Причину, почему тела имеют магнитные свойства, впервые установил французский ученый Андре Мари Ампер. Под впечатлением от наблюдения за магнитной стрелкой, которая поворачивается вблизи проводника с током в опытах Эрстеда, он предположил, что магнетизм Земли вызывают токи, протекающие внутри земного шара. Следовательно, магнитные свойства тела можно объяснить токами, циркулирующими внутри данного тела. Далее Ампер делает обобщение: магнитные свойства любого тела определяются замкнутыми электрическими токами внутри него. Свидетельством научной смелости Ампера считается его шаг от возможности объяснения магнитных свойств тел токами к категорическому утверждению, что магнитные взаимодействия — это взаимодействия токов.
Согласно гипотезе Ампера, внутри молекул и атомов циркулируют элементарные электрические токи, которые образуются вследствие движения электронов в атомах, каждый атом обладает магнитными свойствами. Если атомы внутри тела ориентированы хаотически вследствие теплового движения, то действия внутриатомных токов взаимно компенсируются, и магнитных свойств тело не проявляет (рис. 25, а). В намагниченном состоянии элементарные токи в теле ориентированы так, что их действия суммируются (рис. 25, б).
Гипотеза Ампера объясняет, почему магнитная стрелка и рамка с током в магнитном поле ведут себя одинаково. Стрелку (постоянный магнит) можно рассматривать как большую сложную совокупность небольших рамок с током, ориентированных одинаково.
В ферромагнетиках (веществах, в состав которых входят Fe, Со, Ni и др.) элементарные магнитики-атомы образуют участки спонтанной (произвольной) намагниченности (с линейными размерами 0,001—0,01 мм), которые называют доменами. В доменах размещается множество одинаково ориентированных атомов, поэтому намагниченность домена максимальна. В ненамагниченном ферромагнетике соседние домены расположены таким образом, что их намагниченности взаимно компенсируются (рис. 26, а). Если образец такого ферромагнетика поместить в магнитное поле постоянного магнита или внутри катушки с током, то под влиянием внешнего магнитного поля атомы в разных доменах преимущественно начинают ориентироваться так, что направление их магнитного поля совмещается с направлением внешнего (рис. 26, б). При этом магнитное поле внутри образца может увеличиться тысячекратно (рис. 26, в). Говорят, что образец стал магнитом.
Если постоянный магнит нагревать, то при определенной температуре (для железа 769 °С) домены разрушаются и его намагниченность утрачивается.
Температуру, при которой ферромагнетик теряет намагниченность, называют температурой, или точкой, Кюри в честь выдающегося французского физика Фредерика Жолио-Кюри, открывшего и исследовавшего это явление.
Магнитные свойства веществ широко применяются. Одним из интересных примеров использования действия магнитного поля на вещество является «омагничивание» воды. Такая вода не создает накипи в паровых котлах, что позволяет использовать ее без дополнительной химической обработки. Бетон, замешанный на такой воде, крепче. Явление усиления магнитного поля магнитными веществами (ферромагнетиками) применяется в различных электротехнических устройствах: электромагнитных кранах, реле, электродвигателях, трансформаторах. Для этого используют специальные сорта электротехнической стали.
Трудно представить себе современную электронику без элементов, изготовленных из искусственных ферромагнетиков — ферритов. Из них изготавливают антенны, сердечники колебательных контуров и трансформаторов. Распространены ферритовые постоянные магниты.
Без магнитных материалов трудно представить методы записи информации. Типичным примером устройства для записи на магнитную пленку был магнитофон. В нем использовали специальную пленку, покрытую тонким шаром ферромагнитного материала. Переменный электрический ток от усилителя подходил к записывающей головке - катушке с ферромагнитным сердечником, в котором была узкая щель. При прохождении переменного тока по катушке в щели головки возникало переменное магнитное поле, магнитная индукция которого также менялась. Сегодня информация в компьютере сохраняется на жестких магнитных дисках. Это металлические диски, с нанесенным слоем вещества, имеющего магнитные свойства.
Магнитные лекарственные препараты содержат магнитный наполнитель. Создание таких препаратов является новым перспективным научным направлением развития современной фармакологии. Среди них можна выделить жидкости, микрокапсулы, пластыри, мази.
Существует несколько направлений использования магнитных жидкостей в медицине и фармакологии: магнитоуправляемые ренгенокон-трастные композиции; искусственные тромбы и магнитные жидкости для закрытия внешних свищей полых органов; магнитоуправляемое
транспортирование лекарственных веществ; магнитные жидкости для изготовления искусственных органов; определение скорости кровообращения и микроциркуляции; магнитогидродинамическая сепарация форменных элементов крови, нормальных и злокачественных клеток и др. Магнитные микрокапсулы - это микроконтейнеры, в которые одновременно с лекарственным веществом вводят частицы магнитных материалов. Используются магнитные микроконтейнеры, куда вместе с лекарственными веществами вводят частицы магнетита, для доставки лекарственных веществ в эритроциты. Магнитные пластыри получают путем ввода магнитного наполнителя в пластырную массу, содержащую дополнительные и лекарственные вещества противовоспалительного и болеутоляющего действия. Использование магнитных пластырей эффективно при лечении различных заболеваний. Лечебные магнитные мази используют для лечения в гастроэнтерологии и офтальмохирургии.
ВОПРОСЫ К ИЗУЧЕННОМУ
1. Каково, по вашему мнению, значение гипотезы Ампера для науки?
2. Какие свойства имеют магнитные вещества?
3. Назовите основные отрасли, где используют магнитные вещества.
ЗАДАЧИ И УПРАЖНЕНИЯ
Решаем вместе
1. Можно ли изготовить магнит с одним полюсом?
Ответ: нет, поскольку магнит может иметь только четное число полюсов (2, 4, 6 и т. д.).
2. Вспомните, как взаимодействуют магниты, и объясните, где расположены магнитные Северный и Южный полюса Земли.
Ответ: в Северном полушарии все магнитные силовые линии Земли сходятся в точке, расположенной на 70°50' северной широты и 96° западной долготы. Эта точка и является Южным магнитным полюсом Земли. Северный магнитный полюс расположен в Южном полушарии. Его координаты: 70°10' южной широты и 150°45' восточной долготы.
3. Как с помощью магнитной стрелки определить, намагничена ли стальная спица?
Ответ: необходимо поднести конец спицы к середине стрелки. Если стрелка притягивается, то спица намагничена.
Уровень А
1. Назовите и проверьте на опытах, какие из перечисленных веществ или предметов притягиваются магнитом: а) древесина (карандаш); б) бумага; в) железо (гвоздь, скрепка, винт); г) стекло; д) алюминиевый и медный провода; е)стальной циркуль.
2. К магниту, подвешенному на нити (рис. 27), приближают второй магнит. Как они будут взаимодействовать?
3. Объясните результаты опытов, изображенных на рисунках 28-29.
4. Рассмотрите рисунок 30. С какой целью использовали магнит?
5. Почему к магниту притягиваются ненамагниченные железные гвозди?
6. Будут ли правильными показания компаса внутри автобуса?
7. Почему железнодорожные рельсы, долго пролежавшие на складе, намагничиваются?
Уровень Б
8. Почему при нагревании магнит теряет магнитные свойства?
9. Две иголки подвесили на нити. Когда к ним приблизили магнит, они начали отталкиваться друг от друга (рис. 31). Почему?
10. Железные опилки притянулись к полюсу магнита. Почему из них на полюсе образуются «кисточки», в которых отдельные опилки отталкиваются друг от друга?
11. Нарисуйте, как хранить два полосных магнита в коробочке. Проставьте полюса.
12. Почему для лучшей сохранности подковообразный магнит замыкают железной пластинкой (якорем)?
13. Почему на поверхности намагниченной детали, покрытой мыльной водой с железным порошком, в тех местах, где извне или внутри появляются трещины, концентрируется железный порошок?
14. Почему корпус компаса изготавливают из меди, алюминия, пластмассы, а не из железа?
15. Рассмотрите компас. Изучите его устройство. Положите компас на стол или подставку горизонтально (стрелка должна свободно перемещаться). Отодвиньте от него магнитные вещества (предметы). Поворачивая компас (в горизонтальном положении), определите северную (N), южную (S), западную (ТУ) и восточную (Е) стороны света. В какой стороне света относительно вас расположен ваш дом, главная улица села или города, соседнее село или город?
ЭТО ИНТЕРЕСНО ЗНАТЬ
В североамериканских прериях растет небольшое растение - сильфиум, которое называют «живым магнитом». Его широкие листья размещены в одной плоскости, словно их только что вынули из-под пресса, и всегда ориентированы ребрами на север-юг, широкой стороной - на запад-восток. Для путешественников сильфиум служит надежным компасом. В полдень листья растения развернуты ребром к солнцу. Эта необычная особенность защищает растение от знойных солнечных лучей и избыточного испарения влаги.
В Украине самое распространенное «компасное» растение - латук дикий, или латук компасный.
Магнитное поле Земли является ориентиром для улиток. Если на пути моллюска положить магнит, действие которого сильнее воздействия магнитного поля Земли, то, поворачивая магнит в ту или иную сторону, можно изменять направление движения улитки. Известно, что даже мухи в определенной степени ощущают магнитное поле Земли. Немецкий ученый Э. Гюнтер заметил, что в 90 случаях из ста они садятся на горизонтальную поверхность точно в направлении север-юг или восток-запад. Такую же особенность он обнаружил у майских жуков и термитов.
Это материал учебника Физика 9 класс Сиротюк