Изучение действия магнитной силы в магнитных взаимодействиях

Муниципальное общеобразовательное бюджетное учреждение

Средняя общеобразовательная школа № 13 г. Сочи

Изучение действия магнитной силы в магнитных взаимодействиях

Автор:

ученица 9Б класса МОБУ СОШ № 13 г. Сочи

Руководитель:

учитель физики МОБУ СОШ № 13 г. Сочи

г. Сочи, 2012

Содержание

Введение	с. 3
Глава 1. Теоретические основы магнетизма	с. 5
1.1 История открытия магнетизма	с. 5
1.2 Понятие магнита	с. 7
1.3 Применение магнитов	с. 9
Глава 2. Экспериментальное изучение действия магнитной силы в магнитных взаимодействиях	с. 13
2.1 Методика проведения исследования	с. 13
2.2 Результаты исследования	с. 19
Заключение	с. 21
Литература	с. 23

Введение

«О сколько нам открытий чудных

Готовят просвещенья дух,

И опыт, сын ошибок трудных,

И гений, парадоксов друг,

И случай, бог изобретатель».

В повседневной жизни мы часто сталкиваемся с магнитными явлениями, например, когда пользуемся компасом, собираем магнитный конструктор, играем в шахматы или шашки на магнитной доске с помощью магнитных фигур или прикрепляем магнит к холодильнику.

Поэтому возникает проблема, какими бывают магниты и как проявляют своё действие?

Недостаточность знаний по этому вопросу и желание понять механизм магнитного взаимодействия обусловили выбор темы исследования «Изучение действия магнитной силы в магнитных взаимодействиях».

Объектом исследования являются постоянные магниты.

В качестве предмета исследования выступает магнитная сила.

Целью исследования является определение величины и направления магнитной силы в магнитных взаимодействиях.

Для достижения этой цели решались следующие задачи:

·  подбор литературы по проблеме;

·  изучение, анализ, обобщение литературы по проблеме;

·  определение величины и направления магнитной силы в магнитных взаимодействиях;

·  анализ полученных результатов.

Гипотеза исследования: сила магнитных взаимодействий зависит от вещества, из которого сделаны предметы и величины магнита.

В ходе работы использовались следующие методы исследования:

·  Теоретические (изучение, анализ, обобщение литературы).

·  Эмпирические (наблюдения, беседы, измерения).

·  Интерпретационные (количественная и качественная обработка результатов).

Новизной работы является постановка простейших опытов, позволяющих изучить действие магнитной силы в магнитных взаимодействиях.

Практическая значимость работы состоит в том, что использование поставленных опытов, позволяет рассмотреть вопрос о силе магнитного взаимодействия более наглядно.

Структура работы: работа состоит из введения, двух глав, заключения, списка литературы и содержит 1 таблицу, 13 рисунков.

Глава 1. Теоретические основы магнетизма

1.1 История открытия магнетизма

Слово «магнит» происходит от греческих слов «камень из Магнесии» - название региона Магнисия и древнего города Магнесия в Малой Азии, где в древности были открыты залежи магнетита [6]. Теперь Магнесия – это турецкий город Маниса. Его население - 160 тысяч жителей. Маниса расположена между горой Сипилой и рекой Гедиз, в 45 км от Измира. В городе сохранились значительные памятники сельджукской и османской архитектуры (рис. 1).

Виды Манисы

Рис. 1

С магнитом издавна связано немало легенд. Фалес Милетский наделял его душой. Платон сравнивал его с поэтом, Орфей находил его подобным жениху. В эпоху Возрождения его считали отображением неба и приписывали ему способность искривлять пространство. Японцы считали, что магнит - это сила, которая поможет повернуть к себе фортуну. В Англии он применялся в толченом виде как слабительное. А Галилей думал, что Земля вертится оттого, что похожа на магнит [2].

За много веков до нашей эры было известно, что некоторые каменные породы обладают свойством притягивать куски железа. Об этом упоминал в 6 веке до нашей эры греческий физик и философ Фалес.

Первое научное изучение свойств магнита было предпринято в 13 веке ученым Петром Перегрином. В 1269 году вышло его сочинение «Книга о магните», где он писал о многих фактах магнетизма: у магнита есть два полюса, которые ученый назвал северным и южным; невозможно отделить полюса друг от друга размалыванием. Перегрин писал и о двух видах взаимодействия полюсов - притяжении и отталкивании [1].

В 1600 году вышло сочинение английского врача Вильяма Гильберта «О магните». К известным фактам Гильберт прибавил важные наблюдения: усиление действия магнитных полюсов железной арматурой и потерю магнетизма при нагревании.

В 1820 году датский физик доказал, что проводник с током и магнитная стрелка взаимодействуют друг с другом, то есть существование связи между электричеством и магнетизмом. Открытие взаимодействия между электрическим током и магнитом имело огромное значение и стало началом новой эпохи в учении об электричестве и магнетизме [4].

Французский физик Андре Ампер в 1820 году создал первую теорию, которая выражала связь электрических и магнитных явлений, а также объяснил природу магнетизма. Он считал, что магнит состоит из молекул, в которых имеются круговые токи. Каждая молекула представляет собой маленький магнитик. Располагаясь одноименными полюсами в одну и ту же сторону, эти маленькие магнитики и образуют магнит. Если провести магнитом вдоль стальной пластинки несколько раз в одну и ту же сторону, то молекулы с круговыми токами ориентируются в пространстве одинаково и стальная пластинка превратится в магнит.

В 1825 году английский инженер Вильям Стерджен изготовил первый электромагнит, представляющий собой согнутый стержень из мягкого железа с обмоткой из толстой медной проволоки. Для изолирования от обмотки стержень был покрыт лаком. При пропускании тока железный стержень приобретал свойства сильного магнита, но при прерывании тока он мгновенно их терял. Именно эта особенность электромагнитов позволила широко применять их в технике [3].

1.2 Понятие магнита

Магнит — тело, обладающее собственным магнитным полем. Простейшим и самым маленьким магнитом является электрон.

Постоянный магнит — изделие, длительное время, сохраняющее намагниченность.

Постоянные магниты бывают естественными и искусственными.

Естественные магниты – магниты, созданные природой, например, железная руда (магнетит). Магнетит является слабым магнитом (рис. 2).

Внешний вид магнетитов

Рис. 2

Уже на расстоянии 1 м стрелка компаса перестает замечать его существование. Природные магниты, не везде назывались магнитами в разных странах их называли по-разному: китайцы называли его чу-ши; греки - адамас и каламита, геркулесов камень; французы - айман; индусы - тхумбака; египтяне - кость Ора, испанцы - пьедрамант; немцы - магнесс и зигельштейн; англичане - лоудстоун. Половина этих названий переводится как любящий, любовник. Так поэтическим языком древних описано свойство магнетита притягивать, «любить» железо [6]. Богатые залежи магнитного железняка имеются на Урале, в Украине, в Карелии, Курской области [5]. Естественные магниты, выточенные из кусков магнитного железняка, иногда достигали больших размеров. В настоящее время в Тартусском университете находится самый крупный известный естественный магнит. Его масса 13 кг, а подъемная сила 40 кг [6]. Нейтронные звезды являются самыми сильными магнитами во Вселенной. Их магнитное поле во много миллиардов раз больше, чем магнитное поле Земли [2].

Искусственные магниты – магниты, созданные человеком, путём намагничивания железа или стали в магнитном поле. Искусственные магниты начали изготавливать в Англии в 18 веке [6]. Их получают путём размещения куска стали вблизи магнита, прикосновения его к магниту или натирания стальной полоски магнитом в одном направлении (рис.3).

Виды искусственных магнитов

 

Рис. 3

Обычно искусственным магнитам придают вид полосы – прямой или дугообразной (рис. 4) и используют в качестве источников постоянного магнитного поля. Самый большой в мире искусственный постоянный магнит весит 2 т и применяется в оборудовании ядерного реактора Чикагского университета [4].

Внешний вид полосового и дугообразного магнитов

Рис. 4

Все вещества, помещенные в магнитное поле, намагничиваются по-разному. Например, диамагнетики (золото, серебро, медь) и парамагнетики (алюминий, магний, марганец) относятся к слабомагнитным веществам. Ферромагнетики (железо, кобальт, никель) относятся к сильномагнитным веществам и усиливают внутри себя магнитное поле в тысячи раз [5]. Ферромагнетики делятся на магнитомягкие и магнитожёсткие. Магнитомягкие вещества, например, чистое железо, легко намагничиваются, но и быстро размагничиваются. Магнитожёсткие вещества, например, сталь, медленно намагничиваются и также медленно размагничиватся.

В конце прошлого века заметили, что добавка к железу вольфрама и кобальта улучшает свойства искусственных магнитов. Хорошим магнитным сплавом является сплав альнико на основе алюминия, никеля и кобальта. С помощью магнитов из альнико можно поднимать железные предметы в 500 раз превышающей массу самого магнита. Еще более сильные магниты изготовляют из сплава магнико, в состав которого входят железо, кобальт, никель и некоторые другие добавки. Еще более сильными являются оксидно-бариевые магниты. В Японии создали магнит, один квадратный сантиметр которого притягивает 900 кг груза. Изобретение представляет собой цилиндр высотой 2 и диаметром 1,5 см. В уникальный сплав магнита входят такие металлы, как неодим и европий [6].

1.3 Применение магнитов

Магниты широко применяются в промышленности, технике (рис. 5) и быту (рис.6).

Промышленное и техническое использование магнитов

1) в лабораторных 2) в электродвигателях 3) в бесколлекторных 4) в станках

опытах двигателях

 

5) в компасах 6) в магнитных 7) в медицине 8) для записи

сепараторах данных на

для металлов жёстких дисках

 

9) в магнитозащищённых 10) в приборных панелях 11) для захвата железа и

счётчиках учёта воды автомобилей стали

Рис. 5

Например, в промышленности и технике магниты нашли следующее применение:

- банковские карты и карты автоматической телефонной связи имеют магнитную полосу на одной стороне, которая кодирует информацию, необходимую для соединения с банком или абонентом;

- видеокассеты и аудиокассеты содержат катушки из магнитной ленты, и звуковая информация кодируется на магнитном покрытии этой ленты;

- в компьютерных дискетах и жёстких дисках компьютеров запись данных происходит на тонком магнитном покрытии;

- телевизоры и компьютерные мониторы, содержащие электронно-лучевую трубку, используют электромагнит для управления пучком электронов и формирования изображения на экране;

- большинство громкоговорителей используют постоянный магнит и токовую катушку для преобразования электрической энергии (сигнала) в механическую энергию (движение, которое создает звук);

- электромагниты применяют в магнитном сепараторе для зерна, в телеграфном и телефонном аппаратах;

- некоторые электрические двигатели основываются на комбинации электромагнита и постоянного магнита. Они преобразовывают электрическую энергию в механическую энергию;

- генератор, наоборот, преобразует механическую энергию в электрическую энергию путем перемещения проводника через магнитное поле.

- магнитная стрелка, свободно вращающаяся и ориентирующаяся на направление магнитного поля Земли, является незаменимой частью компаса;

- магниты используются для производства ювелирных изделий. Некоторые ожерелья и браслеты имеют магнитную застежку или изготовлены полностью из серии связанных магнитов и чёрных бусин;

- магниты помогают поднимать магнитные предметы (железные гвозди, скобы, кнопки, скрепки), которые либо являются слишком мелкими, либо их трудно достать или они слишком тонкие, чтобы держать их пальцами;

- магниты используются при обработке металлолома для отделения магнитных металлов (железа, стали и никеля) от немагнитных (алюминия, цветных сплавов).

- магнит используется в поезде на магнитном подвесе, движимый и управляемый магнитными силами. Такой состав, в отличие от традиционных поездов, в процессе движения не касается поверхности рельса. Так как между поездом и поверхностью движения существует зазор, трение исключается, и единственной тормозящей силой является сила аэродинамического сопротивления;

- магниты используются в фиксаторах мебельных дверей;

- магниты используются для отклонения пучков радиоактивных и ионизирующих излучений, например при наблюдении в камере Вильсона;

- постоянные магниты применяются в качестве источников магнитного поля, например, в показывающих приборах с отклоняющейся стрелкой, например, в амперметре и вольтметре.

В быту постоянные магниты применяются в магнитных игрушках, например, магнитном конструкторе, магнитной доске для рисования, магнитных букв и цифр, магнитных шашках и шахматах, в качестве магнита на холодильник.

Бытовое использование магнитов

 

1) для сувениров 2) в наборах 3) в канцелярских 4) для штор и тюля

для творчества принадлежностях

5) для поиска 6) в магнитных 7) в магнитных 8) в рекламе

предметов досках буквах

9) в магнитных 10) в магнитных 11) в конструкторах 12) в игрушках

шахматах держателях

13) в магнитных 14) в застёжках сумочек 15) в стельках для обуви

шашках обуви

Рис. 6

Нами проведено экспериментальное изучение действия магнитной силы в магнитных взаимодействиях. Методика и результаты исследования представлены в главе 2.

Глава 2. Экспериментальное изучение действия магнитной силы в магнитных взаимодействиях

2.1 Методика проведения исследования

Работа по изучению свойств постоянных магнитов состояла из трёх этапов:

1 Этап. Подготовительный. Сентябрь 2011 г.

Подбор и изучение литературы по проблеме.

2 Этап. Практический. Октябрь 2011 г.

Изучение свойств постоянных магнитов.

3 Этап. Обобщающий. Ноябрь 2011 г.

Обобщение полученных результатов.

При проведении эксперимента нами использовалось оборудование, указанное в таблице 1.

Таблица 1

Оборудование, используемое в ходе исследования

№ п/п	Название приборов и материалов	Количество
Деревянный брусок	1
Пластмассовая тележка	1
Бумажный кораблик	1
Стеклянный стакан маленький	1
Резиновый мяч	1
Железный гвоздь	1
Стальная скрепка	1
Стальная игла	1
Золотое кольцо	1
Алюминиевая ложка	1
Медный провод	1
Дугообразный магнит большой	1
Дугообразный магнит маленький	1
Полосовой магнит большой	1
Полосовой магнит маленький	1
Деревянная поверхность большая	1
Стеклянная поверхность большая	1
Железная поверхность школьной доски	1
Картонная поверхность	2
Монетка из магнитного материала	3
Линейка длиной 40 см	1
Стакан с водой	1
Лист бумаги размером 10см х 15 см	10
Хлопчатобумажная ткань размером 10см х 15 см	10
Поролоновая губка размером 10см х 15 см	3
Коробка с металлической стружкой	1
Коробка с канцелярскими скрепками	1
Подвижная пластмассовая тележка	1
Фотоаппарат цифровой	1

В ходе исследования использовался такой метод как лабораторный эксперимент. Лабораторные исследования проводились на базе МОБУ СОШ №13 г. Сочи.

Использовалась следующая методика проведения эксперимента:

1. Изучение действия магнита на предметы, изготовленные из разных веществ.

1. Предметы разной формы, массы и объёма, сделанные из разных материалов были разделены на две группы: металлические и неметаллические.

Изучение действия магнита на предметы, изготовленные из разных веществ

Рис. 7

2. Сначала дугообразный магнит подносился по очереди к лёгким и тяжёлым неметаллическим предметам.

3. Затем дугообразный магнит подносился к лёгким и тяжёлым металлическим предметам (рис. 7).

2. Сравнение сил разных магнитов.

1. На столе располагались в ряд 3 магнита разных размеров на расстоянии 10 см друг от друга.

2. На столе располагалась линейка длиной 40 см и вплотную к ней раскладывались 3 одинаковые монетки на достаточном расстоянии от магнитов.

3. Линейка с монетками приближалась в сторону магнитов (рис.8).

Сравнение сил разных магнитов

Рис. 8

3. Изучение действия магнитной силы сквозь разные вещества.

1. На дно стакана с водой помещалась стальная скрепка (рис.9).

2. Магнит прислонялся к стакану на уровне скрепки для приближения скрепки к стенке стакана, и двигался вверх по стакану.

Изучение действия магнитной силы сквозь разные вещества

Рис. 9

4. Изучение зависимости величины магнитной силы от толщины ненамагничивающегося материала, укрывающего магнит.

1. Дугообразный магнит оборачивался сначала в бумагу, затем в хлопчатобумажную ткань и поролоновую губку каждый раз подносился к стальной ложке.

2. Слои различных материалов, укрывающие магнит делались толще, и опыт повторялся снова (рис.10).

Изучение зависимости величины магнитной силы от толщины ненамагничивающегося материала, укрывающего магнит

Рис. 10

5. Изучение магнитных свойств полосового и дугообразного магнитов в разных точках их поверхности.

1. На стол насыпались стальные канцелярские скрепки.

2. Полосовой и дугообразный магниты по очереди приближались к скрепкам сначала концами, затем серединой (рис.11).

Изучение магнитных свойств полосового и дугообразного магнитов в разных точках их поверхности

Рис. 11

6. Получение картины линий магнитных полей полосового и дугообразного магнитов.

1. На одном листе картона располагался полосовой магнит, на другом листе картона располагался дугообразный магнит.

2. На каждый картонный лист тонким слоем насыпалась металлическая стружка, и производилось осторожное постукивание карандашом по каждому листу (рис. 12).

Получение картины линий магнитных полей полосового и дугообразного магнита

Рис. 12

7. Изучение взаимодействия магнитов.

1. Один полосовой магнит располагался внутри подвижной пластмассовой тележки.

2. Другой полосовой магнит перемещался вперёд или назад относительно тележки (рис. 13).

Изучение взаимодействия магнитов

Рис. 13

3. Полученные результаты подвергались анализу.

2.2 Результаты исследования

В ходе эксперимента были получены следующие результаты:

1. Неметаллические предметы: деревянный брусок, пластмассовая тележка, бумажный кораблик, стеклянный стакан, резиновый мяч не притягиваются к магниту. Некоторые металлические предметы, такие, как железный гвоздь, стальная скрепка, стальная игла притягиваются к магниту, в то время, как другие: золотое кольцо, алюминиевая ложка, медный провод не испытывают его притяжения. К железной поверхности школьной доски магнит притягивается сам, к поверхности оконного стекла и деревянной поверхности шкафа притяжения магнита не наблюдается. Таким образом, можно сделать вывод о том, что магнитными металлами являются железо и сталь. Когда магнит больше по размеру магнитного предмета, то этот предмет притягивается к магниту. Если железная или стальная поверхность больше и тяжелее магнита, то магнит сам притягивается к ней.

2. Одни монетки притягиваются к магниту сразу же, другие – только тогда, когда приблизятся к магнитам на близкое расстояние. Поэтому можно сделать вывод о том, что магниты притягивают даже на определённом расстоянии. В зависимости от размера магнита его действие проявляется на разных расстояниях. Чем больше магнит, тем больше сила притяжения и тем больше расстояние, на котором магнит оказывает своё действие. Чем меньше магнит, тем сила притяжения меньше и меньше расстояние, на котором магнит оказывает своё действие.

3. Скрепку можно достать, не замочив рук. Она следует за движением магнита и поднимается вверх до тех пор, пока не приблизится к поверхности воды. Это свидетельствует о том, что магнитная сила действует и сквозь стекло, и сквозь воду.

4. Магнит притягивает стальную ложку через тонкий слой материала, но перестаёт притягивать, когда слой материала достигает определённой толщины. Таким образом, магнитная сила может быть нейтрализована, если магнит будет изолирован плотным слоем ненамагничивающегося материала.

5. Стальные скрепки в большом количестве притягиваются к концам каждого магнита и не притягиваются к их серединам. Поэтому, можно сделать вывод о том, что магнит имеет активную и нейтральную зоны. Активная зона магнита расположена по концам магнита на магнитных полюсах, в ней притяжение стальных скрепок проявляется заметнее. Нейтральная зона магнита расположена ближе к его середине, в ней силы притяжения не обнаруживаются.

6. Металлические опилки располагаются вокруг полосового и дугообразного магнитов по замкнутым линиям, показывающим зону активности магнита. Большая часть опилок собирается по концам обоих магнитов на магнитных полюсах; меньшая часть опилок рассредоточивается вдоль всего магнита. Густота магнитных линий характеризует величину магнитной силы: при приближении к магнитным полюсам магнитная сила увеличивается, при удалении от магнитных полюсов магнитная сила уменьшается. Поэтому стальные скрепки сильнее притягиваются к концам магнита, чем к его середине.

7. При сближении одноимённых полюсов магнитов тележка едет вперёд, при сближении разноимённых полюсов магнитов тележка едет назад. Поэтому можно сделать вывод о том, что разноимённые полюсы магнитов притягиваются, одноимённые полюсы магнитов отталкиваются. Взаимодействие магнитов происходит через магнитное поле.

Таким образом, выдвинутая нами гипотеза исследования, состоящая в том, что сила магнитных взаимодействий зависит от вещества, из которого сделаны предметы и величины магнита, справедлива.

Заключение

Анализ полученных литературных и экспериментальных данных позволяет заключить, что:

1. Магнит - тело, обладающее собственным магнитным полем.

2. Постоянный магнит - изделие, длительное время, сохраняющее намагниченность.

Постоянные магниты бывают естественными и искусственными.

3. Естественные магниты являются слабыми магнитами.

4. В промышленности, технике и быту широкое применение получили более мощные искусственные магниты. Они используются в качестве источников постоянного магнитного поля.

5. Не все предметы притягиваются к магниту. Магнитными металлами являются железо и сталь. Когда магнит больше по размеру магнитного предмета, то этот предмет притягивается к магниту. Если магнитная поверхность больше и тяжелее магнита, то магнит сам притягивается к ней.

6. Чем больше магнит, тем больше сила притяжения и тем больше расстояние, на котором магнит оказывает своё действие. Чем меньше магнит, тем сила притяжения меньше и меньше расстояние, на котором магнит оказывает своё действие.

7. Магнитная сила действует сквозь стекло и воду.

8. Магнитная сила может быть нейтрализована, если магнит будет изолирован плотным слоем ненамагничивающегося материала.

9. Магнит имеет активную и нейтральную зоны. Активная зона магнита расположена по концам магнита на магнитных полюсах, в ней притяжение стальных скрепок проявляется заметнее. Нейтральная зона магнита расположена ближе к его середине, в ней силы притяжения не обнаруживаются.

10. Магнитное поле можно сделать видимым с помощью железных опилок. Они намагничиваются в магнитном поле и образуют замкнутые магнитные линии вокруг магнита. Густота магнитных линий характеризует величину магнитной силы: при приближении к магнитным полюсам магнитная сила увеличивается, при удалении от магнитных полюсов магнитная сила уменьшается.

11. Разноимённые полюсы магнитов притягиваются, одноимённые полюсы магнитов отталкиваются. Взаимодействие магнитов происходит через магнитное поле.

Работа в выбранном направлении может быть продолжена изучением свойств магнитного поля, создаваемого проводником с током.

При выполнении работы нам оказывалась следующая поддержка научным руководителем :

- помощь в подборе литературы;

- помощь в структурировании материала;

- помощь в предоставлении оборудования для проведения эксперимента.

Литература

1. , Бочкарев на земле и в космосе. - М.: Наука, 19с.

2. Вонсовский . - М.: Наука, 19с.

3. , Цукерник магнетизма. - М.: Наука, 19с.

4. Карцев за три тысячелетия. - М.: Энергоатомиздат, 1988. – 220 с.

5. Киренский . - М.: Наука, 1967. – 154 с.

6. Энциклопедия Википедия. Магнит. http://ru. wikipedia. org/wiki/%CC%E0%E3%ED%E8%F2