Що належить магніту

0 Comments

§ 5. Магнітні властивості речовин. Гіпотеза Ампера

Мабуть, кожен із вас бачив магніти й навіть досліджував їхні властивості. Згадайте: ви підносите магніт до купки дрібних предметів і бачите, що деякі предмети (цвяшки, кнопки, скріпки) чіпляються до магніту, а деякі (шматочки крейди, мідні та алюмінієві монетки, грудочки землі) не реагують на нього. Чому так? Чи дійсно магнітне поле не чинить жодного впливу на деякі речовини? Саме про це йтиметься в параграфі.

1. Порівнюємо дії електричного і магнітного полів на речовину

Вивчаючи у 8 класі електричні явища, ви дізналися, що внаслідок впливу зовнішнього електричного поля відбувається перерозподіл електричних зарядів усередині незарядженого тіла (рис. 5.1). У результаті в тілі утворюється власне електричне поле, напрямлене протилежно зовнішньому. Саме тому електричне поле в речовині завжди послаблюється.

Рис. 5.1. Унаслідок дії електричного поля негативно зарядженої палички ближча до неї частина провідної сфери набуває позитивного заряду

Речовина змінює і магнітне поле. Існують речовини, які (як у випадку з електричним полем) послаблюють магнітне поле всередині себе. Такі речовини називають діамагнетиками. Багато речовин, навпаки, посилюють магнітне поле — це парамагнетики та феромагнетики.

Річ у тім, що будь-яка речовина, поміщена в магнітне поле, намагнічується, тобто створює власне магнітне поле, і магнітна індукція такого поля є різною для різних речовин.

2. Дізнаємося про слабомагнітні речовини

Речовини, які намагнічуються, створюючи слабке магнітне поле, магнітна індукція якого набагато менша за магнітну індукцію зовнішнього магнітного поля (тобто поля, яке спричинило намагнічування), називають слабомагнітними речовинами. До таких речовин належать діамагнетики та парамагнетики.

Діамагнетики (від грецьк. dia — розбіжність) намагнічуються, створюючи слабке магнітне поле, яке напрямлене протилежно до зовнішнього (рис. 5.2, а). Саме тому діамагнетики незначно послаблюють зовнішнє магнітне поле: магнітна індукція магнітного поля всередині діамагнетика (ВД) трохи менша від магнітної індукції зовнішнього магнітного поля (В0):

Рис. 5.2. Зразки з діамагнетика (а) і парамагнетика (б) у зовнішньому магнітному полі: червоні лінії — лінії магнітного поля, створеного зразком; сині лінії — магнітні лінії зовнішнього магнітного поля; зелені лінії — лінії результуючого магнітного поля

Якщо діамагнетик помістити в магнітне поле, він буде виштовхуватися з нього (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Полум’я свічки виштовхується з магнітного поля, оскільки продукти згоряння є діамагнітними частинками

Розгляньте рис. 5.2, а і поясніть, чому діамагнітна речовина виштовхується з магнітного поля.

До діамагнетиків належать інертні гази (гелій, неон тощо), багато металів (наприклад, золото, мідь, ртуть, срібло), молекулярний азот, вода та ін. Тіло людини є діамагнетиком, адже воно в середньому на 78 % складається з води.

Парамагнетики (від грецьк. para — поряд) намагнічуються, створюючи слабке магнітне поле, напрямлене в бік зовнішнього магнітного поля (рис. 5.2, б). Парамагнетики незначно посилюють зовнішнє поле: магнітна індукція магнітного поля всередині парамагнетика (Вп) трохи більша за магнітну індукцію зовнішнього магнітного поля (В0):

До парамагнетиків належать кисень, платина, алюміній, лужні та лужноземельні метали тощо. Якщо парамагнітну речовину помістити в магнітне поле, то вона буде втягуватися в нього.

3. Вивчаємо феромагнетики

Якщо слабомагнітні речовини вийняти з магнітного поля, то їхня намагніченість відразу зникне, на відміну від сильномагнітних речовин — феромагнетиків.

Феромагнетики (від латин. ferrum — залізо) — речовини або матеріали, які залишаються намагніченими й у разі відсутності зовнішнього магнітного поля.

Феромагнетики намагнічуються, створюючи сильне магнітне поле, напрямлене в бік зовнішнього магнітного поля (рис. 5.4, 5.5, а). Якщо виготовлене з феромагнетика тіло помістити в магнітне поле, то воно буде втягуватися в це поле (рис. 5.5, б).

Рис. 5.4. Залізний цвях намагнічується в магнітному полі таким чином, що кінець цвяха, розташований біля північного полюса магніту, стає південним полюсом, тому цвях притягується до магніту

Рис. 5.5. Феромагнетики створюють сильне магнітне поле, напрямлене в бік зовнішнього магнітного поля (а); лінії магнітної індукції ніби втягуються у феромагнітний зразок (б)

Поясніть, чому на постійному магніті утримуються тільки предмети, виготовлені з феромагнітних матеріалів (рис. 5.6)?

Рис. 5.6. До завдання в § 5

До феромагнетиків належить невелика група речовин: залізо, нікель, кобальт, рідкісноземельні речовини та низка сплавів. Феромагнетики значно посилюють зовнішнє магнітне поле: магнітна індукція магнітного поля всередині феромагнетиків (Вф) у сотні й тисячі разів більша за магнітну індукцію зовнішнього магнітного поля (В0):

Так, кобальт посилює магнітне поле в 175 разів, нікель — у 1120 разів, а трансформаторна сталь (вона на 96-98 % складається із заліза) — у 8000 разів.

Температура Кюрі для деяких феромагнетиків

Речовина (або матеріал)

Температура, °С

Неодимовий магніт NdFeB

Феромагнітні матеріали умовно поділяють на два типи. Матеріали, які після припинення дії зовнішнього магнітного поля залишаються намагніченими довгий час, називають магнітожорсткими феромагнетиками. Їх застосовують для виготовлення постійних магнітів. Феромагнітні матеріали, які легко намагнічуються і швидко розмагнічуються, називають магнітом’якими феромагнетиками. Їх застосовують для виготовлення осердь електромагнітів, двигунів, трансформаторів, тобто пристроїв, які під час роботи постійно перемагнічуються (про будову та принцип дії таких пристроїв ви дізнаєтеся пізніше).

Зверніть увагу! У разі досягнення температури Кюрі (див. таблицю) феромагнітні властивості магнітом’яких і магнітожорстких матеріалів зникають — матеріали стають парамагнетиками.

4. Знайомимося з гіпотезою Ампера

Спостерігаючи дію провідника зі струмом на магнітну стрілку (див. рис. 1.1) і з’ясувавши, що котушки зі струмом поводяться як постійні магніти (див. рис. 1.3), А. Ампер висунув гіпотезу щодо пояснення магнітних властивостей речовин.

Ампер припустив, що всередині речовини існує величезна кількість незгасаючих малих колових струмів і що кожний коловий струм, ніби маленька котушка, є магнітиком. Постійний магніт складається з безлічі таких елементарних магнітиків, орієнтованих у певному напрямку.

Механізм намагнічування речовин Ампер пояснював так. У тілі, яке не є намагніченим, колові струми орієнтовані безладно (рис. 5.7, а). Зовнішнє магнітне поле намагається зорієнтувати ці струми так, щоб напрямок магнітного поля кожного струму збігався з напрямком зовнішнього магнітного поля (рис. 5.7, б). У деяких речовин така орієнтація струмів (намагнічення) залишається й після усунення зовнішнього магнітного поля. Отже, усі магнітні явища Ампер пояснював взаємодією рухомих заряджених частинок.

Рис. 5.7. Механізм намагнічування тіл відповідно до гіпотези Ампера: а — колові струми орієнтовані безладно, тіло не є намагніченим; б — колові струми орієнтовані в певному напрямку, тіло намагнічене

Гіпотеза Ампера стала поштовхом до створення теорії магнетизму. На підставі цієї гіпотези були пояснені відомі властивості феромагнетиків. Проте, спираючись на гіпотезу Ампера, неможливо було пояснити природу діа- та парамагнетизму, а також те, чому тільки невелика кількість речовин має феромагнітні властивості. Сучасна теорія магнетизму ґрунтується на законах квантової механіки і теорії відносності А. Ейнштейна.

Підбиваємо підсумки

Будь-яка речовина, поміщена в магнітне поле, намагнічується, тобто створює власне магнітне поле.

Діамагнетики

Парамагнетики

Феромагнетики

Намагнічуються, створюючи слабке магнітне поле, напрямлене протилежно зовнішньому магнітному полю

Намагнічуються, створюючи слабке магнітне поле, напрямлене в бік зовнішнього магніт

Намагнічуються, створюючи сильне магнітне поле, напрямлене в бік зовнішнього; залишаються намагніченими в разі зникнення зовнішнього магнітного поля

Незначно послаблюють зовнішнє магнітне поле, виштовхуються з нього

Незначно посилюють зовнішнє магнітне поле, втягуються в нього

Посилюють зовнішнє магнітне поле в сотні й тисячі разів, втягуються в нього

Інертні гази, золото, мідь, ртуть, срібло, азот, вода та ін.

Кисень, платина, алюміній, лужні та лужноземельні метали тощо

Залізо, нікель, кобальт, рідкісноземельні речовини (наприклад, неодим), низка сплавів

Контрольні запитання

1. Чому речовина змінює магнітне поле? 2. Наведіть приклади діамагнетиків; парамагнетиків; феромагнетиків. 3. Як напрямлене власне магнітне поле діамагнетика? парамагнетика? феромагнетика? 4. Як у зовнішньому магнітному полі поводиться тіло, виготовлене з діамагнетика? парамагнетика? феромагнетика? 5. Чому феромагнітні матеріали вважають сильномагнітними? 6. Де застосовують магнітом’які матеріали? магнітожорсткі матеріали? 7. Як А. Ампер пояснював намагніченість феромагнетиків?

Вправа № 5

1. Є два види сталі — магнітом’яка та магнітожорстка. Яка сталь є більш придатною для виготовлення постійних магнітів?

2. Які магнітні властивості матиме: а) залізо за 900 °С? б) кобальт за 900 °С?

3. Мідний циліндр підвісили на пружині та помістили в сильне магнітне поле (рис. 1). Як при цьому змінилося видовження пружини?

Рис. 1

4. Чому на постійному магніті можна тримати ланцюжок залізних предметів (рис. 2)?

Рис. 2

5. У посудині під великим тиском міститься суміш газів (азоту і кисню). Запропонуйте спосіб розділення цієї суміші на окремі компоненти.

6. Скориставшись додатковими джерелами інформації, дізнайтеся про магнітну левітацію. Якими є перспективи її застосування?

Експериментальне завдання

Використавши досить сильний магніт, дослідіть його взаємодію з тілами, виготовленими з різних матеріалів (наприклад, з міді, алюмінію, заліза).

Що таке магніт? Види та властивості магнітів.

Ще в давні часи люди виявили унікальні властивості певних каменів – притягування металу. У наш час ми часто стикаємося з предметами, які володіють цими якостями. Що таке магніт? У чому його сила? Про це ми розповімо в цій статті.

Визначення

Що таке магніт? Це матеріал, що має певну ступінь намаганості. Ця здатність виникає завдяки тому, що молекули магніту мають своє поле і рухаються не хаотично, як у багатьох інших речовинах, а строго в двох напрямках. Ця взаємна протилежність має властивості тяжіння і відштовхування металевих предметів. Якщо спробувати з’єднати магніти з однаковими полюсами, то можна відчути відторгнення. Протилежні сторони, в свою чергу, притягнуться один одного. Це пов’язано з тим, в якому напрямку рухаються хвилі магнітних полів. Варто зазначити, що жоден шматок магніту не може бути однополярним. При його розламуванні молекули в кожному шматочку знову утворюють північний і південний полюси.

Види магнітів

Що таке магніти і в чому їх відмінність? Робота багатьох електроприладів, датчиків, домашньої техніки залежить від типу магнітів, які в них присутні. Кожен володіє своїми особливостями. Вони виконують певні функції, залежно від сфери використання. До основних видів належать електромагніти, постійні і тимчасові магніти. Варто розглянути детальніше кожен вид.

Що таке постійний магніт? Це матеріал, здатний тривалий час зберігати намагніченість. Його молекули рухаються в постійному напрямку і утворюють магнітне поле за відсутності електричного струму. Його ще називають природним магнітом.

Прикладом тимчасового магніту є скріпки, кнопки, цвяхи, ніж та інші предмети вжитку, виготовлені з заліза. Їх сила в тому, що вони притягуються до постійного магніту, а при зникненні магнітного поля, втрачають свою властивість.

Полем електромагніту можна керувати за допомогою електричного струму. Як це відбувається? Провід, витками намотаний на залізний сердечник, при подачі і зміні величини струму змінює силу магнітного поля і його полярність.

Типи постійних магнітів

Ферритові магніти є найвідомішими і найактивнішими у побуті. Цей матеріал чорного кольору може використовуватися як кріпаки різних предметів, наприклад, для плакатів, для настінних дощок, що використовуються в офісі або школі. Вони не втрачають своїх властивостей тяжіння при температурі не нижче 250оС.

Альніко – магніт, що складається зі сплаву алюмінію, нікелю і кобальту. Це дало йому таку назву. Дуже стійкий до високих температур і може застосовуватися при 550оС. Матеріал відрізняється легкістю, але повністю втрачає свої властивості, потрапляючи під дію більш сильного магнітного поля. Використовується в основному в науковій галузі.

Самарієві магнітні сплави – це матеріал з високими показниками. Надійність його властивостей дозволяє використовувати матеріал у військових розробках. Він стійкий до агресивного середовища, високої температури, окислення і корозії.

Що таке неодимовий магніт? Це найпопулярніший сплав заліза, бору і неодима. Його ще називають супермагнітом, так як він має потужне магнітне поле з високою коерцитивною силою. Дотримуючись певних умов під час експлуатації, неодимовий магніт здатний зберегти свої властивості протягом 100 років.

Що таке магніт, ми з’ясували. Далі розглянемо застосування найбільш затребуваних і популярних сплавів.

Використання неодимових магнітів

Варто детально розглянути, що таке неодимовий магніт? Це матеріал, який здатний фіксувати споживання води, електрики і газу в лічильниках, та й не тільки. Цей вид магніту відноситься до постійних і рідкоземельних матеріалів. Він стійкий перед силою магнітних полів інших сплавів і не схильний до розмагнічування.

Вироби з неодима використовують у медичних і промислових галузях. Також у побутових умовах їх застосовують для кріплення портьєр, елементів декору, сувенірів. Вони застосовуються в пошукових приладах і в електроніці.

Для продовження терміну служби магніти такого типу покривають цинком або нікелем. У першому випадку напилення більш надійне, оскільки стійко до агресивних засобів і витримує температуру вище 100оС. Сила магніту залежить від його форми, розміру і кількості неодима, що входить до складу сплаву.

Застосування ферритових магнітів

Ферріти вважаються найпопулярнішими магнітами серед постійних видів. Завдяки стронцію, що входить до складу, матеріал не піддається корозії. Так що це – ферритовий магніт? Де він застосовується? Цей сплав досить крихкий. Тому його ще називають керамічним. Застосовується ферритовий магніт в автомобілебудуванні та промисловості. Використовується в різній техніці та електроприборах, а також побутових установках, генераторах, системах акустики. При виробництві автомобілів магніти використовують в системах охолодження, склопідйомниках і вентиляторах.

Призначення ферриту – захистити техніку від зовнішніх перешкод і не допустити псування сигналу, одержуваного по кабелю. Завдяки цій властивості магніти використовують при виробництві навігаторів, моніторів, принтерів та іншого обладнання, де важливо отримати чистий сигнал або зображення.

Магнітотерапія

фізіотерапія магнітом.Що це таке? ЦяНерідко застосовується процедура називається магнітотерапія і проводиться в лікувальних цілях. Дія цього методу полягає в тому, щоб вплинути на організм пацієнта за допомогою магнітних полів, що знаходяться під низькочастотним змінним або постійним струмом. Цей метод лікування допомагає позбутися багатьох захворювань, зняти болі, зміцнити імунну систему, поліпшити кровотік.

Вважається, що хвороби породжуються порушенням магнітного поля людини. Завдяки фізіотерапії організм приходить в норму і загальний стан поліпшується.

З цієї статті ви дізналися, що таке магніт, а також вивчили його властивості і сфери застосування.

§ 13. Чим особливі магніти та навіщо вони потрібні

Тобі знадобляться: 2 магніти однакової форми і тіла для дослідження. Можеш обрати самостійно тіла, які будеш досліджувати на здатність притягуватись до магніту, або скористатись зображеними на колажі.

Крок 1. Поклади на столі досліджувані вироби і вислови припущення, які з них притягуються до магніту, а які — ні. Перевір своє припущення експериментально. Поміркуй, що спільного між тілами, які притягувались до магніту.

Крок 2. Піднеси магніт до купки цвяхів. До яких частин магніту притягуються гвіздки? Перевір, чи притягуються гвіздки до магніту, якщо їх помістити в поліетиленовий пакет або загорнути в аркуш паперу.

Крок 3. Скористайся малюнком 32 і знайди полюси магніту, який використовуєш у дослідженні. Наблизь магніти один до одного так, як показано на малюнку.

Мал. 32. Позначення полюсів магніту: Пн — північний полюс; Пд — південний полюс

Що спостерігаєш, коли магніти наблизити однойменними полюсами? Що відбувається, коли різнойменними? Запиши в зошиті.

Крок 4. Поклади один магніт у контейнер і спробуй дістати його з допомогою другого магніту. Як розташовувались полюси магнітів, коли тобі вдалося дістати магніт з контейнера? Намалюй в зошиті.

Крок 5. Розглянь компас. Візьми магніт у руку і повільно наближай до компасу. Що спостерігаєш?

Результати виконання кроків дослідження фіксуй у зошиті. Зроби висновок про досліджені властивості магнітів.

Відшукай пояснення результатів експерименту у Науковій довідці.

НАУКОВА ДОВІДКА. МАГНІТИ Й МАГНІТНІ ЯВИЩА

Тобі відомо, як тіло починає рухатись, якщо прикласти силу. Наприклад, вдарити ногою по м’ячу чи штовхати візочок. Спричинити рух тіл, навіть не торкаючись до них, можуть магніти. Це тому що навколо магніту існує невидиме магнітне поле, сила якого зумовлює притягування деяких тіл. Притягуються до магніту тіла, які містять залізо або сталь (це сплав заліза з іншими речовинами). Магніти — природні або рукотворні тіла, здатні притягувати залізовмісні тіла. Притягання тіл до магніту дістало назву магнітних явищ.

Кожний магніт має два полюси: північний полюс (Пн) і південний (Пд). Це частини магніту, в яких сила притягання металевих предметів найбільша. Якщо спробувати розділити полюси магніту, то з цього нічого не вийде. Навіть найменший шматочок магніту, відокремлений від будь-якої його частини, завжди матиме два полюси. У дослідженні тобі вдалося переконатися, що:

  • 1) найдужче тіла притягуються до полюсів магніту,
  • 2) магніти притягуються різнойменними полюсами й відштовхуються однойменними.

Залізо та деякі інші метали й вироби з них із наближенням до магніту теж починають виявляти магнітні властивості. Переконайся в цьому, виконавши дослід, зображений на малюнку 33. На початку дослідження проведи сталевою скріпкою по магніту 8-10 разів в одному напрямку. Так ти намагнітиш скріпку. Коли вона притягнеться до магніту, приєднуй до неї інші, щоб утворився ланцюжок зі скріпок. Скільки скріпок утримує твій магніт? Порівняй з кількістю скріпок в ланцюжках, створених твоїми однокласниками й однокласницями.

Мал. 33. Взаємодія магніту і стальних скріпок

Повтори дослід, не намагнічуючи першої скріпки. Чи утворюється «гірлянда», якщо приєднаною скріпкою торкнутись інших скріпок?

Завдання 1. Склади два запитання про властивості магнітів і постав їх однокласникам/однокласницям.

Крім виготовлених людиною, існують природні магніти. Наприклад, руда магнітний залізняк (мал. 34, 1) відхиляє магнітну стрілку, іноді притягує залізовмісні вироби. Запаси цієї руди в Україні є в Запорізькій та Дніпропетровській областях.

Наша планета Земля має властивості магніту завдяки високому вмісту заліза в ядрі. Уяви, що через центр Зелі проходить гігантський магнітний стержень. Один його кінець — це північний магнітний полюс, а протилежний — південний магнітний полюс. Вони не співпадають з географічними полюсами Землі (мал. 34, 2).

Мал. 34. Природні магніти: 1 — магнітний залізняк; 2 — планета Земля

Вчені з’ясували, що деякі тварини мають клітини, які відіграють роль компаса. Наприклад, завдяки здатності сприймати магнітне поле Землі, бджоли орієнтуються в просторі, а перелітні птахи повертаються на свої місця гніздування, долаючи тисячі кілометрів.

Властивості магнітів використано в компасі. Це простий і зручний прилад для орієнтування під час подорожей морем і суходолом (мал. 35). Магнітний компас працює без джерел живлення (наприклад, батарейок) і дає змогу визначати сторони горизонту за будь-якої погоди. Тому цей прилад беруть із собою мандрівники, туристи, грибники, мореплавці, геологи. Компас має магнітну стрілку і шкалу, на якій нанесено поділки та основні сторони світу. Стрілка вільно обертається під впливом магнітної дії Землі. Коли стрілка зупиняється, один її кінець вказує на північ, а інший — на південь.

У багатьох смартфонах є додаток «Компас», який допоможе зорієнтуватися на місцевості.

Мал. 35. Компаси: 1 — різновиди компасів; 2 — цифровий компас у смартфоні

Завдання 2. Як і чому змінилась кількість географічних відкриттів з винаходом компасу?

Завдання 3. Чи можна на Місяці орієнтуватися по компасу? Поясни свою відповідь.

Магніти використовують у виробництві іграшок, прикрас і металошукачів, для кріплення карт і таблиць. Магнітні матеріали необхідні для виготовлення різних цифрових носіїв інформації. Магніти використовують для пошуку і підйому залізних чи сталевих виробів з важкодоступних місць (печер, колодязів, водойм). Без потужних електромагнітів не обійтися, якщо потрібно підняти й перенести металобрухт та інші великі вантажі (мал. 36).

Мал. 36. Приклади використання магнітів

Завдання 4. Доповни інформацію про застосування магнітів власними прикладами.

Під час війни українські науковці винайшли набір магнітних інструментів, що відшукують і виймають осколки з поранених людей.

ТЕХНОТЕКА

Власноруч виготовлений компас може мати різний вигляд, наприклад як на малюнку.

Замість корку можна скористатись будь-яким плавучим матеріалом (пінопластом і навіть клаптиком паперу). Голку для саморобного магніту потрібно намагнітити. Для цього потерти гострий кінець голки вздовж одного полюсу магніту приблизно 30 разів. Рухи повинні бути в одному напрямку й швидкі, як під час запалювання сірника.

У саморобних магнітах вістря голки завжди вказує на північ. Зроби магніт і перевір його в дії.

Як виготовити компас-дороговказ, підкаже відео за посиланням

https://cutt.ly/R36Txci

ПАРАД ПОРАД

Не залишай магніт поблизу годинників, носіїв інформації (наприклад, флешок, компакт-дисків) та інших виробів, які містять залізо. Адже магніт може пошкодити їх або повністю зіпсувати.

Один із простих способів визначити, який полюс північний, а який південний, це встановити магніт біля компаса. Стрілка компаса, яка зазвичай вказує на північний полюс Землі, рухатиметься до південного полюса магніту. Це тому що стрілка в компасі насправді є магнітом! Отже, північний полюс стрілочного магніту компаса притягується до південного полюса твого магніту.

ТОБІ ДО СНАГИ

1. Назви один штучний магніт, два природних магніти, три приклади застосування магнітів.

2. У чому полягає вибіркова дія магніту? Наведи приклади.

3. Як взаємодіють полюси магніту?

4. Коли орієнтуєшся по компасу, необхідно стежити, щоб поблизу не було тіл, що містять залізо. Чому це важливо?

5. Прочитай міркування дітей. Як перевірити, хто з них міркує правильно?

6. Запропонуй, як можна використати магніти для розв’язування якоїсь проблеми, наприклад для прибирання кімнати.