VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Магия магнита
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение.
Способность магнитов притягивать к себе предметы всегда вызывала у людей интерес. С магнитами мы встречаемся уже с детских лет: это наши первые магнитные азбуки, магнитная доска в классе, магнитный конструктор, «шахматы» на магнитной доске, магниты-сувениры на холодильнике, которые мы привозим из различных путешествий. Я давно интересовался вопросом «что такое магнит и почему он притягивает?».
Актуальность:магниты широко используются в различных областях науки и техники, а также в домашнем хозяйстве. Они – важная часть нашей повседневной жизни.
Гипотеза:предположим, что сила магнита зависит от вещества (сплава), из которого он изготовлен и от того, из чего сделаны предметы, на которые действует сила магнита, а также от влияния окружающей среды.
Цель:При помощи опытов и экспериментов изучить свойства магнитов и исследовать их проявления.
Задачи:
узнать что такое магнит, магнитное поле и магнитная сила;
с помощью опытов и экспериментов выяснить, в чём заключается сила магнита;
а также экспериментально определить, какие факторы влияют на изменение силы магнита.
Объект исследования:магнит
Предмет исследования:свойства магнитов.
Методы исследования:изучение литературных источников, поисковый, исследовательский, практический методы, обработка и анализ полученной информации.
1. Немного о магнитах
1.1 Что такое магнит, магнитное поле и магнитная сила
Магнит – тело, обладающее собственным магнитным полем. Возможно, слово происходит от древнегреческого «камень из Магнесии» – от названия региона Магнисия и древнего города Магнесия в Малой Азии, где в древности были открыты залежи магнетита – минерала, который в состоянии притягивать железо. Магнетит назвали так в честь древнего турецкого города Магнесия, где этот минерал нашли. Кусочки магнетита называют естественными магнитами.
Термин «магнит», как правило, используется в отношении объектов, которые имеют собственное магнитное поле даже в отсутствие приложенного магнитного поля. Такое возможно лишь в некоторых классах материалов. В большинстве же материалов магнитное поле появляется в связи с приложенным внешним магнитным полем; это явление известно как магнетизм.
Магнит –это объект, сделанный из определенного материала, который создает магнитное поле. Магниты состоят из миллионов молекул, объединенных в группы, которые называются доменами. Каждый домен ведет себя как минеральный магнит, имеющий северный и южный полюс. Железо имеет множество доменов, которые можно сориентировать в одном направлении, то есть намагнитить. Домены в пластмассе, резине, дереве и остальных материалах находятся в беспорядочном состоянии, поэтому эти материалы не могут намагничиваться. Силы магнитного взаимодействия - невидимые силы, возникающие между магнитными материалами (железо, сталь и другие металлы).
Ферромагнетики – материалы, которые обычно и считаются магнитными. Они притягиваются к магниту достаточно сильно – так, что притяжение ощущается. Только эти материалы могут сохранять намагниченность и стать постоянными магнитами.
Магнитные свойства вещества определяются не магнитными свойствами отдельных атомов и молекул, а намагничиванием целых областей – доменов. В отдельных доменах магнитные поля имеют различные направления, при внесении ферромагнитного образца во внешнее магнитное поле происходит упорядочение ориентации магнитных полей отдельных доменов (рис. 1).
С увеличением магнитной силы внешнего поля возрастает степень упорядоченности отдельных доменов. Это происходит до полного магнитного насыщения, т.е. когда произошло полное упорядочение ориентации доменов. При прекращении действия внешнего магнитного поля значительная часть доменов сохраняет упорядоченную ориентацию, и ферромагнетик становится постоянным магнитом. Постоянный магнит – изделие, изготовленное из ферромагнетика, способного сохранять остаточную намагниченность после выключения внешнего магнитного поля. В качестве материалов для постоянных магнитов обычно служат железо, никель, кобальт, а также некоторые естественные минералы, такие как магнетиты. Постоянные магниты применяются в качестве автономных (не потребляющих энергии) источников магнитного поля.
Магнит можно изготавливать искусственным путем, намагничивая куски стали. Сила притяжения магнитов, воздействующая на предметы, называется магнитной силой.
Магнитная сила – сила, с которой предметы притягиваются к магниту.
1.2 Магнетизм Земли
Но только ли магниты способны притягивать к себе?
Земля ведёт себя как большой магнит: у неё есть своё магнитное поле. Считается, что это явление вызвано железом и никелем во внутреннем ядре Земли, которое вращается вместе с земным шаром. Линии магнитного поля идут от одного полюса к другому. А вот колебания этого поля - магнитные бури зависят уже не от планеты, а от ближайшей звезды. В моменты вспышек на Солнце в пространство исторгаются потоки частиц. Их называют солнечным ветром. Через несколько суток частицы долетают до Земли. Бомбардируя магнитное поле нашей планеты, они вызывают магнитные бури, северные сияния. На нашу планету потоки повышенной радиации проникают только в районе полюсов — тогда возникает полярное сияние.
Ученые говорят, что птицы в состоянии чувствовать магнитные силы. Более того, птицы во время сезонных перелетов летят исключительно по магнитным маршрутам. Рыбы также могут ориентироваться по магнитному полю земли.
2.Эксперимент.
1. Какие предметы притягивают магниты и насколько сильно?
Мы взяли магнит, разложили разные предметы на столе (фломастеры и лего-детали из пластмассы, металлические скрепки и гвоздь, монеты, керамическую свистульку) и провели над ними магнитом. Все ли предметы притянулись к магниту?
Магнит притянул металлические скрепки, гвоздь, монеты 5 и 10 рублей, а предметы из пластика, керамики и монета 1 рубль остались на месте (рис. 2, 3).
рис. 2 рис. 3
М агнит способен притянуть лишь особые материалы, называемые ферромагнетиками. К примеру, железо отлично притягивается к магниту, однако медь, алюминий, пластмасса, дерево и другие материалы с магнитом почти не взаимодействуют. Поэтому монета в 1 рубль не притянулась, т.к. она сделана из сплава меди и не содержит железа. Зато магнит притянет предметы, в которых есть железо, даже если его не видно, к примеру, спрятанную в коробочку железную гайку. Также магнит притягивает кобальт, никель, их многочисленные сплавы.
Мы приложили скрепку к магниту, после чего поднесли еще одну скрепку. Вторая скрепка притянулась к первой скрепке (рис. 4). Магнит имеет свойство делиться своими талантами к магнетизму с примагниченными к нему предметами. Но лишь на то время, пока этот предмет находится в контакте с магнитом: если убрать магнит, скрепки рассыпятся.
2. Создают ли другие предметы преграду для притягивающих свойств магнита?
Мы взяли магниты разной формы, металлические скрепки, деревянную фанерку, стакан с водой.
С помощью деревянной фанерки мы попробовали создать препятствие между магнитом и скрепкой. Магнит притянул скрепку через деревянный предмет, и скрепка не падала, а держалась на весу (рис. 5). Далее мы бросили скрепки в стаканчик с водой, чтобы создать водное препятствие для магнита, но магнит притянул все скрепки, которые находились в стакане с водой (рис. 6). Еще мы взяли 2 магнита (стержневой и круглый), и оказалось, что они притягивают друг друга через палец человека (рис. 7).
рис. 5 рис. 6 рис. 7
Магнит может притягивать предметы через любые «немагнитные» материалы: дерево, фарфор, воду, пластмассу и т.д. Так происходит, потому что магнит создает магнитное поле, с которым могут взаимодействовать только магнитные материалы. Все остальное не может помешать притяжению. Чем ближе к магниту, тем поле сильнее, чем дальше – тем слабее. Поэтому, чем дальше ферромагнетик расположен от магнита, тем слабее он притягивается.
3. Сортировщик металла.
Для эксперимента мы взяли железный порошок, песок, гвоздь, магнит и стаканчик.
В стаканчике мы перемешали песок и немного железного порошка. Вручную их уже не разделить (рис. 8). Соединили магнит с гвоздем, притянув гвоздь шляпкой. Не отрывая гвоздь от магнита, я провел концом гвоздя через смесь песка и железа и намагниченный гвоздь притянут железо, а песок остался в стакане (рис. 9).
рис. 8 рис. 9
Свойство магнита притягивать железо используют при сортировке металлолома.
4. Почему иногда сила магнита сильнее, а иногда слабее, от чего это зависит?
Для эксперимента нам понадобилось взять 2 стержневых магнита и железный гвоздь. Я поднес гвоздь к магниту с разных концов и к центру, Соединил 2 магнита конец в конец, разъединил магниты, перевернул один из них и снова попробовал их соединить.
К онцы магнита притягивали гвоздь сильнее, чем его середина. Конец одного магнита отталкивал один конец другого, но притягивался к противоположному.
Концы магнитов называют полюсами и обозначают как «северный полюс» (N) и «южный полюс» (S). Северный полюс заряжен отрицательно, а южный полюс – положительно. Два одинаковых полюса отталкиваются друг от друга, а два противоположно заряженных – притягиваются. Магнит в форме подковы специально раскрашивают в 2 цвета (красный и синий), чтобы выделить разные полюса магнита.
5. Отталкивание магнитов.
Для эксперимента мы взяли 2 стержневых магнита, пластилин, трубочку, ножницы, линейку. От трубочки отрезали кусок длиной 8 см. На расстоянии 1 см от края трубочки проделали прорезь длиной 3 см. Один конец трубочки закрепили на столе при помощи пластилина. Внутрь трубочки поместили один стержневой магнит, а следом опустили в трубочку другой противоположным полюсом. В отверстии трубочки стало видно, что верхний магнит висит над нижним магнитом. Трубочка не дает магнитам отклониться в сторону, а магнитное поле держит оба магнита на расстоянии, т.к. одноименно заряженные полюса магнитов отталкиваются друг от друга (рис. 10, 11)
рис. 10рис. 11
6. Что происходит с магнитными полюсами, если разделить магнит?
Для опыта надо взять 2 стержневых магнита и канцелярские скрепки. 2 магнита соединили за разные полюсы, образовав один большой магнит. Прикрепили скрепки к концам и к середине большого магнита. Разъедините магниты и прикрепите скрепки к концам двух разъединенных магнитов. По отдельности магниты притянули скрепки к своим концам, но когда их соединили, то концы, оказавшиеся в центре, больше не притянули скрепки.
Т ак происходит, потому что у магнита всегда только 2 полюса и всегда на его краях, даже если разрезать магнит, или соединить с другими магнитами. Невозможно отрезать полюс у магнита. Магнит как бы состоит из множества маленьких магнитиков, направленных в одну сторону. Все южные полюса маленьких магнитиков указывают на южный полюс целого магнита, а противоположные – на северный.
7. Превращение в магнит.
Для эксперимента мы взяли магнит, гвоздь и компас.
При соприкосновении с металлами магнит может ненадолго передавать им свои свойства, поэтому проведя магнитом по гвоздю около 50 раз в одном направлении железный гвоздь на некоторое время приобрел магнитные свойства. Поднеся намагниченный гвоздь к компасу его стрелка отклонилась от своего нормального положения.
рис. 12 рис. 13
Если представить магнит, как множество маленьких магнитиков, то в гвозде они тоже есть, только расположены хаотично, пока на него не действует магнит. Железо, из которого изготовлен гвоздь, способно ненадолго сохранять намагниченность даже после того, как магнит убран. У гвоздя появилось магнитное поле, действие которого видно по отклоняющейся стрелке компаса.
8. Исследование магнитного поля.
Мы взяли два стержневых магнита, железный порошок, лист плотной бумаги, пластилин.
Стержневой магнит закрепили на столе при помощи пластилина, а сверху положили листок плотной бумаги. Затем лист бумаги посыпали железным порошком. Повторили данный опыт с двумя магнитами на расстоянии 1 см противоположными полюсами друг к другу. Железный порошок в обоих случаях образовал закругленные линии, идущие от одного полюса магнита к другому.
рис. 14 рис. 15
Линии, которые можно наблюдать в данном случае, называются магнитными силовыми линиями. Под воздействием магнита железные крошки превращаются в «крошечные магнитики» и выстраиваются по его магнитному полю. Чем ближе друг к другу проходят линии, по которым выстроился порошок, тем сильнее в этом месте действие магнита.
9. Как известно, у Земли есть два полюса, связаны ли они с полюсами, которые есть у магнитов?
Д ля эксперимента мы взяли конструктор для сборки самодельного компаса, воду, компас обычный и магнит-подкову. Для изготовления компаса мы соединили детали конструктора, положили магнитную стрелку в центр и налили воды, чтобы магнитная стрелка свободно лежала на поверхности воды.
П ри сравнении мы увидели, что направление магнитной стрелки самодельного компаса совпадает с направлением стрелки обычного компаса. А в тот момент, когда к компасам поднесли магнит, обе стрелки отклонились, под воздействием магнита.
Магнит всегда указывает одним концом на север, другим на юг. Земля сама по себе – огромный магнит. И любой маленький магнит реагирует на ее магнитное поле. Действие магнита вблизи компаса сильнее магнитного поля Земли, поэтому его стрелка перестает указывать на север.
3. Современное применение магнитов.
О магнитах люди узнали давно и стали использовать его свойства в своих целях. Раньше использовали только естественные магниты – кусочки магнетита, сейчас большинство магнитов – искусственные. А самые сильные их них – электромагниты, используют на предприятиях.
Область применения магнитов невероятно широка, вот только некоторые примеры использования магнитов:
магнитные носители информации: кассеты, компьютерные дискеты, жёсткие диски,
кредитные, банковские карты,
телевизоры, мониторы,
громкоговорители и микрофоны,
строительство и ремонт подводных сооружений (закрепление и прокладывание кабеля),
в химических и медицинских лабораториях, где нужно перемешивать стерильные вещества в небольших количествах,
магнитный сепаратор тяжёлых минералов,
электродвигатели и генераторы,
трансформаторы,
компасы,
игрушки,
производство ювелирных изделий,
магниты могут поднимать магнитные предметы (железные гвозди, скобы, кнопки, скрепки), некоторые отвёртки специально намагничиваются для этой цели,
магниты могут использоваться при обработке металлолома для отделения магнитных металлов (железа, стали и никеля) от немагнитных (алюминия, цветных сплавов и т. д.),
магниты используются в бытовых счётчиках расхода воды.
Заключение.
Изучая эту тему, мы узнали, что:
магнит – это объект, сделанный из определенного материала, который создает магнитное поле;
магнитная сила – сила, с которой предметы притягиваются к магниту;
магниты обладают способностью притягивать предметы из различных металлов;
форма и размер магнита влияет на его силу;
магнитная сила может проходить через предметы и вещества;
магниты притягивают даже на расстоянии;
магнит всегда будет иметь "северный" и "южный" полюс, невозможно добиться, чтобы образовался один магнитный полюс;
Земля ведет себя как большой магнит.
люди используют свойства магнита в своих целях.
Исходя из вышеизложенного, можно сделать вывод, что гипотеза, которую мы ставили вначале работы:
«сила магнита зависит от вещества (сплава), из которого он изготовлен и от того, из чего сделаны предметы, на которые действует сила магнита, а также от влияния окружающей среды», подтвердилась.
Мне было очень интересно работать над данной темой. В дальнейшем я планирую продолжить свою работу по изучению свойств магнита, в частности связь магнитных и электрических явлений.
Список литературы
Большая серия знаний. Физика. Брилев Д.В., - М.: ООО «ТД «Издательство Мир книги»; 2006 г., 128 с.; ил.
Большая книга тайн для мальчиков. Мерников А.Г., Пирожник С.С., - М.: ООО «Издательство АСТ»; 2017 г., 160 с.; ил.
Основы естествознания «Магнетизм. Тайны магнитов», набор увлекательных экспериментов из серии «Чудо-опыты», ООО «Дельта»
Набор-конструктор «Фикси-компас», ООО «Степ Пазл»
http://wikipedia.green/%D0%9C%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B8%D1%82