VI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Таинственный магнит
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Кто из нас не играл с магнитом, наблюдая притяжение к нему металлических предметов? Мы привыкаем к магниту с самого детства, и порой даже не подозреваем, сколько магнитов вокруг нас.
Тема моего исследования: «Таинственный магнит».
Актуальность выбранной мною темы заключается в том, что несмотря на семи вековую историю изучения свойств магнита, тайна магнетизма до конца не разгадана. Поэтому существуют учебные заведения, готовящих специалистов по исследованию подобных вопросов.
Цель исследования: изучение способов применения магнита в жизни.
Задачи исследования:
1) найти информацию о видах магнитов, их свойствах и о применении;
2) провести собственные наблюдения, опыты и практическую работу с использованием магнита;
3) сделать магнит в домашних условиях;
3) сделать вывод по результатам исследования.
Объект исследования: магнит.
Гипотеза исследования: если принцип работы компаса основан на постоянном взаимодействии двух магнитных полюсов Земли и свободно движущейся магнитной стрелки, то в домашних условиях можно изготовить компас.
Методы исследования: наблюдения, опыты.
Сложная история обыкновенного магнита
Достаточно часто простые вещи имеют довольно сложную историю. Такова и история создания магнита. Со специальным полем, создаваемым некоторыми материалами, человечество столкнулось довольно давно. Однако действительно активно развиваться эта область познания начала относительно недавно. И только несколько десятилетий назад в человеческий быт и хозяйственную деятельность прочно вошли особые сплавы, способные создавать очень мощное поле. Какова история развития магнита в древние времена.
Чтобы убедиться в том, что с полем, обладающим особыми свойствами, люди столкнулись ещё на заре своей истории, достаточно познакомиться с происхождением самого этого термина. В Греции существует область - Магнисия. Именно там и были впервые найдены залежи вещества, создающего особое поле. Эта порода получила название «камень из Магнисии». Легенда гласит, что первый магнит был случайно открыт греческим пастухом. Он обнаружил однажды, что железный наконечник его палки и гвозди сапог притягиваются к чёрному камню. Этот камень стали называть «камнем Магнуса» или просто «магнитом». [1]
В тот период помимо реальных физических свойств - притягивать к себе железные предметы - такие камни наделялись и мистическими свойствами. Им приписывали свойства исцелять разнообразные болезни, использовали в качестве амулетов для отпугивания злых духов и так далее. Но несмотря на это, достаточно быстро было обнаружено очень ценное качество таких камней: если придать им форму иглы, то они будут указывать всегда на север. Так и появился примитивный компас.
Много внимания уделялось чудесным свойствам таких камней и в китайских летописях. Им также приписывали чудесные качества. Например, существует легенда о воротах, через которые не мог пройти человек с оружием. Современные исследователи склонны предполагать, что они были выполнены из горной породы, способной притягивать железо.
В средние века и вплоть до конца XVIII столетия исследования свойств данной горной породы продолжались. Фактически, всё это время человечество не знало других веществ, способных генерировать такое поле. Однако опыты Араго, начатые в начале XVIII века, а затем и исследования Ампера и Стёрджена привели к созданию поля искусственного происхождения. Возникало оно под воздействием электричества. И создание такого искусственного поля стало настоящим прорывом в технологиях. В дальнейшем работы над ним были продолжены, и удалось создать очень мощные переменные магниты. Таким образом, в настоящий момент все магниты можно разделить на две группы:
- естественные, или природные. Представляют собой залежи особых руд (масса самого крупного на сегодняшний день камня составляет 13 кг, и он обеспечивает силу сцепления в 40 кг);
- искусственные. В первую очередь к ним относятся приспособления из железа, которое создаёт особое поле, когда по обмётке, охватывающей сердечник, проходит электроток. [2]
Однако в настоящий момент существует и другой вариант - изделия из особых материалов. Они не встречаются в природе, а изготавливаются человеком искусственным путём. Первый мощный искусственный магнит был создан американским ученым Джозефом Генри в 1831 г.
На сегодняшний день в промышленности и быту применяются преимущественно магниты искусственного происхождения, представляющие собой специальные сплавы.
Распространены четыре их типа. Долгое время наиболее распространёнными были ферриты. Они представляют собой соединение оксида железа с оксидами других металлов. Изготавливают их путём спекания. Они активно применялись в радиотехнике и вычислительной технике. Однако у этого сплава имеется ряд недостатков: зависимость рабочих свойств от температуры, высокая хрупкость, низкие значения индукции насыщения.
Лидерами на сегодняшний день являются изделия из неодима, которые лишены минусов, присущих ферритам, и имеют множество достоинств. Прежде всего, по соотношению собственной массы и силы сцепления они не имеют аналогов. Кроме того, они очень долговечны и благодаря специальному защитному слою, наносимому производителями, не боятся коррозии и выглядят весьма декоративно. [5]
Среди других вариантов также можно назвать такие сплавы, как альнико и самарий-кобальт. Первый достаточно легко утрачивает свои свойства, а второй имеет очень высокую стоимость. Поэтому у неодимового сплава сегодня нет конкурентов, и он активно используется в очень многих областях.
Исследование некоторых свойств магнита.
Область применения этих свойств.
Без магнитов наша жизнь невозможна, поскольку в наших квартирах десятки магнитов: в дверных замках и в дверных звонках, в наушниках, в компьютерах и других электроприборах. В промышленности, строительстве магниты используют для удержания, разделения, поднятия разных объектов. Все электродвигатели вращаются с помощью магнитов. А кто из нас не знает компас? Но обо всем постепенно. [3]
Эксперимент 1. Какие материалы притягивает магнит?
Ход эксперимента: Возьмем предметы, сделанные из разных материалов: кусок нитки, бумажку, деревянный карандаш, кисточку, точилку, мел, скрепку и т.п. Поднесем к ним по очереди магнит. Посмотрим, какой из этих материалов притянется к магниту? Притянулись скрепка и точилка. Кисточка, с элементом похожим на железо, не притянулась.
Вывод: Магнит притягивает к себе только железо. Но однако не все «похожие на железяки» предметы притягиваются.
Применение данного свойства: сортировщик металла. Для примера, мы насыпали в пластмассовый стаканчик песок и металлическую стружку и хорошо перемешали. Перед нами задача отделить металлическую стружку от песка. Как можно это сделать быстро? Варианты: на ощупь, просеять или воспользоваться только что определенным нами свойством магнита притягивать все железно? Соединим магнит с гвоздём, как на фото. Данным орудием проведем над смесью песка в стакане. Металлические крупинки прилипли к гвоздю, а песок остался в стакане. Теперь рассоединим притягивающую конструкцию и ссыпем железный порошок обратно в мешочек. Стружка собрана. При проведении этого опыта, мы столкнулись с еще одним свойством магнита, который опишем в эксперименте 2.
Эксперимент 2. Магнитные свойства можно передать обычному железу.
Ход эксперимента. Подвесим к сильному магниту снизу скрепку. Если поднести к ней еще одну, то окажется, что верхняя скрепка примагничивает нижнюю! Попробуем сделать целую цепочку из таких висящих друг на друге скрепок. Если магнит убрать, то все скрепки рассыпятся. Но если поднести любую из этих скрепок к другой - увидим, что скрепка сама стала магнитом!
То же самое произойдет со всеми железными деталями (гвоздиками, гайками, иголками), если они некоторое время побудут в магнитном поле. Атомы внутри них выстроятся в ряд так же, как и атомы в магнитном железе, и они приобретут свое собственное магнитное поле. Но это поле очень недолговечное. Искусственное намагничивание легко уничтожить, если просто, например, резко стукнуть предмет. Атомы внутри предмета от этого потеряют свою ориентацию, и железо снова станет обычным.
Вывод: Магнитное поле можно создать искусственно. [4]
Эксперимент 3. Магниты действуют на расстоянии.
Ход эксперимента. Нарисуем на бумаге линию и положим на нее скрепку. Теперь потихоньку пододвигаем к этой линии магнит. На каком-то расстоянии от линии скрепка вдруг «скакнет» и прилипнет к магниту. Отметим это расстояние. Проведя этот же опыт с другими магнитами, видим, что одни из них сильные - примагничивают скрепку с более далекого расстояния, другие слабые - примагничивают скрепку с близкого расстояния. Причем это расстояние напрямую не зависит от величины самого магнита, а только от его магнитных свойств.
Вывод: Вокруг магнита есть что-то, чем он может действовать на предметы на расстоянии. Это что-то назвали «магнитным полем».
Применение свойства: В миску нальем сантиметра на два воды и бросим в нее скрепку. Задача вытащить скрепку из воды, не замочив рук. Так вот это можно сделать магнитом, используя его свойство действовать на расстоянии. [3]
Эксперимент 4. Магнит имеет два полюса.
Ход эксперимента: Если взять два любых кусочка магнита и поднести их друг к другу, то окажется, что они одним концом притягиваются, а другим - отталкиваются. Один конец называется южным или положительным полюсом магнита и помечается знаком «+». Другой конец - северный (отрицательный) полюс магнита, помечается знаком «-». Магниты притягиваются друг к другу разноименными полюсами, а отталкиваются одноименными.
Возьмем два стержневых магнита, пластилин, трубочку, ножницы, линейку. Отрежем от трубочки кусок длиной 8 сантиметров. Отступим от края трубочки 2 см и проделаем прорезь длиной 3 см. один конец воткнем в пластилин. Поместим в трубочку один стрежневой магнит, а затем другой противоположным полюсом, так что бы магниты отталкивались. Посмотрев в отверстие трубочки увидим, что верхний магнит висит над нижним. Магнитное поле держит их на расстоянии.
Применение свойства: Для детей делают игрушки созданные на принципе отталкивания элементов друг от друга. Например, фигурка колдуньи. Если саму колдунью подвигать к метле, то метла начинает убегать. Зная о свойствах полюсов магнита, нетрудно догадаться, что и в фигуре колдуньи, и в метле спрятаны магниты, ориентированные друг к другу одноименными полюсами. [4]
Эксперимент 5. Как увидеть магнитное поле?
Ход эксперимента. Итак, мы уже поняли, что вокруг магнита есть что-то, что мы назвали магнитным полем. Мы можем его почувствовать, но не можем видеть. Как же нам сделать его видимым? Очень просто!
Надо насыпать на лист бумаги немного металлических опилок. Если поднести снизу бумаги магнит, то опилки «оживают». Они топорщатся, ощетиниваются, рисуют «морозные узоры». Если положить магнит полностью под пятно с опилками, можно заметить, что все опилки расположатся вокруг магнита по определенным линиям. Это и есть линии магнитного поля. Они идут от положительного полюса к отрицательному.
Вывод. Магнитное поле заставляет располагаться железные частички вдоль магнитных линий. [4]
Эксперимент 6. Магнитное поле Земли. Создание компаса.
Ход эксперимента. Главной гипотезой проекта является то, что в домашних условиях можно изготовить компас, который был изобретен в древнем Китае. Итак, попробуем воспроизвести это изобретение. Для этого понадобится иголка и миска с водой. Уберём от места проведения опыта магнит и другие источники магнитного поля (сотовые телефоны, компьютеры, динамики). Намагнитим иголку магнитом (один конец). После этого аккуратно положим ее на небольшой кусочек бумаги на поверхности воды. Иголка свободно плавает, расположившись на кусочке бумаги. И не просто плавает - она разворачивается в воде в каком-то определенном направлении. Сколько бы раз мы не проводили опыт, она всегда будет так поворачиваться. Сверим показания иголки и магнитной стрелки компаса, они должны совпасть и они совпадают.
Вывод: Наша иголка выстроилась вдоль силовых линий магнитного поля Земли, нашего огромного магнита, полюса которого находятся совсем рядом от географических полюсов планеты. Магнитное поле всех наших магнитов взаимодействует с ее магнитным полем. На этом основана работа компаса, магнитная стрелка которого выстраивается вдоль силовых линий и всегда показывает на север. [3]
Умный магнитный пластилин
Изучая свойства магнита, я случайно нашла видео в интернете про умный пластилин (хэндгам). Я выяснила, что это такая резиновая игрушка, наподобие пластилина, которая принимает любую форму и меняет свое состояние (течет или твердеет, рвется или тянется), но не под воздействием тепла, как обычный пластилин, а в результате интенсивности кинетического воздействия. То есть - кинь об пол - отскочит как резиновый мяч, а медленно потяни или положи на стол - растечется как сгущенка. При этом он не маслянистый как пластилин, не пачкает одежду и руки и его можно мыть. Он абсолютно безвреден (правда, лучше его не есть). Разные герои видео добавляли в хэндгам металлическую стружку и в результате получалась забавная игрушка с использованием магнитных свойств. Я решила попробовать сделать такое чудо сама. Итак, для получения умного пластилина я использовала: клей ПВА - 100 гр., тетраборат натрия в глицерине - половина флакона, пищевой краситель - 3-5 капель, емкость для смешивания, целлофановый пакет, палочка для смешивания, защитные очки.
В ёмкость выдавила клей и добавила к нему краситель. Все смешала деревянной палочкой. Добившись однородного цвета, в массу влила тетраборат натрия в глицерине. Затем смесь снова перемешивала до тех пор, пока она не загустела. Готовый пластилин положила в целлофановый пакет и размяла его, чтобы он стал эластичным и мягким. Хэндгам готов!
Проверим свойства: свойства жидкости (может перетекать, струиться и капать со стола); свойства резиноподобного вещества (пластилин действительно при плавном воздействии растягивается и пружинит; свойства твердого вещества (при сильном сжатии или ударе, например о стол, умный пластилин моментально твердеет и становится «каменным»).
Для того чтобы получить задуманный магнитный хэндгам, я добавила металлическую стружку. Готово! Осталось проверить взаимодействие магнитного хэндгам с магнитом.
Если обычные металлические предметы притягиваются, буквально срываясь с места, то хэндгам, будучи довольно большим и тяжелым сгустком с эластичными свойствами, в целом остается на месте, но вытягивается в сторону магнита.
П ри непосредственном тесном контакте с куском магнита хэндгам полностью его обволакивает, стягиваясь со всех сторон; если магнит лежит снизу, а достаточно большой кусок такого пластилина положить сверху, он даже поднимет магнит, чтобы обволакивать его со всех сторон! При этом добыть магнит из «плена» совсем не сложно, и на нем не останется никаких следов.
Современные специалисты отмечают уникальные свойства магнитного пластилина, что позволяет ему быть не просто игрушкой для банального убийства времени, а ценным приобретением, которое способно помочь своему владельцу и принести ему реальную пользу. Вот какие полезные результаты отмечают прежде всего:
- снижению уровня агрессии как у ребенка, так и у взрослого;
- это отличный способ развивать мелкую моторику рук;
- помимо развития моторики, хэндгам способствует еще и укреплению мышц руки. В некотором смысле, это своеобразный эспандер.
Заключение
В ходе исследования мне удалось узнать, что:
магнит известен и применяется с давних времен, это объект, сделанный из определенного материала, который создает магнитное поле;
магнитная сила – это сила, с которой предметы притягиваются к магниту;
форма и размер магнита влияет на его силу;
магнитная сила может проходить через предметы и вещества;
магниты притягивают даже на расстоянии.
Невозможно себе представить современный мир без приборов, использующих свойства магнита.
Гипотеза о возможности создания компаса в домашних условиях подтвердилась. Изготовленный мною компас можно применять при желании в походных условиях. В качестве емкости с водой можно использовать стоячую воду (лужу, озеро), вместо иглы можно брать веточку или соломинку. Также я узнала, что, стрелка компаса указывает на самом деле на Южный магнитный полюс Земли, который мы называем Северным.
Список литературы
Большая советская энциклопедия. Издательство "Советская энциклопедия", М., 1974. – с. 608.
Карцев, В.П. Магнит за три тысячелетия / В.П. Карцев. - М.: Знание, 1986г. – с.230.
Покровский, С.В. «Опыты и наблюдения в домашних условиях по физики» - М. Издательство АПН РСФСР, 1963. – с.116.
Набор «Магнетизм из новой серии Основы Естествознания», Производитель Каррас ООО, Россия.
Электронный ресурс: u.wikipedia.org›Постоянный магнит
Электронныйресурс: magnit65.com.ua›a118182-kakie-byvayut-magnity.html