XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Тайны магнита
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
С раннего детства я любила играть с магнитами и был зачарована 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.
Теоретическая часть
История открытия и изучения магнита. Магнит-это объект, сделанный из определенного материала, который создает магнитное поле и способен притягивать к себе магнитные тела. Слово «магнит» происходит от названия провинции Магнезия (в Греции), жителей которой звали магнетами. В древности в Малой Азии существовал регион, который назывался Магнисия. Магнезия — древний греческий город в Ионии, расположенный на притоке Меандра в 19 километрах к юго-востоку от Эфеса, неподалёку от Приены.
Руины и раскопки Магнезии расположены недалеко от современного турецкого города Герменджик, вдоль автодороги Ортаклар — Сёке.
В этом регионе были обнаружены большие залежи минерала черного цвета – магнетита. Этот минерал получил название района, в котором был обнаружен. Было отмечено, что этот минерал способен притягивать к себе некоторые предметы, то есть обладает магнитными свойствами. Поэтому такие тела стали называть магнитами. 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.
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. 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. 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
Размагнитить материал можно 3 способами :
-нагревание магнита,
-сильный удар, притягиваются.
-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 Нобелевскую 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.
Магнитное поле Земли.
Земля в целом представляет собой огромный шаровой магнит. Магнитное поле Земли имеет внутриземное происхождение. Ядро Земли является жидким и состоящим из железа; в нем циркулируют круговые токи, которые и порождают земное магнитное поле: вокруг токов всегда есть магнитное поле. Оно не является симметричным.
Магнитные и географические полюса Земли не совпадают друг с другом. Южный магнитный полюс находится вблизи северного географического полюса вблизи северного берега озера Виктория (Канада). Северный магнитный полюс находится вблизи южного географического полюса вблизи берегов Антарктиды. Магнитные полюса Земли перемещаются (дрейфуют).
Магнитное поле Земли не остается постоянным, оно испытывает медленные изменения во времени (так называемые вековые вариации). Кроме того, через достаточно большие интервалы времени могут происходить изменения расположения магнитных полюсов на противоположные (инверсии). За последние 30 млн лет среднее время между инверсиями составляло 150 000 лет.
Но особенно большие изменения могут происходить в магнитосфере Земли. Эта область околоземного пространства, в котором сосредоточено магнитное поле Земли, простирается на расстояние 70–80 тыс. км в направлении на Солнце и на многие миллионы километров в противоположную сторону. В магнитосферу Земли вторгается множество заряженных частиц, входящих в состав солнечного ветра (потока плазмы солнечного происхождения).
Частицы солнечного ветра, главным образом протоны и электроны, захватываются магнитным полем Земли и увлекаются по винтовым траекториям вдоль силовых линий.
Во время увеличения солнечной активности интенсивность солнечного ветра возрастает. При этом частицы солнечного ветра ионизируют верхние слои атмосферы в северных широтах (где магнитные силовые линии сгущены) и вызывают там свечения — полярные сияния.
В магнитном поле Земли в условиях разреженного воздуха так светятся обычно атомы кислорода и молекулы азота. Магнитное поле Земли защищает ее жителей от солнечного ветра!
Неодимовый магнит
Неодимовый магнит это что? Это мощный магнит, состоящий из неодима, железа и бора (Nd2Fe14B). Они обладают высокой магнитной силой, что позволяет им создавать сильное магнитное поле и притягивать другие металлические объекты с большим усилием. Неодимовые магниты являются самыми мощными среди всех типов постоянных магнитов, что делает их идеальными для использования в различных приложениях, где требуется компактный, но сильный магнит.
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, Неодимовый магнит это что? Это мощный магнит, состоящий из неодима, железа и бора (Nd2Fe14B). Они обладают высокой магнитной силой, что позволяет им создавать сильное магнитное поле и притягивать другие металлические объекты с большим усилием. Неодимовые магниты являются самыми мощными среди всех типов постоянных магнитов, что делает их идеальными для использования в различных приложениях, где требуется компактный, но сильный магнит.воображение, мышление и фантазию детей. 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.
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.
Практическая часть
Разобрав теоретическую часть, можно переходить к самому интересному- к опытам, подтверждающим все, что я узнала про магниты.
Опыт 1. Что притягивает магнит? Я по очереди подносила магниты к разным предметам, изготовленным из разных материалов. В результате бумага, деревянный бусок, 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.
Опыт 2. Временный магнит. Чтобы получить временный магнит, надо потереть железный или стальной предмет в одном направлении о магнит, например, скрепку. 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. 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.
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. 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. 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. 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.
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.
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. А теперь в край платформы вставим вертикальную площадку (которая будет служить ограничителем и опорой), вставим в платформу попарно кольцевых магниты так, что бы их одноименные полюса были обращены в одну сторону и обращены к вертикальной площадке. На круглую палочку надеть 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 магнитами установить над платформой с магнитами так, чтобы она упиралась одним концом в вертикальную площадку, и все магнитов были ориентированы полюсами в одну сторону. И вот, можно наблюдать как палочка парит в воздухе! 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. Подобные мощные электромагниты используют для передвижения больших грузов кранами.
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.
Заключение
В ходе выполнения этой работы я узнала:
1) Форма и размер магнита влияет на его силу.
2) Магниты обладают способностью притягивать предметы из железа или стали, никеля и некоторых других металлов.
3) Магнитная сила может проходить через предметы или вещества.
4) Магниты могут не только притягиваться, но и отталкиваться.
5) Земля ведет себя как большой магнит.
6)Свойства магнитов люди использовали с древних времен, но особенно широко эти свойства используются в наши дни.
Таким образом, значение магнитов в нашей жизни велико. Однако эта роль не столь бросается в глаза, и зачастую, связывается исключительно с сувенирными магнитами на дверце холодильника. В наших квартирах десятки магнитов: в электробритвах, динамиках, магнитофонах, в часах, в банках с гвоздями, наконец. Основное применение магнит находит в электротехнике, радиотехнике, приборостроении, автоматике и телемеханике, автомобилестроении. Без него невозможно никакое исследование, никакая наука, никакая промышленность, никакая цивилизованная жизнь. Если вспомнить еще и о том, что не обладай Земля магнитным полем, она была бы сейчасиспепеленной космическим излучением планетой, как Марс, то можно почувствовать к магнитам нечто вроде благодарности и уважения.
...Альберт Эйнштейн на всю жизнь запомнил тот день, когда ему, четырехлетнему ребенку, подарили новую игрушку – компас. На всю жизнь сохранил он детскую удивленность чудесными свойствами магнита, теми самыми свойствами, которые
тысячи лет назад волновали наших предков. Проведя серию опытов, я больше узнала о свойствах и поведении магнитов.
В заключение хочу сказать, что я выбрала данную тему для исследовательской работы из-за её актуальности и доказала это. Цели своей я достигла, задачи выполнены. Магнит поворачивает стрелки компаса и может намагнитить предмет. Может притягивать предметы из железа, стали и других металлов. Нет области прикладной деятельности человека, где бы ни применялись магниты. Вряд ли когда-нибудь найдется человек, который возьмет на себя смелость утверждать: «Я постиг загадку магнита!» Однако ученые, познавшие удивительно небольшую часть тайны, смогли создать устройства, способные соперничать с самыми сильными магнитами, созданными природой
Источники информации:
1 «Большая книга экспериментов» А. Мейяни
2. «Все, что нужно знать, чтобы не быть слабаком в физике.» А. А. Спектор
3. «Физика без формул» А. А. Леонович
4.«Занимательная физика» Я. Перельман .
5. «Элементарный учебник физики» Г.С. Ландсберг
6. «Небесные магниты» Д. Соколов
7. «Тайны магнитов» Книга-инструкция Н. Крупеская