§ 69. Магніти. Магнітна взаємодія

Видатний фізик Альберт Ейнштейн згадував магніт, як одну з перших своїх іграшок. «Поведінка» магнітної стрілки на компасі справила на нього незабутнє відчуття, що збереглося на все життя: за видимими речами може бути приховане щось іще — невидиме й невідоме.

Найчастіше ми стикаємося зі штабовими або дугоподібними магнітами (мал. 69.1).

Мал. 69.1. Штабовий та дугоподібний магніти

Але магніт може мати будь-яку форму, зокрема форму кулі. Цікаво, що ми з вами живемо на величезному кулеподібному магніті — планеті Земля.

Полюси магніту

Частини магніту, де найбільше виявляється магнітна дія, називають полюсами магніту. Розрізняють північний і південний полюси.

Північний полюс магніту зафарбовують зазвичай синім і позначають літерою N (від від англ. North — північ), а південний зафарбовують червоним і позначають літерою S (від від англ. South — південь).

У будь-якого магніту має бути щонайменше два різнойменні полюси, але кількість полюсів може бути більшою.

Спроби роз’єднати полюси магніту, щоб отримати окремо північний і південний полюси (на кшталт позитивного й негативного електричних зарядів) були марними. Виявилося, що розрізаний штабовий магніт перетворюється на два коротших штабових магніти з меншою магнітною силою.

Магнітна взаємодія

Магнітна сила належить до безконтактних, адже ми бачимо, що магніти взаємодіють між собою або із залізними тілами на відстані.

Взаємодія полюсів магнітів подібна до взаємодії електричних зарядів: однойменні полюси магнітів відштовхуються, а різнойменні — притягуються (мал. 69.2).

Мал. 69.2. Відштовхування та притягання магнітів

За допомогою магніту дослідіть металеві предмети у вашому класі або вдома. Розподіліть їх на дві групи: містять залізо та не містять заліза.

Магнітне поле

Ви знаєте, що взаємодія електричних зарядів здійснюється через електричне поле. Магнітна взаємодія також здійснюється через поле, але магнітне: будь-який магніт створює навколо себе магнітне поле, яке діє на інші магніти або на залізні речі.

Магнітне поле, як і електричне, невидиме. Але його можна «побачити» за допомогою залізних ошурок.

Людина не відчуває безпосередньо дію магнітного поля. Однак його широко використовують у медицині для діагностики та лікування.

Насипемо на аркуш паперу рівномірно тонкий шар залізних ошурок і покладемо зверху штабовий або дугоподібний магніти. Частина ошурок притягнеться до полюсів магнітів, а частина вишукується вздовж якихось ліній. Так залізні ошурки зробили магнітне поле видимим.

Дізнайтеся більше

За допомогою магнітного поля проводять MPT-дослідження внутрішніх органів людини. МРТ розшифровується як магнітно-резонансна томографія. Вона ґрунтується на тому, що в сильному магнітному полі атоми Гідрогену, що є в усіх молекулах органічних речовин, дають «відлуння» на радіохвилі, якими опромінюють людину. Радіохвилі й магнітне поле безпечні для організму, тому MPT-дослідження набули широкого використання.

Ключова ідея

Магніти притягують залізні речі й мають два полюси — північний (N) та південний (S). Однойменні полюси магнітів відштовхуються, а різнойменні — притягуються.

Магніти можуть бути будь-якої форми. Магнітів лише з одним полюсом не існує, магніт може мати два і більше різнойменних полюсів.

Магнітні взаємодії здійснюються через магнітне поле: навколо будь-якого магніту є магнітне поле, що діє на інші магніти або залізні тіла.

Запитання для повторення й засвоєння

• 1. Звідки походить назва магніт? Що ми називаємо природними магнітами?
• 2. Які полюси має магніт?
• 3. Чи можна отримати магніт з одним полюсом? Скільки полюсів може бути в магніту?
• 4. Як взаємодіють полюси двох різних магнітів?
• 5. Завдяки чому на відстані здійснюється магнітна взаємодію?
• 6. Як можна «побачити» магнітне поле?
• 7*. Два залізні стрижні однакові на вигляд. Один із них намагнічений, інший — ні. Запропонуйте, як відрізнити намагнічений стрижень, якщо ніяких допоміжних засобів немає.

Магніт

Магніт, -ту, м. Магнить. Магніт має у собі силу притягувати тільки залізо. Дещо, 20.

Зміст

Сучасні словники

Магніт (або Магнет) — тіло, що має власне магнітне поле, магнітний диполь. Можливо, слово походить від дав.-гр. Μαγνῆτις λίθος (Magnētis líthos), «камінь з Магнесії» — від назви регіону Магнісія та давнього міста Магнесія в Малій Азії, де в давнину були відкриті поклади магнетиту. Найпростішим та найменшим магнітом можна вважати електрон. Магнітні властивості всіх інших магнітів зумовлені магнітними моментами електронів усередині них[1]. З погляду квантової теорії поля електромагнітна взаємодія переноситься безмасовим бозоном — фотоном (часткою, яку можна представити як квантове збудження електромагнітного поля). Постійний магніт — виріб, виготовлений з феромагнетика, здатного зберігати залишкову намагніченість після вимкнення зовнішнього магнітного поля. Як матеріали для постійних магнітів зазвичай використовують залізо, нікель, кобальт, деякі сплави рідкоземельних металів, а також деякі природні мінерали, такі як магнетити. Постійні магніти застосовуються в якості автономних (не споживають енергії) джерел магнітного поля. Властивості магніту визначаються характеристиками розмагнічуючої ділянки петлі магнітного гістерезису матеріалу магніту: що вище залишкова індукція Br і коерцитивна сила Hc, то вища намагніченість та стабільність магніту. Характерні поля постійних магнітів — до 1 Тл (10 кг · с). Електромагніт — пристрій, магнітне поле якого створюється лише при протіканні електричного струму. Як правило, це котушка-соленоїд, зі вставленим усередину феромагнітним (зазвичай залізним) сердечником з великою магнітною проникністю \mu \simeq 10000. Характерні поля електромагнітів 1,5 — 2 Тл визначаються так званим насиченням заліза, тобто різким спадом диференціальної магнітної проникності при великих значеннях магнітного поля.

МАГНІТ – Академічний тлумачний словник української мови

МАГНІТ, у, чол., фіз. Тіло, що має властивість притягати до себе або відштовхувати від себе деякі інші тіла. Деякі залізні руди мають властивість притягати до себе залізо. Таку руду назвали магнітним каменем, або магнітом (Фізика, II, 1957, 130); Низьке чоло його збігається глибокими зморшками. темні зіниці тремтять, мов стривожена магнітом стрілка компаса (Петро Колесник, Терен. 1959, 273); * У порівняннях. Його тягло туди [на вільні степи], мануло, неначе магнітом притягувало (Панас Мирний, IV, 1955, 207);

Історія відкриття

За багато століть до нашої ери було відомо, що деякі кам’яні породи мають властивість притягувати шматки заліза. Про це згадував у 6 столітті до нашої ери грецький фізик та філософ Фалес. Перше наукове вивчення властивостей магніту було зроблено в 13 столітті вченим Петром Перегріном. 1269 року з’явився його твір «Книга про магніт», де він писав про численні факти явища магнетизму: у магніта є два полюси, які вчений назвав північним та південним; неможливо відокремити полюси один від одного розламуванням. Перегрін згадав і про два види взаємодії полюсів — притягання та відштовхування. До 12 — 13 століття магнітні компаси вже використовувалися в навігації в Європі, у Китаї та інших країнах світу[2]. 1600 року був опублікований твір англійського лікаря Вільяма Гільберта «Про магніт». До вже відомих фактів Гільберт додав важливі спостереження: посилення дії магнітних полюсів за допомогою залізної арматури, втрата магнетизму при нагріванні тощо. 1820 року даньський фізик Ганс Християн Ерстед на лекції спробував продемонструвати своїм студентам відсутність зв’язку між електрикою та магнетизмом, увімкнувши електричний струм поблизу магнітної стрілки. За словами одного з його слухачів, він був буквально «ошелешений», коли побачив, що магнітна стрілка після включення струму почала здійснювати коливання. Великою заслугою Ерстеда є те, що він оцінив значення свого спостереження та повторив дослід. Поєднавши довгим дротом полюси гальванічного елемента, Ерстед простягнув дріт горизонтально та паралельно щодо вільно підвішеної магнітної стрілки. Коли було ввімкнено струм, стрілка відразу відхилилася, прагнучи стати перпендикулярно до напрямку дроту. При зміні напрямку струму стрілка відхилилася в інший бік. Незабаром Ерстед довів, що магніт діє з певною силою на дріт, по якому йде струм. Відкриття взаємодії між електричним струмом та магнітом мало величезне значення. Воно стало початком нової епохи у вченні про електрику та магнетизм та зіграло важливу роль у розвитку техніки фізичного експерименту. Дізнавшись про відкриття Ерстеда, французький фізик Домінік Франсуа Араго почав свою серію дослідів. Він обмотав мідним дротом скляну трубку, в яку вставив залізний стрижень. Коли було замкнено електричне коло, стрижень сильно намагнітився і до його кінця міцно прилипли залізні ключі; коли було вимкнено струм, ключі відпали. Араго розглядав провідник, по якому йде струм, як магніт. Правильне пояснення цього явища було дано після дослідження французького фізика Андре Ампера, який встановив внутрішній зв’язок між електрикою та магнетизмом. У вересні 1820 року він повідомив Французької Академії наук про отримані ним результати. Потім у своєму «верстаті» Ампер замінив раму на вільно підвішений спіральний провідник. Цей дріт при пропущенні по ньому струму набував властивістей магніту. Ампер назвав його соленоїдом. Виходячи з магнітних властивостей соленоїда, Ампер запропонував розглядати магнетизм як явище, що спричинене круговими струмами. Він вважав, що магніт складається з молекул, у яких присутні кругові струми. Кожна молекула являє собою маленький магнітик, розташовуючись однойменними полюсами в одну і ту ж сторону, ці маленькі магнітики й утворюють магніт. Проводячи уздовж сталевої смуги магнітом (кілька разів на одну і ту ж сторону), ми змушуємо молекули з круговими струмами однаково орієнтуватися в просторі. Таким чином, сталева пластинка перетвориться на магніт. Тепер став зрозумілим і досвід Араго зі скляною трубкою, обмотаною мідним дротом. Вставлоений у неї залізний стрижень став магнітом тому, що навколо нього йшов струм. Це був електромагніт. 1825 року англійський інженер Вільям Стерджен виготовив перший електромагніт у вигляді зігнутого стрижня з м’якого заліза з обмоткою з товстого мідного дроту. Для ізолювання від обмотки стрижень був покритий лаком. При пропущенні струму залізний стрижень набував властивостей сильного магніту, але при перериванні струму він миттєво їх втрачав. Саме ця особливість електромагнітів дозволила широко застосовувати їх у техніці.

Застосування

Застосовують магніти в електротехніці, радіотехніці, техніці зв’язку, радіолокації, пристроях автоматичного керування, у магнітній сепарації тощо. Історично одним із перших застосувань магніту були магнітні компаси, стрілки яких указували напрямок до магнітних полюсів Землі. Магніти можуть використовуватися для виробництва ювелірних виробів. Намиста та браслети можуть мати магнітну застібку, або можуть бути виготовлені повністю з серії пов’язаних магнітів та чорних намистин. Магніти можуть піднімати магнітні предмети (залізні цвяхи, скоби, кнопки, скріпки), які або є занадто дрібними, або їх важко дістати або вони занадто тонкі щоб тримати їх пальцями. Деякі викрутки спеціально намагнічуються для цієї мети. Магніти можуть використовуватися при обробці металобрухту для відділення магнітних металів (заліза, сталі та нікелю) від немагнітних (алюмінію, кольорових сплавів, тощо.). Та сама ідея може бути використана в рамках так званого «Магнітного випробування», в якій кузов автомобіля обстежується з магнітом для виявлення областей, відремонтованих з використанням скловолокна або пластикової шпаклівки. Маглев: потяг на магнітному підвісі, рухомий та керований магнітними силами. Такий склад, на відміну від традиційних потягів, у процесі руху не торкається поверхні рейки. Оскільки між поїздом та поверхнею руху існує зазор, тертя виключається, і єдиною гальмівною силою є лише сила аеродинамічного опору. Магніти використовуються у фіксаторах меблевих дверей. Якщо магніти помістити в губки, то ці губки можна використовувати для миття тонких листових немагнітних матеріалів одразу з обох сторін, причому один бік може бути важкодоступним. Це можуть бути, наприклад, скла акваріума або шибки заскленого балкона. Магніти використовуються для передачі обертального моменту «крізь» стінку, якою може бути, наприклад, герметичний контейнер електродвигуна. Так була влаштована іграшка НДР «Підводний човен». Таким самим чином в побутових лічильниках витрати води передаються через обертання від лопаток датчика на рахунковий вузол. Магніти спільно з герконом застосовуються в спеціальних датчиках положення. Наприклад, в датчиках дверей холодильників та охоронних сигналізацій. Магніти спільно з датчиком Холла використовують для визначення кутового положення або кутової швидкості вала. Магніти використовуються в іскрових розрядниках для прискорення гасіння дуги. Магніти використовуються при неруйнівному контролі магнітопорошковим методом (МПК) Магніти використовуються для відхилення пучків радіоактивних та іонізуючих випромінювань, наприклад при спостереженні в камерах. Магніти використовуються в приладах, показники на яких визначаються стрілкою, наприклад, амперметр. Такі прилади дуже чутливі та лінійні. Магніти застосовуються в НВЧ вентилях та циркуляторах. Магніти застосовуються у складі відхиляючої системи електронно-променевих трубок для підстроювання траєкторії електронного пучка. До відкриття закону збереження енергії, було багато спроб використовувати магніти для побудови «вічного двигуна». Людей приваблювала, позірно невичерпна енергія магнітного поля постійних магнітів, які були відомі дуже давно. Але робочий макет так і не було побудовано. Магніти застосовуються в конструкціях безконтактних гальм, що складаються з двох пластин, одна — магніт, а інша з алюмінію. Одна з них жорстко закріплена на рамі, інша обертається з валом. Гальмування регулюється зазором між ними.

Ілюстрації

Див. також

Джерела

І.М. Кучерук, І.Т. Горбачук, П.П. Луцик (2006). Загальний курс фізики: Навчальний посібник у 3-х т. Т.2. Електрика і магнетизм. Київ: Техніка. С.Е. Фріш і А.В. Тіморєва (1953). Курс загальної фізики. Том II. Електричні і електромагнітні явища. Київ: Радянська школа. Сивухин Д.В. (1977). Общий курс физики. т III. Электричество. Москва: Наука. Мала гірнича енциклопедія. В 3-х т. / За ред. В. С. Білецького. — Донецьк: Донбас, 2004. — ISBN 966-7804-14-3. Тябликов С. В. Методы квантовой теории магнетизма. 2-е изд. — М., 1975.