XIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Магниты-помощники
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
С раннего детства я любил играть с магнитами и был зачарован их способность притягиваться и отталкиваться друг от друга: поезд, вагончики которого крепятся на магнитах, магнитная доска, на которой можно рисовать и стирать свои шедевры, магнитный конструктор, позволяющий осуществить самые смелые конструкторские идеи. Недавно в моей коллекции появились магнитные опыты, которые помогли мне понять основные принципы и законы, которым подчиняется любой магнит, и совершенно неожиданные способы использования магнитного поля. Магниты в нашей жизни стали обыденными. Однако они до сих пор остаются загадочными и фантастическими, и еще долгое время человечество не сможет сказать: «Мы знаем о магните и магнитном поле все!» Так что же это такое? Какими свойствами обладает? Какова история открытия магнита? И где же мы встречаемся с этим таинственным материалом?
Цель: исследование свойств магнита и возможности его использования.
Задачи:
1. Изучить историю открытия магнита.
2. Выяснить, что такое магнит и магнитное поле.
3. Изучить свойства магнита, способность взаимодействия магнитов друг с другом и другими предметами.
4. Выяснить как люди используют магниты в жизни, перспективы на будущее. 5. Изготовить временный магнит, электромагнит, компас, магнитную дорогу, магнитную пушку, электромотор своими руками.
Объект изучения: магнит.
Предмет изучения: свойства магнита
Методы изучения: изучение литературы и интернет ресурсов, наблюдение, измерение, сравнение, проведение опытов.
1 Теоретическая часть
1.1 История открытия и изучения магнита.
Магнит-это объект, сделанный из определенного материала, который создает магнитное поле и способен притягивать к себе магнитные тела. Слово происходит от названия древнего города - Магнисия, где в древности были открыты залежи магнетита. В переводе со многих языков магнит означает «любящий». Впервые магнит упоминается 2000 лет до нашей эры в древнегреческом мифе, в котором говорится о пастухе, который охранял овечье стадо на Крите и обнаружил, что металлический наконечник его посоха и гвозди на подошвах сапогов притягиваются к большому черному камню. Первый научный труд о свойствах магнитного железняка написал Фалес греческий философ и физик более 2600 лет назад. Со временем люди научились добывать магнетит и делать магниты. Большинство магнитов изготавливают из разных сплавов железа, никеля и кобальта. Когда они находятся в магнитном поле железняка, то он передает им свои магнитные свойства. В Тартуском университете хранится самый крупный в мире магнит. Его вес составляет 13 кг, а подъемная сила достигает 40кг.
1.2 Что из себя представляет магнит и магнитное поле?
Магниты состоят из миллионов молекул, объединенных в группы-домены. Каждый домен ведет себя как отдельный магнит, имеющий северный и южный полюс. При одинаковой направленности доменов, их сила объединяется, образуя более крупный магнит. (Рис 1.) Магнитные вещества (железо, никель, кобальт) имеют множество доменов, которые можно ориентировать в одном направлении, то есть намагнитить. Немагнитные (пластмасса, дерево, резина, золото, серебро, медь) находятся в беспорядочном направлении и поэтому эти материалы не могут намагничиваться. Вокруг магнита существует магнитное поле-это особый вид материи, который существует независимо от наших знаний о нем, порождается только движущимися электрическими зарядами, обнаружить его можно по действию на двигающийся электрический заряд с некоторой силой. Магнитное поле изображается в виде магнитных линий. (Рис 2.) Увидеть их можно по действию магнита на рассыпанные железные опилки. Если магнит разломить на два кусочка, то каждый из них вновь будет иметь два полюса: северный и южный. Одноименные полюса отталкиваются, а разноименные притягиваются. Размагнитить материал можно 3 способами :
-нагревание магнита,
-сильный удар,
-поместить магнит в переменное магнитное поле с последующим уменьшением или выведением из него.
1.3 Виды магнитов и материалов по типу их взаимодействия с магнитами.
Существуют 3 основных вида магнитов:
-постоянный
-временный
-электромагнит.
-Постоянные или природные магниты (ферромагнетики: железо, никель, кобальт; магнетиты) образуются, когда руда, содержащая железо или окиси железа, охлаждается и намагничивается за счет земного магнетизма. Самый мощный в мире железорудный бассейн – это Курская магнитная аномалия, расположенная на территории Курской, Белгородской и Орловской областей. Ее протяженность 600 км. Стрелка компаса в этом месте крутится хаотично и не останавливается.
-Временные магниты - это магниты, которые действуют как постоянные только тогда, когда находятся в сильном магнитном поле, и теряют свой магнетизм, когда магнитное поле исчезает. В качестве примера можно привести скрепки.
-Электромагниты представляют собой металлический сердечник с индукционной катушкой, по которой проходит электрический ток Существует несколько типов взаимодействия материалов с магнитным полем:
-Ферромагнетики-материалы, которые и считаются магнитными. Они притягиваются к магниту достаточно сильно - так, что притяжение ощущается. Только эти материалы могут сохранять намагниченность и стать сами магнитами (никель, кобальт, железо).
-Парамагнетики-такие вещества, как платина, алюминий и кислород, которые слабо притягиваются к магниту. Этот эффект настолько слаб, что может быть обнаружен только с помощью специальных приборов или очень сильных магнитов.
-Диамагнетики-вещества, намагничивающиеся против направления магнитного поля. Углерод, медь, цинк, графит, вода и пластики отталкиваются от магнитов. В мощном магнитном поле могут парить даже живые лягушки и мыши, так как состоят из воды и углерода. Опыт с парящей лягушкой, основанный на диамагнетических свойствах, поставил русский физик Андрей Гейм, за что получил Шнобелевскую премию, а в последствии стал и лауреатом Нобелевской премии уже за открытие графена путем отслаивания с помощью скотча графита. Графен это-модификация углерода, образованная слоем атомов углерода толщиной в 1 атом, обладает большой механической жесткостью и рекордной теплопроводностью, самый мощный диамагнетик. Магниты делают самой разной формы: - стержневой, -кольцевой, - дисковидный, -овальные, - дуговой или подковообразный. Подковообразная форма делает магнит еще более мощным, так как при сгибании дугой, два конца магнита, имеющие разную полярность, располагаются теперь рядом, это и усиливает его магнитную силу. Обычно такие магниты делают из железа, и их мощность зависит от их размера- чем магнит больше, тем мощнее. Сила магнита зависит и от материала, из которого он изготовлен. Магниты, изготовленные из неодимовых сплавов-самые мощные. Их делают в форме цилиндров, дисков, колечек и шариков.
1.4 Применение магнитов человеком.
Наша встреча с магнитами происходит в самом раннем детстве: магнитные конструкторы, магнитные доски для рисования, магнитная рыбалка и лабиринт, магнитная азбука и просто магниты на холодильниках, магнитные шахматы. Подобные игрушки развивают мелкую моторику, воображение, мышление и фантазию детей.(Рис 3.)
Магниты окружают нас везде, в быту, в технике, на производстве : магнитные застежки на украшениях, шнурки на магнитах, которые не надо завязывать, фиксаторы мебельных дверей и штор, держатели инструментов или кухонных принадлежностей, мойщики окон, электромагнитные конфорки в индукционных плитах, пластиковые карты, электродвигатели и генераторы в автомобилях, трансформаторы, микрофоны, наушники, поезда на магнитной подвеске, развивающие огромную скорость, сравнимую со скоростью самолета за счет отсутствия трения(до 1000км в час) , железоотделители, подъемные краны. Если представить мир без всех этих вещей, то жизнь в таком мире была бы труднее и медленнее. Если железный предмет закатился в щель или за мебель, то можно к палке или веревке скотчем закрепить магнит и достать нужный предмет. Так же вылавливают из водоемов металлические предметы, порой очень неожиданные. Бывает рассыпаются скрепки или гвозди-есть способ их быстро собрать: взять коробку, перевернуть кверху дном, приложить сверху магнит и таким образом рассыпанная железная мелочь сама вернется в коробку. А если к отвертке или молотку присоединить неодимовый магнит, то такой инструмент сам будет примагничивать винтики и гвозди и они не будут теряться, и работать с таким инструментом будет удобнее. Магнитные браслеты позволяют надежно и удобно прикрепить гвозди или шурупы, что бы они были под рукой и не потерялись. Наклеив магнитную ленту на стену-можно использовать ее для крепления и хранения различных предметов: ножей, инструментов, баночек и многого другого. Швейные иглы очень удобно хранить прикрепленными к магниту. Помыть посуду с узким горлышком можно поместив в нее губку с магнитом внутри, двигая вторым магнитом по наружной стенке.
1.5 Применение магнитов в медицине.
В медицине сложно переоценить роль магнитов. Существует диагностическая процедура-магнитно-резонансная томография, помогающая досконально и безопасно исследовать весь организм человека послойно. Единственное ограничение связано с наличием металлических элементов в организме (протезов, осколков) и электронных приборов, в том числе кардиостимуляторов.
Магнитотерапия - метод физиотерапевтического лечения, основанный на том, что наши красные кровяные тельца-эритроциты содержат железо в виде гемоглобина и на них тоже действует магнитное поле. Таким образом активизируется кровоток, а значит ткани получают больше глюкозы и кислорода. Магнитотерапия облегчает боль, ускоряет заживление ран и переломов костей, способствуют излечению любого воспалительного процесса, ускоряют усвояемость лекарственных веществ. В офтальмологии инородные металлические тела из глаза удаляют при помощи специального магнит.
2 Практическая часть
Разобрав теоретическую часть, можно переходить к самому интересному- к опытам, подтверждающим все, что я узнал про магниты.
Опыт 1. Что притягивает магнит?
Я по очереди подносил магниты к разным предметам, изготовленным из разных материалов. В результате бумага, деревянная зубочистка, пластиковая ручка, алюминиевая ложка, серебряное кольцо, золотая сережка, медная проволока не притягивались к магниту. А вот предметы из железа и стали: скрепки, швейная игла, ножницы, гвоздики, монетка легко примагничиваются к любому магниту (их частицы способны под действием магнитного поля упорядоченно выстраиваться). Получается магнит действует далеко не на все вещества и даже металлы, а только на железные и стальные. (Рис 4.)
Опыт 2. Временный магнит.
Чтобы получить временный магнит, надо потереть железный или стальной предмет в одном направлении о магнит, например, иглу. Ей передастся на время магнитная сила и она сможет сама притягивать к себе другие магнитные предметы. В моем опыте я примагнитил иглой скрепку. (Рис5.) Другой способ: поднести к магниту скрепку и подвесить ее, а потом поднести к этой скрепке другую, и она притянется к предыдущей скрепке, как к магниту, и повиснет! Предметы из железа и стали способны сами стать магнитами, так как их атомы способны выстраиваться в одном направлении при действии магнитного поля.
Опыт 3. Как размагнитить магнит?
Первый способ-это нагреть магнит. Для этого надо подержать иглу с примагниченной скрепкой из предыдущего опыта над зажженной свечой, в результате чего скрепка упадет. (Рис.6.) Второй способ - это удар или падение. Если намагниченную иглу с примагниченной скрепкой уронить на стол, то игла потеряет свои магнитный свойства и больше не сможет притягивать скрепку. В результате обоих действий частицы, из которых состоит магнит, вновь ориентируются хаотично, и магнитные свойства теряются.
Опыт 4. Определение силы магнита
По расстоянию- сильнее тот магнит, который притянет скрепку на большем расстоянии. На бумаге надо нарисовать линию и положить на нее скрепку, и потихоньку придвигать магнит к этой линии. На определенном расстоянии скрепка «скакнет» и прилипнет к магниту. Это расстояние отметить и измерить. Остается только сравнить расстояния между магнитами и тем местом, где находилась притянутая скрепка По количеству скрепок-сильнее тот магнит, который удерживает у своего полюса цепочку с большим количеством скрепок. Чем больше магнит, изготовленный из одного материала, тем он сильнее. Неодимовый магнит сильнее ферромагнита, даже если он меньше по размеру. И наконец, подковообразный притягивает больше скрепок, а значит его магнитная сила больше, чем прямоугольного или кольцевого из-за близости полюсов. (Рис7 - 8)
Опыт 5. Действие магнитного поля на расстоянии, через предметы и вещества.
Для этого опыта потребуется взять магнит «бабочку» и положить его на лист бумаги, а снизу поднести магнит. При движении нижнего магнита-магнит «бабочка» будет повторять всю его траекторию. (Рис. 10.) Можно подобрать 2 магнита помощнее и повторить тоже самое, но уже через крышку стола. Получим тот же эффект: верхний магнит будет следовать за нижним и стол не будет помехой.(Рис. 11.) А теперь в стакан нальем воду и бросим в нее гайку. Поднесем к стакану магнит и будем наблюдать притяжение гайки, и сквозь воду, и сквозь стекло. Двигая магнит вверх, можно легко достать гайку, не замочив рук. (Рис 9.) На этом свойстве магнитов основано устройство для мытья окон, состоящее из щетки на магните, при помощи которого можно мыть наружное стекло, двигая магнит в нужных направлениях по внутреннему стеклу.
Опыт 6. Увидеть магнитное поле.
Для опыта нужны магнитные опилки и любые магниты. Поднося магнит к опилкам, можно наблюдать, что они выстраиваются в определенном порядке вдоль магнитных линий. Прямоугольные, овальные, круглые, кольцевые магниты дают фигуру из опилок, напоминающую иголки ежа. На самом деле магнитные линии замкнутые и идут от северного полюса к южному. Наиболее наглядно это видно с подковообразным магнитом из-за близости его полюсов. (Рис 12.)
Опыт 7. Взаимодействие магнитных полюсов.
У каждого магнита всегда есть два полюса: северный N и южный S. На какие бы кусочки не делить магнит, каждый кусочек опять приобретает два полюса. Одноименные полюса отталкиваются. Подносим к северному полюсу одного магнита северный полюс другого или к южному полюсу одного южный полюс другого- и всегда наблюдаем, как они отталкиваются друг от друга. И наоборот разноименные полюса притягиваются: северный и южный полюса двух магнитов притягиваются друг к другу. В моих опытах есть два магнита на колесах. Приближая северный полюс первой машинки к северному полюсу второй, можно наблюдать, как на определенном расстоянии вторая машинка начинает двигаться в направлении от первой из-за взаимного отталкивания их полюсов. И, наоборот, приближая машинку северным полюсом к южному другой, можно наблюдать, как на расстоянии бывшая неподвижной машинка вдруг совершает резкий «скачок» по направлению к приближающейся, так как попадает в ее магнитное поле и притягивается. (Рис 13.)
Опыт 8. Магнитная левитация.
Для опыта потребовалась горизонтальная платформа с установленной в центре ее вертикальной палочкой. На нее насаживаем кольцевой магнит красной стороной вверх (северный полюс), а следом магнит той же красной стороной вниз (сверху получается синяя сторона-южный полюс). Затем одеваем магнит синей стороной вниз и так далее. Принцип одевания кольцевых магнитов в том, что они обращены друг к другу одноименными полюсами, поэтому взаимно отталкиваются и зависают над платформой. (Рис 14.) А теперь в край платформы вставим вертикальную площадку (которая будет служить ограничителем и опорой), вставим в платформу попарно 4 кольцевых магниты так, что бы их одноименные полюса были обращены в одну сторону и обращены к вертикальной площадке. На круглую палочку надеть 2 кольцевых магнита так, чтобы магниты были обращены в одну сторону одинаковыми полюсами, и зафиксировать их с обеих сторон резиновыми колечками. Затем круглую палочку с закрепленными на ней 2 магнитами установить над платформой с 4 магнитами так, чтобы она упиралась одним концом в вертикальную площадку, и все 6 магнитов были ориентированы полюсами в одну сторону. И вот, можно наблюдать как палочка парит в воздухе! (Рис 15.)
Но это все не истинная левитация, так как есть точка фиксации или опоры. Но мы можем наблюдать и истинную левитацию. Для этого опыта потребуется магнит и пиролитический графит, состоящий из графена -самого мощного диамагнетика, способного зависать в магнитном поле на небольшой высоте. Он может выдержать вес в несколько грамм, например, кусочек пенопласта. Очень интересен опыт с левитроном. Это волчок, который, вращаясь, способен зависать в воздухе над специальной коробкой, образующей магнитную подушку. Сам волчок представляет собой кольцевой магнит, магнит в коробке тоже кольцо, но большего диаметра. Над центром большого магнита на определенном расстоянии образуется «яма», то есть зона, магнитное поле в центре которой слабее, чем у краев. Это не дает волчку отклонится от центра коробки. Вращение необходимо для того, чтобы волчок не перевернулся. Магнитную левитацию используют для создания витрин, светильников, глобусов.
Опыт 9: Электромагнит.
Потребуется: батарейка, провода, выключатель, катушка из медной проволоки с сердечником и скрепки. Опыт основан на том, что электрический ток создает в окружающей пространстве магнитное поле. Проводами соединяем батарейку с одной стороны с выключателем, а с другой с медной катушкой, которую в своя очередь соединяем с выключателем. Таким образом получаем цепочку. При замыкании электрической цепи выключателем, мы получаем электромагнит: поднеся медную катушку с железным сердечником к скрепкам, можем наблюдать, как она примагничивает последние. Если же разомкнем цепь выключателем, ток прекращает течь по проводам, и скрепки отпадают от катушки. (Рис16.) Подобные мощные электромагниты используют для передвижения больших грузов кранами
Опыт 10: Компас своими руками.
Потребуется: большая игла, кусочек пенопласта или же просто листочек бумаги, тарелочка с водой и магнит. Воткнуть иглу в пенопласт и намагнитить ее (потереть о магнит в одном направлении). Опустить пенопласт с иглой в тарелочку с водой и подождать пока она не придет в спокойное состояние. Ее кончик будет указывать на север. Можно взять компас и сверить с ним направлении иглы. Для этого надо покрутить его до того момента, пока красная стрелка не установится в направлении Север(N).
Опыт 11: Спички и магнит.
Для данного опыта нам потребуются только спички и магнит. Если мы поднесем магнит к спичечным головкам, то они останутся неподвижно лежать и ничего не произойдет. А вот если мы подожжем несколько спичек и после этого поднесем магнит к сгоревшим спичкам, то тогда он притянет их. Все дело в том, что при производстве спичек в головку добавляют оксид железа, чтобы замедлить процесс горения. При сгорании оксид железа вступает в реакцию с угарным газом, и в результате химической реакции образуется углекислый газ и чистое железо. Вот это железо в отличие от оксида отлично притягивается магнитом. (Рис 17.)
Опыт 12: Электромагнитная дорога.
Для данного опыта необходим деревянный каркас самой дороги, фольга,18 ферритовых магнитов, провода и батарейки. Для начала собираем полый каркас дороги, на рельсы при помощи клея приклеиваем фольгу, а внутрь вставляем попарно скрепленные магниты, но так чтобы все магниты были ориентированы в одну сторону (они должны отталкиваться друг от друга). Зафиксировать их заслонкой, которая будет их удерживать внутри. На рельсы с фольгой кладем металлическую палочку. Вставляем батарейки в блок, а контактами проводов, отходящих от блока, касаемся поверхности рельсов. В результате трубочка будет катиться по рельсам. Чтобы изменить направление движения трубочки, надо поменять контакты местами. (Рис 18) Подвижный проводник-трубочка с электрическим током перемещается в магнитном поле под действием силы Ампера. Этот принцип лежит в основе работы электрогенераторов и электротормозов.
Опыт 13: Магнитная пушка.
Для опыта потребуется основа, в которую будут крепиться неодимовые магниты на расстоянии друг от друга, сами магниты и железные шарики. У каждого из 3 магнитов, закрепленных в ряд, строго с одной стороны примагничиваю по 3 шарика. А теперь медленно подношу к первому магниту со свободной стороны один металлический шарик: попав в магнитное поле, он резко совершит скачек к магниту и при ударе сообщает ему свою энергию, а в результате его энергия (импульс) по цепочке передастся третьему от магнита шарику, сила действия на который магнитного поля гораздо меньше, чем на первый и второй ,так как он находится на большем расстоянии от самого магнита. Оторвавшись от первого магнита, он покатится в сторону второго и попадет уже в его магнитное поле (цепочка повториться). Так как шариков и магнитов много, энергия складывается, в результате последний шарик вылетает с большей, чем у первого скоростью. Таким способом я поражал несколько целей: бумажный стакан, пульт, пластиковую коробочку. (Рис19) Разработки настоящего магнитного оружия ведутся уже давно и наверняка будут реализованы.
Опыт 14: Простейший электродвигатель.
Понадобится батарейка, неодимовый магнит и медная проволока. Я ставлю батарейку отрицательным полюсом на неодимовый магнит, а на положительный полюс ставлю закрученную в виде спирали медную проволоку, являющуюся проводником (важно, чтобы верхний конец проволоки касался положительного полюса, а нижний касался магнита). За счет батарейки заряженные частицы в проводнике-проволоке упорядоченно движутся. А на проводник с током, находящийся в магнитном поле, действует сила Ампера, заставляющая его перемещаться. Когда направление силы тока перпендикулярно направлению силовых линий магнитного поля, частицы двигаются по окружности. Побочный эффект всех электродвигателей-это нагревание (всего несколько минут работы-и батарейка становится горячей). (Рис 20.) Подобные электродвигатели используются в холодильниках, стиральных машинах, вентиляторах.
Заключение:
В ходе исследования я узнал много интересного об истории открытия магнита, свойствах магнитного поля и его использования человеком. Провел опыты, которые помогли увидеть магнитное поле и убедился в его свойствах, взаимодействии магнитов друг с другом и другими предметами из разных материалов, как определить силу магнитов, своими руками сделать временный магнит, компас, электромагнит, магнитную дорогу, магнитную пушку и даже простейший электродвигатель. И занятие это настолько фантастическое и увлекательное, что трудно остановиться. Я уверен, что человечество будет и дальше осваивать, и находить новое применение для магнитов. А для меня следующей целью является проведение опытов по взаимодействию диамагнетика- меди и мощного магнита.
Источники информации:
1 ru.m.wikipedia.org 2 promvishivka.ru 3 zaochnik.com 4 elementy.ru 5 vokrugsveta.ru 6 «Большая книга экспериментов» А. Мейяни 7 «Все, что нужно знать, чтобы не быть слабаком в физике.» А. А. Спектор 8 «Физика без формул» А. А. Леонович 9 «Занимательная физика» Я. Перельман 10 «Элементарный учебник физики» Г.С. Ландсберг 11 «Небесные магниты» Д. Соколов 12 «Электричество и магнетизм» Ш.А. Пиралишвили, Е.В. Шалагина, Н.А. Каляева, Е.А. Попкова 13 «Источник магнетизма у ферромагнетиков» А. Золотов 14 «Магниты, батарейки и компасы» В.Бараттини, Ф. Горини, М.Кривеллини 15 «Тайны магнитов» Книга-инструкция Н. Крупеская 16 Инструкция к набору «Магнитная дорога» 17 Инструкция к набору «Магнитная пушка»
Приложения.
Рис.1
Рис. 2.
Рис.3
Р ис.4
Рис. 5.
Рис.6
Рис. 7.
Рис.8
Рис. 8.
Рис.9
Р ис. 10.
Рис.11.
Рис. 12
Рис. 13.
Рис. 14
Рис. 15
Рис. 16
Рис. 17
Рис. 18.
Рис. 19.
Рис. 20.