Магниты и электромагниты - Магнитные явления

Физический словарик

Дроссель (от нем. dross el - катушка, клапан) - катушка индуктивности, которую включают в электрическую цепь для устранения (подавления) переменной составляющей тока в цепи.

Магнит - «магнитный камень, железняк, руда, со свойством притягивать железо и, обращаясь на перевесе, указывать на север и на юг, а также передавать это свойство железу» (В. Даль.).

Соленоид (от греч. solen - трубка и eidos - вид) - проволочная спираль, по которой пропускают электрический ток для создания магнитного поля.

Историческая справка

Андре Мари Ампер, проводя опыты с катушкой (он назвал ее соленоидом), показал эквивалентность его магнитного поля полю постоянного магнита. Исследования магнитного поля кругового тока привели Ампера к мысли, что постоянный магнетизм объясняется существованием элементарных круговых токов, обтекающих частицы, из которых состоят магниты. В итоге он отказался от господствовавшей ранее идеи о магнитных жидкостях и сделал вывод, что магнетизм - одно из проявлений электричества.

Компас появился в Европе не раньше XII в., и мореплаватели ориентировались в море главным образом по Солнцу и звездам. В полном смысле слова путеводной была Полярная звезда, всегда показывающая направление на север. Помогали и местные признаки: течения, преобладающие ветры, цвет воды.

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.

Интересный факт

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.

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 ее, геофизики обнаружили, что магнитные полюсы Земли много раз менялись местами! Скажем, за последний миллион лет это случалось 7 раз.

Электромагниты в технике

В 1934 г. немецкий инженер Кемпер создал магнитную подвеску. Работа подвески Кемпера основана на том, что одноименные полюса магнитов отталкиваются.

Самый простой вариант - выложить как путь, так и днище поезда постоянными магнитами с соответствующей ориентацией полюсов; тягу будет создавать линейный электродвигатель. Такой двигатель имеет ротор и статор, растянутые в полосы. Обмотки статора включаются поочередно, создавая бегущее магнитное поле. Статор, укрепленный на локомотиве, втягивается в это поле и движет весь состав.

Однако магистраль с постоянными магнитами - дорогое удовольствие, да и подъемная сила их невелика. Другой вариант - использовать на составе и на рельсах электромагниты.

Работы по созданию магнитопланов ведутся уже не одно десятилетие в Германии, США, Японии, России.

Задачи на перевод единиц измерения в СИ

200 мА = 0,2 А

340 мкА = 0,00034 А

45 кКл = 45 000 Кл

200 кН = 200 000 Н

350 МДж = 350 000 000 Дж

35 мин = 2 100 с

3 ч = 10800 с

245 кВт = 245 000 Вт

54 км/ч = 15 м/с

Качественные задачи и вопросы

1. Можно ли сделать магнит, у которого был бы только северный полюс? А только южный полюс? (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 из этих элементов)

4. Какие вещества обладают магнитными свойствами? (Все вещества обладают магнитными свойствами, так как во всех веществах имеются атомы, состоящие из ядер, вокруг которых движутся электроны. А раз электроны движутся, значит, они уже обладают магнитными свойствами.)

5. Можно ли намагнитить железный гвоздь, стальную отвертку, алюминиевую проволоку, медную катушку, стальной болт? (Железный гвоздь, стальной болт и отвертку из стали можно намагнитить, а вот алюминиевую проволоку и медную катушку намагнитить нельзя, но если по ним пустить электрический ток, то они будут создавать магнитное поле.)

6. Можно ли намотанную на гвоздь проволоку назвать электромагнитом? (Да.)

7. От чего зависят магнитные свойства электромагнита? (От силы тока, от количества витков, от магнитных свойств сердечника, от формы и размеров катушки.)

8. По электромагниту пустили ток, а затем уменьшили его в два раза. Как изменились магнитные свойства электромагнита? (Уменьшились в 2 раза)

Задачи для любителей литературы

1. «...Так вот: я думаю поймать подводную лодку Таямы, как игрушечную рыбку, при помощи магнита. Но так как «рыбка» велика, то и магнит должен быть особенный. Я опояшу металлическим кольцом наш подводный дом и при помощи тока большой мощности превращу это кольцо в электромагнит гигантской силы...» (А. Р. Беляев. Подводные земледельцы).

А как можно увеличить силу действия этого магнита? (Увеличить силу тока в кольце.)

По загадкам

2. Когда с тобою этот друг,

Ты можешь без дорог

Шагать на север и на юг,

На запад и восток. (Компас.)

А будет ли компас действовать на Венере? (Нет, так как у Венеры нет магнитного поля.)

3. И в тайге, и в океане

Он отыщет путь любой.

Умещается в кармане

И ведет нас за собой. (Компас.)

А в каких точках на Земле компас бесполезен? (На Южном и Северном магнитных полюсах.)

Задачи для любителей истории

1. Много веков назад это было. В поисках овцы пастух зашел в незнакомые места, в горы. Кругом лежали черные камни. Он с изумлением заметил, что его палку с железным наконечником камни притягивают к себе, словно ее хватает и держит какая-то невидимая рука. Пораженный чудесной силой камней пастух принес 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, принесенного с гор, в них перетекала какая-то сила, разумеется, таинственная.

О каком камне идет речь в предании? (О магните.) Объясните описанное явление.

2. В XIX в. прославился иллюзионист Антон Гамулецкий. В 1827 г. он создал «храм очарований, или механический, физический и оптический кабинет», в котором демонстрировались разные трюки. Гамулецкий был талантливым конструктором автоматов. Посетители с восторгом и изумлением наблюдали петуха, который «совсем как живой» хлопал крыльями и кричал кукареку, механическую лающую собаку, голову человека, говорящую на нескольких языках. Но самым удивительным созданием была фигура ангела, который парил в воздухе на верхней площадке лестницы при входе в «храм». Хозяин предлагал каждому посетителю убедиться в отсутствии обмана. Ангел действительно висел между полом и потолком без всякой видимой поддержки.

Дайте краткое объяснение трюка. (Магнитное взаимодействие. Конструктор этого устройства в нескольких словах рассказал о секрете трюка: «Десять лет я трудился, чтобы найти точку и вес магнита и железа, дабы удержать ангела в воздухе».)

3. По необозримым просторам пустыни идет караван. В желтой мгле утонул горизонт. Кругом, куда ни глянь, - безжизненные пески. Путь каравана далек и труден. Но люди уверенно продвигаются к своей цели. Их ведет небольшая полоска намагниченного железа, плавающая на пробке в воде, в глиняном сосуде, который надежно 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 черный.

Как называется этот прибор? (Компас.)

4. Когда лава остывает, то соединения железа приобретают свойство намагничиваться, и тогда магнитное поле Земли накладывает на изверженные породы свою четкую печать: намагниченные частицы вещества располагаются уже не хаотично, а вдоль силовых линий поля. Определяя направление намагниченности у образцов, взятых на месте древнего извержения, нетрудно вычислить, где находились тогда магнитные полюсы Земли и, одновременно, когда произошло извержение.

Расскажите о строении магнитов. Объясните свойства магнитов: наличие полюсов, намагничивание и размагничивание. Почему любой обломок магнита имеет два полюса? (Магниты состоят из доменов - элементарных магнитов, которые имеют свойства магнита.)

5. Даже небольшой обломок древней амфоры, найденный при раскопках, может рассказать многое. При этом, однако, нужно знать, в каком положении по отношению к сторонам света находилась амфора при обжиге. Вот, например, какая удача ожидала палеомагнитологов на развалинах древнего Карфагена. Римские легионы завоевали и разрушили этот город в 146 г. до н. э. При раскопках ученые обнаружили гончарные мастерские, а в печах - еще не вынутые глиняные горшки, они обжигались в тот самый день, который стал для Карфагена последним.

Объясните, как археологи определили дату разрушения Карфагена по магнитным свойствам амфор? (Магнитное поле Земли с течением времени изменяется, а амфоры сохраняют магнитное поле. По его расположению и определяют возраст амфор.)

Физический эксперимент

Сборка и испытание электромагнита.

Приборы и материалы: источник тока, соединительные провода, катушка и сердечники к ней (железный, никелевый, феррит), компас, металлические опилки или мелкие гвозди.

Задание: исследуйте, на каком расстоянии электромагнит с разными сердечниками и без них влияет на компас и притягивает металлические опилки или мелкие гвозди. Свои наблюдения зафиксируйте в таблице.

Сердечник	Расстояние, м
	влияние на компас	притяжение опилок
1. Без сердечника	0,4	0,01
2. Железный	1	0,1
3. Никелевый	1,2	0,14

Домашний эксперимент

Изучение свойств постоянных магнитов.

Приборы и материалы: магнит; компас; разные тела (резина, проволока, гвозди, деревянные брусочки и т. д.).

Задание: исследуйте свойства магнита и ответьте на вопросы:

1) Какие тела притягивает магнит, а какие нет?

2) Какие места магнита сильнее притягивают гвоздики?

3) Как располагается магнитная стрелка компаса, если его помещать в разные места вблизи магнита?