XVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Удивительный магнит
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Актуальность. В современном мире магнит используется человеком в разных областях деятельности.
Моё первое знакомство с магнитом произошло тогда, когда на холодильнике я увидел магнитные картинки в виде пазлов. В один из дней рождений мне подарили магнитный конструктор.
Сначала мне было интересно просто собирать магнитный пазл на холодильнике и играть в магнитный конструктор, но сейчас мне уже интересен принцип работы магнита и вообще что же это такое. Мне захотелось понять как один и тот же предмет может притягивать и одновременно отталкивать некоторые предметы.
Магниты окружают нас повсюду – в наших квартирах десятки магнитов: в электробритвах, динамиках, в часах, в банках с гвоздями, компьютере. Земля, на которой мы живём, — гигантский голубой магнит. Солнце – жёлтый плазменный шар – магнит ещё более грандиозный.
Выбор данной темы работы был обусловлен нехваткой моих знаний о магнитах, его свойствах, принципах работы и огромным желанием в домашних условиях провести опыты с магнитами, чтобы убедиться самому в его удивительности.
Объект исследования: магнит.
Предмет исследования: комплекс мероприятий, направленных на изучение свойств магнита.
Цель исследования – познакомиться с магнитами, узнать их свойства и на основе полученных знаний провести опыты с магнитами.
Для достижения поставленной цели потребовалось решить следующие задачи:
выяснить что такое магнит, изучить его свойства;
установить связь магнита с электродвигателем;
определить применение электродвигателя в быту;
обобщить результаты исследования;
выступить перед классом с презентацией, видео и проведением опытов с магнитами.
Гипотеза исследования: мы предположили, что если изучить свойства магнита и его работу, то можно понять принцип работы электродвигателя.
Основные этапы исследования:
сбор и анализ информации из печатных и интернет источников о свойствах магнита;
проведение опытов с магнитами;
создание фото и видео-материалов;
создание презентации;
выступление в классе перед одноклассниками, наглядное представление практической работы.
Методы исследования:
изучение информации из различных источников;
анализ информации;
проведение опытов.
Практическая значимость нашей исследовательской работы заключается в проведении опытов, позволяющих наглядно рассмотреть свойства магнита с целью понимания сложнейших процессов.
2. История открытия магнита
В давние времена, более 4 тысяч лет назад, на горе Ида пастух по имени Магнус охранял овечье стадо на острове Крит в Греции. Он обнаружил, что металлический наконечник его посоха и гвозди на подошвах сапог притягиваются к большому чёрному камню, на котором он стоял. Он заметил, что его сандалии, подбитые железом, и деревянная палка с железным наконечником липнут к черным камням, которые в изобилии валялись под ногами. Пастух перевернул палку наконечником вверх и убедился, что дерево не притягивается странными камнями. Снял сандалии и увидел, что босые ноги тоже не притягиваются. Магнус понял, что эти странные черные камни не признают никаких других материалов, кроме железа. Пастух захватил несколько таких камней домой и поразил этим своих соседей. От имени пастуха и появилось название «магнит».
Этот тип породы стали называть «камень Магнуса» или просто «магнит». Так, ещё за 2 тысячелетия до нашей эры, люди получили знания о свойствах некоторых камней тянуть к себе железные предметы.
Реальная история открытия магнита, подкреплённая фактами, отражёнными в письменных источниках, началась в IV веке до нашей эры. Фалес, греческий философ и физик, упомянул в своих трудах магнитные свойства каменистой породы.
В XIII веке началось первое научное исследование магнита. П. Перегрин выпустил сочинение, где описывал, что у предмета есть 2 полюса, которые он назвал северным и южным и которые невозможно разделить. Учёный также рассказал об отталкивании и притяжении. Уильям Гильберт в 1600 году выпустил труд «О магните». Английский врач к уже известным фактам добавил сенсационные сведения: железная арматура усиливает действие магнитных полюсов, нагревание ослабевает магнетизм.
Далее изучение свойств камня приобрело углублённый характер: проводились многочисленные опыты с использованием других предметов, со сменой условий, нагреванием и охлаждением.
Спустя 220 лет Ганс Эрстед на лекции продемонстрировал студентам, как ведёт себя магнит рядом с электрическим током. Вскоре после этого, выдающийся физик доказал, что он действует на провод, по которому проходит ток, с определённой силой. Открытие взаимодействия между электрическим током и магнитом имело огромное значение. Оно стало началом новой эпохи в учении об электричестве и магнетизме. Это взаимодействие сыграло важную роль в развитии техники физического эксперимента.
3. Что такое магнит
Магниты – это тела, обладающие способностью притягивать железные и стальные предметы и отталкивать некоторые другие благодаря действию своего магнитного поля.
То, что располагается вокруг магнита и взаимодействует с окружающими предметами (притягивает или отталкивает некоторые из них), называется магнитным полем.
Источником любого магнитного поля являются движущиеся заряженные частицы. А направленное движение заряженных частиц называется электрическим током. То есть, любое магнитное поле вызывается исключительно электрическим током.
Магнитом называют материал с определенной намагниченностью. Молекулы внутри имеют своё поле, в котором они двигаются только в двух направлениях. Именно этот момент взаимной противоположности создаёт свойство притяжения и отталкивания предметов из металла.
Каждый магнит имеет один северный полюс и один южный. Уже давно ни для кого не секрет, что при попытке соединения двух магнитов одинаковыми полюсами, они будут отталкиваться. Примагничиваются только противоположные полюса.
Ни один магнит, даже маленький кусочек, не будет однополярным. Если его разломать, внутри каждого отдельного куска молекулы распределятся на северный и южный полюса.
4. Свойства магнита
Простейшие проявления магнетизма известны очень давно и знакомы большинству из нас. Однако объяснить эти, казалось бы, простые явления удалось лишь сравнительно недавно. И в этом, несомненно, помогли свойства магнита.
Магнит притягивает железо. Железо обладает свойством намагничиваться. Это происходит, когда он попадает в магнитное поле электрического тока. Железо проявляет мощные магнитные свойства.
Магнит имеет северный и южный полюс, которые притягиваются и отталкиваются друг от друга. Полюс это место магнита, где обнаруживается наиболее сильное магнитное действие. В случае, если магнит сломать на 2 или более частей, то каждая из сломанных частей будет магнитами, которые так же будут иметь два полюса – северный и южный. Земной шар тоже магнит. У него есть свои северный и южный полюса.
Магнит действует сквозь бумагу, дерево, пластмассу, воду и стекло. Такое свойство магнитов доказано опытным путем. Например, если налить в чашку воды и опустить на дно монеты, взять магнит и постараться достать монеты, не замочив рук, то монеты притянутся к магниту. То же самое получится и с деревом, бумагой, пластмассой.
Виды магнитов
1. Естественный (природный) магнит. Представляют собой залежи особых руд. Это постоянные магниты, которые встречаются в природе естественным образом. В отличие от искусственных магнитов, они никогда не теряют своей магнитной силы при нормальных условиях. Самый сильный природный магнит – магнитный камень, кусок минерального магнетита. Он черный или коричневато-черный и блестит при полировке. Кусочки магнитного камня фактически использовались в самых первых когда-либо созданных магнитных компасах.
В Тартуском университете находится самый крупный известный естественный магнит. Его масса составляет 13 кг, и он обеспечивают силу сцепления в 40 кг.
Наша Земля – тоже естественный магнит. Только притягивает она не металл, а всё подряд. В том числе и нас с вами.
2. Искусственный магнит. Это изделия из особых материалов. Они не встречаются в природе, а изготавливаются человеком искусственным путём. Первый мощный искусственный магнит был создан американским ученым Джозефом Генри в 1831 г.
Искусственные магниты (из железа, кобальта и некоторых других добавок) могут удержать груз более чем 5000 раз превышающий их собственную массу.
Виды искусственных магнитов
Есть три вида искусственных магнитов: постоянные, временные и электромагниты. Постоянные магниты заряжаются раз и навсегда, временные магниты работают только в магнитном поле, а электромагниты – только когда есть ток.
Искусственные постоянные магниты делаются людьми, и их типы зависят от материала, из которого сделан магнит. Здесь бывают ферриты – в их состав входит железо, неодимовые магниты, Альнико, SmCo и магнитопласты. Собственно, в число магнитопластов входит магнитный винил: именно его используют при изготовлении магнитиков.
Временные магниты – это изделия из металлов, которые намагничиваются, попадая в магнитное поле и получают ненадолго способность самим притягивать другие металлические предметы. Например, скрепки и гвозди.
Электромагниты – приборы, которые при прохождении через них электрического тока приобретают свойства магнита. Они образуются с помощью намотанной проволоки, по которой пускают ток. На электромагнитах работает наша с вами техника. Электромагнит используется в электродвигателях.
Важнейшая роль в использовании искусственных магнитов отводится способу их намагничивания, в зависимости от которого искусственные магниты могут проявлять магнитные свойства различное время.
7. Электродвигатель
Электродвигатель – это устройство для преобразования электрической энергии в механическую. В основе этого преобразования лежит явление, которое называется электромагнетизмом.
Прежде считалось, что магнетизм (свойство притяжения) и электричество – два различных явления. Но в начале 19 века датчанин Эрстед и француз Ампер обнаружили между ними теснейшую связь, которая позволяет не только создавать магнитное поле (пространство, в котором действуют магнитные силы) с помощью электрического тока, но и получать электрическую энергию.
В электродвигателях используются постоянные магниты и электромагниты. Простейший электродвигатель работает только на постоянном токе (от батарейки).
Майкл Фарадей еще в 1821 году сделал открытие, что при взаимодействии электрического тока в проводнике и магнита может возникнуть непрерывное вращение.
Принцип работы электродвигателя очень прост, основан на магнитном отталкивании и притяжении. В электрическом двигателе находятся два электромагнита: один неподвижный, другой насажен на вращающуюся ось. При прохождении электрического тока создаются магнитные поля, и северный полюс вращающегося электромагнита приходит в движение, стараясь приблизиться к южному полюсу неподвижного магнита. Совершив половину оборота, он должен остановиться, но тут включается устройство, меняющее направление тока. Следовательно, меняется полярность магнитных полей, созданных током. Теперь вращающийся электромагнит завершает полный оборот в поисках противоположного полюса. Вращение магнита преобразуется в энергию движения. Поэтому детские игрушки и многие другие приборы начинают двигаться.
Применение электродвигателя
Современную жизнь невозможно представить без электродвигателей. Они прочно укрепились во всех сферах человеческой деятельности в самых разнообразных ее проявлениях, так как главным преимуществом электрических двигателей является простота их устройства, высокая надежность и возможность их применения в различных устройствах.
Электродвигатели применяются в различных бытовых устройствах: холодильниках, пылесосах, мясорубках, электрическом инструменте, вентиляторах, соковыжималках и так далее.
В промышленной отрасли это шлифовальное, металлообрабатывающее, деревообрабатывающее насосное, конвейерное, компрессорное оборудование, вентиляторы.
Даже автомобилестроение, где традиционно использовались бензиновые и дизельные двигатели, переходит на электропривод, как надежный и экономичный вариант двигателя.
Все прекрасно знают, что строительство не может существовать без техники. Так как большинство работ очень трудно выполнить физически, без техники здесь не обойтись. Строительное оборудование нужно там, где обычные рабочие не могут справиться, например, тяжелые грузы или же вертикальные и горизонтальные перемещения. Основной строительной техникой считают электродвигатели. Они используются в угловых шлифовальных машинах, в бетономешалках, на циркулярном станке, в электрических дрелях, строительных пылесосах и так далее. Также устройства выступают компонентами лебедок, талей, кранов и прочего подъемно-транспортного оборудования, используются в лифтовых системах, узлах отопления, вентилирования и кондиционирования воздуха (функционируют за счет крыльчатки электрического двигателя).
Как видим, эксплуатация электродвигателя распространена повсеместно.
Проведение опытов с магнитами
ОПЫТ № 1 – Электродвигатель (приложение 1).
Для этого опыта нам понадобятся: кабель, батарейка, магниты, монетка и небольшая подставка (в нашем случае это будет часть из детской пирамидки).
Из кабеля нам потребуется достать медную проволоку и скрутить из четырех волосков в один. Далее необходимо будет собрать фигуру из этой проволоки похожую на круг с небольшим кольцом в середине.
Внутрь подставки помещаем один магнит, остальные магниты снаружи подставки.
Собранную фигуру мы устанавливаем на магниты, а в середине устанавливаем батарейку, которая является источником питания. Батарейка передает электричество на проволоку, благодаря чему проволока намагничивается. Магнит отталкивает намагниченную проволоку, благодаря чему происходит вращение проволоки по часовой стрелке. А когда мы перевернули магниты, то проволока начала крутиться против часовой стрелки.
Примерно так работает любой электродвигатель.
ОПЫТ № 2 – Магнитная пушка (приложение 2).
Для этого опыта нам понадобятся: пластиковый уголок, железные шарики, магниты, простой карандаш, линейка, клей-пистолет.
Для начала отмечаем на пластиковом уголке расстояние, на котором будут крепиться магниты в 10 см. Теперь прикрепляем к пластиковому уголку магниты на отмеченное расстояние на клей-пистолет. После этого дополнительно крепим магниты на скотч. Пушка собрана.
Для того, чтобы пушка заработала на нее нужно установить железные шарики, по 2 за каждым магнитом.
Для проведения испытания магнитной пушки необходимо поместить один железный шарик около первого магнитика. При ударе, железный шарик передает свой импульс магниту, магнит в свою очередь передает импульс первому шарику, а первый шарик – второму. Так как второму шарику передавать импульс некому, он сам катится. Когда шарик докатится до середины следующего магнита, то на него начинает действовать второй магнит и он начинает двигаться быстрее и передает свой импульс другому магниту. И так по цепочке. Магнитная пушка прошла испытание.
Магнит может как притягивать железный предмет, так его и отталкивать. На примере проведенного опыта с магнитной пушкой мы это увидели.
Заключение
Благодаря проделанной работе, я узнал много о магнитах, изучил их свойства, области применения. После проделанной работы я могу с уверенностью утверждать, что магниты обладают способностью притягивать предметы из железа или стали, вокруг магнита существует магнитное поле. Магниты могут не только притягиваться, но и отталкиваться, имеют северный и южный полюса. Они взаимодействует с металлическими предметами (деталями металлического конструктора, гвоздиками, скрепками, шурупами, болтиками, гайками) через воду, стекло, дерево. Свойства магнитов люди использовали с древних времен, но особенно широко эти свойства используются в наши дни.
Подводя итог вышесказанному, хочу отметить, что трудно представить нашу жизнь без постоянных магнитов, потому что они находятся везде: в телефонной трубке, в магнитофоне, в электроизмерительных приборах, в медицине и др. Нет области прикладной деятельности человека, где бы ни применялись магниты. Можно сделать вывод, что магниты имеют огромное значение для человека в современном мире.
Моя практическая работа была посвящена изобретению в домашних условиях электродвигателя, или принципа его работы. Поэтому я познакомился также и с понятием электродвигателя, выяснил область его применения. Узнал, что почти во всех отраслях технологий и труда используются электромагнитные двигатели.
В начале работы мы выдвинули гипотезу, что если изучить свойства магнита и его работу, то можно понять принцип работы электродвигателя. Проведя опыт и собрав электродвигатель, наглядно показал, как работает установка. Поэтому считаем, что наша гипотеза подтверждена опытным путем.
Список использованной литературы
Все обо всем. Популярная энциклопедия для детей. Том 7 – Москва, 1994;
М. Заболотских, А. Расторгуева Занимательные опыты: Электричество и магнетизм, М.: АСТ: Астрель, 2005;
Пасынков В.В., Сорокин В.С. Практическое использование магнитов, М.: Высшая школа, 1986;
Перельман Я.И. Занимательная физика. В 2-х кн. Кн. 2 / Под ред. А.В. Митрофанова. – М.: Наука, 2001. – 272 с., ил.;
Фещенко Т. Физика. Справочник школьника, М: ТКО АСТ, 1995;
Я познаю мир: Детская энциклопедия: Физика / Сост. А.А. Леонович; Под общ. ред. О.Г. Хинн. – М.: ООО «Издательство АСТ-ЛТД», 1998. – 480 с.;
http://electrik.info/main/school/12-ustrojjstvo-i-princip-raboty.html;
https://new-science.ru/3-raznyh-tipa-magnitov-i-ih-primenenie/;
http://электротехнический-портал.рф/expluatacya-elektrodvigateley/355-primenenye-elektrodvigateley.html;
https://ru.wikipedia.org/wiki/Электрический_двигатель.
Приложение
Приложение 1
Приложение 2