Kvant. Постоянные магниты

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)

1. А так ли хорошо знакомы вам токи и магниты? // Квант. - 2005. - № 1. - С. 32-33
2. «Левые среды» - 2006, Приложение №2, с.62;
3. «Движение заряда в магнитном поле» - 2007, №5, с.42;
4. «Триумф фундаментальной науки» - 2008, №4, с.4;
5. «Загадки магнитной стрелки» - 2009, №3, с.39; №5, с.34;
6. «Магнитные домены» - 2009, Приложение №4, с.44;
7. «Как управлять светом с помощью магнитного поля» - 2010, №1, с.12;
8. «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.

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:

1. Металлические предметы, которые могут находиться на дне водного объекта, можно обнаружить и поднять с помощью магнита.
2. Посредством него происходит травление водного объекта, для того чтобы найти, к примеру, большое судно из металла, военную технику, автомобиль.
3. Магнит активно применяется в уборке местности от мусора из металла.
4. 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.
5. Чтобы определить остатки следов метеорита производится оценка магнитной поверхности камня.
6. 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.

Обобщающий урок по теме «Электромагнитные явления»

Класс: 9
Тип урока: Урок обобщения, закрепления знаний и умений.

Продолжительность: 40 мин

Цели урока:

Образовательная : закрепить умение применять знания к решению качественных и экспериментальных задач;

Развивающая : создать условия для развития исследовательских и творческих навыков, навыков общения и совместной деятельности;

Воспитательная : воспитывать умение работать в группе, чувство ответственности каждого за свой выбор, трудовой процесс и его результат.

Форма организации учебной деятельности: групповая.

Технологии: игровые, исследовательские, технологии групповой деятельности.

Оборудование: батарейка (4 шт.), кусок изолированного провода (4шт.), железный стержень (4 шт.), ключ (4 шт.), реостат (4 шт.), железные опилки, раздаточный материал для учащихся.

Подготовка: класс делим на четыре команды, выбираем капитана.

План урока:

1. Организационный момент – 1мин

2. Основной этап – 36 мин

Решение качественных задач – 10 мин

Решение графических задач, групповая экспериментальная работа учащихся – 10 мин

Представление результатов эксперимента – 8 мин

Решение кроссворда – 5 мин

Подведение итогов – 3 мин

3. Домашнее задание – 1 мин

4. Рефлексия –2 мин

Ход урока:

Организационный этап. Приветствие учителя.

У Киплинга есть замечательные строки:

Есть у меня шестерка слуг,

Проворных, удалых.

И все, что вижу я вокруг, -

Все знаю я от них.

Они по знаку моему

Являются в нужде.

Зовут их: Как и Почему,

Кто, Что, Когда и Где.

Ребята, давайте сегодня на уроке, обратимся к этим слугам.

Основной этап.

Первый тур: решение качественных задач (Приложение 1).

Пояснение: вопросы задаем командам по очереди. На обсуждение – 1 мин. За верный ответ – 3б. Если команда не дает ответа или отвечает не верно, соперники могут ответить и получить 1,5 балла.

Второй тур: решение графических задач (Приложение 2).

Пояснение: приглашаем к доске по одному человеку от команды. На выполнение задания 3 мин. За верное решение – 5 б. Кто выполнит первым правильно, получает дополнительно – 0,5 б. Учащийся объясняет решение учителю. После присоединяется к выполнению эксперимента (третий тур).

Третий тур: решение экспериментальной задачи «Сборка простейшего электромагнита» (Приложение 3).

Пояснение: команда получает задание и выполняет его, в то время пока один из представителей решает у доски графическую задачу.

На отдельном листе указать название команды, записать решение, обязательно с поясняющими рисунками. По окончании сдать лист учителю продемонстрировать работу электромагнита. За верное решение – 10 б.

Четвертый тур: решение кроссворда. (Приложение 4).

В это время учитель проверяет задания третьего тура.

Пояснение: За верно угаданное слово – 0,5 б. Чем больше слов разгадаете, тем больше общий балл за этот конкурс.

Подведение итогов. Учащиеся изкоманды победителей получают оценку пять за урок, отмечаются хорошими отметками активные участники из других команд.

Домашнее задание: повторить строение атома и атомного ядра за курс 8-го класса.

Рефлексия.

Учитель: Ребята, скажите, слуги Киплинга помогли нам сегодня на уроке? Обоснуйте свой ответ.

Возможный ответ ученика: Благодаря этим слугам мы проявили изобретательность и находчивость, показали свои знания.

Приложение 1.

Качественные вопросы:

1. Чем отличаются стали, применяемые для постоянных магнитов и электромагнитов?

Ответ: сталь для постоянных магнитов должна обладать большим остаточным магнетизмом.

2. Можно ли на Луне ориентироваться с помощью магнитного компаса?

Ответ: нет магнитного поля.

3. Почему железные опилки, притянувшись к полюсу магнита, образуют кисти, отталкивающиеся друг от друга?

Ответ: Опилки – маленькие магнитики располагаются вдоль силовых линий магнитного поля.

4. Как при помощи магнитной стрелки узнать намагничена ли стальная полоска?

Ответ: надо подносить к одному из полюсов магнитной стрелки поочередно оба конца полоски. Если один из концов его оттолкнет полюс стрелки, значит, полоса намагничена.

5. Намагниченная спица разломана поперек оси на мелкие части. Какой из полученных обломков окажется намагниченным сильнее – находившийся ближе к концам спицы или к середине? Объясните явление.

Ответ: все обломки будут намагничены одинаково.

6. Если поднести несколько раз к часам сильный магнит, то показания часов будут неправильными. (Иногда только через несколько дней они вновь восстанавливают правильный ход.) Как можно объяснить это явление?

Ответ: стальная пружина и другие стальные детали часов намагничиваются, взаимодействуют друг с другом, вследствие чего правильный ход часов нарушается.

7. Почему удобно пользоваться намагниченной отверткой?

8. Почему магниты размагничиваются, если их хранить сложенными одноименными полюсами?

9. При хранении прямых магнитов их полюса замыкают железными якорями. Почему это предохраняет магниты от размагничивания?

Приложение 2.

Графические задачи:

1. Через соленоид (катушка с однослойной намот­кой провода) пропускают ток (рис. 89). Определите полюсы катушки.

Ответ: у конца А – южный полюс.

2. Какие полюсы получаются на концах электро­магнита, изображенного на рисунке 93?

Ответ: оба полюса южные.

3. Намотка катушки А (рис. 92) произведена по ходу часовой стрелки, а катушки В - против хода часовой стрелки. Одинаковые ли полюсы имеют левые концы электромагнитов?

Ответ: одинаковые – южные.

4. Намагнитится ли одно­родный кусок железа, если пу­стить ток через катушку, намо­танную так, как изображено на рисунке 185?

Ответ: да, на концах будут одноименные полюсы.

Приложение 3.

Экспериментальное задание:

Вам даны батарейка, кусок изолированного провода, железный стержень, ключ, реостат, железные опилки. Сделайте простейший электромагнит, и посмотрите, как он действует. Где у вашего электромагнита полюсы? Как вы их определили? Проверьте с помощью магнитной стрелки, на каком конце электромагнита образуется северный полюс, на каком – южный. Можно ли поменять местами полюсы? Как это сделать? Можно ли регулировать подъемную силу вашего электромагнита? Как?

Приложение 4. Разгадайте кроссворд.

Слова по горизонтали должны означать: 1. Ученый, впервые обнаруживший взаимодействие электрического тока с магнитной стрелкой. 2. Место магнита, где наблюдается наиболее сильное магнитное действие. 3. Устройство, работающее на слабых токах, при помощи которого можно управлять цепью, сила тока в которой велика. 4. Русский физик, построивший первый электродвигатель; телеграфный аппарат, печатающий буквы. 5. Тела, длительное время сохраняющие намагниченность. 6. Английский физик, открывший явление электромагнитной индукции. 7. Особое устройство в обмотке якоря для автоматического изменения направления тока. 8. Ученый, объяснивший намагниченность железа и стали электрическими токами, которые циркулируют внутри каждой молекулы этих веществ. 9. Прибор, служащий для ориентации на местности, основной частью которого является магнитная стрелка. 10. Устройство, в котором механическая энергия преобразуется в электрическую. 11. Длинная цилиндрическая катушка из некоторого числа витков проволоки намотанной по винтовой линии. 12. Приемник тока, служащий для превращения электрической энергии в механическую. 13. Вещество, из которого делают постоянные магниты.

Если все слова вами отгаданы правильно, то в выделенных клетках по вертикали получится слово, означающее катушку проводов с железным сердечником внутри.

Ответы. 1.Эрстед. 2. Полюс. 3. Реле. 4. Якоби. 5. Магнит. 6. Фарадей. 7. Коллектор. 8. Ампер. 9. Компас. 10. Генератор. 11. Соленоид. 12. Электродвигатель. 13. Сталь.

Посмотрим, одинаковы ли магнитные свойства естественного или искусственного магнита в разных точках его поверхности. Возьмем железный шарик, укрепленный на одном конце слабой спиральной пружинки. Прикоснемся этим шариком к какому-нибудь месту магнита, а затем будем отрывать шарик, растягивая пружинку (рис. 195). Растяжение пружинки в момент отрыва шарика дает нам наглядное представление о той силе, которая необходима, чтобы преодолеть притяжение шарика к данному месту магнита. Оказывается, что в одних точках – у концов магнита, – для того чтобы оторвать шарик, требуется довольно значительное усилие, а в других точках – у середины магнита – шарик почти не притягивается к нему. По этой же причине, если погрузить магнит в железные опилки и затем вынуть его, мы увидим, что опилки пристают в виде густой «бороды» к концам магнита и не пристают к его середине (рис. 196).

Рис. 195. У середины магнита сила притяжения мала, у концов его – велика. Об этом можно судить по растяжению пружины в момент отрыва железного шарика от магнита

Рис. 196. Железные опилки пристают в виде «бороды» к концам магнита и не пристают к его середине

Те части поверхности магнита, в которых притяжение железных предметов проявляется заметным образом, называют полюсами магнита, а та часть поверхности магнита, в которой силы притяжения не обнаруживаются или очень слабы, называется нейтральной зоной магнита.

Обычно искусственным магнитам придают вид полосы – прямой или подковообразной (рис. 197). Такие магниты почти всегда имеют два полюса на концах полосы и нейтральную зону между ними. Можно, однако, намагнитить кусок стали так, чтобы он имел не 2, а 4, 6, ... полюсов, разделенных нейтральными зонами. Но, что особенно важно отметить, никогда не удается получить магнит с нечетным числом полюсов. В частности, невозможно получить магнит с одним полюсом.

Рис. 197. Обычные формы постоянных полосовых магнитов: а) прямая; б) подковообразная. При хранении концы магнита соединяют железным бруском (якорем), чтобы предохранить магниты от размагничивания

Соотношение между размерами, полюсных областей и нейтральной зоны зависит от формы магнита.

Если изготовить магнит в виде очень длинного и тонкого стержня, то полюсные области его сводятся почти к точкам, лежащим у концов магнита, а вся остальная поверхность представляет собой нейтральную зону. Подобный удлиненный магнит можно назвать магнитной стрелкой. Часто магнитной стрелке придают вид вытянутого ромба (рис. 198). Если такую стрелку подвесить или укрепить на острие так, чтобы она могла свободно вращаться, то она всегда устанавливается так, чтобы один из ее полюсов был обращен к северу, а другой к югу; точно так же ориентируется и любой магнит, подвешенный на тонкой, легко закручивающейся нити. Тот полюс магнита, который поворачивается к северу, называют северным полюсом, а другой полюс – южным.

Рис. 198. Магнитные стрелки в виде вытянутого ромба: слева – подвешенная на нити, справа – укрепленная на острие

Магнитные стрелки особенно удобны для обнаружения магнитных свойств естественного или искусственного магнита. Приближая к стрелке магнит, мы увидим, что ее северный полюс притягивается к южному полюсу магнита и отталкивается от северного (и наоборот), так что магнитная стрелка под действием магнита поворачивается на своей оси. Способность магнита поворачивать и притягивать железные тела сводится к таким же действиям: приближение магнита к железу прежде всего намагничивает железо, т. е. обращает его в слабый магнит, который поворачивается нашим магнитом и притягивается к нему.

С помощью магнитной стрелки можно легко различить, имеем ли мы дело с ненамагниченным куском железа или с магнитом. Поднося к концу стрелки магнит, мы вызовем или притяжение или отталкивание в зависимости от того, сближаются ли одноименные или разноименные полюсы стрелки и исследуемого магнита. При поднесении же к концу стрелки железа мы всегда обнаружим притяжение; ближайший к полюсу стрелки конец железа всегда намагничивается противоположно этому полюсу; второй, удаленный конец железного куска намагничивается, конечно, противоположно ближнему концу, т. е. одноименно с рассматриваемым полюсом стрелки, но его взаимодействие со стрелкой будет гораздо слабее, и мы обнаружим только взаимодействие разноименных полюсов, т. е. притяжение стрелки к железу.

113.1. Имеется стальная спица. Как узнать, намагничена ли она, не пользуясь ничем, кроме этой спицы?

113.2. Имеются два стальных бруска, из которых только один намагничен. Как узнать, какой именно брусок намагничен, не пользуясь ничем, кроме этих брусков?