаления магнита он может потерять свою намагниченность.
А одинаковы ли свойства магнита в разных его точках? Чтобы ответить на этот вопрос, проделаем такой опыт. Возьмём полосовой магнит и будем дотрагиваться до него железным шариком, закреплённым на динамометре. По показаниям динамометра в момент отрыва шарика от магнита можно судить о силе притяжения шарика к какой-либо его точке.
Опыт показывает, что притяжение шарика к концам магнита самое сильное, а к середине магнита он практически не притягивается.
Те места магнита, в которых магнитное действие проявляется наиболее сильно, называют магнитными полюсами. У всякого магнита есть два полюса: северный и южный. Для обозначения полюсов магнита, принято южный полюс окрашивать красным цветом, а северный — синим.
Середину магнита, то есть там, где нет притяжения, называют нейтральной зоной.
Заметим, что очень сильным нагреванием или другими воздействиями любой магнит можно размагнитить.
Теперь изучим взаимодействие двух магнитов. Для этого проделаем такой опыт. Закрепим один магнит жёстко к штативу, а другой прикрепим к пружине динамометра.
Поднеся магниты разными полюсами друг к другу, нетрудно заметить, что они начинают притягиваться.
Если же поднести магниты друг к другу одноимёнными полюсами, то они начнут отталкиваться.
При этом сила взаимодействия будет зависеть от расстояния между полюсами и может быть даже больше или равной силе тяжести магнита.
Таким образом, взаимодействие магнитов имеет значительное сходство с взаимодействием электрически заряженных тел. В обоих случаях одноименные полюсы (или заряды) отталкиваются, а разноимённые полюсы (или заряды) притягиваются.
Взаимосвязь магнитных полей и движущихся электрических зарядов впервые попытался объяснить А. Ампер. Он предположил, что внутри каждой молекулы вещества, подобного железу или его сплавам, циркулируют электрические токи.
Вокруг этих токов существуют магнитные поля, которые и приводят к возникновению магнитных свойств вещества. Гипотеза Ампера была очень прогрессивна для начала XIX в., поскольку ещё не было известно ни о строении атома, ни о движении заряженных частиц — электронов вокруг ядра.
Но у электрических и магнитных взаимодействий есть одно очень большое различие. Электрические заряды можно отделить друг от друга. Вспомните электризацию трением или электризацию через влияние. А полюсы магнита неразделимы. Разрезая магнит на части (неважно, равные или неравные), вы не отделите его полюса друг от друга, а будете получать новые магниты. Каждый из них будет иметь нейтральную зону и два полюса: северный и южный.
Взаимодействие магнитов объясняется тем, что вокруг любого магнита существует магнитное поле. Убедимся в его существовании, для чего воспользуемся маленькими магнитными стрелками. Расположим их вокруг полосового магнита. Стрелки мгновенно придут в движение и расположатся в строго определённом порядке.
Это означает, что магнитное поле, существующее вокруг магнита, подействовало с определённой силой на магнитные стрелки и совершило работу. Действие магнитного поля и является подтверждением его существования.
С помощью железных опилок можно получить представление о виде магнитного поля постоянного магнита.
Не трудно заметить, что опилки располагаются в виде цепочек, причём с разной плотностью вокруг полосового магнита. Это говорит о том, что действия, которые оказывает магнит на опилки, в разных точках поля различны. Наиболее сильно это действие проявляется возле полюсов магнита. Чем дальше от полюсов, тем слабее подобное действие, следовательно, тем слабее магнитное поле.
Взаимодействием магнитов объясняется принцип работы компаса.
Стрелка компаса — это лёгкий сильный магнит, который может поворачиваться вокруг вертикальной оси.
А с каким вторым магнитом взаимодействует стрелка компаса? Таким гигантским магнитом является наша Земля. Впервые это доказал английский исследователь У. Гильберт. Он изготовил из магнитного железняка шар большого диаметра — «магнитный глобус». Обходя шар с компасом, он показал, что ориентация стрелки во всех изучаемых точках полностью копирует её ориентацию в различных точках Земли.
Очень упрощённо магнитное поле Земли можно представить в виде магнитного поля полосового магнита, расположенного между Северным и Южным географическими полюсами.
Магнитные полюсы Земли расположены не слишком далеко от географических полюсов нашей планеты. Именно поэтому полюсы всех магнитов получили свои названия — северный и южный, и обозначения — N и S, от голландского «норд» и «сюд».
Многочисленные наблюдения показали, что географические и магнитные полюсы не совпадают. Строго говоря, стрелка компаса указывает направление магнитного меридиана. Её северный конец ориентирован не на Северный географический полюс планеты, а на Южный магнитный полюс Земли.
Кроме того, положение магнитных полюсов нашей планеты непрерывно меняется. Так, например, со второй половины ХХ в. южный магнитный полюс довольно быстро движется в сторону Таймырского полуострова со скоростью около 60 км/год.
А зачем Земле нужно магнитное поле? Оно нужно для того, чтобы защищать нас от нежелательного космического излучения, в частности, излучение Солнца. Оно постоянно испускает потоки различного рода заряженных частиц. Их попадание на Землю в таком количестве вредит живым организмам. Магнитное поле Земли отклоняет эти частицы, и те, подчиняясь магнитным линиям, направляются к полюсам. Именно тогда мы и видим северные и южные сияния.
Но, вторжение такого количества частиц не может пройти бесследно: это вызывает нагревание атмосферы и изменение силы некоторых электромагнитных полей. Такие явления называют магнитными бурями.
Магнитная буря — это быстрые и сильные изменения в магнитном поле Земли, возникающие под действием сильного солнечного излучения. Они часто вызывают неполадки в работе электроприборов (например, помехи в радиоэфире).
И ещё один интересный факт: на нашей планете существуют области, в которых стрелка компаса очень сильно отклоняется от направления линии магнитного поля Земли — это области магнитных аномалий.
Курская магнитная аномалия
Причиной их, в большинстве случаев, являются залежи железной руды в недрах Земли. Одной из крупнейших магнитных аномалий в нашей стране и в мире является Курская магнитная аномалия.
Урок физики в 8 классе по теме "Постоянные магниты. Магнитное поле"
Цель: продолжить формированиепредставлений обучающихся о поле, как виде материи; сформировать понятия об основных свойствах постоянных магнитов и магнитном поле Земли; формирование понятий магнитное поле, силовые линии, практически получить картину силовых линий магнитного поля. Развивать практические навыки, аналитические способности, умения наблюдать за ходом эксперимента, анализировать, делать выводы. Воспитание сознательной дисциплины, самостоятельности, уважительного отношения к труду, познавательной активности при выполнении фронтального опыта.
Тип урока: комбинированный.
Оборудование:постоянные магниты разной формы, магнитные стрелки на подставках, скрепки; кусочки разных металлов, пластика, бумаги, дерева;железные опилки, иголка на нитке, свечка.
Демонстрационный эксперимент.Учитель показывает притяжение иглы на нити при поднесении к ящику. Постановка проблемы: Почему… (магнит в ящике).
Постановка цели урока: (слайд 2)
Ввести понятие постоянного магнита.
Познакомить со свойствами постоянных магнитов.
На практике получить картину силовых линий магнитного поля.
Ввести понятие магнитное поле Земли и его значение.
Актуализация опорных знаний. Повторение по теме «Электрическое поле».(слайд 3). Фронтальный опрос:
Что такое электрическое поле?
Перечислите основные свойства электрического поля
Чем принято пользоваться при графическом изображении электрического поля?
Что указывают силовые линии?
Как направлены силовые линии? Покажите на рисунке.
5. Изучение нового материала.
Постоянный магнит– это тело, длительное время сохраняющее намагниченность.
Основное свойство магнитов: притягивать тела из железа или его сплавов (напр. стали).Фронтальный эксперимент:Из тел находящихся в ящичках, определить какие притягиваются, используйте ластик, линейку, ручку и др. (слайд 5)
Заполните таблицу(обучающимся предлагается заполнить таблицу в рабочих тетрадях):
Постоянный магнит всегда имеет 2 магнитных полюса: северный N и южный S. (слайд 5) Наиболее сильно магнитное поле постоянного магнита у его полюсов. (по рис.16.12 с.73)
Взаимодействие полюсов магнитов. Одноименные … , разноименные …
Постоянные магниты изготавливают обычно из железа, стали, чугуна и других сплавов железа (сильные магниты), а также из никеля, кобальта (слабые магниты).
Магниты бывают естественные (природные) из железной руды магнитного железняка
и искусственные, полученные намагничиванием железа при внесении его в магнитное поле.
ЕСТЕСТВЕННЫЕ МАГНИТЫ. Природные (или естественные) магниты — это куски магнитного железняка.
Магнитный железняк или магнетит в разных странах называли по-разному:
китайцы называли его чу-ши;
греки – адамас и каламита, геркулесов камень;
французы – айман;
индусы – тхумбака;
египтяне – кость Ора,
испанцы – пьедрамант;
немцы – магнесс и зигельштейн;
англичане – лоудстоун.
Почти половина этих названий переводится как "любящий",
именно так описывалось основное свойство магнитов — притягивать, «любить» железо.
По химическому составу магнетит состоит на 31% из FeO и на 69% из Fe2O3.
Один из самых сильных естественных магнитов был, по преданию, у Ньютона – в его перстень был вставлен магнит, поднимавший предметы, масса которых была в 50 (!) раз больше массы самого магнита.
Проблемный вопрос: «Каким образом осуществляется взаимодействие магнитов?»
Вводится понятие «магнитное поле»
Фронтальный эксперимент:на один из магнитов положить лист бумаги, насыпать железные опилки, полученный спектр магнитного поля нарисовать в тетради и на доске.
Для постоянного полосового магнита:
Для постоянного дугообразного магнита.
Вводится понятие «силовые линии магнитного поля»
Проводится анализ формы линий магнитного поля, Вывод: «силовые линии магнитного поля замкнуты»
Фронтальный эксперимент: магнитная стрелка на острие имеет вполне определенную ориентацию в пространстве. Что происходит при поднесении кусочка железа или постоянного магнита? Земля – большой магнит! (железо-никелиевое ядро)
Магнитное поле Земли.(слайд 10)
Демонстрация фото магнитное поле Земли. Магнитосфера Земли. Защитное значение для всего живого на Земле.(слайд 11)
В 1600 году английский ученый Уильям Гильберт в своей книге «О магните, магнитных телах и большом магните — Земле».представил Землю, как гигантский постоянный магнит, ось которого не совпадает с осью вращения Земли (угол между этими осями называют магнитным склонением).
Гильберт подтвердил свое предположение на опыте:
он выточил из естественного магнита большой шар и, приближая к поверхности шара магнитную стрелку, показал, что она всегда устанавливается так же, как стрелка компаса на 3емле.Графически магнитное поле Земли похоже на магнитное поле постоянного магнита.
В 1702 году Э. Галлей создает первые магнитные карты Земли. Основная причина наличия магнитного поля Земли в том, что ядро Земли состоит из раскаленного железа (хорошего проводника электрических токов, возникающих внутри Земли).
Магнитное поле Земли образует магнитосферу, простирающуюся на 70-80 тыс. км в направление Солнца. Она экранирует поверхность Земли, защищает от вредного влияния заряженных частиц, высоких энергий и космических лучей, определяет характер погоды.
Магнитное поле Солнца в 100 больше, чем земное.
Закрепление изученного материала.(слайды 12-24)
Тест, на листочках запишите правильные коды ответов на следующие вопросы:
Постоянный магнит – это…
А. сильно намагниченное тело
Б. тело из закаленной стали или специального сплава, которое хорошо намагничивается
В. намагниченное тело, которое притягивает к себе железные предметы
Г. тело, сохраняющее свою намагниченность
Какие места постоянного магнита оказывают наибольшее магнитное действие?
А. их концы; южный и северный полюсы
Б. находящиеся в середине магнита; полюсы
В. все места оказывают одинаковое действие
Г. среди ответов нет верного
Какое из названных здесь веществ хорошо притягивается к магниту?
Какое из ниженазванных веществ не притягивается к магниту?
Б. Магнитный сплав
Как взаимодействуют разноименные полюсы магнитов?
А. Отталкиваются друг от друга
Б. Не реагируют на присутствие друг друга
В. Притягиваются друг к другу
Г. Притягиваются друг к другу только при очень малом расстоянии между ними
Как взаимодействуют одноименные полюсы магнитов?
А. Отталкиваются друг от друга
Б. Не реагируют на присутствие друг друга
В. Притягиваются друг к другу
Д. Притягиваются друг к другу только при очень малом расстоянии между ними
Какая из приведенных на рисунке картин магнитных линий магнитного поля соответствует случаю взаимодействия одноименных полюсов магнитов?
А. №1 Б. №2 В. №3Д. Среди ответов нет верного
На рисунке представлены картины магнитных полей между полюсами магнитов. На какой из них слева находится северный полюс?
Д. Среди ответов нет верного
Тот факт, что в каждом месте Земли магнитная стрелка компаса устанавливается в направлении «север-юг», свидетельствует о том, что…
А. на нее действуют магнитные силы
Б. на нее действует магнитное поле Земли
В. она всегда ориентируется в определенном направлении
Г. среди ответов нет верного
Где находится южный магнитный полюс Земли?
А. Около ее северного географического полюса
Б. Там же, где южный географический полюс
В. Пока неизвестно
Г. Среди ответов нет верного
Где находится северный магнитный полюс Земли?
А. Там же, где ее северный географический полюс
Б. Около южного географического полюса
В. Там же, где находится южный географический полюс
Г. Его точное местоположение еще не определено
Какова роль магнитного поля Земли на существовании на ней жизни?
А. Оно благотворно влияет на растительный мир нашей планеты
Б. Оно благотворно влияет на фауну Земли
В. Оно защищает людей от вредно воздействующих космических частиц
Г. Оно защищает живые организмы от губительного действия космического излучения
Обменяйтесь своими ответами, проверьте, поставьте оценки за тест(слайд 25)
Подведение итогов урока. Выставление оценок.
Рефлексия(слайд 26)
Домашнее задание: учить §16, ответить на вопросы с. 70; решить задача 16.1 с.73 (слайд 27)
Список литературы
О.Ф. Кабардин. Физика 8 класс, учебник для общеобразовательных организаций. Москва «Просвещение» 2014
М.Е. Тульчинский. Качественные задачи по физике в средней школе. Пособие для учителей.Издание четвертое, переработанное и дополненное. Москва «Просвещение» 1972