Магнитные свойства постоянных магнитов, их способность притягивать железные предметы были известны еще древним грекам. Земля также является магнитом и явления земного магнетизма были использованы ещё древними китайцами 3000 лет тому назад для создания подобия компаса, т.е. свободно вращающейся магнитной стрелки, указывающей ориентацию сторон света. Китайские мореплаватели использовали компас в XI веке, в Европе подобные устройства появились лишь в XII веке.
В пространстве, окружающем намагниченные тела, возникает магнитное поле . Помещенная в это поле маленькая магнитная стрелка устанавливается в каждой его точке вполне определенным образом, указывая тем самым направление поля. Тот конец стрелки, который в магнитном поле Земли указывает на север, называется северным , а противоположный – южным .
Хорошо известно, что, если поднести два магнита друг к другу, между ними действует сила. Магниты либо притягивают друг друга, либо отталкивают; их взаимодействие ощущается даже тогда, когда магниты не соприкасаются. Если к северному полюсу одного магнита поднести северный полюс другого, магниты будут отталкиваться; то же самое будет, если поднести магниты друг к другу южными полюсами. Но если к северному полюсу одного магнита поднести южный полюс другого, возникает притяжение. Это напоминает взаимодействие электрических зарядов: одноименные полюса отталкиваются, а разноименные притягиваются. Но не следует смешивать полюса магнитов и электрические заряды – это совсем разные вещи.
Другие аудио-видео демонстрации по теме или смежным темам: 1. Силовые линии магнитов. 2. Линии магнитной индукции. 3. Намагниченность. 4. Электромагниты. 5. Компас.
Вернемся к примеру с магнитной стрелкой, помещенной в магнитное поле. При отклонении стрелки от направления магнитного поля, на стрелку действует механический крутящий момент , пропорциональный синусу угла отклонения α и стремящийся повернуть ее вдоль указанного направления. Таким образом, при взаимодействии постоянных магнитов они испытывают результирующий момент сил, но не силу . Подобно электрическому диполю, постоянный магнит в однородном поле стремится повернуться по полю, но не перемещаться в нем.
Существенное отличие постоянных магнитов от электрических диполей заключается в следующем. Электрический диполь всегда состоит из зарядов, равных по величине и противоположных по знаку. Эти заряды можно отделить друг от друга и расположить на отдельных телах, например, разрезав диполь пополам по плоскости, перпендикулярной оси диполя. Постоянный же магнит, будучи разрезан таким образом пополам, превращается в два меньших магнита, каждый из которых имеет и северный и южный полюса. Никакое деление не дает возможности получить отдельно источники северного и южного магнетизма – магнитные заряды . Причина состоит в том, что «магнитных зарядов» (или, как иногда говорят, «магнитных масс») в природе не существует.
Подводя итоги сведениям о магнетизме, накопленным к 1600 г., английский ученый-физик Уильям Гильберт в труде «О магните, магнитных телах и большом магните – Земле» высказал мнение, что, несмотря на некоторое внешнее сходство, природа электрических и магнитных явлений различна. Действительно, кроме вышеуказанного отличия, опыт показывает, что если расположить вблизи магнитной стрелки компаса легкий заряженный шарик, то мы не обнаружим никакого действия со стороны заряда шарика на магнитную стрелку. В свою очередь, магнитное поле стрелки никак не действует на заряженный шарик. Все же, к середине XVIII века, окрепло убеждение о наличии тесной связи между электрическими и магнитными явлениями . Однако природа этой тесной связи тогда установлена быть не могла из-за отсутствия достаточно мощных источников тока.
В 1820 году Эрстед открыл явление отклонения магнитной стрелки гальваническим током и тем самым сделал первый существенный шаг в выяснении характера связи электрических и магнитных явлений. Затем Гей-Люссак и Араго наблюдали намагничивание железа постоянным током, идущим в проводнике. Ампер обнаружил притяжение между проводами, по которым проходят параллельные токи, и отталкивание между противоположно направленными токами. Им же была выдвинута гипотеза о том, что свойства постоянных магнитов обусловлены циркулирующими в их толще постоянными круговыми токами (молекулярными токами).
Но вернемся к открытию Эрстеда. Он помещал магнитную стрелку в непосредственной близости от проводника с током и обнаружил, что при протекании по проводнику тока, стрелка отклоняется; после выключения тока стрелка возвращается в исходное положение (рис. 1.1).
Из описанного опыта Эрстед делает вывод: вокруг прямолинейного проводника с током есть магнитное поле . Он обратил внимание также на то, что при изменении направления тока в проводнике северный конец стрелки поворачивается в другую сторону.
В дальнейшем исследовалось действие на магнитную стрелку проводников с током самой различной формы. Был сделан общий вывод: вокруг всякого проводника с током есть магнитное поле.
Но ведь ток – это направленное движение зарядов. Возможно, вокруг всякого движущегося заряда существует магнитное поле? Опыты подтверждают: да, магнитное поле появляется вокруг электронных пучков и вокруг перемещающихся в пространстве заряженных тел.
Итак, вокруг всякого движущегося заряда помимо электрического поля существует еще и магнитное. Магнитное поле – это поле движущихся зарядов . Известно, что оно обнаруживает себя по действию на магнитные стрелки или на проводники с токами, т.е. на движущиеся заряды.
Дальше мы увидим, что, подобно электрическому полю, оно обладает энергией и, следовательно, массой. Магнитное поле материально. Теперь можно дать следующее определение магнитного поля: магнитное поле – это материя, связанная с движущимися зарядами и обнаруживающая себя по действию на магнитные стрелки и движущиеся заряды, помещенные в это поле.
Эрстед изложил результаты своих опытов Амперу, который тут же повторил эти опыты и продолжил их. Он взял катушку с током, намагниченный металлический стержень и обнаружил воздействие магнитного поля катушки на стержень. В этом опыте непосредственно была показана связь электрического и естественного магнетизма . Кроме того, Ампер изучил действие магнитного поля на проводники с током.
Подобно тому, как для исследования электрического поля используется пробный точечный заряд, для исследования магнитного поля используется точечное магнитное поле, созданное пробным током, циркулирующим в плоском замкнутом контуре очень малых размеров.
Возьмем такой контур с током I и поместим его в магнитное поле.
Основное свойство магнитного поля – способность действовать на движущиеся электрические заряды с определенной силой. В магнитном поле контур с током будет ориентироваться определенным образом. Ориентацию контура в пространстве будем характеризовать направлением нормали , связанной с движением тока правилом правого винта или «правилом буравчика » (рис. 1.2).
Итак, на контур с током в магнитном поле действует вращающий момент. Контур ориентируется в данной точке поля только одним способом. Примем положительное направление нормали за направление магнитного поля в данной точке. Вращающий момент прямо пропорционален величине тока I , площади контура S и синусу угла между направлением магнитного поля и нормали .
здесь М – вращающий момент , или момент силы , – магнитный момент контура (аналогично – электрический момент диполя).
Направление вектора магнитного момента совпадает с положительным направлением нормали .
Отношение момента силы к магнитному моменту для данной точки магнитного поля будет одним и тем же и может служить характеристикой магнитного поля, названной магнитной индукцией :
(1.1.2)
где – вектор магнитной индукции, совпадающий с нормалью .
По аналогии с электрическим полем .
Магнитная индукция характеризует силовое действие магнитного поля на ток (аналогично, характеризует силовое действие электрического поля на заряд). – силовая характеристика магнитного поля, ее можно изобразить с помощью магнитных силовых линий .
Поскольку М – момент силы и – магнитный момент являются характеристиками вращательного движения, то можно предположить, что магнитное поле – вихревое .
Условились, за направление принимать направление северного конца магнитной стрелки. Силовые линии выходят из северного полюса, а входят, соответственно, в южный полюс магнита.
Для графического изображения полей удобно пользоваться силовыми линиями (линиями магнитной индукции ). Линиями магнитной индукции называются кривые, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора в этой точке.
Конфигурацию силовых линий легко установить с помощью мелких железных опилок (рис. 1.3), которые намагничиваются в исследуемом магнитном поле и ведут себя подобно маленьким магнитным стрелкам (поворачиваются вдоль силовых линий ).
Так было установлено, что силовые линии магнитного поля прямолинейного проводника с током – это концентрические окружности с центрами на проводнике, лежащие в плоскости, перпендикулярной проводнику.
Магнитные силовые линии всегда замкнуты (вихревое поле).
Краснодонская общеобразовательная школа I –III ст. №1
имени А.М. Горького Краснодонского городского совета
Луганской области
Всеукраинский конкурс
«Учитель года – 2013»
в номинации «физика»
«Постоянные магниты. Взаимодействие магнитов.
Магнитное поле Земли»
Подготовила
учитель физики
Краснодонской ЗШ №1
имени А.М. Горького
Данильченко Наталия Николаевна
Краснодон
2013
Тема. Постоянные магниты. Взаимодействие магнитов. Магнитное поле Земли
Цели.
Образовательные. Дать понятие постоянного магнита, магнитного поля Земли; исследовать взаимодействие полюсов двух магнитов, познакомиться со свойствами магнитного поля; формировать умение применять полученные знания для решения задач и выполнения практических заданий, расширить кругозор учащихся в области магнитных явлений.
Воспитательные. Научить работать в паре, выработать умение выслушать мнение собеседника, прийти к общему мнению, возбуждать интерес к изучению физики
Развивающие. Развитие у учащихся произвольного внимания, мышления (умения анализировать, сравнивать, строить аналогии, делать умозаключения.), познавательного интереса (на основе физического эксперимента)
Тип . Объяснение нового материала.
Оборудование: постоянные магниты (полосовые, подковообразные), компас, магнитная стрелка на подставке, железные опилки в банке, лист картона (оргстекла), мелкие предметы из разных материалов (Fe, Al, Cu, латуни, пластмассы, стекла, бумаги), железные скрепки (кнопки), куски магнитного железняка (магнетита), динамометр с железн ым шаром. Ноутбук, проектор, презентація.
Эпиграф:
Я препоручаю эти основания
науки о магните… только вам
истинные философы, благодарные
мужи, ищущие знания не только
в книгах, но и в самих вещах.
У. Гильберт.
ХОД УРОКА.
Организационный момент
Изложение нового материала
Легенда.
Много веков назад это было. В поисках овцы пастух зашёл в незнакомые места, в горы. Кругом лежали чёрные камни. Он с изумлением заметил, что его палку с железным наконечником камни притягивают к себе, словно её хватает и держит какая-то невидимая рука. Поражённый чудесной силой камней пастух принёс их в ближайший город – Магнесу. Здесь каждый мог убедиться в том, что рассказ пастуха не выдумка – удивительные камни притягивали к себе железные вещи! Более того, стоило потереть таким камнем лезвие ножа, и тот сам начинал притягивать железные предметы: гвозди, наконечники стрел. Будто из камня, принесённого с гор, в них перетекала какая-то сила, разумеется, таинственная.
О каком камне идёт речь в предании? (О магните.) Как объяснить описанное явление? Какие ещё необычные свойства есть у камня?
Сегодня мы с вами осуществим погружение в мир науки магнетизма, исследований, интересных фактов, связанных с магнетизмом.
Мы пройдём по страницам истории изучения магнита, проведём ряд экспериментов по изучению свойств постоянного магнита, а в конце урока попробуем выявить лучших знатоков мира постоянных магнитов в нашем классе. Во время экспедиции мы побываем в следующих бухтах:
- "Историческая" - № 1
- "Теоретическая" - № 2
- "Экспериментальная" - № 3
- "Контрольная" - № 4
Запишите в тетради число и тему урока
«Постоянные магниты. Взаимодействие магниитьв. Магнитное поле Земли».
Эпиграфом к нашему уроку будут слова Лукреция:
«…Камень притягивать может железо,
камень же этот по имени месторождения
магнитом назван был греками,
так как он найден в пределах магнетов».
Лукреций.
Станция - № 1 "Историческая"
История магнита насчитывает свыше 2,5 тысячи лет. Еще в VI веке до нашей эры китайцы обнаружили природные минералы, способные притягивать к себе небольшие железные предметы.
Первые сведения о магнитах известны с далёкой древности
В 6 в.до н.э. в Китае обнаружили минерал, способный притягивать к себе железные предметы, назвали минерал «чу-ши» - любящий камень
Название магнит предложил древнегреческий драматург Еврипид (5 в. до н.э.).Залежи данной руды находились около города Магнесии. «Магнит – камень из Магнесии».
Древнегреческий драматург Еврипид (век до нашей эры) описал свойства природного минерала и назвал его магнитом , что означало камень из Магнесии – местечка на Ближнем Востоке, где были найдены залежи этого минерала. Теперь мы знаем, что природные магниты представляют собой куски магнитного железняка (магнетита), хрупкого черного минерала
1269г.- Пьер де Мерикур, по прозванию Перегрин, написал обстоятельный трактат
«Письма о магнитах»...
В 1600 г. У.Гильберт издал книгу о магнитах «О магните, магнитных телах
и о большом магните – Земле»
Станция №2 "Теоретическая"
Тела, длительное время сохраняющие намагниченность, называются постоянными магнитами или просто магнитами.
Магниты бывают: электромагниты и постоянные : искусственные и природные (Земля, магнитный железняк) В природе встречаются естественные магниты - железная руда (так называемый магнитный железняк). Богатые залежи магнитного железняка имеются на Урале, в Украине, в Карелии, Курской области и во многих других местах.
Магниты бывают разной формы : полосовые, дугообразные, кольцевые.
Опыт!
На столах постоянные магниты и динамометр. К динамометру подвесьте железный шар. Поднесите к различным местам (поочередно) горизонтально расположенного прямого магнита и, отрывая его от магнита, проследите за показанием динамометра.
С одинаковой ли силой отрывается шар от магнита?
Магнит обладает на разных участках различной притягивающей силой, наибольшее значение динамометр показывает в момент отрыва от концов магнита и наименьшее в момент отрыва от середины магнита (нейтральная линия) или средняя. Те участки магнита, около которых обнаруживается сильное магнитное действие и где сильнее всего магнитное поле называют магнитными полюсами .
Сколько же полюсов у магнита? - Два. Их назвали северным полюсом (N) окрашен в синий цвет и южный полюс (S) окрашен в красный цвет. (слайд 12)
Французский ученый Ампер объяснял намагниченность железа и стали существованием электрических токов, которые циркулируют внутри каждой молекулы этих веществ. Во времена Ампера о строении атома еще ничего не знали, поэтому природа молекулярных токов оставалась неизвестной. Теперь мы знаем, что в каждом атоме имеются отрицательно заряженные частицы - электроны. При движении электронов возникает магнитное поле, которое и вызывает намагниченность железа и стали. В 1897г. гипотезу подтвердил английский учёный Томсон, а в 1910г. измерил токи американский учёный Милликен.
Вывод: движение электронов представляет собой круговой ток, а вокруг проводника с электрическим током существует магнитное поле.
А сейчас вам, ребята, в ходе выполнения экспериментальных заданий предстоит исследовать некоторые свойства магнитов. Задания вы увидите на экране, а приборы уже лежат на ваших столах. Выполняя задания, будете делать соответствующие выводы.
В ыполняем пр авила ОБЖ
Станция - № 3 "Экспериментальная"
Запишите в тетради заголовок «Свойства магнитов».
Задание 1.
Оборудование: металлические скрепки, магниты (полосовой и дуговой).
Возьмите полосовой магнит, поднесите несколько скрепок точно к середине магнита, где проходит граница между красной и синей половинками. Притягивает ли магнит скрепки?
Приближайте скрепки к разным местам магнита, начиная от середины. Какие места обнаруживают наиболее сильное магнитное действие? Повторите то же с дуговым магнитом.
Сделайте вывод. (Учащиеся делают вывод.)
Вывод. Линия посередине магнита, называемая нейтральной , не обнаруживает магнитных свойств. Наиболее сильное магнитное действие обнаруживают полюса магнита. (Показать опыт с опилками.)
Задание 2.
Оборудование: магнит, несколько пластинок, изготовленных из разных материалов.
Поднесите магнит к предметам, изготовленным из различных материалов, установите, все ли из них притягиваются магнитом.
Вывод. Хорошо притягиваются магнитом чугун, сталь, железо и некоторые сплавы, значительно слабее никель и кобальт.
Задание 3.
Оборудование: иголка, скрепки, магнит.
Возьмите иголку и поднесите её к скрепкам. Прилипают ли скрепки к иголке?
Потрите иголку о магнит в одном направлении, а затем поднесите к скрепкам. Прилипают ли скрепки?
Сделайте вывод. (Учащиеся делают выводы.)
В первом случае иголка не прилипла к скрепкам. Стоило иголке «пообщаться» с магнитом, как она сама стала магнитом.
Вывод. Железо, сталь, никель, кобальт и некоторые другие сплавы в присутствии магнитного железняка приобретают магнитные свойства.
Вывод: если магнитную стрелку приблизить к другой такой же стрелке, то они повернутся и установятся друг против друга противоположными полюсами (показать на опыте).
Задание 4.
Оборудование: магнит и магнитная стрелка.
Поднесите к белому, а затем к красному концу магнитной стрелки магнит. Что можно сказать о взаимодействии магнитной стрелки и магнита?
В каком случае магнитная стрелка притягивается, а в каком - отталкивается.
Вывод. Одноименные полюсы магнита и магнитной стрелки отталкиваются, разноименные - притягиваются.
Ребята, как же магниты взаимодействуют друг с другом на расстоянии?
Взаимодействие магнитов объясняется тем, что вокруг любого магнита имеется магнитное поле. Магнитное поле одного магнита действует на другой магнит, и, наоборот, магнитное поле второго магнита действует на первый. Взаимодействие магнитных полей хорошо наблюдать с помощью кольцевых магнитов. Положите на стол кольцевой магнит, в отверстие вставьте стержень гелиевой ручки. На этот стержень наденьте второй кольцевой магнит так, чтобы магниты были обращены друг к другу одноимёнными полюсами. Вы видите, что верхний магнит висит. Прижмите его к нижнему и отпустите, он снова вернётся в висячее положение.
Магнитное поле – особенный вид матери, который отличается от вещества и существует вокруг намагниченных тел.
С помощью железных опилок можно получить представление о виде магнитного поля постоянных магнитов.
Задание 5.
Оборудование: магниты (полосовой и дуговой), листочек с железным порошком.
Положите полосовой магнит на крышку упаковки набора, слегка встряхните коробочку с железным порошком для получения на дне коробки равномерно рассыпанного порошка. Положите коробку на магнит и слегка постучите по ней пальцем. Рассмотрите полученное изображение.
Повторите опыт для дугового магнита.
Рисунки, которые у вас получились, дают представление о картине магнитного поля полосового и дугообразного магнитов. Магнитные линии магнитного поля магнита - замкнутые линии. Вне магнита магнитные линии выходят из северного полюса магнита и входят в южный, замыкаясь внутри магнита, не пересекаются, не имеют ни начала ни конца. Где линии гуще, там поле сильнее.За направление принимают направление, на которое указывает северный полюс магнитной стрелки. Получили спектр магнитного поля.
Задание 6.
Оборудование: два полосовых магнита, прозрачная плоская упаковка с железным порошком.
Рассмотрите магнитные линии магнитного поля двух магнитов, обращенных друг к другу: одноименными полюсами; разноименными полюсами.
Молодцы, отлично поработали!
Физкультминутка – 2 мин.
Встаньте, пожалуйста. Вы – компас, ваше лицо – указывает всегда на север, затылок – на юг, стена – это северный полюс, противоположная доска – южный полюс. – Дети поворачиваются лицом к стене. Полюса поменялись. Дети поворачиваются лицом к доске. Возникают магнитные бури – дети начинают качаться и вращаться.
Отдохнули, спасибо, присаживайтесь
А теперь немного отдохните, и послушайте интересные факты применения магнитов.
В середине 80-х годов 20 века были получены постоянные магниты с рекордными характеристиками магнитных свойств. Два магнита размером всего в несколько сантиметров не смог бы разъединить руками даже Шварценеггер. А свою «магнитную силу» они теряют лишь на 1 % за 100 лет. Названы эти магниты неодимовыми, т. к. изготовляются из сплава редкоземельного металла неодима (Nd), железа (Fe) и бора (B).
Уникальные свойства неодимовых магнитов сразу привлекли внимание и заставили искать этим магнитам применение.
Прежде всего, такие магниты просто занимательны сами по себе, т. к. обладают большой силой при маленьких размерах. Потому их часто продают в качестве игрушек. Из
неодимовых магнитов разных форм и размеров можно строить различные фигуры, как из конструктора.
Магниты используют в качестве оригинальных украшений (некоторые магнитики позолочены).
Ещё одно применение неодимовых магнитов предложено дизайнерами мебели – «Парящая кровать». Она удерживается над полом четырьмя тросами. В неё и в пол непосредственно под ней вмонтированы неодимовые магниты, которые обращены друг к другу одинаковыми полюсами.
Немного отдохнули, а теперь послушайте одно предание.
По необозримым просторам пустыни идёт караван. В жёлтой мгле утонул горизонт. Кругом, куда ни глянь, - безжизненные пески. Путь каравана далёк и труден. Но люди уверенно продвигаются к своей цели. Их ведёт небольшая полоска намагниченного железа, плавающая на пробке в воде, в глиняном сосуде, который надёжно установлен в деревянной клетке между горбами белого верблюда, шагающего впереди. Стороны сосуда-путеводителя раскрашены в разные цвета. Время от времени человек, сидящий впереди, бросает взор на полоску железа: она чуть вздрагивает в такт шагам животного, но неизменно показывает одним концом на красный край кувшина, другим – на чёрный.
Как называется этот прибор? (Компас.)
Загадка.
Когда с тобою этот друг,
Ты можешь без дорог
Шагать на север и на юг,
На запад и восток. (Компас.)
Почему он всегда устанавливается в данном месте Земли в определенном направлении (если вблизи нее нет магнитов, проводников с током, железных предметов)?
Английский физик XIV в. Уильям Герберт изготовил шарообразный магнит, исследовал его с помощью маленькой магнитной стрелки и пришел к выводу, что земной шар - огромный космический магнит.
Внешние, расплавленные, слои ядра Земли находятся в постоянном движении. В результате этого в нем возникают магнитные поля, формирующие в конечном итоге магнитное поле Земли, и магнитная стрелка устанавливается вдоль его магнитных линий. На этом и основано применение компаса, который представляет собой свободно вращающуюся на оси магнитную стрелку.
В многовековой истории мореплавания магнитный компас был и остается самым значительным изобретением. Большинство историков считают, что компас в виде плавающей в воде магнитной стрелки придумали в Китае, а в конце XII - начале XIII вв. арабские мореплаватели завезли его в Европу. Соединив магнитную стрелку с диском, итальянец Флавий Джой в 1302 г. сконструировал компактную катушку - впоследствии обязательный элемент всех компасов.
Геофизики узнали, каким было магнитное поле Земли тысячи и даже миллионы лет назад: у горных пород, что содержат железо, оказалась отличная магнитная память! Допустим, вылилась когда-то во время извержения вулкана лава и, пока остывала, намагнитилась в магнитном поле Земли. Потом поле изменилось, но у затвердевшей лавы осталась остаточная намагниченность. Измеряя её, геофизики обнаружили, что магнитные полюсы Земли много раз менялись местами! За последний миллион лет это случалось 7. раз .
Наблюдения показывают, что магнитные полюсы Земли не совпадают с ее географическими полюсами. В связи с этим направление магнитной стрелки не совпадает с направлением географического меридиана. Поэтому магнитная стрелка компаса лишь приблизительно показывает направление на север.
Иногда внезапно возникают так называемые магнитные бури, кратковременные изменения магнитного поля Земли, которые сильно влияют на стрелку компаса. Наблюдения показывают, что появление магнитных бурь связано с солнечной активностью.
В период усиления солнечной активности с поверхности Солнца в мировое пространство выбрасываются потоки заряженных частиц, электронов и протонов. Магнитное поле, образуемое этими движущимися частицами, изменяет магнитное поле Земли и вызывает магнитную бурю.
Магнитные бури причиняют серьёзный вред: они оказывают сильное влияние на радиосвязь, на линии электросвязи, многие измерительные приборы показывают неверные результат.
Изучением влияния различных факторов погодных условий на организм здорового и больного человека занимается специальная дисциплина - биометрология. Магнитные бури вносят разлад в работу сердечно-сосудистой, дыхательной и нервной системы, а также изменяют вязкость крови; у больных атеросклерозом и тромбофлебитом она становится гуще и быстрее свёртывается, а у здоровых людей, напротив, повышается.
Результатом взаимодействия солнечного ветра с магнитным полем Земли является полярное сияние. Вторгаясь в земную атмосферу, частицы солнечного ветра (в основном электроны и протоны) направляются магнитным полем (на них действует сила Лоренца) и определённым образом фокусируются. Сталкиваясь с атомами и молекулами атмосферного воздуха, они ионизируют и возбуждают их, в результате чего возникает свечение, которое называют полярным сиянием.
На земном шаре встречаются области, в которых направление магнитной стрелки постоянно отклонено от направления магнитной линии Земли. Такие области называют областями магнитной аномалии (лат. слово, означает «отклонение, ненормальность»).
Одна из самых больших магнитных аномалий - Курская магнитная аномалия. Причиной таких аномалий являются огромные залежи железной руды на сравнительно небольшой глубине.
Земной магнетизм еще окончательно не объяснен. Установлено только, что большую роль в изменении магнитного поля Земли играют разнообразные электрические токи, текущие как в атмосфере (особенно в верхних слоях ее), так и в земной коре.
Большое внимание изучению магнитного поля Земли уделяют при полетах искусственных спутников и космических кораблей. Установлено, что земное магнитное поле надежно защищает поверхность Земли от космического излучения, действие которого на живые организмы разрушительно. В состав космического излучения, кроме электронов, протонов, входят и другие частицы, движущиеся в пространстве с огромными скоростями. Полеты межпланетных космических станций и космических кораблей на Луну и вокруг Луны позволили установить отсутствие у нее магнитного поля. Исследования, проведенные космическими кораблями, не обнаружили магнитного поля у планеты Венера, у планеты Марс имеется слабое магнитное поле.
Ну, вот, ребята, на этом изучение новой темы закончено.
А теперь послушайте интересный факт.
Оказывается, что ЛЭП разрушают взаимодействие между коровами и магнитным полем Земли. К такому заключению пришли ученые, которые в прошлом году показали, что магнитное поле влияет на расположение домашнего скота на пастбищах. Ученые показали, что большая часть коров, пасущихся на полях, располагаются так, что их тела “смотрят” строго с юга на север. Авторы предположили, что животные чувствуют магнитное поле Земли и ориентируются вдоль его силовых линий. Продолжив работы в выбранной области, ученые обратили внимание, что вблизи ЛЭП расположение коров меняется. Так, если провода тянулись с востока на запад, животные также ориентировались в этом направлении. Коровы, которые паслись неподалеку от ЛЭП, идущих с северо-востока на юго-запад или с северо-запада на юго-восток, располагали свои тела случайным образом. По мере удаления от ЛЭП наблюдаемые эффекты ослабевали.
Станция №4 "Контрольная"
А теперь закрепим новые знания при решении качественных задач.
1. Можно ли сделать магнит, у которого был бы только северный полюс или только южный? (^ Невозможно сделать магнит, у которого отсутствовал бы один из полюсов.)
2. Если разломить магнит на две части, будут ли эти части магнитами? (Если разломить магнит на части, то все его части будут магнитами.)
3.Какие вещества могут намагничиваться? (Железо, кобальт, никель, сплавы этих элементов.)
4. А будет ли компас действовать на Венере? (Нет, так как у Венеры нет магнитного поля.)
5.А в каких точках на Земле компас бесполезен? (На южном и северном магнитных полюсах.)
6.Тестовое задание с выбором ответа
1. Постоянные магниты притягивают к себе предметы из:
А. алюминия
Б. бумаги
В. железа
2. Те места, где обнаруживается наиболее сильное магнитное
действие, называют:
А. магнитом
Б. полюсами
В. осью
3. Разноименные магнитные полюсы:
А. отталкиваются
Б. притягиваются
В. не взаимодействуют
4. Южный полюс магнита обозначается:
А. S
Б. N
В. W
5. Географические и магнитные полюсы Земли:
А. совпадают
Б. не совпадают
В. могут совпадать, но не обязательно
Продолжить предложение
1. Источник магнитного поля Земли …
2. Южный магнитный полюс Земли находится вблизи...
географического полюса.
3. Области на земном шаре, где направление магнитной стрелки
всегда образует большой угол с направлением магнитных силовых
линий Земли, называют..
4.Магнитная аномалия объясняется...
5.Стальной кожух печи (рис.), находящейся в северном полушарии
Земли, имеет в своей верхней части... полюс, так как...
Итог урока: (вкл. музыка "Space")
Уч-ль: Вот мы и познакомились со свойствами магнитов, с магнитными свойствами Земли, их некоторыми объяснениями.
Земной магнетизм ещё окончательно не изучен. Для этого необходимо выяснить, что представляют собой потоки жидкого железа в глубинах Земли, как они возникают, как текут. Нужно сравнить магнитные свойства Земли с магнитными свойствами её сестёр – других планет Солнечной системы. Словом дел много. А вдруг, ребята, кто-то из вас окажется тем самым человеком, который разгадает вековую тайну природы: почему Земля – магнит?
Именно поэтому эпиграфом нашего урока были слова У. Гильберта, своего рода, призыв, пожелания, обращённые учёным именно к вам.
Желаю успеха!
Запишите домашнее задание, спасибо за урок!
Порядка года назад проводил несколько десятков экспериментов с магнитами.
Если глянуть учебник физики, то по магнитному полю чрезвычайно мало информации визуального плана. Стандартно приводится опыт с опилками, который и подразумевает структуру магнитного поля. Но небольшое исследование по магнитам позволяет выявить гораздо больше свойств этого поля. Некоторые из них описаны в нижеописанных экспериментах.
Для экспериментов на сайте http://magnetix.com.ua/ были куплены:
1. Специальная пленка FD75 - детектор магнитного поля. Суть пленки в том, что в ней находятся частички никеля в желе подобной среде, они являются микро магнитиками и разворачиваются под действием внешнего магнитного поля, тем самым меняется прозрачность пленки. В местах, где пленка темнеет, линии поля перпендикулярны пленке, где светлеют - линии поля параллельны пленке, полутон - аморфное положение микрочастиц или они находятся под некотором углом.
2. Набор осевых магнитов длинной 3 см и диаметром 1 см из сплава неодим-железо-бор (NdFeB), класса N42. Сила притяжения порядка 3.5кг по данным производителя.
3. Набор из 36 маленьких осевых магнитов 4 * 24 мм со стальными шариками, диаметром порядка 7 мм. Они использовались на большинстве фотографий.
Кроме того, для оценки поведения винтика в срединной зоне магнита специально было отснято видео, чтобы посмотреть покадрово перемещение.
Линиями помечены траектории падения на магнит маленького винтика.
Очевидно, что линии магнитного поля из учебников не имеют ничего общего с указанным рисунком, показывая направление взаимодействия двух закрепленных магнитов.
Предмет всегда стремиться к одному из полюсов магнита. Причем расстояние притяжения скорее напоминает круг, проведенный радиусом из двух точек = полюса. Расстояние немного увеличивается на оси магнита. В зоне между полюсами действует правило притяжения обоих полюсов. Поэтому предмет сначала движется к середине магнита, а потом резко меняет траекторию и стремиться к полюсу, который перетянул.
В конце - видео, замедленное в 16 раз - падение в центр. Последнее перемещение из центра магнита в полюс - 1 кадр или даже менее, т.е. менее 1/25 секунды. Если говорить про законы механики, то такой останов, рывок и разворот просто удивительны.
Собственно, классическое направление линий магнитного поля можно объяснить при помощи 2 сил, действующих на магнитную стрелку из полюсов магнита в режиме всасывания. Северный полюс воздействует на южный полюс стрелки, южный на северный, и обратное действие оказывает магнитное поле стрелки на магнит. Когда силы из обоих полюсов равны - линия поля параллельна оси магнита. Когда не равны - стрелка под углом или направлена к ближайшему полюсу.
Из эксперимента стало понятно, что классические линии магнитного поля рисуют скорее «некоторые иллюзии», чем магнитное поле. Это даже не вектор действия силы, ибо при помощи них нельзя объяснить, почему частица на видео летит перпендикулярно линиям магнитного поля, а не параллельно им.
Если магниты лежат свободно на границе отталкивания между собой, то между ними присутствует слабое «вздутие поля», но если их принудительно удерживать в зоне сильного отталкивания, то картинка опять приобретает трехполюсный вид.
Если пленку немного приподнять над магнитами, на расстояние 5-7 мм, то видно, что поле как бы расширяется, т.е. расходиться в стороны, при этом сила и перпендикулярность поля ослабевают, что вполне согласуется с классической моделью линий магнитного поля.
Магнитные свойства постоянных магнитов, их способность притягивать железные предметы были известны еще древним грекам. Земля также является магнитом и явления земного магнетизма были использованы ещё древними китайцами 3000 лет тому назад для создания подобия компаса, т.е. свободно вращающейся магнитной стрелки, указывающей ориентацию сторон света. Китайские мореплаватели использовали компас в XI веке, в Европе подобные устройства появились лишь в XII веке.
В пространстве, окружающем намагниченные тела, возникает магнитное поле . Помещенная в это поле маленькая магнитная стрелка устанавливается в каждой его точке вполне определенным образом, указывая тем самым направление поля. Тот конец стрелки, который в магнитном поле Земли указывает на север, называется северным , а противоположный – южным .
Хорошо известно, что, если поднести два магнита друг к другу, между ними действует сила. Магниты либо притягивают друг друга, либо отталкивают; их взаимодействие ощущается даже тогда, когда магниты не соприкасаются. Если к северному полюсу одного магнита поднести северный полюс другого, магниты будут отталкиваться; то же самое будет, если поднести магниты друг к другу южными полюсами. Но если к северному полюсу одного магнита поднести южный полюс другого, возникает притяжение. Это напоминает взаимодействие электрических зарядов: одноименные полюса отталкиваются, а разноименные притягиваются. Но не следует смешивать полюса магнитов и электрические заряды – это совсем разные вещи.
Другие аудио-видео демонстрации по теме или смежным темам: 1. Силовые линии магнитов. 2. Линии магнитной индукции. 3. Намагниченность. 4. Электромагниты. 5. Компас.
Вернемся к примеру с магнитной стрелкой, помещенной в магнитное поле. При отклонении стрелки от направления магнитного поля, на стрелку действует механический крутящий момент , пропорциональный синусу угла отклонения α и стремящийся повернуть ее вдоль указанного направления. Таким образом, при взаимодействии постоянных магнитов они испытывают результирующий момент сил, но не силу . Подобно электрическому диполю, постоянный магнит в однородном поле стремится повернуться по полю, но не перемещаться в нем.
Существенное отличие постоянных магнитов от электрических диполей заключается в следующем. Электрический диполь всегда состоит из зарядов, равных по величине и противоположных по знаку. Эти заряды можно отделить друг от друга и расположить на отдельных телах, например, разрезав диполь пополам по плоскости, перпендикулярной оси диполя. Постоянный же магнит, будучи разрезан таким образом пополам, превращается в два меньших магнита, каждый из которых имеет и северный и южный полюса. Никакое деление не дает возможности получить отдельно источники северного и южного магнетизма – магнитные заряды . Причина состоит в том, что «магнитных зарядов» (или, как иногда говорят, «магнитных масс») в природе не существует.
Подводя итоги сведениям о магнетизме, накопленным к 1600 г., английский ученый-физик Уильям Гильберт в труде «О магните, магнитных телах и большом магните – Земле» высказал мнение, что, несмотря на некоторое внешнее сходство, природа электрических и магнитных явлений различна. Действительно, кроме вышеуказанного отличия, опыт показывает, что если расположить вблизи магнитной стрелки компаса легкий заряженный шарик, то мы не обнаружим никакого действия со стороны заряда шарика на магнитную стрелку. В свою очередь, магнитное поле стрелки никак не действует на заряженный шарик. Все же, к середине XVIII века, окрепло убеждение о наличии тесной связи между электрическими и магнитными явлениями . Однако природа этой тесной связи тогда установлена быть не могла из-за отсутствия достаточно мощных источников тока.
В 1820 году Эрстед открыл явление отклонения магнитной стрелки гальваническим током и тем самым сделал первый существенный шаг в выяснении характера связи электрических и магнитных явлений. Затем Гей-Люссак и Араго наблюдали намагничивание железа постоянным током, идущим в проводнике. Ампер обнаружил притяжение между проводами, по которым проходят параллельные токи, и отталкивание между противоположно направленными токами. Им же была выдвинута гипотеза о том, что свойства постоянных магнитов обусловлены циркулирующими в их толще постоянными круговыми токами (молекулярными токами).
Но вернемся к открытию Эрстеда. Он помещал магнитную стрелку в непосредственной близости от проводника с током и обнаружил, что при протекании по проводнику тока, стрелка отклоняется; после выключения тока стрелка возвращается в исходное положение (рис. 1.1).
Из описанного опыта Эрстед делает вывод: вокруг прямолинейного проводника с током есть магнитное поле . Он обратил внимание также на то, что при изменении направления тока в проводнике северный конец стрелки поворачивается в другую сторону.
В дальнейшем исследовалось действие на магнитную стрелку проводников с током самой различной формы. Был сделан общий вывод: вокруг всякого проводника с током есть магнитное поле.
Но ведь ток – это направленное движение зарядов. Возможно, вокруг всякого движущегося заряда существует магнитное поле? Опыты подтверждают: да, магнитное поле появляется вокруг электронных пучков и вокруг перемещающихся в пространстве заряженных тел.
Итак, вокруг всякого движущегося заряда помимо электрического поля существует еще и магнитное. Магнитное поле – это поле движущихся зарядов . Известно, что оно обнаруживает себя по действию на магнитные стрелки или на проводники с токами, т.е. на движущиеся заряды.
Дальше мы увидим, что, подобно электрическому полю, оно обладает энергией и, следовательно, массой. Магнитное поле материально. Теперь можно дать следующее определение магнитного поля: магнитное поле – это материя, связанная с движущимися зарядами и обнаруживающая себя по действию на магнитные стрелки и движущиеся заряды, помещенные в это поле.
Эрстед изложил результаты своих опытов Амперу, который тут же повторил эти опыты и продолжил их. Он взял катушку с током, намагниченный металлический стержень и обнаружил воздействие магнитного поля катушки на стержень. В этом опыте непосредственно была показана связь электрического и естественного магнетизма . Кроме того, Ампер изучил действие магнитного поля на проводники с током.
Подобно тому, как для исследования электрического поля используется пробный точечный заряд, для исследования магнитного поля используется точечное магнитное поле, созданное пробным током, циркулирующим в плоском замкнутом контуре очень малых размеров.
Возьмем такой контур с током I и поместим его в магнитное поле.
Основное свойство магнитного поля – способность действовать на движущиеся электрические заряды с определенной силой. В магнитном поле контур с током будет ориентироваться определенным образом. Ориентацию контура в пространстве будем характеризовать направлением нормали , связанной с движением тока правилом правого винта или «правилом буравчика » (рис. 1.2).
Итак, на контур с током в магнитном поле действует вращающий момент. Контур ориентируется в данной точке поля только одним способом. Примем положительное направление нормали за направление магнитного поля в данной точке. Вращающий момент прямо пропорционален величине тока I , площади контура S и синусу угла между направлением магнитного поля и нормали .
здесь М – вращающий момент , или момент силы , – магнитный момент контура (аналогично – электрический момент диполя).
Направление вектора магнитного момента совпадает с положительным направлением нормали .
Отношение момента силы к магнитному моменту для данной точки магнитного поля будет одним и тем же и может служить характеристикой магнитного поля, названной магнитной индукцией :
(1.1.2)
где – вектор магнитной индукции, совпадающий с нормалью .
По аналогии с электрическим полем .
Магнитная индукция характеризует силовое действие магнитного поля на ток (аналогично, характеризует силовое действие электрического поля на заряд). – силовая характеристика магнитного поля, ее можно изобразить с помощью магнитных силовых линий .
Поскольку М – момент силы и – магнитный момент являются характеристиками вращательного движения, то можно предположить, что магнитное поле – вихревое .
Условились, за направление принимать направление северного конца магнитной стрелки. Силовые линии выходят из северного полюса, а входят, соответственно, в южный полюс магнита.
Для графического изображения полей удобно пользоваться силовыми линиями (линиями магнитной индукции ). Линиями магнитной индукции называются кривые, касательные к которым в каждой точке совпадают с направлением вектора в этой точке.
Конфигурацию силовых линий легко установить с помощью мелких железных опилок (рис. 1.3), которые намагничиваются в исследуемом магнитном поле и ведут себя подобно маленьким магнитным стрелкам (поворачиваются вдоль силовых линий ).
Так было установлено, что силовые линии магнитного поля прямолинейного проводника с током – это концентрические окружности с центрами на проводнике, лежащие в плоскости, перпендикулярной проводнику.
Магнитные силовые линии всегда замкнуты (вихревое поле).
