XXIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Исследование свойств постоянных магнитов

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Лебедь М.Д. 1

---

1МБОУ Филиал "Лицей № 11 г. Челябинска"

Пахомова И.В. 1

---

1МБОУ Филиал "Лицей № 11 г. Челябинска"

Работа в формате PDF

1.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Одним из наиболее интересных явлений для нас является магнитное поле. Удивительно, насколько широкое применение получили магниты, создающие это поле. Магниты находят применение не только в детских конструкторах, сувенирных магнитах на холодильнике и в гибком уплотнителе дверцы холодильника, но и в компьютерах, смартфонах, электростанциях, автомобилях, станках и даже в фильтре аквариума, где живут наши рыбки. Такое широкое распространение магнитов заинтересовало нас, и мы решили изучить и лучше понять природу магнитов и их свойства.

На начальном этапе исследования мы выяснили, что магниты делятся на две категории: постоянные магниты и электромагниты. Постоянные имеют один большой плюс — не потребляют энергию. Их называют «постоянными», так как магнитные свойства определяются лишь структурой материала. Поэтому для изучения основ действия магнитов мы решили выбрать постоянные магниты.

Актуальность работы связана с широким распространением магнитов в быту и технике.

Целью работы является изучение свойств магнитов для создания игр и других полезных вещей с использованием постоянных магнитов.

Область исследования: физика.

Объект исследования: магнит.

Предмет исследования: свойства магнита.

Задачи:

1. выяснить, что такое магнит и узнать историю его открытия;

2. выяснить, какими свойствами обладает магнит;

3. применить полученные знания на практике.

Гипотеза: все постоянные магниты притягивают любые металлические предметы и делают это с разной силой.

Методы, используемые в исследовании:

1. Изучить терминологию и историю возникновения магнита;

2. Провести эксперименты;

3. С учетом выявленных свойств магнита предложить способы его применения.

Для проведения исследования нам потребуются: 2 стержневых магнита, 2 магнитные полосы, 6 кольцевых магнитов и 4 малых круглых неодимовых магнита.

Глава 1. Теоретическая часть

1.1. История открытия магнита

Согласно древнегреческой легенде, один пастух обнаружил магнетизм. Это произошло, когда его сандалии, скрепленные железными гвоздями, стали прилипать к камням. Он кинулся обратно в деревню и рассказал все друзьям.

Вскоре многие люди узнали о странных камнях и пришли, чтобы своими глазами увидеть это явление. Философы отправлялись в далекие путешествия для изучения камня и много размышляли о нем. Это был особый минерал — железная руда (магнитный железняк), способный притягивать железные предметы. Залежи этого минерала находились возле греческого города Магнесии. Название этого города послужило источником термина «магнит».

1.2. Что такое магнит?

Магнит — тело, обладающее собственным магнитным полем. Магнитное поле — это область вокруг магнита, внутри которой ощущается воздействие магнита на внешние объекты. Магнитное поле отвечает за магнитную силу. Магнитная сила — это сила, с которой предметы притягиваются к магниту.

В природе существует минерал, который сам по себе является магнитом — это магнетит (или магнитный железняк). Он образуется при остывании лавы, содержащей железо и его оксиды. Именно за счет железа магнетит обладает свойствами притягивать себе подобное. Земля сама по себе является магнитом. Однако большинство современных магнитов создано человеком с помощью обработки определенных металлических сплавов:

• Керамические или ферритовые (оксид железа и другие металлы в керамическом композите);

• Магниты Альнико (алюминий, никель и кобальт);

• Самарий-кобальтовые магниты (самарий и кобальт);

• Неодимовые магниты (сплав редкоземельного элемента неодима, бора и железа).

Искусственные магниты могут быть временными и постоянными. Временные магниты можно изготовить путем трения куска магнитного металла, такого как железо, или путем пропускания электричества через катушки электромагнита. Временные магниты проявляют признаки магнетизма только при воздействии сильных магнитных полей [1].

1.3. Область применения магнитов

Магниты играют важную роль в различных устройствах, которые могут быть небольшой игрушкой или тяжелым стотонным устройством для сбора тяжелых металлов.

Первым прибором, который был основан на явлении магнетизма, стал компас. Он был изобретен в Китае между II веком до нашей эры и I веком нашей эры. Компас помогает ориентироваться на местности. Самым важным элементом компаса является вращающаяся магнитная стрелка. Она обладает свойствами магнита и имеет два полюса: северный и южный. Стрелка компаса всегда указывает на север, как бы мы не вращали компас.

В настоящее время область применения магнитов очень широка. Магниты используют в бытовой вычислительной технике, компьютерах, динамиках, моторах, генераторах и других электронных устройствах. Магниты применяют в медицинском оборудовании, например, в процессе магнитно-резонансной томографии (МРТ) и магнитотерапии, в диагностике. Широко распространен магнитный метод удаления металлических частиц из глаза.

Электродвигатели используются в повседневных вещах, от стиральных машин до электромобилей. Постоянные магниты являются важными компонентами этих двигателей.

Магнитные сепараторы очень важны в сферах, связанных с материалами, таких как добыча полезных ископаемых и переработка отходов. В этих сепараторах используются постоянные магниты для отделения черных материалов, таких как железо и сталь, от цветных, таких как алюминий и медь [2].

Существуют поезда на магнитной подушке, в процессе движения они не касаются поверхности рельса. Скорость, достигаемая поездом на магнитной подушке, сравнима со скоростью самолета.

Современная наука продолжает исследовать и разрабатывать новые материалы с улучшенными магнитными свойствами. 

Таким образом, можно сделать вывод, что нет области прикладной деятельности человека, где бы не применялись магниты.

Глава2. Практическая часть

2.1. Исследование свойств магнитов

Эксперимент № 1. Что притягивается магнитом?

Нам известно, что магнит притягивается только к металлам и не притягивается к тому, что ими не является.

Мы проверили, как реагируют на присутствие магнита металлические вещи: скрепки, гвозди, алюминиевая фольга, монеты разного номинала, золотое кольцо (см. Рисунок 1). Так же исследовали, как взаимодействуют с магнитом бумага, пластик, ткани, дерево, камни, соль и сахар. Результаты наблюдений внесли в Таблицу 1.

В результате эксперимента мы выяснили, что не все металлические предметы притягиваются к магниту. Оказывается, что материал монет разного номинала различается и некоторые из монет не притягиваются к магниту. Не способны к этому и предметы из пластмассы, бумаги, дерева, ткани и большинства других материалов.

Вывод: к магниту притягиваются предметы, которые сделаны из железа и его сплавов, например, стали. Есть металлы, которые не притягиваются магнитами, к ним относятся алюминий, медь и золото.

Железные предметы, покрытые краской, эмалью или подобными веществами, все равно притягиваются к магниту. Следовательно, такие покрытия не влияют на магнитные свойства железа.

Эксперимент № 2.Где притяжение сильнее?

Мы решили проверить, одинаковы ли магнитные свойства магнита в разных точках его поверхности? Для этого взяли тонкую проволоку, отрезали 20 сантиметров и намотали ее на карандаш так, чтобы получилась пружинка. К одному из концов пружинки скотчем прикрепили маленький стальной шарик (см. Рисунок 2).

Оказывается, что концы магнита имеют сильное притяжение, и для того, чтобы отделить шарик от магнита, нужно применить силу. А к середине магнита шарик почти не притягивается, так как притяжение у нее слабое.

Те части поверхности магнита, в которых притяжение железных предметов проявляется заметным образом, называют полюсами магнита. У магнита есть два полюса: северный и южный. Для обозначения полюсов магнита южный полюс обычно окрашивают красным цветом, а северный — синим. А та часть поверхности магнита, в которой силы притяжения нет или она очень слабая, называют нейтральной зоной магнита [3].

Вывод: магниты имеют два полюса на концах полосы и нейтральную зону между ними.

Эксперимент № 3.Взаимодействие стержневых магнитов

Далее мы решили выяснить, как магниты взаимодействуют между собой. Для этого поднесли друг к другу два стержневых магнита разноименными полюсами (красную часть первого магнита к синей части второго магнита). В этот момент мы почувствовали, что между ними возникает сила притяжения. Если поднести друг к другу два одноименных полюса (части обоих магнитов одинакового цвета), то между ними возникает сила отталкивания (см. Рисунок 3).

Эксперимент № 4. Взаимодействие кольцевых магнитов

Мы решили провести подобный эксперимент с кольцевыми магнитами.

Для эксперимента мы использовали пористый коврик, пластиковую трубочку, шесть кольцевых магнитов.

В отверстие в пористом коврике мы вставили пластиковую трубочку. Далее по очереди надели на трубочку все кольцевые магниты, ориентируя их взаимно отталкивающимися полюсами — «юг-юг» и «север-север» (см. Рисунок 4). Они намагничены так, что их полюсы будут расположены на оси кольца по разные стороны магнита. Каждое из этих колец имеет северный полюс на одной стороне (N) и южный полюс (S) на другой стороне.

Магниты оказались расположены на расстоянии. После этого мы соединили магниты попарно и по три, они также расположены на расстоянии (см. Рисунок 5).

Вывод после проведения экспериментов № 3 и № 4: магниты всегда имеют два полюса. Противоположные полюсы притягиваются друг к другу, а одноименные полюса отталкиваются.

Эксперимент № 5. Магнитное поле

Для изучения свойств магнита мы изготовили экспериментальную установку — магнитный подвес. Для этого нам потребовались: проволочная рамка, две подставки, нить, пластиковая трубка, полосовой магнит и скотч.

Мы установили рамку на подставках, отрезали кусок пластиковой трубки и прикрепили ее с помощью двух полосок скотча к стержневому магниту. После этого продели нить сквозь трубку и привязали оба ее конца к рамке так, чтобы магнит висел на расстоянии 10 сантиметров от поверхности стола. Далее насыпали скрепки в чашку Петри и поднесли ее снизу к магниту. Немного покачали чашку и убрали. Мы увидели, что скрепки прилипли к магниту (см. Рисунок 5).

В результате эксперимента мы обнаружили, что скрепки наиболее сильно притягиваются на концах магнита и почти не взаимодействуют с его средней частью. Более того, скрепки объединяются в цельную полосу, которая соединяет полюсы магнита. Оказывается, это происходит под воздействием магнитного поля.

Ученые характеризуют магнитное поле с помощью воображаемых силовых магнитных линий, которые выходят из северного полюса магнита и входят в южный полюс магнита [4].

Вывод: магнитные силовые линии более густо расположены на полюсах, там, где поле наиболее сильно.

Эксперимент № 6. Можно ли увидеть магнитное поле?

Чтобы это выяснить, мы поместили лист плотной бумаги на стержневой магнит, а потом насыпали на бумагу железные опилки и слегка ее потрясли. Мы увидели, что опилки после этого начали двигаться и располагаться по линиям, которые изгибаются от одного полюса магнита до другого. Каждая линия начинается на одном полюсе и заканчивается на другом (см. Рисунок 7).

Вывод: магнитное поле можно увидеть.

Эксперимент № 7. Действует ли магнит через другие материалы?

Для эксперимента мы использовали магнит, скрепку и в качестве преграды между ними стакан с водой, лист картона, пластиковую крышку, боковую стенку стеллажа, две книги, окно с двойным стеклопакетом (см. Рисунок 8). Данные о результатах внесли в таблицу № 2.

Вывод: магнитная сила действует через стекло и воду, картон, пластик, дерево. Магнит притягивает предмет через тонкий слой материала, но теряет это свойство, когда слой материала достигает определенной толщины.

Эксперимент № 8. Может ли магнит передавать магнитные свойства другим предметам?

Для эксперимента мы взяли стержневой магнит и 9 маленьких шариков.

Удерживая стержневой магнит одним полюсом вверх так, чтобы противоположный полюс был внизу, мы подняли один из шариков и поднесли его вплотную к полюсу. После этого мы отпустили шарик, и он прилип к магниту. Далее мы добавили другой шарик к первому и продолжили добавлять шарики, пока не получили последовательно висящими все десять.

Взялись за верхний шарик одной рукой и аккуратно отделили его вместе с другими шариками от магнита (см. Рисунок 9). Шарики остались скрепленными еще несколько секунд, а затем рассыпались.

Пока шарики находились рядом с магнитом, они намагнитились и ненадолго сами стали магнитами. Каждый дополнительный шарик также становится временным магнитом с более слабой магнитной силой, чем предыдущий [5].

Вывод: магнит может передавать свои свойства другим предметам, временно превращая их в магниты.

Эксперимент № 9. Магнитная левитация

Мы прикрепили магниты к перекладине стойки, в середину стопки магнитов на перекладине поместили кусочек пластилина. Затем привязали нить к одной из скрепок и дали скрепке прилипнуть к магниту. Потом потянули скрепку за нить и приклеили конец нити к столу небольшим кусочком клейкой ленты. В результате скрепка осталась висеть в воздухе близко к магниту, но не касается его. Таким же образом закрепили еще одну скрепку.

Мы видим, что скрепка движется навстречу магниту, она парит в воздухе (см. Рисунок 10).

Вывод: магнит может действовать на расстоянии.

Таким образом, мы выяснили, что притягивающее действие магнита зависит от его силы. Все ли магниты обладают одинаковой силой? От чего зависит эта сила?

Эксперимент № 10. Сравним силу магнитов двумя способами:

1. По расстоянию: сильнее тот магнит, который притянет стальной предмет (скрепку) на большем расстоянии. Сравним расстояния между магнитом и тем местом, где находится притянутая им скрепка (см. Рисунок 11).

Мы сравнили силу стержневого магнита, магнитной полосы, кольцевого и малого круглого неодимового магнитов. Данные, которые у нас получились, мы внесли в Таблицу 3.

2. По количеству скрепок: сильнее тот магнит, который удерживает у своего полюса цепочку с большим количеством стальных скрепок, сравним их количество (См. Рисунок 12). Результаты мы поместили в Таблицу 4.

Таким образом, скрепка является «меркой» для измерения силы магнита. Меркой может быть металлический шарик или отрезок проволоки. Размер магнита увеличивается с помощью количества подобных магнитов.

В результате эксперимента мы выяснили, что среди магнитов, имеющих одну форму, сильнее будет магнит большего размера. Чем больше магнит, тем больше сила притяжения и тем больше расстояние, на котором магнит оказывает свое воздействие. Стрежневой магнит сильнее кольцевого, а неодимовый магнит сильнее ферритового.

Вывод: магниты имеют разную магнитную силу, магнитная сила зависит от формы и размера магнита.

При сравнении силы магнитов по расстоянию мы решили установить препятствие в виде книги между стальной скрепкой и магнитом, а затем между двумя магнитами. Удивительно, но не смотря на препятствие, расстояние, на котором магнитное поле воздействует на предмет, не изменилось.

Эксперимент № 11. Может ли временный магнит оказаться сильнее постоянного?

Чтобы это узнать, мы взяли стальной гвоздь, стержневой магнит и металлический шарик. Магнит с легкостью притягивает маленький и легкий шарик. Мы решили проверить, притягивает ли шарик гвоздь, и увидели, что он его не притягивает. Далее мы положили магнит на стол, а шарик оставили около его южного полюса. Рядом с магнитом расположили большой гвоздь так, чтобы он был направлен острой частью к тому полюсу магнита, к которому прилип шарик. После этого мы медленно поднесли гвоздь острием к шарику и слегка прикоснулись к нему. Далее медленно отодвинули гвоздь в обратном направлении и шарик примагнитился к гвоздю (см. Рисунок 13).

Оказывается, магнитное поле стержневого магнита прошло в гвоздь, и из него получился временный, но более сильный магнит. Это стало возможным благодаря тонкой форме гвоздя. Острие гвоздя сконцентрировало магнитные силовые линии, и в этом месте поле стало сильнее [6].

Вывод: временный магнит может оказаться сильнее постоянного за счет своей формы.

В результате проведенных экспериментов были выявлены следующие свойства магнитов:

1. 1. магниты притягивают предметы из железа и его сплавов (стали);

   2. магниты имеют два полюса на концах полосы и нейтральную зону между ними;

   3. два магнита с одинаковыми полюсами отталкиваются друг от друга, а с противоположными притягиваются;

   4. магнитная сила может проходить через предметы или вещества;

   5. магнит может передавать свои свойства другим предметам, временно превращая их в магниты;

   6. магнит может действовать на расстоянии;

   7. магниты имеют разную магнитную силу.

Глава 3. Использование результатов

С помощью экспериментов мы выяснили, что магниты способны притягиваться другу к другу противоположными полюсами даже через препятствия. Мы решили найти применение данным полезным свойствам на практике:

1. Для того чтобы чай оставался как можно дольше ароматным, мы свернули открытую упаковку и закрепили ее с помощью двух магнитов (см. Рисунок 14).

2. Если закрепить бейдж с именем с помощью булавки, то на блузке остаются затяжки и проколы. Мы закрепили бейдж с помощью двух магнитов.

3. Из конструктора Лего и магнитов мы построили сейф, который открывается только с помощью магнитного ключа. Один магнит находится в выдвижном ящике, другой в ключе. Когда мы приближаем ключ, ящик выдвигается.

Свойство магнита притягивать предметы из металлов через препятствия мы применили следующим образом:

1. С помощью конструктора Лего сделали магнит для холодильника.

2. С помощью магнита закрепили блокнот для записей на холодильник (см. Рисунок 15).

3. Из Лего и магнита получилась стойка для хранения скрепок. Скрепили в виде башни несколько деталей конструктора, в каждую положили по одному магниту. В результате скрепки примагнитились к башне, высота которой может быть разной, в зависимости от количества скрепок (см. Рисунок 16). Подобным образом можно изготовить игольницу или башню для хранения гвоздей.

Применив свойство магнита действовать на расстоянии, мы построили конструкцию с самолетиком и воздушным змеем, которые висят в воздухе (см. Рисунок 17).

Практическая значимость исследования заключается в том, что его результаты стали основой пошаговой инструкции по сборке копилки-сейфа с магнитным ключом, которую мы разработали (см. Приложение 3).

Заключение

В результате исследования свойств магнитов, мы пришли к выводу, что они притягивают не все металлические предметы.

Магниты имеют разную силу и чем сильнее магнит, тем труднее с ним работать, сложнее отсоединить один магнит от другого.

Для применения в обычной жизни магнитов без цветовой маркировки мы можем использовать знания, которые мы получили, когда проводили эксперименты: магниты с одинаковыми полюсами отталкиваются друг от друга, а с противоположными притягиваются.

Железные предметы, покрытые краской, эмалью или подобными веществами, все равно притягиваются к магниту. Кроме того, бывают даже магнитные краски. От обычных красок они отличаются тем, что в них есть металлические частицы, которые создают эффект магнетизма. Таким образом, если покрасить такой краской в классе всю стену, можно сделать ее полностью магнитной.

Препятствие между магнитами или магнитом и стальной скрепкой не влияет на расстояние, на котором магнитное поле воздействует на предмет.

Во время проведения экспериментов мы выяснили, что магниты хрупкие. Если они не защищены прочным корпусом, то при резком ударе один об другой они сломаются.

В процессе написания работы мы научились находить с помощью магнита предметы из стали, железа и никеля. Особенно нам понравилось проводить эксперименты.

В данной работе мы исследовали свойства постоянных магнитов. В следующих работах мы планируем продолжить изучение этой темы и исследовать свойства электромагнитов.

Таким образом, гипотеза частично подтвердилась, цель достигнута, а поставленные задачи решены.

Список литературы:

1. Тайная сила камня магнита материалы сайта // un-sci.com : сайт. — URL: https://un-sci.com/ru/2019/04/19/pochti-ponyatno-o-magnetizme-tajnaya-sila-kamnya-magnita/ (дата обращения: 20.08.2024).

2. Магниты. Открытие и применение материалы сайта // vc.ru : сайт. — URL: https://vc.ru/flood/943736-magnity-otkrytie-i-primenenie (дата обращения: 20.08.2024).

3. Кривеллини, М. Магниты, батарейки и компасы / М. Кривеллини — Москва : РОСМЭН, 2021. — 48 c.

4. Проневский, А. Г. Удивительные опыты с электричеством и магнитами / А. Г. Проневский. — Москва : Эксмо, 2015. — 44 c.

5. Аниашвили, К. С. Опыты и эксперименты / К. С. Аниашвили. — Москва : АСТ, 2018. — 64 c.

6. Надольсткая, Я. Н. Природа магнетизма. Юный физик / Я. Н. Надольсткая. — Москва : ЮВЕНТА , 2021. — 151 c.

Приложения

Приложение 1

Рисунок 1

Рисунок 2

Рисунок 3

Рисунок 4

Рисунок 5

Рисунок 6

Рисунок 7

Рисунок 8

Рисунок 9

Рисунок 10

Рисунок 11

Рисунок 12

Рисунок 13

Рисунок 14

Рисунок 15

Рисунок 16

Рисунок 17

Приложение 2

Таблица 1. Что притягивается магнитом?

Таблица 2. Действует ли магнит через другие материалы?

Таблица 3. Сравнение силы магнитов по расстоянию

Таблица 4. Сравнение силы магнитов по количеству скрепок

Приложение 3