Волшебный камень, который всё притягивает

XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке

Личный портфель

Волшебный камень, который всё притягивает

Харитонов А.Д. 1
1МБОУ "СОШ №2" г.Шумерля
Сивохина М.В. 1
1МБОУ "СОШ №2" г.Шумерля
Текст работы размещён без изображений и формул.
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF

ВВЕДЕНИЕ

Откройте холодильник. Скорее всего, на нём есть магниты — сувениры, записки, фото. А теперь загляните в смартфон: там тоже есть магниты — в динамике, моторе вибрации, датчике компаса. Мы живём в «магнитном» мире, даже не замечая этого.

Но как работают эти невидимые силы? Почему одни предметы притягиваются, а другие — нет? Можно ли создать магнит своими руками? В этом проекте мы не просто ответим на эти вопросы, но и проверим всё на практике — через опыты и модели.

Цель работы:

  • изучить основные свойства магнитов и продемонстрировать их на практике;

  • исследовать историю открытия магнитов и их роль в развитии науки и технологий;

  • рассмотреть различные виды магнитов и области их применения;

  • создать практические задания или игры с использованием магнитов для детей.

Задачи:

  • дать определение магнита и объяснить понятие магнитного поля;

  • провести опыты, демонстрирующие свойства магнитов (притяжение/отталкивание, действие через разные среды и т. д.);

  • изучить историю открытия магнитов и ключевые этапы их исследования;

  • классифицировать магниты по типам (природные, искусственные; постоянные, временные, электромагниты) и описать их особенности;

  • исследовать применение магнитов в медицине, технике, быту, науке и других сферах;

  • создать практические материалы (игры, пособия, презентации) для демонстрации знаний о магнитах.

Гипотеза: я предположил, что магниты способны притягивать любые металлические предметы, что все магниты имеют одинаковую силу и что магниты широко используются в разных сферах жизни людей.

Объект исследования – магнит, предмет исследования – свойства магнита.

Этапы работы

Подготовительный:

выбор темы, определение целей и задач, составление плана.

Поисково-исследовательский

сбор информации, работа с источниками, проведение опросов.

Завершающий

оформление результатов, подготовка презентации.

Основная часть.

Бывает маленьким, большим,

Железо очень дружит с ним,

С ним и незрячий, непременно,

Найдет иголку в стоге сена.

Вот перед нами обычный магнит. Много секретов в себе он хранит. «Легенда о магните» Существует старинная легенда. В давние - давние времена на горе Ида пастух по имени Магнис пас овец. Он заметил, что его сандалии, подбитые гвоздями и деревянная палка с железным наконечником, прилипают к черным камням, которые 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. Магнис понял, что эти странные камни (черные по цвету) не признают никаких других материалов, кроме железа. Пастух взял несколько камней, принес их в деревню и очень удивил своих соседей. От имени пастуха «Магнис» - появилось название «магнит». Но на многих языках мира слово «магнит» значит просто «любящий» - это из-за его способности притягивать к себе. Необыкновенная способность магнитов притягивать к себе железные предметы или прилипать к железным поверхностям всегда вызывала у людей удивление. Наша задача — познакомиться поближе с этим удивительным камнем.

Что такое магнит? Магнит - это камень, поверхность его холодная, гладкая, имеет вес и цвет темно - серый.

Магнит — тело, обладающее собственным магнитным полем, способное притягивать ферромагнитные материалы (железо, никель, кобальт и их сплавы).

Магнитное поле — область вокруг магнита, где проявляются его силовые воздействия. Невидимо для глаз, но обнаруживается по действию на другие тела.

Магнитная сила — сила притяжения или отталкивания между магнитными объектами.

Виды магнитов

  1. По происхождению:

    • природные (магнетит);

    • искусственные (созданные человеком).

  2. По типу:

    • постоянные (ферритовые, неодимовые, алнико, самарий-кобальтовые);

    • временные (намагничиваются в поле);

    • электромагниты (работают при подаче тока).

2.4. Основные свойства магнитов

  • Наличие двух полюсов: северного (N) и южного (S).

  • Притяжение разноимённых полюсов, отталкивание одноимённых.

  • Способность действовать через различные среды (воздух, воду, картон, дерево).

  • Возможность намагничивания других предметов.

  • Сила притяжения зависит от размера, формы и материала магнита.

До появления компаса мореплаватели и путешественники ориентировались по звёздам, путевым указателям, рельефу местности и природным признакам. Например, индийский лоцман Супарага в IV веке н. э. различал районы океана по цвету воды, характеру дна, рыбам, птицам и горам на берегу. Древние греки и финикийцы использовали знания о течениях и ветрах, а также маяки (например, Александрийский маяк на острове Фарос). 

Антикитерский механизм — древнее устройство, обнаруженное на затонувшем корабле возле острова Антикитера. Оно состояло из 37 бронзовых шестерёнок в деревянном корпусе с циферблатами и применялось для расчёта движения небесных тел. Датировка — не позднее 85 года до н. э. (Приложение 1)

1.4. Появление компаса

Компас был изобретён в Китае, предположительно во времена династии Сун (960–1274 гг.). Одно из первых описаний относится к 1044 году: это был кусок намагниченного железа, отлитый в форме рыбы и помещённый в чашу с водой. В сочинении Шэнь Ко от 1119 года упоминается компас для навигации на море. Позже стали делать компасы в форме ложки, выточенной из магнетитовой руды. Ложка имела особую форму и благодаря тщательной обработке поверхностей свободно вращалась на медной полированной пластине. Её ручка никогда не касалась пластины и указывала направление на юг.  (Приложение 2)

В Европу компас попал, вероятно, через арабских торговцев, плававших в Китай. Сначала в качестве стрелки использовали намагниченную швейную иголку: её втыкали в кусочек пробки, который опускали в воду. Позже европейцы начали делать «сухие» компасы, где стрелка свободно вращалась, опираясь на вертикальный стержень. 

Усовершенствование компаса

В XIV веке итальянец Флавио Джойя значительно усовершенствовал компас. Он надел магнитную стрелку на вертикальную шпильку и прикрепил к ней лёгкий круг — картушку, разбитую по окружности на 16 румбов (направлений). В XVI веке картушку стали делить на 32 румба, а коробку со стрелкой поместили в кардановом подвесе, чтобы устранить влияние качки корабля на компас. (Приложение 3)

В XVII веке компас снабдили пеленгатором — вращающейся диаметральной линейкой с визирами на концах, укреплённой своим центром на крышке коробки над стрелкой. 

Когда в XIX веке суда стали строить из стали, выяснилось, что это сильно влияет на компас и вызывает ошибки в его показаниях (магнитную девиацию). Чтобы её устранить, слева и справа от компаса стали размещать массивные железные шары, которые можно было передвигать и закреплять поближе или подальше от компаса. Внутри нактоуза, в который вмонтирован компас, стали помещать набор магнитов, которые тоже можно было передвигать и закреплять. Изменение их взаимного расположения почти полностью уничтожало девиацию. 

Компас в эпоху Великих географических открытий

Компас сыграл ключевую роль в эпохе Великих географических открытий. С его помощью мореплаватели могли ориентироваться в открытом море и следовать определённым маршрутам. В 1492 году Христофор Колумб использовал компас для определения направления своего путешествия в Новый Свет, что позволило ему обнаружить Америку. 

В XV веке также появились первые морские карты с обозначением магнитных северных стрелок. Картографы начали отображать компасные розы на картах, чтобы мореплаватели могли определить своё местоположение и направление движения. 

А знаете ли вы,что перелётные птицы — настоящие живые компасы? В их организме есть микроскопические магнитики. Они чувствуют невидимое магнитное поле Земли и летят по нему, как по дороге, преодолевая тысячи километров. Получается, природа изобрела GPS задолго до человека!

(Приложение 4)

Магнитное чувство (магниторецепция): как животные «видят» магнитное поле Земли

Что такое магниторецепция

Магниторецепция — способность организмов обнаруживать магнитное поле Земли и использовать его для ориентации и навигации. Это не «зрение» в привычном смысле, а особое сенсорное восприятие, позволяющее животным:

  • определять направление (как компас);

  • распознавать местоположение (как карту);

  • выстраивать маршруты миграций.

Какие животные обладают магниторецепцией

Способность обнаружена у представителей разных таксономических групп:

  • беспозвоночные: круглые черви, моллюски, насекомые (бабочки‑монархи, дрозофилы);

  • рыбы: радужная форель, акулы и скаты (используют ампулы Лоренцини);

  • амфибии и рептилии: морские и сухопутные черепахи;

  • птицы: перелётные виды, голуби;

  • млекопитающие: некоторые виды летучих мышей.

Как работает магниторецепция: основные гипотезы

Учёные выделяют два ключевых механизма (возможно, у одного вида работают оба одновременно):

  1. Квантовый компас (на основе радикальных пар)

    • задействован белок криптохром в сетчатке глаз (чувствителен к синему и УФ‑свету);

    • работает через квантовые эффекты: магнитное поле влияет на пары радикалов в молекуле;

    • предположительно даёт «визуальную» карту магнитного поля (птицы могут «видеть» его как узор).

  2. Магнитный компас на основе магнетита

    • в организме присутствуют микрочастицы минерала магнетита (Fe3​O4​);

    • у птиц магнетит найден в клюве и внутреннем ухе;

    • у рыб — в клетках носовой области;

    • частицы реагируют на направление и интенсивность поля, передавая сигнал в нервную систему.

Примеры использования магниторецепции

  • Морские черепахи (логгерхеды)

    • запоминают «магнитный профиль» мест гнездования (комбинацию интенсивности и наклонения поля);

    • различают профили точек, разделённых даже 300 км;

    • используют поле как компас для выхода в море после вылупления.

  • Перелётные птицы

    • комбинируют магнитную «карту» с обонятельной информацией;

    • определяют долготу и деклинацию (разницу между магнитным и географическим севером);

    • при миграции преодолевают тысячи километров, сверяясь с полем.

  • Радужная форель

    • в носу содержит 10–100 клеток с магнетитом;

    • использует поле для возвращения в родные реки после морских миграций.

  • Круглые черви (Caenorhabditis elegans)

    • имеют «антенну» на AFD‑нейроне;

    • ориентируются в почве, двигаясь вниз в поисках пищи.

  • Летучие мыши

    • калибруют магнитное поле по закату солнца;

    • теряют ориентацию при искусственном сдвиге поля на 90°.

Почему это важно изучать

  1. Эволюция навигации. Понимание, как примитивные организмы (черви) и сложные виды (птицы) используют одно и то же поле.

  2. Биомиметика. Создание датчиков и систем навигации по принципам природы.

  3. Охрана видов. Мигрирующие животные зависят от магнитного поля; антропогенные помехи (ЛЭП, радиочастоты) могут нарушать их маршруты.

  4. Нейробиология. Раскрытие механизмов сенсорного восприятия, отсутствующего у человека.

Ограничения и загадки

  • Не у всех видов найдены рецепторы. Например, у черепах механизм «карты» и «компаса» может быть разным, но точные структуры не идентифицированы.

  • Помехи. Радиочастотные поля (0,1–10 МГц) нарушают работу криптохромного механизма, но не влияют на магнетитовый.

  • Пластичность. Животные могут переучиваться: черепахи запоминают новые магнитные профили, если их тренировать.

Вывод

Магниторецепция — удивительный пример конвергентной эволюции: разные виды независимо развили способность «видеть» магнитное поле. Это не магия, а сложный биофизический процесс, сочетающий квантовые эффекты, минеральный компас и нейронные сети. Изучение этого чувства помогает не только понять природу, но и вдохновить новые технологии.

Практическая часть.

Вот подборка безопасных, эффектных и познавательных опытов. К каждому дано объяснение простыми словами, чтобы юный исследователь мог понять суть и объяснить её другим.

Правила безопасности для юного экспериментатора:

1. Не подноси магниты к компьютерам, телефонам, часам и банковским картам! Сильное магнитное поле может их испортить.

2. Береги пальцы! Два магнита могут с силой притянуться и прищемить кожу.

3. Не глотай и не разбирай магниты! Мелкие детали опасны.

Опыты по изучению свойств магнитов.

«Магнитный рыболов» (Что притягивает магнит?)

Железо тянет он к себе с большим старанием,

А к меди, к дереву – совсем нет притяжения.

Сила в нём невидимая таится.

Как зовётся он? (Магнит-камень)

  • Цель: определить, какие материалы взаимодействуют с магнитом.

  • Материалы: магнит, предметы из разных материалов (металл, пластик, дерево, бумага, стекло).

  • Ход: подносить магнит к каждому предмету.

  • Результат: притягиваются только ферромагнитные материалы (железо, сталь, никель).

  • Вывод: магниты взаимодействуют не со всеми металлами.

Опыт 2: «Невидимая сила» (Действие через преграды)

Цель: Убедиться, что магнитное поле действует через разные материалы.

  • Что нужно:Магнит, железная скрепка, лист бумаги, стеклянный стакан, пластиковый контейнер с крышкой, вода в миске.

Ход эксперимента:

  • 1. Положи скрепку на стол и накрой её листом бумаги. Поднеси магнит под бумагой — скрепка будет двигаться!

  • 2. Брось скрепку в стакан или контейнер. Поднеси магнит к стенке — скрепка «послушается» и поднимется по стенке.

  • 3. Брось скрепку в миску с водой. Поднеси магнит к стенке миски на уровне скрепки — и ты сможешь «водить» ею по воде, как на дистанционном управлении!

Вывод:Магнитная сила проходит сквозь бумагу, стекло, пластик и даже воду! Но она ослабевает через толстые преграды.

Опыт 3: «Таинственные полюса: друг или враг?» (Притяжение и отталкивание)

Сила странная у братца –

Может друга к себе притянуть,

А другого – так оттолкнуть.

Как попробуют сблизиться,

Так отпрянут, как злятся!

Цель: Понять, что у магнита есть полюса, и одноимённые отталкиваются.

  • Что нужно:Два магнита (лучше прямоугольных или в виде брусков, чтобы видно было концы), нитка.

Ход эксперимента:

  • 1. Подвесь один магнит на нитке за середину. Он развернётся и станет одним концом (полюсом) на север.

  • 2. Поднеси ко второму магниту разными концами к висящему.

  • 3. Наблюдай: один конец будет притягиваться, а другой — отталкиваться!

  • 4. Попробуй заставить два магнита отталкиваться друг от друга на столе (это сложнее, они так и норовят перевернуться и прилипнуть).

  • Вывод:У магнита два полюса: северный (N) и южный (S). Разные полюса притягиваются, одинаковые — отталкиваются. Именно так работает компас: его магнитная стрелка поворачивается северным концом к южному полюсу Земли (который, по сути, является северным магнитным полюсом!).

Опыт 4: «Волшебные опилки» (Увидеть невидимое поле)

Цель: Визуализировать форму магнитного поля.

  • Что нужно:Сильный магнит (можно от старой игрушки), железные опилки (можно получить, напилив над листом бумаги стальной шерстью для мытья посуды), плотный лист бумаги или картон.

Ход эксперимента (будь осторожен, опилки мелкие!):

  • 1. Положи магнит на стол, накрой его листом бумаги.

  • 2. Аккуратно, через сито или щепотками, посыпь сверху железные опилки.

  • 3. Слегка постучи по листу пальцем. Опилки выстроятся в удивительные узоры — линии и дуги!

Вывод:Ты увидел силовые линии магнитного поля. Они выходят из северного полюса и входят в южный. Где линии гуще — там поле сильнее (у полюсов). Это самый красивый и важный опыт!

Опыт 5: «Самодельный компас»

Цель: Создать простейший навигационный прибор.

  • Что нужно:Игла, магнит, пробка от вина или кусочек пенопласта, миска с водой.

Ход эксперимента:

  • 1.Плавно (без нажима) потри кончик иглы об один из полюсов магнита только в одном направлении (30-40 раз). Так ты её намагнитишь.

  • 2. Продень иглу через кусочек пробки или пенопласта, чтобы она плавала горизонтально.

  • 3. Опусти конструкцию на спокойную воду в миске.

  • 4. Игла развернётся и будет указывать одним концом на север! Проверь, сравнив с обычным компасом или картой на телефоне.

  • Вывод:Намагниченная сталь становится маленьким магнитом и взаимодействует с гигантским магнитом — Землёй.

Опыт 6: «Живая цепочка» (Передача магнитных свойств)

Цель: Узнать, что магнит может намагничивать другие предметы.

Что нужно:Магнит, 5-10 железных скрепок или гвоздиков.

Ход эксперимента:

  • 1.Прицепи к магниту одну скрепку. К ней можно прицепить вторую, третью…

  • 2. Построй длинную висящую цепочку. Аккуратно убери магнит — цепочка рассыплется.

  • 3. Попробуй скрепкой из цепочки поднять другую скрепку — получится! Но как только уберёшь первую намагниченную, вторая упадёт.

Вывод:Магнит делает железные предметы временными магнитами. Это свойство называется индукцией. Но как только магнит убирают, обычные предметы быстро теряют это свойство (кроме специальных сплавов, из которых делают постоянные магниты).

Заключение

В ходе работы над проектом мы погрузились в удивительный мир магнетизма и убедились: магнит — не просто забавный предмет из детской игры, а фундаментальное явление природы, меняющее наш быт и технологии.

Ключевые выводы

  1. Физика магнита проста и глубока одновременно.

    • Магнит обладает двумя полюсами (N и S), которые притягиваются или отталкиваются в зависимости от взаимной ориентации.

    • Магнитное поле действует на ферромагнитные материалы (железо, никель, кобальт) и может проникать через немагнитные среды (воздух, воду, картон).

    • Сила притяжения зависит от размера, формы магнита и расстояния до предмета.

  2. История использования магнитов — путь от мифа к науке.

    • Древние цивилизации воспринимали магнетизм как чудо (легенда о пастухе Магнусе, магнитные ворота храмов).

    • С изобретением компаса (Китай, X–XI вв.) магнит стал инструментом великих географических открытий.

    • В XIX–XX веках открытие электромагнетизма породило современную технику: электродвигатели, генераторы, МРТ, жёсткие диски.

  3. Магниты — неотъемлемая часть повседневной жизни.

    • Быт: застёжки, держатели, игрушки, холодильники, динамики.

    • Медицина: МРТ‑диагностика, магнитная терапия, хирургические инструменты.

    • Технологии: электродвигатели, трансформаторы, датчики, системы хранения данных.

    • Транспорт: поезда на магнитной подушке (маглев), электромобили.

    • Наука: ускорители частиц, исследования плазмы, навигация спутников.

  4. Природа «использует» магнетизм задолго до человека.

    • Птицы, черепахи, рыбы ориентируются по магнитному полю Земли (магниторецепция).

    • Земная магнитосфера защищает жизнь от солнечной радиации.

Практическая значимость

Проведённые опыты подтвердили:

  • магнит может передавать свои свойства другим предметам (временное намагничивание);

  • магнитное поле можно визуализировать с помощью железных опилок;

  • электромагнит легко создать своими руками (гвоздь + проволока + батарейка).

Эти знания открывают путь к практическим приложениям:

  • конструирование простых устройств (магнитный театр, сепаратор для металлов);

  • понимание принципов работы бытовой техники;

  • интерес к инженерным и научным профессиям.

Перспективы

Исследование магнетизма продолжается:

  • разрабатываются сверхпроводящие магниты для термоядерных реакторов;

  • изучаются квантовые эффекты в магниторецепции;

  • создаются магнитные системы для космической навигации и медицины.

Итоговый вывод

Магнит — это мост между миром природы и миром технологий. Его свойства, открытые тысячелетия назад, сегодня лежат в основе цифровой эпохи. Понимание магнетизма не только расширяет кругозор, но и вдохновляет на новые изобретения. Как сказал физик Майкл Фарадей: «У магнита нет прошлого и будущего — он всегда здесь, чтобы служить человечеству».

Проект достиг цели: мы изучили свойства магнитов, проследили их роль в истории и современности, провели эксперименты и убедились, что магнетизм — это не магия, а наука, доступная каждому.

Список литературы

  1. Андруз Д., Найтон К. Сто научных экспериментов. М., 2007.

  2. Леонович А.А. Я познаю мир: Детская энциклопедия:

  3. Ганайлюк Н. Опыты и эксперименты с профессором Николя для детей. [Цифровая книга]

  4. Хинн О.Г. Физика /; под общ. ред. М.: ООО «Издательство АСТ-ЛТД», 1998. – 480 с.

  5. Шалаева Г.; Л. Кашинская. Все обо всем. Популярная энциклопедия для детей. Том 7 – Москва, 1994.

Научно-популярные статьи из интернета

URL https://nplus1.ru/material/2020/05/06/magnetic-north - Магнитные полюса Земли начинают «блуждать». Что это значит? // Научно-популярный журнал «N+1» [Электронный ресурс]. 2020.

URL: https://nsportal.ru/ap/library/nauchno-tekhnicheskoetvorchestvo/2022/11/21/issledovatelskiy-projekt-magnity-i-ih - Парфенова, А.А. Исследовательский проект «Магниты и их свойства» // Социальная сеть работников образования «Наша сеть» [Электронный ресурс]. 2022.

Сайты научных организаций или музеев

URL: https://polymus.ru/ru/museum/news/istoriya-odnogo-izobreteniya-magnitnyy-kompas/

Политехнический музей: История одного изобретения: магнитный компас [Электронный ресурс]. Москва, 2021

Приложение

Приложение 1

Приложение 2

Приложение 3

Приложение 4

Просмотров работы: 3