Как взаимодействуют полюса магнитов со стальным предметом
Обновлено: 16.05.2024
Магнитное поле – это поле, которое можно определить как пространство вокруг магнита, в котором действуют магнитные силы.
Как известно, электрический ток может оказывать различные действия, например, тепловые, химические и магнитные. Магнитное действие проявляется, например, в том, что между проводниками с электрическим током возникают силы взаимодействия, которые называются магнитными силами.
Магнитное взаимодействие
Еще в древности было замечено, что одни тела притягивают другие тела. Янтарь следует натирать, чтобы он притягивал к себе волосы или обрывки ткани, но магниты всегда притягивают, но только железные предметы. Древние люди также обнаружили, что магнит может заставить другое тело, сделанное из железа, приобрести магнитные свойства, если держать его достаточно близко к магниту. Они также заметили, что две стороны магнита имеют разные свойства – обращенные друг к другу магниты могут притягивать или отталкивать друг друга.
Уже в настоящее время мы знаем, что магнитное поле возникает между полюсами магнитного материала. Полюса бывают северными и южными. Вы, наверное, сами сталкивались с тем, что когда вы сводите два магнита вместе, они либо притягиваются, либо отталкиваются друг от друга. Это происходит потому, что магнитные полюса с разными названиями (север-юг) притягиваются, а полюса с одинаковыми названиями (север-север, юг-юг) отталкиваются.
Магнитное поле тела часто представляют в виде диаграммы линий поля. Если внести ферромагнитное тело в магнитное поле, оно выровняется вдоль линий поля. Ферромагниты – самые известные магниты, создающие постоянное магнитное поле.
Если мы поднесем некоторое количество железных скрепок к магниту, то заметим, что большинство скрепок скопятся на концах магнита (называемых полюсами), потому что магнитная сила там наибольшая. Однако в середине магнита она имеет наименьшее значение. Магнитные силы действуют в пространстве вокруг магнита и создают то самое магнитное поле.
Магнитное поле невидимо, но, используя железные опилки, вы можете наблюдать его эффекты (см. рисунок 1).
Рис. 1. Железные опилки расположены характерным образом – они образуют линии вокруг магнита.
Эти линии показывают форму магнитного поля, которое возникло вокруг стержневого магнита.
Большая часть железных опилок скапливается возле полюсов, а остальные располагаются вдоль линий поля. Они представляют собой линии магнитного поля, которые окружают магнит. Железные опилки намагничиваются, т.е. приобретают магнитные свойства и становятся маленькими магнитами, которые притягивают друг друга.
Изображение линий магнитного поля для некоторых видов магнитов
Начнем с изображения силовых линий магнитного поля. Они используются для визуализации магнитного поля. Вне магнита линии поля всегда идут от северного полюса к южному. Поскольку магнитное поле является замкнутым полем, они должны двигаться с юга на север внутри магнита. Плотность линий поля дает информацию о силе магнитного поля; чем плотнее линии поля, тем больше напряженность магнитного поля.
Магнитное поле стержневого магнита
На рисунке 2 ниже показано магнитное поле стержневого магнита. Стержневой магнит является постоянным, и имеет северный и южный полюсы.
Рис. 2. Магнитное поле стержневого магнита
Если сравнить магнитное поле с электрическим, то вместо плюсового и минусового полюса есть северный и южный. На этом рисунке показан ход линий поля от северного до южного полюса. Здесь также видно, что плотность линий поля не является постоянной для стержневого магнита. На полюсах она выше, чем между полюсами. Это говорит о том, что магнитное поле сильнее непосредственно у полюсов, чем между полюсами.
Магнитное поле подковообразного магнита
Кроме стержневого магнита, существуют и другие формы постоянных магнитов. Одной из важных форм является подковообразный магнит, который может быть круглым или квадратным.
Рис. 3. Магнитное поле подковообразного магнита
Как видите, магнитное поле внутри подковы однородно (см. рисунок 3). Однородность означает, что магнитное поле постоянно и не зависит от местоположения. Однородное магнитное поле на диаграмме линий поля можно распознать по параллельным линиям поля, расположенным на одинаковом расстоянии. Поэтому напряженность магнитного поля в однородном магнитном поле одинакова в каждой точке.
Магнитное поле двух стержневых магнитов
Давайте посмотрим на другой пример магнитного поля (см. рисунок 4 ниже):
Рис. 4. Магнитное поле двух стержневых магнитов
Эти линии поля показывают, что два магнита с одинаковой полярностью отталкиваются друг от друга. Из этого можно сделать вывод, что одинаковые полюса отталкиваются, а разные полюса притягиваются.
Магнитное поле планеты Земля
Но какое отношение имеют полюса магнита к северу и югу Земли? Вы можете приблизиться к ответу, если спросите себя, как работает компас.
Рис. 5. Компас выравнивается по магнитному полю
Земля также имеет магнитное поле (см. рисунок 5), начало которого лежит на полюсах, т.е. на северном и южном полюсах. Стрелка компаса представляет собой постоянный стержневой магнит и выравнивается по этому полю. При этом северная часть стрелки компаса притягивается к южному полюсу магнитного поля Земли. Поэтому географический юг лежит на магнитном севере.
Магнитное поле проводника с электрическим током
Когда вы рассыпаете мелкие металлические опилки вокруг магнита и проводника, по которому течет электрический ток, они образуют определенные геометрические фигуры. Вы уже знаете, что это явление вызвано магнитным полем, создаваемым магнитом. Будет ли то же самое с проводником?
Наличие магнитного поля можно проверить с помощью магнитной стрелки, которая, как известно, является частью компаса. Как мы знаем, магнитная стрелка имеет два полюса: северный и южный. Линию, которая соединяет полюсы магнитной стрелки называют осью. я осью. Кроме того, мы знаем, что северный полюс магнитной стрелки указывает на южный магнитный полюс, а южный полюс стрелки указывает на северный магнитный полюс.
Рядом с магнитом он выравнивается по силовым линиям магнитного поля и указывает на южный полюс. С помощью магнитной стрелки определяются положения магнитных полюсов Земли и географические направления. Возникает ли магнитное поле только вокруг магнитов и Земли? Чтобы выяснить это, нужно провести эксперимент, которые отражает взаимодействие проводника с электрическим током и магнитной стрелки.
Опыт Эрстеда.
Для того, чтобы провести опыт, расположим проводник, который включён в электрическую цепь источника тока, над магнитной стрелкой параллельно её оси (см. рисунок 6).
Рис. 6. Взаимодействие проводника с электрическим током и магнитной стрелки
Отклонение магнитной стрелки возле проводника, по которому протекает электрический ток, указывает на наличие магнитного поля. Направление отклонения магнитной стрелки зависит от того, в каком направлении течет электрический ток. Эта связь была открыта Хансом Кристианом Эрстедом в 1820 году. Его опыт имел большое значение для развития учения об электромагнитных явлениях.
Таким образом можно вывести 3 следующих вывода:
- Магнитное поле существует вокруг любого проводника с электрическим током, т. е. вокруг движущихся электрических зарядов. Электрический ток и магнитное поле неразрывно связаны между собой.
- Направление силовых линий магнитного поля можно найти с помощью магнитной стрелки. Направление силовых линий магнитного поля зависит от того, в каком направлении течет электрический ток.
- Расположение силовых линий магнитного поля вокруг проводника с током зависит от формы проводника.
Поэтому вокруг неподвижных электрических зарядов существует только электрическое поле, а вокруг движущихся зарядов, т.е. электрического тока, существуют и электрическое, и магнитное поля. Магнитное поле возникает вокруг проводника, когда в нем возникает электрический ток, поэтому электрический ток следует рассматривать как источник магнитного поля. Выражения “магнитное поле электрического тока” или “магнитное поле, создаваемое электрическим током” следует понимать в этом смысле.
Перышкин А.В. Физика 8. – М.: Дрофа, 2010. [2]
Изменит ли изменение формы проводника форму магнитного поля?
Силовые линии магнитного поля вокруг проводника, скрученного в петлю, уплотняются внутри него. Если проволоку намотать много раз, мы получим катушку, и железные опилки будут располагаться так же, как и вокруг магнита (см. рисунок 7).
Рисунок 7. Железные опилки отражают линии магнитного поля
Электромагниты и их применение
Существование магнитного поля вокруг проводника с электрическим током широко используется в технике и промышленности. Часто используются устройства, называемые электромагнитами. Электромагнит состоит из катушки, сердечника и источника напряжения (см. рисунок 8).
Рис. 8. Структура электромагнита
Ферромагнитный сердечник электромагнита играет важную роль. Внутри него создаются магнитные поля, которые усиливают магнитное поле катушки.
Мелкие изделия из ферромагнитных материалов сильнее всего притягиваются полюсами электромагнита. Таким образом, можно сделать вывод, что магнитное поле вокруг электромагнита похоже на магнитное поле стержневого магнита.
Применение электромагнитов.
Рис. 9. Электромагниты – это устройства, имеющие широкое практическое значение. Они используются буквально везде: от дверных замков, звонков и громкоговорителей до промышленного оборудования и высокоскоростных поездов, а также медицинской и исследовательской аппаратуры.
Электромагниты имеют различные применения. Например, на складах металлолома электромагнитные краны перемещают разбитые автомобили.
Также электромагниты используются в электрических замках. Когда электрический ток проходит через электромагнит, создается магнитное поле, которое сильно воздействует на металлическую (стальную) часть замка (ригеля). Это приводит к перемещению заслонки и открыванию двери. Когда дверь закрыта, соответствующим образом расположенная пружина перемещает ригель и блокирует замок. Замок можно открыть после повторного подключения электропитания.
Самые сильные электромагниты используются, в том числе, в ускорителях для управления движением частиц с высокой энергией. До недавнего времени магнитное поле, создаваемое токоведущими проводниками, управляло движением электронов в телевизионных кинескопах и компьютерных мониторах.
2. Магнитное поле постоянных магнитов
Постоянный магнит — изделие из материала, сохраняющего состояние намагниченности в течение длительного времени.
Полюсами магнита называют его противоположные концы, на которых магнитная сила притяжения или отталкивания наибольшая. По аналогии с географическими, магнитные полюса назвали северный магнитный полюс \(N\) и южный магнитный полюс \(S\).
Обозначения северного магнитного полюса происходит от английского слова North — Север, южного — South, что значит Юг. На рис.\(1\) северный полюс магнита обозначен красным цветов, а южный — синим. Раскрашивать магниты и стрелки могут и в другие цвета.
Более \(2500\) лет назад в окрестностях города Магнессия минерал, который притягивали железные предметы, назвали магнетитом .
Если учесть, что магнитная стрелка является маленьким постоянным магнитом, то и ориентироваться (поворачиваться) в магнитном поле она будет как постоянный магнит. Поэтому южный полюс одной магнитной стрелки притянется к северному полюсу другой стрелки (рис. \(2\)).
Если поднести к магнитной стрелке магнит северным полюсом, то к нему притянется южный полюс магнитной стрелки. А если поднести к магнитной стрелке магнит южным полюсом, то притянется северный полюс магнитной стрелки (рис. \(3\)).
Таким образом можно доказать, что одноимённые магнитные полюсы отталкиваются, а разноимённые магнитные полюсы притягиваются.
Вокруг магнита существует магнитное поле. Поля двух магнитов взаимодействуют между собой, и это взаимодействие проявляется как притяжение или отталкивание магнитов.
На лист прозрачного пластика насыплем железные опилки и разровняем их, встряхнув лист. Затем поместим под листом дугообразный магнит. Железные опилки придут в движение и расположатся вдоль линий магнитного поля магнита (рис. \(4\)).
В физике для исследования магнитного поля с точки зрения математического описания его свойств, выведения закономерностей используется геометрическое понятие «линия». Магнитное поле описывается термином « силовая линия », исходя из экспериментального факта возникновения силы со стороны поля. По причине отсутствия в природе магнитных зарядов силовые линии магнитного поля являются замкнутыми, что определяет название магнитного поля как вихревого (рис. \(1\)).
Направление линий магнитного поля изображено на рисунках \(5\) и \(6\) для одноимённых и разноимённых полюсов постоянных магнитов.
Магнит и магнитное поле: почему притягивается только металл? .
Любой магнит, который мы видим в своей жизни, имеет некоторые необычные черты. Самое главное свойство – это притяжение к металлическим или стальным предметам. Вторая черта – наличие полюсов. Чтобы их проверить, достаточно начать приближать один магнит к другому. Притяжение произойдет между разными полюсами (южный и северный). Одноименные полюса при этом отталкиваются.
Немного о магнитном поле
Магнитное поле появляется благодаря электронам, они двигаются вокруг атома, неся отрицательный заряд. Постоянное перемещение производит электрический ток.Движение тока производит магнитное поле, сила которого напрямую зависит от силы тока. Учитывая всю информацию выше, получаем полную связь между электричеством и магнетизмом, которые представляют такое понятие, как электромагнетизм.
Однако магнитное поле получается не только движением электронов вокруг ядра, в большей степени его формирует движение атомов вокруг своей оси. Некоторые материалы имеют магнитное поле, где атомы двигаются без определенного порядка, подавляя друг друга. Если говорить о металлических предметах, то здесь атомы упорядочены в группы, которые ориентируются в одну сторону. Благодаря возможности воздействовать на атомы, ориентируя их в одном направлении, и сложить магнитные поля, железные предметы могут намагничиваться.
Почему не все материалы могут магнититься?
Взаимодействие магнита происходит практически со всеми веществами, при этом вариантов этих самых взаимодействий намного больше, чем известные нам «притягивание» и «отталкивание». Специфическое строение некоторых металлов и сплавов позволяет им достаточно мощно притягиваться к магниту. Другие металлы и вещества тоже имеют это свойство, однако оно во много раз слабее. Рассмотреть притяжение в данный момент будет крайне сложно, для этого потребуется сильнейшее магнитное поле, которое невозможно создать в домашних условиях.
Итак, если свойство притягивания к магниту есть у всех веществ, то почему именно металлические предметы сильно магнитятся, и этот процесс можно увидеть? Дело в том, что все зависит от внешнего строения атомов и их взаимосвязи именно в металле.
Всё, что нас окружает, состоит из атомов, которые связаны между собой. Именно эта связь определяет материала. Атомы во многих веществах плохо скоординированы, поэтому имеют очень слабую взаимосвязь с магнитом. У металла атомы скоординированы, они ощущают магнитное поле и тянутся к нему, заставляя все остальные атомы действовать также. Такая система создает очень сильное взаимодействие с магнитом.
В завершении
Определенные виды: кобальт, железо, никель поддаются влиянию магнита. Они являются ферромагнетиками, т.е. имеют способность к намагничиванию. Если расположить эти металлы близко к магниту, атомы внутри них станут перестраиваться, образовывая магнитные полюса.
8 класс
§ 60. Постоянные магниты. Магнитное поле постоянных магнитов
Если вставить в катушку с током стержень из закалённой стали, то в отличие от железного стержня он не размагничивается после выключения тока, а длительное время сохраняет намагниченность.
Тела, длительное время сохраняющие намагниченность, называются постоянными магнитами или просто магнитами.
Французский учёный Ампер объяснял намагниченность железа и стали существованием электрических токов, которые циркулируют внутри каждой молекулы этих веществ. Во времена Ампера о строении атома ещё ничего не знали, поэтому природа молекулярных токов оставалась неизвестной. Теперь мы знаем, что в каждом атоме имеются отрицательно заряженные частицы — электроны. При движении электронов возникает магнитное поле, которое и вызывает намагниченность железа и стали.
На рисунке 108 изображены дугообразный и полосовой магниты.
Te места магнита, где обнаруживаются наиболее сильные магнитные действия, называют полюсами магнита (рис. 109). У всякого магнита, как и у известной нам магнитной стрелки, обязательно есть два полюса: северный (N) и южный (S).
Поднося магнит к предметам, изготовленным из различных материалов, можно установить, что магнитом притягиваются очень немногие из них. Хорошо притягиваются магнитом чугун, сталь, железо и некоторые сплавы, значительно слабее никель и кобальт.
В природе встречаются естественные магниты (рис. 110) — железная руда (так называемый магнитный железняк). Богатые залежи магнитного железняка имеются на Урале, в Карелии, Курской области и во многих других местах.
Железо, сталь, никель, кобальт и некоторые другие сплавы в присутствии магнитного железняка приобретают магнитные свойства.
Магнитный железняк позволил людям впервые ознакомиться с магнитными свойствами тел.
Перечислим основные из этих свойств.
Если магнитную стрелку приблизить к другой такой же стрелке, то они повернутся и установятся друг против друга противоположными полюсами (рис. 111).
Так же взаимодействует стрелка и с любым магнитом.
Поднося к полюсам магнитной стрелки магнит, можно заметить, что северный полюс стрелки отталкивается от северного полюса магнита и притягивается к южному полюсу. Южный полюс стрелки отталкивается от южного полюса магнита и притягивается северным полюсом.
На основании описанных опытов можно сделать следующее заключение: разноимённые магнитные полюсы притягиваются, одноимённые отталкиваются. Это правило относится и к электромагнитам.
Взаимодействие магнитов объясняется тем, что вокруг любого магнита имеется магнитное поле. Магнитное поле одного магнита действует на другой магнит, и, наоборот, магнитное поле второго магнита действует на первый.
С помощью железных опилок можно получить представление о виде магнитного поля постоянных магнитов.
Рисунок 112, а даёт представление о картине магнитного поля полосового магнита, а рисунок 112, б — о картине магнитного поля дугообразного магнита. Как магнитные линии магнитного поля тока, так и магнитные линии магнитного поля магнита — замкнутые линии. Вне магнита магнитные линии выходят из северного полюса магнита и входят в южный, замыкаясь внутри магнита, так же как магнитные линии катушки с током.
На рисунке 113, а показаны магнитные линии магнитного поля двух магнитов, обращённых друг к другу одноимёнными полюсами, а на рисунке 113, б — двух магнитов, обращённых друг к другу разноимёнными полюсами.
Все описанные выше картины можно легко получить на опыте.
Вопросы:
1. Какие тела называют постоянными магнитами?
2. Как Ампер объяснял намагничивание железа?
3. Как можно теперь объяснить молекулярные токи Ампера?
4. Что называют магнитными полюсами магнита?
5. Как взаимодействуют между собой полюсы магнитов?
6. Как можно получить представление о магнитном поле магнита?
Упражнения:
Упражнение № 42
1. Предложите способ определения полюсов намагниченного стального стержня.
2. Какую форму надо придать проводу, чтобы при наличии тока в нём силовые линии его магнитного поля были расположены так же, как у полосового магнита?
Задания:
1. Дугообразный магнит поднесите к листу картона. Магнит не притянет его. Затем положите картон на мелкие гвозди и снова поднесите магнит. Лист картона поднимется, а за ним и гвозди. Объясните явление.
2. Положите дугообразный магнит на край стола. Тонкую иглу с ниткой положите на один из полюсов магнита. Затем осторожно потяните иглу за нить, пока игла не соскочит с полюса магнита. Игла зависает в воздухе (рис. 114). Объясните явление.
Читайте также: