Действие магнитного поля на постоянный магнит: Постоянный магнит — Википедия – Магнитное поле – FIZI4KA

Постоянный магнит — Википедия

Ферритовые магниты

Постоя́нный магни́т — изделие из магнитотвёрдого материала с высокой остаточной магнитной индукцией, сохраняющее состояние намагниченности в течение длительного времени. Постоянные магниты изготавливаются различной формы и применяются в качестве автономных (не потребляющих энергии) источников магнитного поля.

История развития магнитных материалов[править | править код]

Постоянные магниты, изготовленные из магнетита, применялись в медицине с древнейших времен. Царица Египта Клеопатра носила магнитный амулет. В древнем Китае в «Императорской книге по внутренней медицине» затрагивался вопрос применения магнитных камней для коррекции в теле энергии Ци — «живой силы». В более поздние времена о благотворном влиянии магнитов высказывались великие врачи и философы: Аристотель, Авиценна, Гиппократ. В средние века придворный врач Гилберт, опубликовавший сочинение «О магните», лечил от артрита королеву Елизавету I при помощи постоянного магнита. Русский врач Боткин прибегал к методам магнитотерапии.

Первым искусственным магнитным материалом стала углеродистая сталь, закалённая на структуру мартенсита и содержащая около 1,2—1,5 % углерода. Магнитные свойства такой стали чувствительны к механическим и температурным воздействиям. В ходе эксплуатации постоянных магнитов на её основе наблюдалось явление «старения» магнитных свойств стали.

The energy product of major class of Permanent Magnets.svg

Легирование такой стали вольфрамом и хромом до 3 %, а позднее кобальтом до 6 % совместно с хромом до 6 % позволило доктору Хонда из Тохокского университета создать новый тип стали — КS — с высокой намагниченностью и значительной коэрцитивной силой. Для получения высоких магнитных свойств сталь подвергалась определённой термической обработке. Высокая остаточная индукция у магнитов из сталей KS достигалась уменьшением размагничивающего фактора. Для этого часто магниты выпускались удлинённой, подковообразной формы.

Исследования магнитных свойств сплавов показали, что они в первую очередь зависят от микроструктуры материала. В 1930 году был достигнут качественный скачок в получении новой микроструктуры твердеющих сплавов, и в 1932 году за счёт легирования стали KS никелем, алюминием и медью доктор Т. Мискима получил сталь МК.

Это значительный шаг в разработке ряда сплавов, получивших позднее общее название Альнико (по российским стандартам ЮНДК).

Существенный прорыв в этой области произвели в 1930-х годах японские ученые, доктор Ёгоро Като и доктор Такэси Такэи из Токийского технологического института. Замещение в составе магнетита части оксида двухвалентного железа на оксид кобальта при синтезе феррита по керамической технологии привела к созданию твёрдого раствора кобальтого и железного ферритов. Коэрцитивная сила данного типа феррита достигла 48—72 кА/м (600—900 Э). В Японии коммерческие ферритовые магниты появились приблизительно в 1955 году, в России — в середине 1960-х. Бариевые ферриты постепенно модифицировались в стронциевые, так как последние оказались более технологичными (не требовали очень точной регулировки температуры спекания и экологически были более безопасными). В составе ферритовых магнитов содержится 85—90 % оксида железа, который является отходом металлургической отрасли (с установки регенерации травильных хлоридных растворов Рутнера), что значительно удешевило производство.

Следующий значительный технологический прорыв произошел в лаборатории U.S. Air Force Material Research, где было найдено интерметаллическое соединение самария с кобальтом (SmCo

5) с большой константой магнитокристаллической анизотропии. Постоянный магнит, изготовленный из такого материала, позволил достигнуть свойств (ВН)макс = 16—24 мегаГаусс-Эрстедах (МГсЭ), а на соединении Sm2Co17 — 32 МГсЭ, коэрцитивная сила была повышена до 560—1000 кА/м. Магниты из SmCo производятся промышленностью с 1980-х годов. В это же время было обнаружено соединение Nd2Fe14B. Магниты из этого материала появились и в Японии, и в США одновременно в середине 1980-х годов, но технология их производства разнилась. В Японии производство организовывалось по типу магнитов SmCo: производство порошка из литого сплава, затем прессование в магнитном поле и спекание. В США был принят meltspinning process: сначала производится аморфный сплав, затем он измельчается, и изготавливается композиционный материал. Магнитный порошок связывается резиной, винилом, нейлоном или другими пластиками в композиционную массу, которую прессуют (инжектируют) или каландруют в изделия. Магниты из композиционного материала имеют по сравнению со спечёнными несколько более низкие свойства, однако не требуют гальванических покрытий, легко обрабатываются механически, зачастую имеют красивый внешний вид, будучи окрашенными в различные цвета. Магниты из Nd
2
Fe14B появились на рынке постоянных магнитов в 1990-х годах и очень быстро достигли на спечённых образцах энергии в 50 МгсЭ (400 кДж/м3). Этот материал быстро вытеснил другие, в первую очередь — в миниатюрной электронике.

Свойства магнита определяются характеристиками размагничивающего участка петли магнитного гистерезиса материала магнита: чем выше остаточная индукция Br и коэрцитивная сила Hc, тем выше намагниченность и стабильность магнита.

Индукция постоянного магнита Bd не может превышать Br: равенство Bd = Br возможно лишь в том случае, если магнит представляет собой замкнутый магнитопровод, то есть не имеет воздушного промежутка, однако постоянные магниты, как правило, используются для создания магнитного поля в воздушном (или заполненном другой средой) зазоре, в этом случае

Bd < Br, величина разности зависит от формы магнита и свойств среды.

Схематичное изображение линий магнитного поля у магнитов различной формы:

  • The energy product of major class of Permanent Magnets.svg

    цилиндрический или прямоугольный магнит

  • The energy product of major class of Permanent Magnets.svg

    подковообразный магнит

  • The energy product of major class of Permanent Magnets.svg

    кольцеобразный магнит

  • The energy product of major class of Permanent Magnets.svg

    дискообразный магнит

Схематичное изображение линий магнитного поля при взаимодействий двух магнитов в зависимости от расположения их полюсов (одинаковые полюса отталкиваются, разные — притягиваются):

The energy product of major class of Permanent Magnets.svg

Для производства постоянных магнитов обычно используются следующие материалы:[1]

Получают путём прессования и(или) спекания порошка оксидов железа с оксидами других металлов и представляет собой керамику.

бариевые и стронциевые магнитотвердые ферриты

Имеют состав Ba/SrO·6 Fe2O3 и характеризуются высокой устойчивостью к размагничиванию в сочетании с хорошей коррозионной стойкостью. Несмотря на низкие по сравнению с другими классами магнитные параметры и высокую хрупкость, благодаря низкой стоимости магнитотвердые ферриты наиболее широко применяются в промышленности.

неодимовые магниты NdFeB (неодим-железо-бор)

Редкоземельные магниты, изготавливаемые прессованием или литьем из интерметаллида Nd2Fe14B. Преимуществами неодимовых магнитов являются высокие магнитные свойства (Br, Hc и (BH)max), а также невысокая стоимость. В связи со слабой коррозионной устойчивостью обычно покрываются медью, никелем или цинком.

самариевые магниты SmCo (самарий-кобальт)

Изготавливаются методом порошковой металлургии из композиционного сплава SmCo5/Sm2Co17 и характеризуются высокими магнитными свойствами, отличной коррозионной устойчивостью и хорошей стабильностью параметров при температурах до 350 °C, что обеспечивает им преимущества на высоких температурах перед магнитами NdFeB. По магнитной составляющей мощнее ферритовых, но слабее неодимовых магнитов. В состав некоторых марок самариевых магнитов кроме основных элементов — самария и кобальта могут входить и другие добавки: железо, медь, эрбий, гадолиний, цирконий, цериевый мишметалл.

  • Магниты из сплавов металлов (литые магниты)

Отличаются механической стойкостью. В зависимости от марки и технологии изготовления могут иметь столбчатую, равноосную и монокристаллическую структуру.

магниты из сплава альнико
(российское название ЮНДК)

Разработаны в 1930-х годах. Изготавливаются на основе сплава Al-Ni-Co-Fe. К их преимуществам можно отнести высокую температурную стабильность в интервале температур до 550 °C, высокую временну́ю стабильность параметров в сочетании с большой величиной коэрцитивной силы, хорошую коррозионную устойчивость. Важным фактором в пользу их выбора может являться значительно меньшая стоимость по сравнению с магнитами из Sm-Co.

магниты из сплава ални
магниты из сплава FeCoCr
магниты из сплавов драгметаллов

Высокими магнитными свойствами и способностью к деформации обладают сплавы кобальтоплатиновые, железоплатиновые, железопалладиевые сплавы[2].

  • Полимерные постоянные магниты (магнитопласты)

Изготавливаются из смеси магнитного порошка и связующей полимерной компоненты (например резины, винила). Достоинством магнитопластов является возможность получения сложных форм изделий с высокой точностью размеров, низкая хрупкость, а также высокая коррозионная устойчивость в сочетании с большой величиной удельного сопротивления и малым весом.

Магнитная мешалка The energy product of major class of Permanent Magnets.svg Дугообразный и плоский демонстрационные магниты. Северный полюс магнита окрашен в синий цвет, южный — в красный

Для применений при обычных температурах самые сильные постоянные магниты делаются из сплавов, содержащих неодим. Они используются в таких областях, как магнитно-резонансная томография, сервоприводы жёстких дисков и создание высококачественных динамиков, а также ведущей части двигателей авиамоделей.

Постоянные магниты на уроках физики обычно демонстрируются в виде подковы, полюса которой окрашены в синий и красный цвет.

Отдельные шарики и цилиндры с сильными магнитными свойствами используются в качестве хай-тек украшений/игрушек — они без дополнительных креплений собираются в цепочки, которые можно носить как браслет. Также в продаже есть конструкторы, состоящие из набора цилиндрических магнитных палочек и стальных шариков. Из них можно собирать множество конструкций, в основном фермового типа.

Кроме того, существуют гибкие плоские магниты на полимерной основе с магнитными добавками, которые используются например, для изготовления декоративных магнитов на холодильники, оформительских и прочих работ. Выпускаются в виде лент и листов, обычно с нанесённым клеевым слоем и плёнкой, его защищающей. Магнитное поле у такого плоского магнита полосатое — с шагом около двух миллиметров по всей поверхности чередуются северные и южные полюса. Полимерная магнитная лента находится также внутри резинового уплотнителя дверок бытовых холодильников, тем самым одновременно равномерно уплотняя и удерживая дверки в закрытом положений[3].

Для дополнительного чтения:

Действие магнитного поля на постоянный магнит


Пружинящие силы пластин контактов герконов направлены так, что контакты разомкнуты, если на них не действует магнит так как герконы помещены рядом с постоянным магнитом, то на контакты действует магнитное поле. Оно преодолевает пружинящие силы, контакты замыкаются и находятся в таком положении, пока магнитное поле действует на контакты.  [c.288]

Действие магнитоиндукционной муфты (рис. 4.48, б) основано на использовании взаимодействия магнитного поля, создаваемого индуктором 1, с токами, возникающими в якоре 2 при пересечении его силовыми линиями магнитного поля. Индуктором служит электромагнит ил постоянный магнит. Поскольку в магнитоиндукционной муфте передача движения от ведущего вала к ведомому осуществляется без применения механической связи между ними, такие муфты можно применять для передачи крутящего момента внутрь герметического корпуса.  [c.446]

Физические явления и химические процессы должны всегда исследоваться для оценки их возможного влияния. При этом не следует упускать и те области физики, которые на первых порах кажутся не имеющими отношения к применяемому рабочему принципу. Это особенно необходимо для уяснения побочных явлений [34]. Такие побочные явления сказываются в форме вибраций, инерционных нагрузок, шумов, смолообразования, износа и др. Даже при самом тщательном уточнении задания они могут быть не учтены. Так, например, в каком-либо фотометрическом приборе вблизи светового потока может оказаться постоянный магнит, который, как предполагалось, не должен влиять на работу прибора. Но при высокопрецизионных измерениях действие его магнитного поля может вредно повлиять на исследуемый световой поток.  [c.63]

Ультразвуковой датчик. Действие ультразвукового датчика перемещения и скорости основывается на принципе магнитострик-ции ферромагнитных материалов [93]. Датчик, показанный на рис. 5.4, состоит из волновода, в середине которого проходит медный стержень, служащий проводником тока он неподвижно соединен с машиной. Постоянный магнит неподвижно соединен со штоком пресс-плунжера и движется вместе с ним. Если на конец медного стержня поступает импульс тока, вдоль стержня начинает двигаться кольцевое магнитное поле. Когда это поле встречается с продольным магнитным полем постоянного магнита, они образуют спиральное поле и создают на время действия импульса тока эффект скручивания волновода. Это скручивание приводит к возникновению ультразвукового импульса, который распространяется по обе стороны волновода. На приемно-передающей стороне Е волновода ультразвуковой импульс вновь преобразуется в электрический импульс. Импульс на противоположной стороне подавляется. Датчик применяют редко.  [c.165]


Между двумя ветвями катушек установлен постоянный магнит 6 со стрелкой 2. Действие магнитоэлектрического приемника основано на взаимодействии постоянного магнита с результирующим магнитным полем катушек. При увеличении температуры воды увеличивается сила магнитного поля катушки термистора и стрелка отклоняется к цифре 100. При включении замка зажигания 7 ток в цепь указателя поступает от аккумуляторной батареи 8.  [c.83]

Возьмем в качестве оси х прямую, проходящую через иголку и через прямоугольный постоянный магнит, как показано на фиг. 16. При этом направление магнитного поля Н также будет совпадать с осью х. Поле Нд (х) равно нулю нри х = — оо и монотонно возрастает при увеличении х. Игла медленно подносится к магниту вдоль оси х от — оо до точки X, где приобретает магнитный момент т, направленный, конечно, вдоль оси иголки. Размагничивающее поле иголки, направленное навстречу полю постоянного магнита Й д, можно считать пренебрежимо малым. Так как размеры иголки невелики, ее можно рассматривать как магнитный диполь с магнитным моментом т (ж), зависящим от координаты х. Сила, действующая на иголку, определяется выражением  [c.57]

В приборах ферродинамической системы при изменении направления тока в рамке одновременно изменяется и направление магнитного поля, действующий на рамку момент остается переменным по величине, но сохраняет постоянное направление. Рамка поворачивается на определенный угол, пропорциональный измеряемому напряжению. В отличие от приборов магнитоэлектрической системы у ферродинамических приборов постоянный магнит заменен электромагнитом с обмоткой, питаемой напряжением приемного преобразователя—генератора. Полный магнитный поток, создаваемый обмоткой возбуждения, равен  [c.241]

ТО вращающийся магнит устанавливается по полю, созданному этой обмоткой. Если ток проходит по обеим обмоткам, то положение вращающегося магнита определяется результирующим магнитным полем, созданным двумя обмотками. Поля, создаваемые наружными обмотками W1, определяют вращение магнита подвижной системы к началу шкалы, а внутренними обмотками W2 — к концу шкалы. Постоянный магнит, на оси которого укреплена стрелка прибора, поворачивается под действием результирующего поля обмоток. Следовательно,, положение стрелки прибора определяется отношением токов в обмотках, т. е. измеряемой темпера- турой.  [c.148]

Из рисунка видно, что столб дуги отклонится влево вследствие действия на него постороннего магнитного поля. Начальная сила, [ отклоняющая дугу, пропорциональна произведению сварочного тока 1 на напряженность постороннего поля Н. Это постороннее поле может создавать, например, постоянный магнит.  [c.27]

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ ЗЕМЛИ. Земля представляет собой слабый постоянный магнит. Магнитное поле Земли, создаваемое электрическими токами в ядре, напоминает магнитное поле диполя, ось которого наклонена приблизительно на 11,4° к оси вращения. Напряженность поля на геомагнитных полюсах в два раза превышает напряженность поля на экваторе. Геомагнитные полюса не являются диаметрально противоположными, мысленно проведенная через них линия будет расположена на расстоянии около 1100 км от центра Земли. Геомагнитное поле располагается в ограниченной области околоземного космического пространства (вследствие постоянно действующего солнечного ветра). Область расположения геомагнитного поля называют магнитосферой Земли. В результате взаимодействия солнечного ветра с магнитным полем Земли магнитные полюса постепенно смещаются относительно поверхности Земли. В настоящее время северный магнитный полюс находится на севере Канады. Следствием этого взаимодействия являются также радиационные пояса — это пара колец ионизированного газа (плазмы), окружающие нашу Землю.  [c.37]

ЯДЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС (ЯМР), избирательное поглощение эл.-магн. энергии в-вом, обусловленное ядерным парамагнетизмом. ЯМР — один из методов радиоспектроскопии, наблюдается, когда на исследуемый образец действуют взаимно перпендикулярные магн. поля сильное постоянное и слабое радиочастотное (10 —10 Гц). Являясь квант, эффектом, ЯМР, как и др. виды магнитного резонанса, допускает классич. объяснение нек-рых своих особенностей. Большинство ат. ядер имеют собств. момент количества движения где I — ядерный спин. Спин обусловливает дипольный магн. момент ядра  [c.918]

Нестабильность постоянных магнитов. Нестабильность магнитов связана с естественным магнитным старением, зависящим от собственного размагничивающего поля, в котором находится магнит, и с внешними влияниями, действующими на размагничивание, главными из которых являются температурные измерения, механические 102  [c.102]

Действие магнитного поля на постоянный магнит. Если постоянный магнит, имеющий форму стержйя, расположен в однородном поле под прямым углом к силовым линиям (фиг. 154), то на полюсы магнита действуют две равные противоположно направленные силы, образующие пару сил.  [c.189]

При работе указателя сила тока в катушках S и 4 не меняетсй, а в катушке 2 изменяется в ззеисимости от положения поплавка бг Когда топливный бак заполнен топливом 5, поплавок всплывает и ползун 7 йклюнает в цепь сопротивление реостата 8. Ток в катушке 2 имеет маленькую величину, а в катушках 8 и 4 он остается постоянным. Постоянный магнит под действием магнитного поля катушек 8 и 4 отклоняет стрелку к метке /7 на шкале указателя уровня топлива.  [c.84]

В случае, когда магнитная жидкость занимает конечный объем, на погруженное в нее тело даже в однородном приложенном поле может действовать сила. Эта сила может заставить тело левитировать в ограниченном объеме магнитной жидкости. Поведение тел из магнитомягких материалов в ограниченных объемах жидкости в однородном на бесконечности поле может быть похоже на поведение магнитов в ограниченных объемах жидкости. Явление левитации постоянного магнита в ограниченном объеме магнитной жидкости впервые было обнаружено Р.Е, Розенцвейгом [1]. Расчет силы, действующей на постоянный магнит в сосуде произвольной формы, представляет собой весьма трудную задачу. Аналитическое решение в случае постоянного цилиндрического магнита, намагниченного поперек своей оси и находящегося в цилиндрическом сосуде с магнитной жидкостью, было получено в [2, 3]. В [4, 5] вычислена магнитная сила и момент магнитной силы, действующие на магнит, создающий магнитное поле диполя, в сосуде сферической формы, заполненном магнитной жидкостью, в безындукционном приближении при малом отклонении магнита от равновесия. Во всех этих работах предполагалось, что сосуд сделан из ненамагничиваю-щегося материала. В работе [2] в безындукционном приближении вычислена сила,  [c.12]

Найтовский сдвиг. Частота ядерного магнитного резонанса (ЯМР) для одного и того же ядра зависит от того, входит ли оно в состав диэлектрика или металла. В металле вероятность нахождения электронов проводимости вблизи ядра несколько возрастает. Эти электроны намагничиваются внеш. полем, и эфф. магн. поле, действующее на спин ядра, увеличивается, что приводит (по сравнению с диэлектриком) к т. н. найтовскому сдвигу частоты ЯМР. Поскольку магн. восприимчивость нормального металла Хп практически не зависит от темп-ры, то постоянным остаётся и найтовский сдвиг. ЯМР можно наблюдать и в сверхпроводниках, если использовать тонкие плёнки или малые гранулы с характерными размерами, меньшими глубины проникновения 6. В таких образцах ниже Т . величина найтовского сдвига зависит от темп-ры и остаётся конечной даже при Т = 0. При этом  [c.440]

Краткое изложение теории сверхпроводящего гальванометра можно найти в работе Пиппарда и Пуллана [91] схема прибора изображена на фиг. 16. Подвижной магнит с моментом М может свободно поворачиваться в горизонтальной плоскости в присутствии постоянного магнитного поля Яо под действием отклоняющего магнитного поля Яд, направленного под прямым углом к полю Но. Поле Но = /Сг создается током г, текущим через отклоняющую сверхпроводящую катушку 5 (величина К зависит от геометрии катушки 5). Движение магнита при малых отклонениях описывается уравнением  [c.217]

В приемнике на основании, состоящем из двух пластмассовых колодок 9, намотаны три катушки Ki, и Кз. Электрическая схема указателя состоит из двух параллельных ветвей (см. рис. 52). В одной из ветвей включены последовательно катушка К и термистор. В другой ветви включены последовательно катушки /(2 и /(з и добавочное сопротивление 13. В канавку одной из колодок закладывается постоянный магнит 12. На оси стрелки 6 приемника жестко укреплен постоянный магнит 8, выполненный в виде диска, и ограничитель II угла поворота стрелки. Отогнутый конец ограничителя входит в прорезь 10 верхней колодки 9. Магнит и ограничитель поворота стрелки устанавливают в кольцевом пространстве между обеими колодками. При отсутствии тока в катушке вследствие взаимодействия разноименных полюсов магнитов 8 w 12 стрелка устанавливается на нулевом делении шкалы. Стальной экран 7 защищает приемник от влияния магнитных полей других приборов и проводников на точность его показания. При работе прибора сила тока в катушках Кг и Кз не изменяется, а поэтому и магнитные поля, создаваемые этими катушками, остаются практически постоянными. Сила тока в катушке Ki, а следовательно, и создаваелюе ею магнитное поле зависят от температуры термистора. Путь тока в цепи указан стрелками. Магнитные поля катушек Ki а К2 действуют навстречу друг другу, а магнитное поле катушки Кз действует под прямы.м углом к ним. В результате взаимодействия магнитных полей трех катушек создается общее результирующее магнитное поле, действующее на магнит 8.  [c.127]

Ответ. Если железную пластинку поместить в. магнитное поле напряженностью Н (рис. 3-1-8,а), то эта пластинка превратится в постоянный магнит с намагниченностью М. Это значит, что противоположные концы пластиики в этом случае представляют собой два полюса северный и южный. Под влиянием возникших магнитных полюсов появится новое магнитное поле напряженностью На-Новое магнитное поле будет направлено против внешнего магнитного поля, в которое первоначально была помещена пластина. Результирующее магнитное поле, действующее на нласт1П1ку, выразится алгебраической суммой двух упомянутых магнитных нолей, т. е. напряженность его будет равна Н+На. Напряженность На характеризует размагничивающее магнитное поле. Так как размагничивающее поле возникает под влиянием намагниченности М, то при М = 0 напряженность Не также равна нулю. При увеличении М напряженность Яd линейно возрастает, т. е. можно записать  [c.151]

Магнитные свойства постоянного магнита характеризуются величиной остаточной магнитной индукции и коэрцитивной силой. Остаточная магнитная индукция определяет плотность магнитного потока, остающегося в магните после снятия его с намагничивающего аппарата при этом магнит должен быть намагничен до состояния насьпцения, а магнитная цепь должна оставаться короткозамкнутой, т. е. в ней не должно быть воздушных зазоров. Под коэрцитивной силой понимают напряженность такого размагни-чиваюп его поля, которое способно полностью размагнитить постоянный магнит. Таким образом, коэрцитивная сила характеризует способность магнита противостоять размагничиванию. Так, например, первичный ток оказывает на магнит размагничивающее действие, стремится его размагнитить. Такое же размагничивающее действие оказывает на магнит и увеличение сопротивления в магнитной цепи, которое происходит, например, при отходе полюсных наконечников магнита  [c.241]

Принцип работы логометра основан на свойстве свободно подвешенного магнита устанавливаться в направлении результатирующего магнитного поля, в котором он находится. Катушки логометра / и 2 (см. рис. 52) включены на постоянное напряжение. В цепь катушки 2 включено постоянное сопротивление Я, а в цепь другой катушки — измеряемое сопротивление Ях. Когда тока в катушке нет, на стрелку 3, закрепленную на одной оси с магнитом, действует только поле неподзплисходное положение (на схемах постоянный магнит не показан).  [c.101]

В амперметре имеются корпус с изоляционной пластиной 7 (фиг. 229), клеммы 1 и 2 с латунной шиной 6, постоянный магнит 3, стрелка 4 с якорьком 5, установленная на оси, и шкала. Амперметр вк.лючается в цепь батареи последовательно. Когда ток через латунную шину 6 не проходит, стрелка 4 устанавливается в среднее положение под действием магнита 3 на якорек 5 стрелки. При прохождении тока через амперметр вокруг шины 6, находя-ш,ейся под током, создается магнитное поле, отклоняющее якорек и стрелку 4. Чем сильнее ток, тем больше отклоняется стрелка. При изменении направления тока стрелка отклоняется в другую сторону. Отклонение к знаку плюс показывает зарядку батареи, отклонение к знаку минус — разрядку.  [c.351]

Конструкция. Принцип действия. Простейшая конструкция МК дана на рис. 10. 6. В стеклянную ампулу 1 впаяны контактные пружины 2 из материала с высокой магнитной проницаемостью (пермаллой, перминдюр и т. п.). Свободные концы пружин покрыты слоем благородного металла, через который и происходит контакт. Ампула заполнена инертным газом, иногда водородом, либо в ней создается вакуум. В этих условиях ири малом 0,03—0,05 мм расстоянии между контактами они надежно работают при напряжениях до 500 В и токах до 0,5 А. Управляет МК магнитное ноле, создаваемое катушкой, внутри которой помещена ампула, или постоянный магнит. При наличии. магнитного поля контактные  [c.220]

В пост, однородном М. п. на магн. диполь с магн. моментом действует первоначального М. п, (см. вращающий момент N=[p B] (так, магнитная индукция). магн. стрелка в М. п. поворачивается Магн. индукция В определяет ср. по полю виток с током /, также макроскопич. М. п., создаваемое в обладающий магн. моментом, стре- данной точке пр-ва как токами прово-мится занять положение, при к-ром димости (движением сводобных носителей зарядов), так и имеющимися намагниченными телами. М. п., созданное токами проводимости и независящее от магн. св-в присутствующего в-ва, характеризуется вектором напряжённости магнитного поля Н= =В—или Н— BI iq) — J (соответственно в СГС системе единиц и Международной системе единиц). В этих соотношениях вектор J — намагниченность в-ва, fio — магнитная постоянная.  [c.370]

По принципу действия М. подразделяют на неск. типов. Магнитостатические М.— приборы, основанные на вз-ствии измеряемого магн. поля /Гизм с постоянным (индикаторным) магнитом, имеющим магн. момент М. В поле Гцзм на магнит действует механич. момент /=[Ж зм]. Момент в М. разл. конструкции уравновешивается а) моментом кручения кварцевой нити (действующие по этому принципу кварцевые М. и универс. магн. вариометры на кварцевой растяжке обладают чувствительностью С 1 нТл) б) моментом силы тяжести магнитные весы с С 10— 15 нТл), в) моментом, действующим на вспомогательный эталонный магнит, установленный в определ. положении (оси индикаторного и вспомогат. магнитов в положении равновеспя перпендикулярны). В последнем случае, определяя дополнительно период колебания всгюмогат. магнита в поле -йГизм можно измерить абс. величину / изм (абс. метод Гаусса).  [c.381]

ФЕРРОЗОНД, прибор для измерения напряжённости магнитных полей (в осн. постоянных или медленно меняющихся) и их градиентов. Действие Ф. основано на смещении петли перемагничивания магнитно-мягких материалов под влиянием внеш. магн. полей. В простейшем варианте Ф. состоит из стержневого ферромагн. сердечника и находящихся на нём двух катушек катушки возбуждения, питаемой перем. током, и измерит, (сигнальной) катушки. В отсутствие измеряемого магн, поля сердечник под действием перем. магн. поля, создаваемого током в катушке возбуждения, перемагничивается по симметричному циклу. Изменение магн. потока в сигнальной катушке, вызванное перемагничиванием сердечника по симметричному циклу, индуцирует в сигнальной катушке эдс, изменяющуюся по гармонич. закону. Если одновременно на сердечник действует измеряемое пост, или слабо меняющееся магн. поле, то кривая перемагничивания сдвигается и становится несимметричной. При этом изменяются величина и гармоничность эдс индукции в сигнальной катушке. В частности, появляются чётные гармонич. составляющие эдс, величина к-рых пропорциональна напряжённости измеряемого поля (они отсутствуют при симметричном цикле перемагничивания). Как правило, Ф. состоит из двух сердечников с обмотками, к-рые соединены так, что нечётные гармонич. составляющие практически компенсируются. Тем самым упрощается измерит. аппаратура и повышается чувствительность Ф. Наиболее распространённые феррозондовые установки включают генератор перем. тока, пи-  [c.808]

НАМАГНИЧЕННОСТЬ ОСТАТОЧНАЯ — намагниченность Mj, предварительно намагниченного магнитного материала при уменьшенной до нуля напряжённости магн. поля. Величина Н. о. зависит от мн. факторов магн. свойств материала, его магн. предыстории, темп-ры. Н. о. возрастает с увеличением напряжённости намагничивающего поля, стремясь к предельному значению, к-рое и принимают за Н. о. данного материала. Последнюю следует отличать от Н. о. тела (образца), т. е. от значения его ср. намагниченности при равной нулю напряжённости внеш. магн. поля. Поскольку в этом состоянии на тело действует собств. размагничивающее поле, его Н. о. всегда меньше И. о. материала. Чем больше размагничивающий фактор тела, тем меньше его Н. о. Для онределения Н. о. материала создают условия, при к-рых равна нулю напряжённость внутр. магн. поля в образце. Удобно сравнивать Н. о. разл. материалов, пользуясь относительной Н.о, /V— МДМ , где Мд — намагниченность технического насыщения (см. Магнитное насыщение). В нек-рых материалах jV 1, что достигается созданием в них магнитной текстуры. Н. о. уменьшается при колебаниях темп-ры, механич. сотрясениях и вибрациях. Наиб, устойчива II. о. в магнитно-твёрдых материалах, благодаря чему они находят широкое ирактич. применение (см., напр.. Магнит постоянный).  [c.241]


МАГНИТЫ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА

Содержание статьи

МАГНИТЫ И МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА. Простейшие проявления магнетизма известны очень давно и знакомы большинству из нас. Однако объяснить эти, казалось бы, простые явления на основе фундаментальных принципов физики удалось лишь сравнительно недавно.

Существуют магниты двух разных видов. Одни – так называемые постоянные магниты, изготовляемые из «магнитно-твердых» материалов. Их магнитные свойства не связаны с использованием внешних источников или токов. К другому виду относятся так называемые электромагниты с сердечником из «магнитно-мягкого» железа. Создаваемые ими магнитные поля обусловлены в основном тем, что по проводу обмотки, охватывающей сердечник, проходит электрический ток.

Магнитные полюса и магнитное поле.

Магнитные свойства стержневого магнита наиболее заметны вблизи его концов. Если такой магнит подвесить за среднюю часть так, чтобы он мог свободно поворачиваться в горизонтальной плоскости, то он займет положение, примерно соответствующее направлению с севера на юг. Конец стержня, указывающий на север, называют северным полюсом, а противоположный конец – южным полюсом. Разноименные полюса двух магнитов притягиваются друг к другу, а одноименные взаимно отталкиваются.

Если к одному из полюсов магнита приблизить брусок ненамагниченного железа, то последний временно намагнитится. При этом ближний к полюсу магнита полюс намагниченного бруска будет противоположным по наименованию, а дальний – одноименным. Притяжением между полюсом магнита и индуцированным им в бруске противоположным полюсом и объясняется действие магнита. Некоторые материалы (например, сталь) сами становятся слабыми постоянными магнитами после того, как побывают около постоянного магнита или электромагнита. Стальной стержень можно намагнитить, просто проведя по его торцу концом стержневого постоянного магнита.

Итак, магнит притягивает другие магниты и предметы из магнитных материалов, не находясь в соприкосновении с ними. Такое действие на расстоянии объясняется существованием в пространстве вокруг магнита магнитного поля. Некоторое представление об интенсивности и направлении этого магнитного поля можно получить, насыпав на лист картона или стекла, положенный на магнит, железные опилки. Опилки выстроятся цепочками в направлении поля, а густота линий из опилок будет соответствовать интенсивности этого поля. (Гуще всего они у концов магнита, где интенсивность магнитного поля наибольшая.)

М.Фарадей (1791–1867) ввел для магнитов понятие замкнутых линий индукции. Линии индукции выходят в окружающее пространство из магнита у его северного полюса, входят в магнит у южного полюса и проходят внутри материала магнита от южного полюса обратно к северному, образуя замкнутую петлю. Полное число линий индукции, выходящих из магнита, называется магнитным потоком. Плотность магнитного потока, или магнитная индукция (В), равна числу линий индукции, проходящих по нормали через элементарную площадку единичной величины.

Магнитной индукцией определяется сила, с которой магнитное поле действует на находящийся в нем проводник с током. Если проводник, по которому проходит ток I, расположен перпендикулярно линиям индукции, то по закону Ампера сила F, действующая на проводник, перпендикулярна и полю, и проводнику и пропорциональна магнитной индукции, силе тока и длине проводника. Таким образом, для магнитной индукции B можно написать выражение

где F – сила в ньютонах, I – ток в амперах, l – длина в метрах. Единицей измерения магнитной индукции является тесла (Тл) (см. также ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ).

Гальванометр.

Гальванометр – чувствительный прибор для измерения слабых токов. В гальванометре используется вращающий момент, возникающий при взаимодействии подковообразного постоянного магнита с небольшой токонесущей катушкой (слабым электромагнитом), подвешенной в зазоре между полюсами магнита. Вращающий момент, а следовательно, и отклонение катушки пропорциональны току и полной магнитной индукции в воздушном зазоре, так что шкала прибора при небольших отклонениях катушки почти линейна.

Намагничивающая сила и напряженность магнитного поля.

Далее следует ввести еще одну величину, характеризующую магнитное действие электрического тока. Предположим, что ток проходит по проводу длинной катушки, внутри которой расположен намагничиваемый материал. Намагничивающей силой называется произведение электрического тока в катушке на число ее витков (эта сила измеряется в амперах, так как число витков – величина безразмерная). Напряженность магнитного поля Н равна намагничивающей силе, приходящейся на единицу длины катушки. Таким образом, величина Н измеряется в амперах на метр; ею определяется намагниченность, приобретаемая материалом внутри катушки.

В вакууме магнитная индукция B пропорциональна напряженности магнитного поля Н:

где m0 – т.н. магнитная постоянная, имеющая универсальное значение 4pЧ10–7 Гн/м. Во многих материалах величина B приблизительно пропорциональна Н. Однако в ферромагнитных материалах соотношение между B и Н несколько сложнее (о чем будет сказано ниже).

На рис. 1 изображен простой электромагнит, предназначенный для захвата грузов. Источником энергии служит аккумуляторная батарея постоянного тока. На рисунке показаны также силовые линии поля электромагнита, которые можно выявить обычным методом железных опилок.

Рис. 1. ЭЛЕКТРОМАГНИТ создает магнитное поле благодаря электрическому току в обмотке.

Крупные электромагниты с железными сердечниками и очень большим числом ампер-витков, работающие в непрерывном режиме, обладают большой намагничивающей силой. Они создают магнитную индукцию до 6 Тл в промежутке между полюсами; эта индукция ограничивается лишь механическими напряжениями, нагреванием катушек и магнитным насыщением сердечника. Ряд гигантских электромагнитов (без сердечника) с водяным охлаждением, а также установок для создания импульсных магнитных полей был сконструирован П.Л.Капицей (1894–1984) в Кембридже и в Институте физических проблем АН СССР и Ф.Биттером (1902–1967) в Массачусетском технологическом институте. На таких магнитах удавалось достичь индукции до 50 Тл. Сравнительно небольшой электромагнит, создающий поля до 6,2 Тл, потребляющий электрическую мощность 15 кВт и охлаждаемый жидким водородом, был разработан в Лосаламосской национальной лаборатории. Подобные поля получают при криогенных температурах.

Магнитная проницаемость и ее роль в магнетизме.

Магнитная проницаемость m – это величина, характеризующая магнитные свойства материала. Ферромагнитные металлы Fe, Ni, Co и их сплавы обладают очень высокими максимальными проницаемостями – от 5000 (для Fe) до 800 000 (для супермаллоя). В таких материалах при сравнительно малых напряженностях поля H возникают большие индукции B, но связь между этими величинами, вообще говоря, нелинейна из-за явлений насыщения и гистерезиса, о которых говорится ниже. Ферромагнитные материалы сильно притягиваются магнитами. Они теряют свои магнитные свойства при температурах выше точки Кюри (770° С для Fe, 358° С для Ni, 1120° С для Co) и ведут себя как парамагнетики, для которых индукция B вплоть до очень высоких значений напряженности H пропорциональна ей – в точности так же, как это имеет место в вакууме. Многие элементы и соединения являются парамагнитными при всех температурах. Парамагнитные вещества характеризуются тем, что намагничиваются во внешнем магнитном поле; если же это поле выключить, парамагнетики возвращаются в ненамагниченное состояние. Намагниченность в ферромагнетиках сохраняется и после выключения внешнего поля.

На рис. 2 представлена типичная петля гистерезиса для магнитно-твердого (с большими потерями) ферромагнитного материала. Она характеризует неоднозначную зависимость намагниченности магнитоупорядоченного материала от напряженности намагничивающего поля. С увеличением напряженности магнитного поля от исходной (нулевой) точки (1) намагничивание идет по штриховой линии 12, причем величина m существенно изменяется по мере того, как возрастает намагниченность образца. В точке 2 достигается насыщение, т.е. при дальнейшем увеличении напряженности намагниченность больше не увеличивается. Если теперь постепенно уменьшать величину H до нуля, то кривая B(H) уже не следует по прежнему пути, а проходит через точку 3, обнаруживая как бы «память» материала о «прошлой истории», откуда и название «гистерезис». Очевидно, что при этом сохраняется некоторая остаточная намагниченность (отрезок 13). После изменения направления намагничивающего поля на обратное кривая В (Н) проходит точку 4, причем отрезок (1)–(4) соответствует коэрцитивной силе, препятствующей размагничиванию. Дальнейший рост значений (-H) приводит кривую гистерезиса в третий квадрант – участок 45. Следующее за этим уменьшение величины (-H) до нуля и затем возрастание положительных значений H приведет к замыканию петли гистерезиса через точки 6, 7 и 2.

Рис. 2. ТИПИЧНАЯ ПЕТЛЯ ГИСТЕРЕЗИСА для магнитно-твердого ферромагнитного материала. В точке 2 достигается магнитное насыщение. Отрезок 1–3 определяет остаточную магнитную индукцию, а отрезок 1–4 – коэрцитивную силу, характеризующую способность образца противостоять размагничиванию.

Магнитно-твердые материалы характеризуются широкой петлей гистерезиса, охватывающей значительную площадь на диаграмме и потому соответствующей большим значениям остаточной намагниченности (магнитной индукции) и коэрцитивной силы. Узкая петля гистерезиса (рис. 3) характерна для магнитно-мягких материалов – таких, как мягкая сталь и специальные сплавы с большой магнитной проницаемостью. Такие сплавы и были созданы с целью снижения обусловленных гистерезисом энергетических потерь. Большинство подобных специальных сплавов, как и ферриты, обладают высоким электрическим сопротивлением, благодаря чему уменьшаются не только магнитные потери, но и электрические, обусловленные вихревыми токами.

Рис. 3. ТИПИЧНАЯ ПЕТЛЯ ГИСТЕРЕЗИСА для магнитно-мягкого материала (например, железа) узка. Поскольку площадь петли пропорциональна потерям энергии, такие материалы слабо сопротивляются размагничиванию и характеризуются малыми потерями энергии.

Магнитные материалы с высокой проницаемостью изготовляются путем отжига, осуществляемого выдерживанием при температуре около 1000° С, с последующим отпуском (постепенным охлаждением) до комнатной температуры. При этом очень существенны предварительная механическая и термическая обработка, а также отсутствие в образце примесей. Для сердечников трансформаторов в начале 20 в. были разработаны кремнистые стали, величина m которых возрастала с увеличением содержания кремния. Между 1915 и 1920 появились пермаллои (сплавы Ni с Fe) с характерной для них узкой и почти прямоугольной петлей гистерезиса. Особенно высокими значениями магнитной проницаемости m при малых значениях H отличаются сплавы гиперник (50% Ni, 50% Fe) и му-металл (75% Ni, 18% Fe, 5% Cu, 2% Cr), тогда как в перминваре (45% Ni, 30% Fe, 25% Co) величина m практически постоянна в широких пределах изменения напряженности поля. Среди современных магнитных материалов следует упомянуть супермаллой – сплав с наивысшей магнитной проницаемостью (в его состав входит 79% Ni, 15% Fe и 5% Mo).

Теории магнетизма.

Впервые догадка о том, что магнитные явления в конечном счете сводятся к электрическим, возникла у Ампера в 1825, когда он высказал идею замкнутых внутренних микротоков, циркулирующих в каждом атоме магнита. Однако без какого-либо опытного подтверждения наличия в веществе таких токов (электрон был открыт Дж.Томсоном лишь в 1897, а описание структуры атома было дано Резерфордом и Бором в 1913) эта теория «увяла». В 1852 В.Вебер высказал предположение, что каждый атом магнитного вещества представляет собой крошечный магнит, или магнитный диполь, так что полная намагниченность вещества достигается, когда все отдельные атомные магниты оказываются выстроенными в определенном порядке (рис. 4,б). Вебер полагал, что сохранять свое упорядочение вопреки возмущающему влиянию тепловых колебаний этим элементарным магнитам помогает молекулярное или атомное «трение». Его теория смогла объяснить намагничивание тел при соприкосновении с магнитом, а также их размагничивание при ударе или нагреве; наконец, объяснялось и «размножение» магнитов при разрезании намагниченной иглы или магнитного стержня на части. И все же эта теория не объясняла ни происхождения самих элементарных магнитов, ни явлений насыщения и гистерезиса. Теория Вебера была усовершенствована в 1890 Дж.Эвингом, заменившим его гипотезу атомного трения идеей межатомных ограничивающих сил, помогающих поддерживать упорядочение элементарных диполей, которые составляют постоянный магнит.

Рис. 4. РАННЯЯ ТЕОРИЯ МАГНЕТИЗМА: предполагалось, что вещество намагничивается, когда его отдельные атомы (каждый из которых является маленьким магнитом), в отсутствие поля расположенные хаотически (а), под действием внешнего поля располагаются в определенном порядке (б).

Подход к проблеме, предложенный когда-то Ампером, получил вторую жизнь в 1905, когда П.Ланжевен объяснил поведение парамагнитных материалов, приписав каждому атому внутренний нескомпенсированный электронный ток. Согласно Ланжевену, именно эти токи образуют крошечные магниты, хаотически ориентированные, когда внешнее поле отсутствует, но приобретающие упорядоченную ориентацию после его приложения. При этом приближение к полной упорядоченности соответствует насыщению намагниченности. Кроме того, Ланжевен ввел понятие магнитного момента, равного для отдельного атомного магнита произведению «магнитного заряда» полюса на расстояние между полюсами. Таким образом, слабый магнетизм парамагнитных материалов обусловлен суммарным магнитным моментом, создаваемым нескомпенсированными электронными токами.

В 1907 П.Вейс ввел понятие «домена», ставшее важным вкладом в современную теорию магнетизма. Вейс представлял домены в виде небольших «колоний» атомов, в пределах которых магнитные моменты всех атомов в силу каких-то причин вынуждены сохранять одинаковую ориентацию, так что каждый домен намагничен до насыщения. Отдельный домен может иметь линейные размеры порядка 0,01 мм и соответственно объем порядка 10–6 мм3. Домены разделены так называемыми блоховскими стенками, толщина которых не превышает 1000 атомных размеров. «Стенка» и два противоположно ориентированных домена схематически изображены на рис. 5. Такие стенки представляют собой «переходные слои», в которых происходит изменение направления намагниченности доменов.

Рис. 5. ДОМЕН в теории магнетизма – это малая намагниченная область материала, в которой моменты атомов параллельны друг другу. Домены отделены друг от друга переходным слоем, называемым блоховской стенкой. Показаны два домена с противоположной ориентацией и блоховская стенка с промежуточной ориентацией.

В общем случае на кривой первоначального намагничивания можно выделить три участка (рис. 6). На начальном участке стенка под действием внешнего поля движется сквозь толщу вещества, пока не встретит дефект кристаллической решетки, который ее останавливает. Увеличив напряженность поля, можно заставить стенку двигаться дальше, через средний участок между штриховыми линиями. Если после этого напряженность поля вновь уменьшить до нуля, то стенки уже не вернутся в исходное положение, так что образец останется частично намагниченным. Этим объясняется гистерезис магнита. На конечном участке кривой процесс завершается насыщением намагниченности образца за счет упорядочения намагниченности внутри последних неупорядоченных доменов. Такой процесс почти полностью обратим. Магнитную твердость проявляют те материалы, у которых атомная решетка содержит много дефектов, препятствующих движению междоменных стенок. Этого можно достичь механической и термической обработкой, например путем сжатия и последующего спекания порошкообразного материала. В сплавах алнико и их аналогах тот же результат достигается путем сплавления металлов в сложную структуру.

Рис. 6. КРИВАЯ НАМАГНИЧИВАНИЯ и доминирующие процессы на разных ее участках.

Кроме парамагнитных и ферромагнитных материалов, существуют материалы с так называемыми антиферромагнитными и ферримагнитными свойствами. Различие между этими видами магнетизма поясняется на рис. 7. Исходя из представления о доменах, парамагнетизм можно рассматривать как явление, обусловленное наличием в материале небольших групп магнитных диполей, в которых отдельные диполи очень слабо взаимодействуют друг с другом (или вообще не взаимодействуют) и потому в отсутствие внешнего поля принимают лишь случайные ориентации (рис. 7,а). В ферромагнитных же материалах в пределах каждого домена существует сильное взаимодействие между отдельными диполями, приводящее к их упорядоченному параллельному выстраиванию (рис. 7,б). В антиферромагнитных материалах, напротив, взаимодействие между отдельными диполями приводит к их антипараллельному упорядоченному выстраиванию, так что полный магнитный момент каждого домена равен нулю (рис. 7,в). Наконец, в ферримагнитных материалах (например, ферритах) имеется как параллельное, так и антипараллельное упорядочение (рис. 7,г), итогом чего оказывается слабый магнетизм.

Рис. 7. ТИПЫ УПОРЯДОЧЕНИЯ магнитных моментов атомов в парамагнитных (а), ферромагнитных (б), антиферромагнитных (в) и ферримагнитных (г) веществах.

Имеются два убедительных экспериментальных подтверждения существования доменов. Первое из них – так называемый эффект Баркгаузена, второе – метод порошковых фигур. В 1919 Г.Баркгаузен установил, что при наложении внешнего поля на образец из ферромагнитного материала его намагниченность изменяется небольшими дискретными порциями. С точки зрения доменной теории это не что иное, как скачкообразное продвижение междоменной стенки, встречающей на своем пути отдельные задерживающие ее дефекты. Данный эффект обычно обнаруживается с помощью катушки, в которую помещается ферромагнитный стерженек или проволока. Если поочередно подносить к образцу и удалять от него сильный магнит, образец будет намагничиваться и перемагничиваться. Скачкообразные изменения намагниченности образца изменяют магнитный поток через катушку, и в ней возбуждается индукционный ток. Напряжение, возникающее при этом в катушке, усиливается и подается на вход пары акустических наушников. Щелчки, воспринимаемые через наушники, свидетельствует о скачкообразном изменении намагниченности.

Для выявления доменной структуры магнита методом порошковых фигур на хорошо отполированную поверхность намагниченного материала наносят каплю коллоидной суспензии ферромагнитного порошка (обычно Fe3O4). Частицы порошка оседают в основном в местах максимальной неоднородности магнитного поля – на границах доменов. Такую структуру можно изучать под микроскопом. Был предложен также метод, основанный на прохождении поляризованного света сквозь прозрачный ферромагнитный материал.

Первоначальная теория магнетизма Вейса в своих основных чертах сохранила свое значение до настоящего времени, получив, однако, обновленную интерпретацию на основе представления о нескомпенсированных электронных спинах как факторе, определяющем атомный магнетизм. Гипотеза о существовании собственного момента у электрона была выдвинута в 1926 С.Гаудсмитом и Дж.Уленбеком, и в настоящее время в качестве «элементарных магнитов» рассматриваются именно электроны как носители спина.

Для пояснения этой концепции рассмотрим (рис. 8) свободный атом железа – типичного ферромагнитного материала. Две его оболочки (K и L), ближайшие к ядру, заполнены электронами, причем на первой из них размещены два, а на второй – восемь электронов. В K-оболочке спин одного из электронов положителен, а другого – отрицателен. В L-оболочке (точнее, в двух ее подоболочках) у четырех из восьми электронов положительные, а у других четырех – отрицательные спины. В обоих случаях спины электронов в пределах одной оболочки полностью компенсируются, так что полный магнитный момент равен нулю. В M-оболочке ситуация иная, поскольку из шести электронов, находящихся в третьей подоболочке, пять электронов имеют спины, направленные в одну сторону, и лишь шестой – в другую. В результате остаются четыре нескомпенсированных спина, чем и обусловлены магнитные свойства атома железа. (Во внешней N-оболочке всего два валентных электрона, которые не дают вклада в магнетизм атома железа.) Сходным образом объясняется магнетизм и других ферромагнетиков, например никеля и кобальта. Поскольку соседние атомы в образце железа сильно взаимодействуют друг с другом, причем их электроны частично коллективизируются, такое объяснение следует рассматривать лишь как наглядную, но весьма упрощенную схему реальной ситуации.

Рис. 8. НЕСКОМПЕНСИРОВАННЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ СПИНЫ как причина магнетизма. Изображены оболочки и подоболочки свободного атома железа, имеющего четыре нескомпенсированных электронных спина в 3d-подоболочке М-оболочки, которыми и обусловлены магнитные свойства железа.

Теорию атомного магнетизма, основанную на учете спина электрона, подкрепляют два интересных гиромагнитных эксперимента, один из которых был проведен А.Эйнштейном и В.де Гаазом, а другой – С.Барнеттом. В первом из этих экспериментов цилиндрик из ферромагнитного материала подвешивался так, как показано на рис. 9. Если по проводу обмотки пропустить ток, то цилиндрик поворачивается вокруг своей оси. При изменении направления тока (а следовательно, и магнитного поля) он поворачивается в обратном направлении. В обоих случаях вращение цилиндрика обусловлено упорядочением электронных спинов. В эксперименте Барнетта, наоборот, так же подвешенный цилиндрик, резко приведенный в состояние вращения, в отсутствие магнитного поля намагничивается. Этот эффект объясняется тем, что при вращении магнетика создается гироскопический момент, стремящийся повернуть спиновые моменты по направлению собственной оси вращения.

Рис. 9. ЭКСПЕРИМЕНТ ЭЙНШТЕЙНА – ДЕ ГААЗА. При пропускании тока по обмотке, охватывающей ферромагнитный цилиндрик, последний поворачивается в направлении стрелки. Если изменить направление тока, то цилиндрик поворачивается в другую сторону.

За более полным объяснением природы и происхождения короткодействующих сил, упорядочивающих соседние атомные магнитики и противодействующих разупорядочивающему влиянию теплового движения, следует обратиться к квантовой механике. Квантово-механическое объяснение природы этих сил было предложено в 1928 В.Гейзенбергом, который постулировал существование обменных взаимодействий между соседними атомами. Позднее Г.Бете и Дж.Слэтер показали, что обменные силы существенно возрастают с уменьшением расстояния между атомами, но по достижении некоторого минимального межатомного расстояния падают до нуля.

МАГНИТНЫЕ СВОЙСТВА ВЕЩЕСТВА

Одно из первых обширных и систематических исследований магнитных свойств вещества было предпринято П.Кюри. Он установил, что по своим магнитным свойствам все вещества можно разделить на три класса. К первому относятся вещества с резко выраженными магнитными свойствами, подобными свойствам железа. Такие вещества называются ферромагнитными; их магнитное поле заметно на значительных расстояниях (см. выше). Во второй класс попадают вещества, называемые парамагнитными; магнитные свойства их в общем аналогичны свойствам ферромагнитных материалов, но гораздо слабее. Например, сила притяжения к полюсам мощного электромагнита может вырвать из ваших рук железный молоток, а чтобы обнаружить притяжение парамагнитного вещества к тому же магниту, нужны, как правило, очень чувствительные аналитические весы. К последнему, третьему классу относятся так называемые диамагнитные вещества. Они отталкиваются электромагнитом, т.е. сила, действующая на диамагнетики, направлена противоположно той, что действует на ферро- и парамагнетики.

Измерение магнитных свойств.

При изучении магнитных свойств наиболее важное значение имеют измерения двух типов. Первый из них –измерения силы, действующей на образец вблизи магнита; так определяется намагниченность образца. Ко второму относятся измерения «резонансных» частот, связанных с намагничением вещества. Атомы представляют собой крошечные «гироскопы» и в магнитном поле прецессируют (как обычный волчок под влиянием вращающего момента, создаваемого силой тяжести) с частотой, которая может быть измерена. Кроме того, на свободные заряженные частицы, движущиеся под прямым углом к линиям магнитной индукции, действует сила, как и на электронный ток в проводнике. Она заставляет частицу двигаться по круговой орбите, радиус которой дается выражением

R = mv/eB,

где m – масса частицы, v – ее скорость, e – ее заряд, а B – магнитная индукция поля. Частота такого кругового движения равна

Рис. 9. ЭКСПЕРИМЕНТ ЭЙНШТЕЙНА – ДЕ ГААЗА. При пропускании тока по обмотке, охватывающей ферромагнитный цилиндрик, последний поворачивается в направлении стрелки. Если изменить направление тока, то цилиндрик поворачивается в другую сторону.

где f измеряется в герцах, e – в кулонах, m – в килограммах, B – в теслах. Эта частота характеризует движение заряженных частиц в веществе, находящемся в магнитном поле. Оба типа движений (прецессию и движение по круговым орбитам) можно возбудить переменными полями с резонансными частотами, равными «естественным» частотам, характерным для данного материала. В первом случае резонанс называется магнитным, а во втором – циклотронным (ввиду сходства с циклическим движением субатомной частицы в циклотроне).

Говоря о магнитных свойствах атомов, необходимо особо остановиться на их моменте импульса. Магнитное поле действует на вращающийся атомный диполь, стремясь повернуть его и установить параллельно полю. Вместо этого атом начинает прецессировать вокруг направления поля (рис. 10) с частотой, зависящей от дипольного момента и напряженности приложенного поля.

Рис. 10. ПРЕЦЕССИЯ АТОМА. Атом с магнитным моментом p прецессирует в магнитном поле с индукцией B.

Прецессия атомов не поддается непосредственному наблюдению, поскольку все атомы образца прецессируют в разной фазе. Если же приложить небольшое переменное поле, направленное перпендикулярно постоянному упорядочивающему полю, то между прецессирующими атомами устанавливается определенное фазовое соотношение и их суммарный магнитный момент начинает прецессировать с частотой, равной частоте прецессии отдельных магнитных моментов. Важное значение имеет угловая скорость прецессии. Как правило, это величина порядка 1010 Гц/Тл для намагниченности, связанной с электронами, и порядка 107 Гц/Тл для намагниченности, связанной с положительными зарядами в ядрах атомов.

Принципиальная схема установки для наблюдения ядерного магнитного резонанса (ЯМР) представлена на рис. 11. В однородное постоянное поле между полюсами вводится изучаемое вещество. Если затем с помощью небольшой катушки, охватывающей пробирку, возбудить радиочастотное поле, то можно добиться резонанса на определенной частоте, равной частоте прецессии всех ядерных «гироскопов» образца. Измерения сходны с настройкой радиоприемника на частоту определенной станции.

Рис. 11. ЯДЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС. Исследуемое вещество в стеклянной пробирке помещается в постоянное магнитное поле. В катушке, намотанной на пробирку, возбуждается резонанс на частоте, равной частоте гироскопической прецессии атома в магнитном поле.

Методы магнитного резонанса позволяют исследовать не только магнитные свойства конкретных атомов и ядер, но и свойства их окружения. Дело в том, что магнитные поля в твердых телах и молекулах неоднородны, поскольку искажены атомными зарядами, и детали хода экспериментальной резонансной кривой определяются локальным полем в области расположения прецессирующего ядра. Это и дает возможность изучать особенности структуры конкретного образца резонансными методами.

Расчет магнитных свойств.

Магнитная индукция поля Земли составляет 0,5Ч10–4 Тл, тогда как поле между полюсами сильного электромагнита – порядка 2 Тл и более.

Магнитное поле, создаваемое какой-либо конфигурацией токов, можно вычислить, пользуясь формулой Био – Савара – Лапласа для магнитной индукции поля, создаваемого элементом тока. Расчет поля, создаваемого контурами разной формы и цилиндрическими катушками, во многих случаях весьма сложен. Ниже приводятся формулы для ряда простых случаев. Магнитная индукция (в теслах) поля, создаваемого длинным прямым проводом с током I (ампер), на расстоянии r (метров) от провода равна

Рис. 11. ЯДЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС. Исследуемое вещество в стеклянной пробирке помещается в постоянное магнитное поле. В катушке, намотанной на пробирку, возбуждается резонанс на частоте, равной частоте гироскопической прецессии атома в магнитном поле.

Индукция в центре кругового витка радиуса R с током I равна (в тех же единицах):

Рис. 11. ЯДЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС. Исследуемое вещество в стеклянной пробирке помещается в постоянное магнитное поле. В катушке, намотанной на пробирку, возбуждается резонанс на частоте, равной частоте гироскопической прецессии атома в магнитном поле.

Плотно намотанная катушка провода без железного сердечника называется соленоидом. Магнитная индукция, создаваемая длинным соленоидом c числом витков N в точке, достаточно удаленной от его концов, равна

Рис. 11. ЯДЕРНЫЙ МАГНИТНЫЙ РЕЗОНАНС. Исследуемое вещество в стеклянной пробирке помещается в постоянное магнитное поле. В катушке, намотанной на пробирку, возбуждается резонанс на частоте, равной частоте гироскопической прецессии атома в магнитном поле.

Здесь величина NI/L есть число ампер (ампер-витков) на единицу длины соленоида. Во всех случаях магнитное поле тока направлено перпендикулярно этому току, а сила, действующая на ток в магнитном поле, перпендикулярна и току, и магнитному полю.

Поле намагниченного железного стержня сходно с внешним полем длинного соленоида с числом ампер-витков на единицу длины, соответствующим току в атомах на поверхности намагниченного стержня, поскольку токи внутри стержня взаимно компенсируются (рис. 12). По имени Ампера такой поверхностный ток называется амперовским. Напряженность магнитного поля Ha, создаваемая амперовским током, равна магнитному моменту единицы объема стержня M.

Рис. 12. АТОМНЫЕ ТОКИ внутри намагниченного стержня полностью компенсируют друг друга, так что остается лишь амперовский ток на его поверхности.

Если в соленоид вставлен железный стержень, то кроме того, что ток соленоида создает магнитное поле H, упорядочение атомных диполей в намагниченном материале стержня создает намагниченность M. В этом случае полный магнитный поток определяется суммой реального и амперовского токов, так что B = m0(H + Ha), или B = m0(H + M). Отношение M/H называется магнитной восприимчивостью и обозначается греческой буквой c ; c – безразмерная величина, характеризующая способность материала намагничиваться в магнитном поле.

Величина B/H, характеризующая магнитные свойства материала, называется магнитной проницаемостью и обозначается через ma, причем ma = m0m, где ma – абсолютная, а m – относительная проницаемости,

Рис. 12. АТОМНЫЕ ТОКИ внутри намагниченного стержня полностью компенсируют друг друга, так что остается лишь амперовский ток на его поверхности.

В ферромагнитных веществах величина c может иметь очень большие значения –до 104ё106. Величина c у парамагнитных материалов немного больше нуля, а у диамагнитных – немного меньше. Лишь в вакууме и в очень слабых полях величины c и m постоянны и не зависят от внешнего поля. Зависимость индукции B от H обычно нелинейна, а ее графики, т.н. кривые намагничивания, для разных материалов и даже при разных температурах могут существенно различаться (примеры таких кривых приведены на рис. 2 и 3).

Магнитные свойства вещества весьма сложны, и для их глубокого понимания необходим тщательный анализ строения атомов, их взаимодействий в молекулах, их столкновений в газах и их взаимного влияния в твердых телах и жидкостях; магнитные свойства жидкостей пока наименее изучены.

Постоянные магниты — Класс!ная физика

Постоянные магниты

Постоянные  магниты  – это  тела,  длительное  время  сохраняющие  намагниченность.
Основное свойство магнтов: притягивать тела  из  железа  или  его  сплавов (напр. стали).

Постоянный  магнит  всегда  имеет  2  магнитных полюса:  северный  (   N  )  и  южный  (  S  ).
Наиболее  сильно магнитное поле постоянного магнита у его полюсов.

Постоянные магниты изготавливают обычно из з  железа,  стали,  чугуна  и  других  сплавов  железа (сильные магниты), а   также  из  никеля,  кобальта  ( слабые  магниты ).
Магниты  бывают  естественные  (  природные)  из  железной  руды магнитного железняка и  искусственные,  полученные  намагничиванием  железа при  внесении  его в  магнитное  поле.

Взаимодействие магнитов

одноименные  полюса  отталкиваются, а  разноименные  полюса  притягиваются.
Взаимодействие  магнитов  объясняется   тем,  что  любой  магнит  имеет  магнитное  поле, и  эти  магнитные  поля  взаимодействуют  между  собой.

Магнитное поле постоянных магнитов

В чем причины намагничивания железа?
Согласно   гипотезе  французского ученого  Ампера  внутри  вещества  существуют  элементарные электрические  токи  (  токи  Ампера ),  которые  образуются  вследствие  движения  электронов  вокруг  ядер  атомов  и  вокруг  собственной  оси.  При  движении  электронов  возникает  элементарные магнитные  поля. При внесении куска железа во внешнее магнитное поле все элементарные магнитные поля в этом железе ориентируются одинаково во внешнем магнитном поле, образуя собственное магнитное поле. Так кусок железа становится магнитом.

Как выглядит магнитное поле постоянных магнитов?
Представление  о  виде  магнитного  поля    можно  получить  с  помощью  железных  опилок. Стоит лишь положить на магнит лист бумаги и посыпать его сверху железными опилками.

Для постоянного полосового магнита

Для постоянного дугообразного магнита

ОТВЕТЬ

 Если к  вертушке, сделанной из железных спиц, поднести  магнит, а  рядом под вертушкой поставить  горелку, то что будет происходить?

ЕСТЕСТВЕННЫЕ МАГНИТЫ

Природные (или естественные) магниты — это куски магнитного железняка.

Магнитный железняк или магнетит в разных странах 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.
Почти половина этих названий переводится как «любящий», именно так описывалось основное свойство магнитов — притягивать, «любить» железо.

По химическому составу магнетит состоит на 31% из FeO и на 69% из Fe2O3.
___

Естественные магниты, выточенные из кусков магнитного железняка, иногда достигали больших размеров. По сей день в Тартусском университете находится самый крупный известный естественный магнит. Его масса 13 кг, а подъемная сила 40 кг (в арматуре).
Такие магниты в медной оправе с железными накладками выпускались уральскими заводами. Их использовали горные офицеры, моряки, изготовители компасов, исследователи.
___

Такие магниты заказывали и богатые любители курьезов. Обычно оправой магнитов служила красиво отделанная медная коробка, наверху крепилась подвижная ручка, снизу подвешивалось «ярмо» с фигурно вырезанной рамкой и крючком для подвески груза. Эти магниты поднимали груз, превышающий по массе сам магнит раз в десять.
___

Один из самых сильных естественных магнитов был, по преданию, у Ньютона – в его перстень был вставлен магнит, поднимавший предметы, масса которых была в 50 (!) раз больше массы самого магнита.

ЗНАЕШЬ ОБ ЭТОМ

… что нейтронные звезды являются самыми сильными магнитами во Вселенной. Их магнитное поле во много миллиардов раз больше, чем магнитное поле Земли.

ИСКУССТВЕННЫЕ МАГНИТЫ

Искусственные магниты стали изготовлять ещё в Англии в 18 веке.
___

Чтобы намагнитить вещество, его надо поместить в магнитное поле.

КАК СДЕЛАТЬ МАГНИТ

Искусственные магниты можно получить:
1. натирая куском магнитного железняка (или одним концом постоянного магнита) в одном направлении железные бруски;
2. или просто прислоняя ненамагниченный железный брусок к постоянному магниту.
Оказывается так можно получить искусственные магниты гораздо более сильные, чем те, которыми натираешь!
___

Некоторые вещества очень легко намагнитить. Но обычно легконамагничивающиеся вещества так же легко и размагничиваются (чистое железо). Такие вещества называют магнитомягкими.
___

Труднонамагничивающиеся вещества (сталь) остаются сильнонамагниченными и после удаления внешнего магнитного поля, их называют магнитотвердыми.
___

В конце прошлого века заметили, что добавка к железу 3% вольфрама примерно в 3 раза улучшает свойства искусственных магнитов. Добавка кобальта улучшает свойства еще в 3 раза.
___

Лучшим предвоенным магнитным сплавом был сплав альнико на базе алюминия, никеля и кобальта.
С помощью магнитов из альнико можно было поднимать железные предметы массой, в 500 раз превышающей массу самого магнита.
А при спекании порошкообразного альнико удалось изготовить магнит, который поднял предмет, чья масса превосходила массу магнита в 4450 раз!
___

Еще более сильные магниты изготовляют из сплава магнико, в состав которого входят железо, кобальт, никель и некоторые другие добавки. Созданные на основе этого сплава «порошковые» магниты могут поднимать груз железа массой, более чем в 5000 раз превышающей их собственную.
___

Еще более сильными являются так называемые оксидно-бариевые магниты.

___

Японцы 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.

А ОНИ ВСЕ ТАКИЕ РАЗНЫЕ

Интересно, что все вещества, помещенные в магнитное поле, намагничиваются.
…Но по-разному!

Разные  вещества по-разному  реагируют   на  помещении их во внешнее магнитное поле:
— есть вещества, ослабляющие действие внешнего поля внутри себя – это  парамагнетики.
—  есть вещества,  усиливающие внешнее поле внутри себя –  это диамагнетики.
— есть  вещества с огромной  способностью (в тысячи раз) усиливать внешнее поле внутри себя  (железо, кобальт, никель, сплавы и соединения этих металлов) –  это ферромагнетики.

Ферромагнетики   делятся на : 
— материалы, которые после воздействия на них  сильного внешнего магнитного поля сами становятся магнитами – это магнитотвердые  материалы.
— материалы, которые ведут себя, как магниты, пока они находятся в сильном внешнем магнитном поле, но если внешнее магнитное поле исчезает, такие материалы сразу же теряют свои магнитные свойства — это магнитомягкие материалы.

ЧИТАЕМ

Магнитные жидкости.
Органические магниты.
Лечение магнитами.
Тайны магнита

ОПЫТЫ


Магнитные свойства и температура.
Опыты с намагниченными иголками.

НУ И НУ

На городской площади гватемальского городка Демокрасия стоит дюжина древних фигур, найденных при раскопках городища ольмеков. Эти скульптуры «Толстые мальчики» более трех тысяч лет назад были высечены из глыб магнитной породы.
Интересно, что магнитные силовые линии как бы выходят из живота «толстяков»!
Кроме «толстых мальчиков», древние ольмеки умели высекать фигуры морских черепах с намагниченной головой, связывая, вероятно, способность черепах находить правильный курс в открытом море.
___

В китайских летописях есть описания магнитных ворот, через которые не мог пройти недоброжелатель с оружием.
___

Существует рассказ о часовне Магомета с магнитным сводом, под которым парит железный сундук с прахом пророка. Однако европейским путешественникам ни разу не удалось увидеть этой диковины.
___

Плиний писал, что александрийский архитектор Хинократ начал делать свод храма Арсинои из магнитного камня, для того чтобы железная фигура Арсинои висела в воздухе; этот замысел не был, повидимому, осуществлен.
Многие историки церкви утверждают, что в александрийском храме Сераписа статуя бога Солнца могла, к изумлению молящихся, взлететь к потолку, увлекаемая силой большого магнита.
___

Источник В.Карцев. Магнит за три тысячелетия.



Магнитное поле постоянных магнитов — урок. Физика, 8 класс.

Те места магнита, где обнаруживаются наиболее сильные магнитные действия, называют полюсами магнита (рис. \(1\)).

Обрати внимание!

У всякого магнита, как и у известной нам магнитной стрелки, обязательно есть два полюса: северный (\(N\)) и южный (\(S\)).

 

Рис. \(1\)

 

Магнитный железняк позволил людям впервые познакомиться 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. \(2\)).

 

Рис. \(2\)

 

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 (рис. \(3\)).

 

Рис. \(3\)

Разноимённые магнитные полюсы притягиваются, одноимённые отталкиваются.

Это правило относится и к электромагнитам.

Обрати внимание!

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.

 

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. \(4\)).

 

Рис. \(4\)

 

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.

Картина линий магнитного поля полосового магнита, полученная при помощи железных опилок, представлена на рисунке \(1\).

 

На рисунке \(5\) показаны магнитные линии магнитного поля двух магнитов, обращённых друг к другу одноимёнными полюсами, а на рисунке \(6\) — двух магнитов, обращённых друг к другу разноимёнными полюсами.

 

Рис. \(5\)

 

Рис. \(6\)

Урок «Постоянные магниты. Магнитное поле постоянных магнитов».

8 класс

Тема: «Постоянные магниты. Магнитное поле постоянных магнитов».

Цели урока.

— Изучение свойств постоянных магнитов. Объяснение намагниченности железа (гипотеза Ампера). Обнаружение и изучение магнитного поля постоянных магнитов.

— Развитие внимательности, наблюдательности, умений проводить сравнения, анализировать, делать обобщения.

— Формирование убеждённости в познаваемости окружающего мира.

Тип урока:

— приобретение новых знаний,

— формирование экспериментальных умений и навыков.

Технологии:

— применение исследовательских методов в обучении,

— элементы проблемного обучения,

— элементы дифференцированного обучения.

Оборудование для фронтального лабораторного эксперимента: магниты полосовые (2шт), магнит дугообразный, мелкие предметы, изготовленные из разных веществ, коробочка-сито с железными опилками, лист картона, лист бумаги.

План.

1. Организационный момент. Целевая установка.

2. Повторение, актуализация знаний (в форме блиц – опроса).

3. Изучение нового материала.

4. Домашнее задание.

5. Подведение итогов.

Ход урока

Деятельность учащихся.

Методика работы с классом.

Постановка цели.

Мы продолжаем изучать электромагнитные явления. Начнём с загадки:

Когда с тобою этот друг,

Ты можешь без дорог

Шагать на север и на юг,

На запад и восток.

И в тайге, и в океане

Он отыщет путь любой.

Умещается в кармане

И ведёт нас за собой.

(Компас)

И так, на данном уроке нам предстоит познакомиться с телами, которые долгое время сохраняют намагниченность. Эти тела называются постоянными магнитами. Чтобы объяснить свойства магнитов, надо вспомнить, что уже нам известно об электромагнитных явлениях.

Блиц — опрос.

1. Назовите учёного, который впервые наблюдал действие магнитного поля проводника с током на магнитную стрелку. (Эрстед.)

2. Что является источником магнитного поля?

( Движущиеся электрические заряды.)

3. Почему для изучения магнитного поля можно использовать железные опилки?

(В магнитном поле опилки намагничиваются и становятся маленькими магнитными стрелками.)

4. Что представляет собой электромагнит?

(Катушка с железным сердечником внутри)

5.Какими способами можно усилить магнитное действие электромагнита?

(Надо увеличить число витков, увеличить силу тока.)

6. В каких технических устройствах находят применение электромагниты?

(Электромагнитный подъёмный кран, магнитный сепаратор зерна, электрический звонок, простейший телеграф, электромагнитное реле.)

Лабораторная работа

Часть I «Изучение свойств постоянных магнитов».

Задание 1.

Выяснить, как ведут себя вблизи с магнитом мелкие предметы, изготовленные из различных веществ.

Вывод 1.

С магнитом взаимодействуют стальные и железные предметы. На пластмассу, резину, бумагу, дерево, алюминий, медь и другие цветные металлы магнит не действует.

Задание 2.

Используя небольшой железный гвоздик (гайку, винтик), выясните, какие места магнита сильнее всего притягивают железные предметы. Какое место магнита «не магнитит»?

Вывод 2.

Самым сильным действием магнит обладает у полюсов.

Задание 3.

Выяснить, как взаимодействую друг с другом различные полюса двух магнитов?

Вывод 3.

Разноимённые полюса магнитов притягиваются.

Одноимённые полюса магнитов отталкиваются.

Часть II «Получение магнитных спектров».

Задание 4.

С помощью железных опилок получить и зарисовать магнитные спектры

а) прямого магнита;

б) дугообразного магнита;

hello_html_m79dc3fc5.jpg

в) двух прямых магнитов, обращённых друг к другу одноимёнными полюсами;

hello_html_m59005a36.png

г) двух прямых магнитов, обращённых друг к другу разноимёнными полюсами.

hello_html_m4b0cd397.png

Общие выводы по исследованию.

1 Мы изучили свойства постоянных магнитов.

2. Используя железные опилки, мы получили наглядное представление о магнитном поле постоянных магнитов. Магнитное поле окружает магнит, а также находится внутри него. Мы «увидели» невидимое.

Проблемный вопрос: какова причина намагниченности постоянных магнитов?

1. Вспомним, при каком условии может возникнуть постоянное магнитное поле?

2. А может ли постоянное магнитное поле возникать без движущихся зарядов?

3. Выскажите предположения (гипотезы) о причине намагниченности постоянных магнитов.

4.Какие частицы в телах могут создавать микроскопические токи?

Решение проблемы завершаем знакомством с гипотезой Ампера, объясняющей намагниченность железа?

Задание на дом: § 59 , ответить на вопросы 1 – 8.

Индивидуальные задания: подготовить сообщения

« История изобретения компаса», «Магнитное поле Земли», составить кроссворд по теме «Электромагнитные явления».

На вопросы

блиц — опроса отвечаем

кратко, лаконично.

Инструктаж:

ТБ при работе с железными опилками и заострёнными предметами.

Выполнение опытов

сопровождается

обсуждением

результатов

наблюдений и

формулировкой

выводов.

Выполнение фронтального эксперимента.

Выполнение зарисовок

в тетрадях.

Заключительные выводы формулируются по возможности

самостоятельно.

Также прошу детей написать, какое впечатление произвели на них проведённые наблюдения (что понравилось, что вызвало удивление).

Решаем проблемную ситуацию.

Работа с учебником:

чтение выдержки

из § 59 на стр.138.

Д.З. дифференцированно.

План-конспект урока по физике (8 класс) на тему: Урок. « Постоянные магниты. Магнитное поле Земли»

Урок – практикум

 « Постоянные магниты. Магнитное поле Земли»

8 класс

Цель урока: Развитие способов мыслительной деятельности, коммуникативных навыков учащихся, формирование  понятия магнитного поля, постоянного магнита, магнитного поля Земли.

Задачи урока:

— изучить свойства постоянного магнита, магнитного поля Земли;

— исследовать взаимодействие полюсов двух магнитов,

— определить свойства магнитного поля;

— на основе физического эксперимента выделить особенности взаимодействия магнита с различными веществами.

        Оборудование: Полосовые магниты, подковообразные магниты, магнитные стрелки на подставке, стальные скрепки, наборы калориметрические (3 цилиндра: железный, алюминиевый, латунный), железные опилки, листы бумаги размером.

Ход урока.    

     Проблемный вопрос для учащихся

Начнём урок с экспериментальной задачи. На столах перед вами стоят стаканы с водой, на дне которых лежат скрепки. Как вынуть скрепку, не намочив ни рук, ни инструментов?

         Проделайте эксперимент. Опишите свой опыт. Каким прибором вы воспользовались? Магнитом. Он и будет предметом изучения на нашем уроке.

                                             1. Актуализация знаний. 

        — Магнитное поле порождается…

А) только покоящимися электрическими зарядами;

Б) как неподвижными, так и движущимися электрическими зарядами;

В) только движущимися электрическими зарядами

        — Из опыта Эрстеда следует, что …

А) проводник с током действует на эл. Заряды

Б) магнитная стрелка взаимодействует вблизи проводника с током

В) два проводника взаимодействуют между собой

        —  Как располагаются железные опилки в магнитном поле прямого тока

А) беспорядочно

Б) по прямым линиям

В) по замкнутым кривым, охватывающим проводник

                                          2. Изучение нового материала. 

Каждый из нас с раннего детства слышал что-нибудь о магните.

Давайте поэкспериментируем и определим свойства постоянного магнита.

На столах лежат листы с экспериментальными заданиями.

         Задание 1.Взаимодействие постоянного магнита с разными материалами. 

Оборудование: магнит, несколько тел, изготовленных из разных материалов.

           Начнём с истории. Много веков тому назад пастух в поисках своей заблудившейся овцы зашёл в незнакомые места. В горы. Кругом лежали тёмные камни. Он с изумлением заметил, что его палку с железным наконечником камни притягивают к себе, словно её хватает неизвестная рука. Поражённый чудесной силой камней пастух принёс их в ближайший город – Магнесу. Здесь все могли убедиться в том, что рассказ пастуха не выдумка – удивительные камни притягивали к себе железные вещи. И название камню дали — магнит, в честь области Магнесии, где его нашли. А постоянный, потому что природный, долго сохраняет свои удивительные свойства.

Поднесите магнит к предметам, изготовленным из различных материалов, установите, все ли из них притягиваются магнитом, заполните таблицу. В колонке поставьте знаки + или –

Предмет

Взаимодействует

пластмасса

бумага        

медь

сталь

дерево

алюминий

Сделайте вывод. Учащиеся делают выводы.

            Задание 2.  Изучение магнитных взаимодействий. 

     — у магнита есть полюса северный и южный;

     — северный полюс обозначается N окрашен в синий цвет (белый), южный S окрашен в красный;

     — магниты бывают полосовые и подковообразные.

Оборудование: 1 магнит подвесить, другой подносить к нему. Зарисуйте результаты.

Вывод. Одноименные полюсы магнита отталкиваются, разноименные — притягиваются.

 

      Задание 3. Наблюдение картины магнитного поля постоянных магнитов.

Оборудование: полосовые магниты,  стаканчики с металлическим порошком.

       Накройте полосовой магнит бумагой, насыпьте порошок. Рассмотрите полученное изображение. Повторите опыт для дугового магнита.

        Рисунки, которые у вас получились, дают представление о картине магнитного поля полосового и дугообразного магнитов. 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.

            Задание 4. Все ли точки магнитов обладают одинаковой силой?

Оборудование: металлические скрепки, магниты (полосовой и дуговой).

 Возьмите полосовой магнит, поднесите несколько скрепок точно к середине магнита, где проходит граница между красной и синей половинками. Притягивает ли магнит скрепки?

Приближайте скрепки к разным местам магнита, начиная от середины. Какие места обнаруживают наиболее сильное магнитное действие? Повторите то же с дуговым магнитом.

Сделайте вывод. Учащиеся делают вывод.

Вывод. Линия посередине магнита, называемая нейтральной, не обнаруживает магнитных свойств. Наиболее сильное магнитное действие обнаруживают полюса магнита.

                                              Задание 5. 

Как называется этот прибор?

Компас – устройство, в котором стрелка устанавливается определённым образом.

Как вы думаете. Почему?

У Земли есть полюса.

Если есть полюса, значит Земля – большой космический магнит.

     Давайте, вместе, определим стороны света в нашем классе. Для этого возьмите компас. Отметим примерное положение северного полюса и южного.

     Наблюдения показали, что магнитные полюса Земли не совпадают с её географическими полюсами. В связи с этим направление магнитной стрелки компаса не совпадает с направлением географического меридиана. Южный магнитный полюс Земли находится на острове Принца Уэльского – в 2100 км от Северного географического полюса, а северный магнитный — около Южного географического полюса. Геофизики доказали, что за последний миллион лет магнитные полюса Земли менялись 7 раз.

                      Задание 7.  Как объяснить намагниченность магнитов? 

Оказывается, что все дело в особом поле, создаваемом магнитом. Вокруг любого магнита существует магнитное поле. Оно и притягивает железо к магниту.

           Прочитайте текст учебника на стр. 138 (3 абзац) и найдите ответ на вопрос: как французский учёный Ампер объяснил намагниченность железа и стали?

            У Земли есть свое магнитное поле. Иначе ориентация магнитов разной формы не убеждала бы нас в этом. Как убедиться в том, что Земля это магнит? Картонку с железными опилками на Земной шар не положишь. Давайте послушает сообщение нашего ученика о магнитном поле Земли. (Сообщение зачитывает ученик)

      Ученик: О существовании земного магнетизма человеку стало известно, начиная с 800 г. до нашей эры. С древних времен известен способ ориентации относительно сторон света при помощи компаса. О магнитном поле Земли можно судить по поведению двух магнитных стрелок: одной, способной поворачиваться только влево -вправо (стрелка обычного компаса), и другой способной поворачиваться вверх-вниз (стрелка наклонения). Обойдя с этими двумя стрелками весь земной шар, можно нарисовать магнитные силовые линии Земли. На Земле есть две замечательные точки: стрелка наклонения здесь становится вертикально и показывает острием вниз, а стрелка компаса крутится, как ей вздумается. Эти две точки – магнитные полюса Земли. Обнаружить магнитное поле можно толь с помощью приборов. Человек магнитное поле не чувствует. Но жить без слабого магнитного поля не может. А в сильном тяжело болеет и живет не долго. Существует прибор для измерения величины, характеризующей интенсивность магнитного поля – ИМИ (измеритель магнитной индукции), магнетометр или Теслометр.

 Поговорим о магнитном поле Земли

          Установлено, что земное магнитное поле надежно защищает поверхность Земли от космического излучения, действие которого на живые организмы разрушительно.

Иногда возникают магнитные бури – кратковременные изменения магнитного поля Земли, которые сильно влияют на стрелку компаса. Наблюдения показывают, что появление магнитных бурь связано с солнечной активностью. В период усиления солнечной активности с поверхности Солнца в мировое пространство выбрасываются потоки заряженных частиц, электронов и протонов. Магнитное поле, образуемое этими движущимися частицами, изменяет магнитное поле Земли и вызывает магнитную бурю. Магнитные бури – явление кратковременное.

На земном шаре встречаются области, в которых направление магнитной стрелки постоянно отклонено от направления магнитной линии Земли. Такие области называют областями магнитной аномалии.

Результатом взаимодействия солнечного ветра с магнитным полем Земли является полярное сияние. Сталкиваясь с атомами и молекулами атмосферного воздуха, они

ионизируют и возбуждают их, в результате чего возникает свечение, которое называют полярным сиянием.

3. Закрепление материала. Решение качественных задач.

1. Можно ли сделать магнит, у которого был бы только северный полюс или только южный? (Невозможно сделать магнит, у которого отсутствовал бы один из полюсов.)

2. Если разломить магнит на две части, будут ли эти части магнитами? (Если разломить магнит на части, то все его части будут магнитами.)

3. Какие вещества могут намагничиваться? (Железо, кобальт, никель, сплавы этих элементов.)

Магниты нашли разнообразное применение в нашей жизни: игрушки, застежки, браслеты, украшения, головоломки, динамики, и еще многое другое. Об одном удивительном применении сейчас вы узнаете.

4. Подведение итогов урока

– Какие тела называют постоянными магнитами?

– Что называют полюсами магнита?

– Какие из известных вам веществ притягиваются магнитом?

– Как взаимодействуют между собой полюсы магнитов?

– Как с помощью магнитной стрелки можно определить полюсы у намагниченного стального стержня?

– Можно ли изготовить магнит, имеющий один полюс?

– Почему суда, предназначенные для изучения магнитного поля Земли, строят из материалов, которые не намагничиваются?

Литература:

  1. А.В.Перышкин «Физика — 8», Дрофа, 2008г;
  2. Ж/л «Физика в школе» 2000г;
  3. Л.А.Горлова «Нетрадиционные уроки, внеурочные мероприятия. 7-11 классы», «Вако», 2006г;
  4. Елькин В.И. «Необычные учебные материалы по физике»,М., Школа-Пресс, 2000 г.
  5. Ланина И.Я. «Не уроком единым»,М.: Просвещение,1991 г.
  6. Алексеева М.Н. «Физика юным», М.: Просвещение,1990 г.
  7. М.И. Блудов «Беседы по физике», М.: Просвещение, 1985г.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.