В 8-м классе вы изучали явления, связанные с взаимодействием электрических зарядов с электрическим полем. Электрическое взаимодействие является составляющей более широкого класса электромагнитных взаимодействий, к которому относится также магнитное взаимодействие. С магнитным действием электрического тока вы ознакомились, когда изучали материал § 25 (8-й класс).
Люди издавна знали, что некоторые руды притягивают к себе железные предметы. Это явление назвали магнетизмом, а куски магнитных руд -природными магнитами. Природным магнитом является железная руда (магнитный железняк). Именно благодаря ему люди впервые ознакомились с магнитными свойствами тел. Значительные залежи магнитного железняка в Украине есть в Днепропетровской и Запорожской областях.
Магнит (с греч. дословно камень из Магнессии; по названию города, близ которого впервые были найдены залежи магнитного железняка) -это тело, обладающее магнитными свойствами. Со временем научились изготавливать искусственные постоянные магниты разнообразной формы и размеров в зависимости от их назначения. Постоянными их называют потому, что они неограниченно долго сохраняют свои магнитные свойства в отличие от электромагнитов (их будем изучать позднее), которые можно включать и выключать.
В технике и в лабораторной практике часто используют полосовые (прямые) и подковообразные магниты (рис. 1).
Опыт 1. Положим на стол предметы, изготовленные из разных веществ. Приблизим к ним магнит. Циркуль, гвозди, иглы, стальная пластинка притягиваются к магниту (рис. 2), а резинка, спички, алюминиевая фольга, пластиковые колпачки от ручек останутся лежать на столе.
Предметы, содержащие в себе железо, сталь, никель, чугун или их сплавы, притягиваются магнитом. Эти вещества относят к классу ферромагнетиков (лат. ferrum — «железо»). Бумага, стекло, пластмасса, медь магнитом не притягиваются.
Магниты могут притягивать предметы через лист картона или стекло (рис. 3).
Опыт 2. На столе лежат гвозди и скрепки. Поднесем к ним магниты. Как видим, больше всего гвозди и скрепки притягиваются к концам магнитов (рис. 4).
Места магнита, где магнитное действие оказывается сильнее, называют полюсами магнита.
Чем дальше от полюсов расположен участок магнита, тем слабее его магнитное действие, тем меньше гвоздей и скрепок к нему притягивается, а в средней части их совсем нет.
Участок магнита, где не проявляется его магнитное действие, называют средней линией магнита.
Опыт 3. Подвесим на нити магнит так, чтобы он был в горизонтальном положении и мог свободно вращаться. Если рядом нет предметов, изготовленных из ферромагнетиков, сильно взаимодействующих с магнитами, то магнит будет всегда занимать одно и то же положение в направлении север-юг (рис. 5). Это связано с тем, что Земля имеет два магнитных полюса. На этом основано действие компаса.
Полюс магнита, направленный на север, называют северным (N, от англ. North), направленный на юг, - южным (S, от англ. South).
Чаще всего демонстрационные и лабораторные магниты, а также магнитные стрелки окрашивают в два цвета: направленный в сторону северного полюса (N) - синий, в сторону южного (S) - красный. Граница окрашивания совпадает со средней линией. Может ли магнит иметь один полюс?
Опыт 4. Разрежем магнит на две части, разделяя южный полюс и северный. В результате получили два магнита, опять с двумя полюсами (рис. 6). Это объясняется тем, что каждый магнит состоит из большого количества маленьких магнитов, всегда имеющих два полюса (рис. 7).
Любой магнит обязательно имеет два полюса: северный и южный.
В технике используют сложные магниты, имеющие четное число чередующихся полюсов (N—S—N—S). Например, магнит велосипедного генератора имеет 8 полюсов (4 северных и 4 южных, рис. 8).
Ориентирование кусков природных магнитов и постоянных искусственных магнитов в направлении с севера на юг свидетельствует о том, что Земля обладает магнитными свойствами. Об этом узнали из данных, собранных в течение многих веков, на протяжении которых мореплаватели и путешественники изучали магнитные свойства Земли в разных географических пунктах. Путешествуя, люди постепенно собрали обширные сведения о направлении стрелки компаса в разных местах земной суши и Мирового океана.
Опыт 5. Поднесем к полюсам магнита магнитную стрелку. Северный полюс стрелки отталкивается от северного полюса магнита и притягивается к южному. Южный полюс стрелки отталкивается от южного полюса и притягивается к северному (рис. 9).
Опыт 6. Поднесем магниты друг к другу северными, а потом южными полюсами. Магниты взаимодействуют между собой, при этом их разноименные полюса притягиваются, а одноименные — отталкиваются.
Положим на карандаши магнит (рис. 10). К магниту приблизим южный (северный) полюс второго магнита. Мы видим, что и теперь магниты взаимодействуют между собой - притягиваются или отталкиваются.
Разноименные магнитные полюса двух магнитов притягиваются, а одноименные — отталкиваются.
Магниты взаимодействуют между собой потому, что вокруг любого магнита существует магнитное поле. С одной стороны, магнитное поле одного магнита действует на второй магнит; с другой — магнитное поле второго магнита действует на первый.
Существование магнитного поля вокруг магнита можно обнаружить разными способами. Один из них заключается в использовании мелких железных опилок (метод спектров).
Опыт 7. Подковообразный магнит накроем куском стекла или картона. На стекло насыпем тонкий слой железных опилок и легонько постучим по стеклу. Под действием магнитного поля магнита железные опилки размещаются рядом с магнитом не беспорядочно, а в виде замкнутых линий, которые называют линиями магнитного поля, или магнитными линиями (рис. 11, а).
Линии магнитного поля — это воображаемые замкнутые линии, которые выходят из северного полюса магнита и входят в южный, замыкаясь внутри магнита (рис. 11, б).
Направление, показывающее северный полюс магнитной стрелки в каждой точке поля, принято за направление магнитной линии в этой точке, магнитная стрелка имеет единственное определенное направление - магнитные линии не пересекаются. Рисунок 12 дает представление о магнитном поле разных магнитов. На рисунке 12, а изображено распределение железных опилок в магнитном поле двух магнитов, направленных друг к другу одноименными полюсами, а на рисунке 12, б - двух магнитов, направленных друг к другу разноименными полюсами.
Еще в 1269 г. француз Пьер Перегрин написал трактат «Послание о магните». В нем были описаны почти все известные на то время свойства
магнитов. Ученый установил, что если стальную спицу потереть природным магнитом, то она станет магнитом, или, как говорят, намагнитится. Такие тела также называют магнитами.
Каждый из вас может сделать магнит у себя дома. Для этого необходимо магнитом провести несколько раз вдоль железного стержня (рис. 13, а). Стержень окажется намагниченным. Так же можно намагнитить отвертку, положив ее на полосовой магнит (рис. 13, б). Она намагнитится и будет притягивать железные предметы (рис. 13, в).
Железные или стальные тела также становятся магнитами, если их поместить в катушку изолированного провода, по которому проходит электрический ток. Что при этом происходит, рассмотрим позднее.
В 1595 г. английский физик Уильям Гильберт изготовил из природного магнита (магнетита, рис. 14) шар и пришел к выводу, что у него есть два полюса, а магнитная стрелка вблизи шара устанавливается в направлении с севера на юг. Тогда ученый предположил, что Земля является большим магнитом (рис. 15). Последующие исследования подтвердили это предположение.
Вокруг Земли существует магнитное поле, которое условно изображают магнитными линиями. В каждой точке однородного магнитного поля магнитные стрелки устанавливаются вдоль магнитных линий, а в неоднородном — по касательным к ним.
На этом явлении основано использование компаса. Каждый компас состоит из магнитной стрелки, свободно вращающейся на оси (рис. 16), и шкалы с нанесенными делениями и сторонами света. Стрелка компаса окрашена в сине-красный цвет или на ней может быть нанесена метка (синий конец и метка указывают северное направление).
Пользоваться компасом первыми начали китайцы более 4 тыс. лет тому назад. На рисунке 17 вы видите такое устройство, а на рисунке 18 — современный компас, его используют моряки на кораблях.
На рисунке 15 схематически изображены магнитные линии поля Земли. Как видно из рисунка, возле Северного географического полюса размещается Южный магнитный полюс, в котором линии сходятся, а возле Южного географического полюса — Северный магнитный полюс, из которого линии расходятся. Согласно исследованиям намагниченности горных пород магнитные полюса, как и магнитное поле Земли, с течением времени перемещаются, причем это перемещение очень сложное.
Магнитные полюса 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.
Когда активность Солнца повышается, то с его поверхности в космос выбрасываются потоки заряженных частиц. Магнитное поле, образующее эти подвижные частицы, меняет магнитное поле Земли и вызывает магнитную бурю. Как следствие нарушается радиосвязь, у людей может ухудшаться самочувствие, на севере наблюдаются полярные сияния и т. п.
Земной магнетизм еще полностью не изучен, поэтому исследованию магнитного поля Земли уделяется большое внимание во время полетов искусственных спутников и космических кораблей. Установлено, что земное магнитное поле надежно защищает поверхность Земли от космического излучения, действие которого на живые организмы часто является разрушительным.
ВОПРОСЫ К ИЗУЧЕННОМУ
1. Какие тела называют постоянными магнитами?
2. Что такое магнитные полюса магнита?
3. Назовите известные вам вещества, которые притягиваются магнитом.
4. Как взаимодействуют между собой полюса магнита?
5. Что существует вокруг магнитов? В чем это проявляется?
6. Объясните, что такое магнитные линии постоянного магнита.
7. Расскажите, как можно изготовить магнит.
8. Возьмите магнит, у которого неизвестно, где северный и южный полюса. Как определить эти полюса, если у вас есть магнит с известными полюсами?
9. По вашему мнению, притягиваются ли железные предметы к середине магнита?
10. Чем объяснить, что магнитная стрелка устанавливается в данном месте Земли в определенном направлении?
11. Где размещены магнитные полюса Земли?
12. Как проверить, что Южный магнитный полюс Земли находится на севере, а Северный магнитный полюс - на юге?
13. Объясните, почему на Луне невозможно ориентироваться с помощью компаса.
14. Чем объяснить появление магнитных бурь в атмосфере Земли?
15. Для чего предназначен компас?
Это материал учебника Физика 9 класс Сиротюк