Методы хранения магнитов и общие меры предосторожности при данном процессе. Kvant

А так ли хорошо знакомы вам постоянные магниты? // Квант. - 2010. - № 3. - C. 32-33

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

Прыгают в медных сосудах самофракийские кольца с
железа опилками вместе, бурно бушуя, когда под сосудом
камень магнитный.
Тит Лукреций Кар
Янтарь не притягивает к себе соломинку, когда что-либо их
разделяет, притяжение железа к магниту не испытывает
аналогичных помех.
Джероламо Кардано
... в конце концов мне удалось намагнитить и
наэлектризовать луч света и осветить магнитную силовую
линию.
Майкл Фарадей
И вот тогда я задал сам себе вопрос - а что будет, если
среда, в которой распространяется волна, будет иметь
одновременно отрицательные значения и электрической, и
магнитной проницаемости?
Виктор Веселаго
...наша хваленая современная физика - сплошное
надувательство: начали мы с магнитного железняка и янтаря,
а закончили тем, что не понимаем достаточно хорошо ни того,
ни другого. Зато в процессе изучения мы узнали огромное
количество удивительных и очень полезных для практики
вещей!
Ричард Фейнман

А как же! Взглянем вокруг - вот они на дверце холодильника в прилипших к ней игрушках, на столах в «ловушках» скрепок, булавок и кнопок, в магнитных лентах пластиковых карт или хотя бы в тех же компасах, которые вставляют уже и в школьные ранцы, и в ремешки часов. Чуть подумав, вспомним, что без магнитов не обходятся магнитофоны, микрофоны, телефоны - это нам подсказывают не успевающие за временем учебники. А чем начиняют сегодня разного рода аппаратуру? Магнитов в классическом понимании там может уже и не содержаться, но это не значит, что в устройствах, которыми мы повседневно пользуемся, перестали применять магнитные материалы. Просто они неузнаваемо изменились, порой став практически невидимыми, но главное - приобретя совершенно новые, особенные качества.

Однако в перекличке времен, возникшей в эпиграфах, пожалуй, заметно и нечто общее - неизменное повышенное внимание к этому удивительному явлению природы. Размышления о магнитах можно найти и у древних философов, и у средневековых естествоиспытателей, и у наших современников-исследователей. Когда-то в магнит умудрились вдохнуть «душу» и уподобляли его живым организмам; сегодня пытаются раскрыть загадку магнитного монополя и объяснить необычные свойства создаваемых в лабораториях магнитных материалов.

В какой-то мере этот «Калейдоскоп» - продолжение предыдущего выпуска «Нано...» И так же, как в прошлый раз, мы попробуем перекинуть мостик от, казалось бы, бесхитростных ситуаций и задач, где мы встречаемся с нашими персонажами-магнитами, к тем зачастую ошеломляющим технологическим новинкам, где они продолжают играть заметную, если не определяющую роль, меняя облик окружающего нас мира.

Вопросы и задачи

Микроопыт

Возьмите большую магнитную стрелку на подставке и поднесите ее сначала к нижнему, а затем к верхнему концу школьного лабораторного штатива (варианты: к железному ведру, к железной ручке двери). Одинаково ли будет вести себя стрелка у разных концов штатива? Почему?

Любопытно, что...

Древнейшие сведения об использовании железа в качестве компаса содержатся в китайских летописях, составленных более трех тысячелетий назад. Название же «магнит», как свидетельствует древнегреческий философ Платон, ввел почти за пятьсот лет до новой эры автор знаменитых трагедий Еврипид.

Столетиями от поколения к поколению передавались фантастические небылицы о свойствах магнита. Так, связывая необычайную для неживой природы силу магнита с происками дьявола, считали, что он помогает ворам, открывая запоры и замки, что магнит ночью «спит» и потому бездействует, что влияние магнита прекратится, если натереть его чесноком, а если он потеряет свою силу, следует смочить его козлиной кровью.

В своем фундаментальном туре «О магните.» Гильберт впервые высказал утверждение о том, что Земля - большой магнит.

Подковообразную форму придал магнитам Даниил Бернулли; связь ударов молний с перемагничиванием судовых компасов, а также влияние магнитных бурь на полярные сияния установил Доминик Араго; научную программу по изучению магнитных явлений, которой фактически следовали ученые XIX века, разработал, но, увы, не опубликовал Генри Кавендиш. ...пытаясь найти взаимосвязь между различными областями физики, Фарадей обнаружил вращение плоскости колебаний линейно поляризованного света, распространяющегося в веществе вдоль постоянного магнитного поля. Магнитооптический эффект Фарадея, реализуемый сегодня в тонких пленках, оказался незаменим при изучении свойств магнитных доменов, при проверке подлинности видео- и аудиозаписей, а также при расшифровке «черных ящиков».

Гипотеза о существовании в ферромагнетиках областей самопроизвольной намагниченности - доменов - была выдвинута французским физиком Пьером Вейссом в 1907 году и получила подтверждение 12 лет спустя в эффектном опыте. Перемагничивание доменов микронных размеров с помощью изобретенного к тому времени электронного усилителя сигналов удалось преобразовать в щелчки, слышимые по всей лаборатории. А уже в 1932 году магнитные домены наблюдались непосредственно в микроскоп.

Хотя полюса магнитов неразделимы, гипотеза о существовании магнитных монополей не противоречит теории, очень многие их свойства исследованы «на бумаге», а поиски монополей не прекращаются как в космосе, так и в земных экспериментах.

Нобелевская премия по физике 2007 года была присуждена за разработку технологии, значительно увеличившей плотность хранения информации на жестких дисках. В ее основе - открытие гигантского магнитосопротивления в так называемых «сэндвичах», состоящих из двух слоев ферромагнитного материала, разделенных тончайшей прослойкой немагнитного материала. Этот эффект стал первым практическим применением нанотехнологии в современной электронной промышленности.

В последние годы физикам удалось создать «суперлинзы», собирающие световые лучи в гораздо более узкий пучок, чем это разрешается законами оптической дифракции, что позволило различать точки, расположенные всего в нескольких десятках нанометров друг от друга. Метаматериалы, применяемые при изготовлении «суперлинз», имеют отрицательный показатель преломления, т.е. представляют собой «левые» оптические среды, в которых диэлектрическая постоянная и магнитная проницаемость отрицательны.

Что читать в «Кванте» о постоянных магнитах

(публикации последних лет)

А так ли хорошо знакомы вам токи и магниты? // Квант. - 2005. - № 1. - С. 32-33
«Левые среды» - 2006, Приложение №2, с.62;
«Движение заряда в магнитном поле» - 2007, №5, с.42;
«Триумф фундаментальной науки» - 2008, №4, с.4;
«Загадки магнитной стрелки» - 2009, №3, с.39; №5, с.34;
«Магнитные домены» - 2009, Приложение №4, с.44;
«Как управлять светом с помощью магнитного поля» - 2010, №1, с.12;
«Постоянные магниты. Магнитные свойства вещества» - 2010, Приложение №1, с.63.

Ответы

Вопросы и задачи

Микроопыт

Все железные предметы находятся в магнитном поле Земли. Под действием этого поля они намагничиваются, причем нижняя часть предмета обнаруживает северный магнитный полюс, а верхняя - южный (разумеется, в северном полушарии), что и «выдает» магнитная стрелка.

Практическая работа №11

Изучение магнитного поля постоянных магнитов

Подготовительная часть Для необходимо вспомнить теоретический материал по теме «Магнитное поле постоянных магнитов». Для этого вам предлагается ответить самостоятельно на следующие вопросы и заполнить пропущенные места в предложениях.

Ганс Кристиан Эрстед (1777-1851) в 1820 г. Открыл связь между электрическим и магнитным полем, заметив действие электрического тока на магнитную стрелку.

Магнитное поле - это

Наглядную картину магнитного поля можно получить с помощью

Особенности:

Согласно гипотезе, внутри молекул и атомов циркулируют элементарные электрические токи - . Они образуются вследствие движения электронов в атомах. Если из-за теплового движения молекул плоскости (рис 11.1), в которых циркулируют эти токи, размещены хаотично друг относительно друга, то действие токов взаимно компенсируется и магнитные свойства тел.

В намагниченном состоянии (рис 11.2) элементарные токи в теле ориентированы так, что их действия

Рис 11.1 Рис 11.2

По своим магнитным свойствам все вещества можно разделить на слабомагнитные и сильномагнитные. К слабомагнитным веществам относят, а к сильномагнитным - .

Ферромагнетики – это такие вещества

Какое явление лежит в основе создания искусственных магнитов?

Опишите понятие «точка Кюри»:

К ферромагнетикам относят:

Парамагнетики – это такие вещества

К парамагнетикам относят:

Диамагнетики – это такие вещества

К диамагнетикам относят:

Заполните таблицу.
Практическая часть.
Выберите правильное утверждение. Что наблюдается в опыте Эрстеда?

А. Проводник с током действует на электрические заряды.

Б. Магнитная стрелка поворачивается вблизи проводника с током.

В. Магнитная стрелка поворачивается вблизи заряженного проводника.

«Поворот магнитной стрелки вблизи проводника с током объясняется тем, что на нее действует…»

А. …магнитное поле, созданное движущимися в проводнике зарядами.

Б. …электрическое поле, созданное зарядами проводника.

В. …электрическое поле, созданное движущимися зарядами проводника.

«Магнитные поля создаются…»

А. …как неподвижными, так и движущимися электрическими зарядами.

Б. …неподвижными электрическими зарядами.

В. …движущимися электрическими зарядами.

«Магнитное поле оказывает силовое действие…»

А. …только на покоящиеся электрические заряды.

Б. …только на движущиеся электрические заряды.

В. …как на движущиеся, так и на покоящиеся электрические заряды.

«Движущийся электрический заряд создает…»

А. …только электрическое поле.

Б. …как электрическое, так и магнитное.

В. …только магнитное поле.

Чем объясняется взаимодействие двух параллельных проводников с постоянным током?

А. Взаимодействием электрических зарядов.

Б. Действием электрического поля одного проводника с током на ток в другом проводнике.

В. Действием магнитного поля одного проводника на ток в другом проводнике.

Две магнитные стрелки подвешены на нитях на небольшом расстоянии одна от другой.

А. Северный полюс одной стрелки притягивается к северному полюсу другой.

Б. Магнитная стрелка представляет собой маленький магнит.

В. Силовые линии магнитного поля постоянного магнита «выходят» из южного полюса и «входят» в северный.

В середине небольшого полосового магнита привязали нить и подвесили магнит на этой нити.

А. Железные предметы притягиваются к полюсам магнита слабее, чем к его середине.

Б. Северный полюс магнита указывает на Северный магнитный полюс Земли.

В. Линии магнитного поля Земли замкнуты.

На рис 11.3 изображено расположение линий магнитного поля полосового магнита.

А. Слева находится северный магнитный полюс, а справа – южный.

Б. Вне магнита магнитные линии выходят из южного полюса магнита и входят в северный.

В. Линии магнитного поля замыкаются внутри магнита.

На рис 11.4 изображено расположение линий магнитного поля двух магнитов.

А. Магниты обращены друг к другу разноименными полюсами.

Б. Магниты обращены друг к другу одноименными полюсами.

В. Те места магнита, где обнаруживаются наиболее сильные магнитные действия называют полюсами магнита.

На рис 11.5 изображен полосовой магнит.

А. Если разрезать этот магнит посередине, то один из полученных магнитов будет иметь только северный полюс, а другой – только южный.

Б. Те места магнита, где обнаруживаются наиболее слабые магнитные действия, называют полюсами магнита.

В. У всякого магнита обязательно есть два полюса.

Рис 11.4 Рис 11.5

Какое направление будет показывать северный полюс магнитной стрелки, если ее разместить в центре пересечения стрелок?
Решите задачи, выбрав подходящий уровень сложности. Выполнение всех задач среднего уровня соответствует оценке «3», выполнение к ним достаточного уровня – оценке «4». Дополнительно к ним можно выполнить задания высокого уровня, тем самым повысив оценку на 1 балл (до «4», до «5»).

Пример: Северный полюс магнита подносят к положительно заряженному теннисному шарику, висящему на нити.. Что будет наблюдаться – притяжение или отталкивание? Как изменится ответ, если шарик заряжен отрицательно?

Решение: В обоих случаях будет наблюдаться притяжение, обусловленное разделением зарядов в нейтральном теле (магните) под действием электрического поля. Замена положительного заряда на отрицательный и (или) северного магнитного полюса на южный никак не повлияет на результат: магнитное поле вообще не действует на неподвижные электрические заряды.

Средний уровень

Можно ли изготовить полосовой магнит так, чтобы на концах его были одноименные полюсы?

Как направлены линии магнитного поля Земли – с севера на юг или с юга на север?

Железные опилки, притянувшись к полюсу м-та, образуют расходящихся кистей. Почему?

Почему стальные полосы и рельсы, лежащие на складах, через некоторое время оказываются намагниченными?

На дно стеклянной бутылки упала стальная булавка. Как можно вынуть булавку, не опрокидывая бутылки и не опуская внутрь нее каких-либо предметов?
Смешавшиеся на полу мастерской железные и цинковые опилки потребовалось отделить друг от друга. Как это быстрее всего сделать?
В чем проявляется магнитное действие электрического тока?
Каким образом можно обнаружить наличие в пространстве магнитного поля?
На полу лаборатории под слоем линолеума проложен прямой изолированный провод. Как определить местонахождение провода и направление тока в нем, не вскрывая линолеума?

Как убедиться в том, что катушка с током имеет полюсы – северный и южный? Где они находятся?

Достаточный уровень

К южному полюсу магнита притянулись две стальные булавки (рис 11.6). Почему их свободные концы отталкиваются? Объясните свой ответ.

К полюсам двух совершенно одинаковых магнитов притянулось по гвоздю (рис 11.7). Однако если привести оба полюса в соприкосновение, гвозди сразу же отпадут. Почему?

К северному полюсу прямого магнита притянулась цепочка гвоздиков (рис 11.8). Что произойдет, если на этот магнит положить другой так, чтобы над северным полюсом оказался южный полюс?

Начертите (приблизительно) расположение нескольких линий магнитного поля для двух магнитов, расположенных так, как показано на рисунке 11.9.

Намагниченная стальная игла (рис 11.10), воткнутая в пробку, плавает на поверхности воды. Можно ли заставить перемещаться такой поплавок, приближая к нему железный ненамагниченный предмет? Объясните свой ответ.

По проводу (рис 11.11) идет электрический ток. В каком направлении повернется магнитная стрелка, помещенная в точку А? В точку С?

В каком направлении надо пропустить ток по проводнику АВ (рис 11.12), чтобы магнитная стрелка SN повернулась северным полюсом к наблюдателю?

По витку провода (рис 11.13) идет электрический ток. В каком направлении повернется магнитная стрелка, помещенная в точку А? В точку С?

Как повернется магнитная стрелка вблизи провода, если по проводу пропустить достаточно сильный электрический ток? Рассмотрите два случая: а) провод проходит над стрелкой (рис 11.14); б) провод проходит под стрелкой(рис 11.15). S

Укажите направление электрического тока в катушке (рис 11.16).

Высокий уровень

Представьте себе, что Земля «потеряла» свое магнитное поле. Какие это повлекло бы последствия? Как вы оцениваете существование у Земли магнитного поля – положительным для жизни на нашей планете или отрицательным?

Имеются два одинаковых стальных стержня, один из которых намагничен сильнее другого. Как найти этот стержень?

Полосовой магнит разделили на две равные части и получили два магнита. Будут ли эти магниты оказывать такое же действие, как и целый магнит, из которого они изготовлены?

Стальной, хорошо отполированный шар имеет идеально круглую форму. Можно ли намагнитить этот шар?

К середине стальной полосы поднесли магнитную стрелку. Стрелка притянулась к полосе. Можно ли утверждать, что стальная полоса намагничена?

Когда к компасу приблизили ножницы, стрелка компаса отклонилась. Можно ли утверждать, что ножницы были предварительно намагничены?

Будет ли действовать магнит на магнитную стрелку, если между ними поместить руку? Алюминиевый лист? Железный лист?

Намагниченный стальной стержень и ненамагниченный железный имеют одинаковый внешний вид. Как определить, какой стержень намагничен, а какой – нет, не пользуясь никакими приборами?

Почему магниты при хранении замыкают стальными якорями?

К чему приведет постукивание по намагниченному гвоздю или его встряхивание, если внешнее магнитное поле отсутствует? Домашнее задание. Ответить на вопросы высокого уровня, дорешать практическую часть. Решите кроссворд.

По горизонтали:

1. Сила, текущего в каждом из двух бесконечно длинных параллельных проводников, находящихся в на расстоянии 1 м друг от друга, которая вызывает силу в Н, действующую на каждый метр длины проводника? 2. Какими зарядами создается магнитное поле? 3. Конец стрелки, направленный на Северный полюс Земли? 4. Чем определяется магнитная индукция? 5. Одноименные полюса магнитов… . 6. Как существует магнитное поле и электрический ток? 7. Разноименные полюса… . 8. Ферромагнетик с большой площадью петли гистерезиса называют… . 9. Вещества, у которых магнитная проницаемость . 10. Полюс магнита, в который входят линии магнитной индукции? 11. Тело, изготовленное из специальных сортов стали прочно сохраняет свою намагниченность после удаления его из внешнего поля, т. е. становится каким магнитом? 12. Вещество, намагничивающееся под действием внешнего магнитного поля? 13. Поле, посредством которого осуществляется взаимодействие электрических токов.

По вертикали:

1. Поле, векторы индукции которого во всех точках поля одинаковы по модулю и направлению. 2. Магнитные полюса существуют… 3. Небольшое физическое тело удлинённой формы, помещенное на острие. 4. Магнитные силовые линии. 5. Концы магнита. 6. Поле внутри соленоида. 7. Вещества, у которых магнитная проницаемость . 8. Поле, линии индукции которого всегда замкнуты. 9. Характеризует магнитную индукцию. 10. Величина, характеризующая магнитное поле в какой-либо точке пространства. 11. Первым обнаружил магнитное поле. 12. Если атомы тела имеют сильные поля и расположены упорядоченно, то их поля взаимно усиливаются. Назовите эти тела. 13. Сильное магнитное поле, которое отбрасывает влетающие в него заряженные частицы. 14. Если магнит неподвижен, то индукция в данной точке остается… . 15. Поле, линии индукции которого всегда замкнуты.

Опишите использование магнитов и магнитных полей в медицине.

Магнитотерапия

Применение магнитных полей в медицине

Постоянный глазной магнит

Глазной электромагнит

Магнитная запись звука и изображения

Не так давно в нашем научно-техническом мире был запущен процесс изготовления магнитов, которые производятся из магнитожестких материалов (Nd-Fe-B).

Первым же делом мощный магнит проявил себя, как бесценное орудие для поиска предметов и друг произведенных с помощью него процессов:

Металлические предметы, которые могут находиться на дне водного объекта, можно обнаружить и поднять с помощью магнита.
Посредством него происходит травление водного объекта, для того чтобы найти, к примеру, большое судно из металла, военную технику, автомобиль.
Магнит активно применяется в уборке местности от мусора из металла.
Для того чтобы на территории, где находится высохшая рыхловатая земля, наиболее эффективно велись работы по поиску металла, нужна предварительная подготовка. Вот для этого и используют магнит.
Чтобы определить остатки следов метеорита производится оценка магнитной поверхности камня.
Обнаружение черного металла, для дальнейшей его переработки.

Разницей между приспособлениями из магнитов является отрывное усилие каждого из них. Максимальная грузоподъемность магнита может колеблется в районе от тридцати до восьмисот килограмм. Наиболее распространённым на практике является использование в работе поисковых устройств магнитов с отрывным усилием не более 600 килограмм. Так, к примеру, если использовать магнит весом 800 килограмм, который состоит из 4-рех прямоугольных магнитов (1 магнит = 200 кг), соединяющихся между собой несколькими креплениями, то это будет нецелесообразно. Следует отметить, что в зависимости от того какую работу следует проделать, используют определенную весовую категорию магнита:
- магнит весом до 200 кг применяется для уборки сухой местности с небольшим количеством отходов;
- магнит весом от 200 кг до 800 кг эксплуатируется для работы с целью обнаружения на дне озера, реки, моря и т.д. больших металлоконструкций и дальнейшего их извлечения.

Максимально эффективное отрывное усилие магнита может существовать только при условии определенно сложившихся правил:
- ровность и чистота поверхности найденного предмета;
- металл, из которого состоит предмет, должен быть более 5 миллиметров;
- промежуток между магнитом и предметом необходимо максимально сократить;
- соединение магнита и предмета - вертикальное;
- наличие большого магнитного поля предмета.

Магниты делятся на два вида. Одним из них, наиболее распространённым, является двухсторонний магнит. Если сравнивать его с односторонним магнитом, то следует отметить, что он имеет способность притягивать к себе предметы с наиболее большей силой. Магниты, используемые для поиска, изготовлены из конструкционной качественной стали. Они имеют определенно нужную форму, в середине которой находится магнит.

Поверхность магнита покрыта цинком. Его корпус так же не является исключением. Это сделано для того, чтобы магнит можно было применять в любом водоёме. Кроме того, соединения промеж магнитом и корпусом наполнено композицией на основе эпоксидных смол.

Сопутствующая деталь магнита - это рым-болт. Магниты с отрывной силой в 250 кг - 600 кг обладают пустым промежутком, благодаря которому, если происходит большое притяжение найденного предмета, используя рым-болт можно произвести автоматическое разъединение. Но чаще всего нужно просто передвинуть магнит к грани объекта и под определенным наклоном от объекта убрать его.

Мощные магниты несут в себе опасность. Не стоит забывать про меры предосторожности при хранении таких магнитов.

Меры предосторожности и как следует хранить магниты:

Перевозить и хранить магниты нужно в коробке, материал которой не подвержен влиянию магнитного поля.
Чтобы преодостерчься от резаных ран, маленькие предметы, находящиеся на магните, следует отсоединять руками защищенными перчатками.
Внимательно следить за тем, чтобы ваши пальцы, руки или ноги не в коем случаи не попали промеж магнитом и предметом.
Предупреждением неисправности электронных предметов (мобильный телефон, ПСП, планшет и т.д.) будет являться соблюдение безопасного расстояния от них магнита. Это расстояние должно составлять не менее 10 - 20 сантиметров.
Нельзя держать магнит рядом со счетчиками электроэнергии и водоснабжения, поскольку в дальнейшем в их работе может произойти сбой.
Чтобы предотвратить примагничивание к магниту не следует пользоваться различными металлическими соединениями (трос, верига и т.д.)
Минимальная температура хранения магнита -50°С, максимальная же составляет +50°С.
Нужно следить за тем, чтобы объект из магнита не нагревался при температуре ≥ 80°С. Если это случится, то он может утратить свои магнитные свойства.

Если даже хранение устройства из магнита происходит в нормальных условиях, то все равно, по истечению десяти лет, в среднем оно тратит 2% своего магнитного поля.

Уровень I . Вариант 1.

Почему катушка с током, подвешенная на гибких проводах, ведет себя как магнитная стрелка (один конец обращен к югу, другой - к северу)?

Почему две железные пластинки, притянувшись к магниту, расходятся свободными концами?

СР-4. Электромагнитные явления. 9 класс.

Уровень I . Вариант 2.

Как вынуть стальную булавку из стеклянной бутылки, не опрокидывая ее и не опуская внутрь каких-либо предметов?

Молния ударила в ящик со стальными ножами и разбила его. После этого ножи оказались намагниченными. Как это объяснить?