Теорія 1.

Постійні магніти. Магнітне поле Землі. Взаємодія магнітів

Магніти відомі людству більше двох з половиною тисяч років. Ще в Давньому Китаю існувала приказка: «Камінь, що любить (ки­тайською «тшу-ши»), притягує залізо, як ніжна мати притягує до себе своїх дітей». Не тільки китайці називають магніт «каменем, що любить». Французькою назва магніту звучить як «аіmant;», що в перекладі теж означає «той, який любить». Так що ж «люблять» магніти, що вони до себе притягують?

Магнетизм відомий, принаймні, з V ст. до н. е.,  але вивчення магнітних явищ просувалося поволі. Уперше властивості магніту були описані лише  1269 року. Пер­ша велика робота, присвячена дослідженню магнітних явищ, – книга В. Гілберта «Про магніт», яка вийшла  1600 року. На основі досліджень Гілберт установив найпростіші магнітні властивості матеріалів:

•  магнітне притягання й відштовхування властиві тільки деяким речо­винам: залізу, сталі й деяким сплавам;

•  магніт має, принаймні, два полюси: північний і південний;

• однойменні полюси магнітів відштовхуються, а різнойменні – при­тягуються;

• вільно підвішений магніт орієнтується певним чином відносно сторін світу.

Крім заліза магніт добре притягує до себе чавун, сталь, нікель, кобальт, манган. Деякі рідини й гази також можуть відчувати на собі магнітну дію (чистий кисень взаємодіє з магнітом). 

Магнітний залізняк - крихкий чорний мінерал, який від при­роди має магнітні властивості й у присутності якого залізо, сталь, нікель, кобальт також набувають магнітних властивостей.

Різні частини магніту притягують до себе залізні предмети по-різному.

Дослід 1. У металеві ошурки занурюємо магніт, спостері­гаємо, як ошурки прилипають до його полюсів.

Ті ділянки магніту, де виявляється найсильніша магнітна дія, називають полюсами.

Магнітна стрілка (як у компаса) є постійним магнітом, що має два полюси: північний і південний. Лінію, яка з’єднує полюси магнітної стрілки, називають її віссю.

Кожний магніт має два полюси – північний (N) і півден­ний (S). Однак можна намагнітити матеріал і так, що він мати­ме 2, 4, 6 і більше полюсів. Неможливо одержати магніт тільки з одним полюсом. Якщо його, розділити на частини, то кожна із частин магніту матиме два полюси (правда, слабкіші, ніж у ви­хідного магніту).

Магнітна взаємодія – це не завжди притягування!

Дослід 2. Підносячи магнітні стрілки одну до одної, спостерігаємо, що однойменні полюси відштовхуються, а різнойменні притягуються.

Магніти взаємодіють між собою на відстані, оскільки навколо будь-якого магніту існує магнітне поле.

Магнітне поле  це вид матерії (вид електромагнітного поля), основною особливістю якої є дія на рухомі тіла або частинки, які мають електричний заряд.

Дослід 3. Дугоподібний магніт підносимо до  картонки (скляної пластинки або посудини від калориме­тра), спостерігаємо відсутність дії. Під картонку кладемо дрібні цвяхи й знову підносимо магніт. Картонка притягується до магніту.

Висновок: магнітне поле проникає крізь багато речовин. Є речовини, які послабляють дію магнітного поля, й речовини, що підсилюють її.

Магніт у вигляді стрілки використовують у компасі. Компас один із найдавніших приладів, відомих людству, – був винайдений у Китаю.

Дослід 4. Демонструємо  сучасний  компас,   пояснюючи принцип його дії.

Звідки магнітна стрілка «знає», де перебуває Північний полюс Землі? Земна куля теж магніт, а отже, в нашої планети є своє власне магнітне поле, яке й впливає на магнітну стрілку, змушуючи її орієнтуватися певним чином. Чому ж тоді північний кінець магнітної стрілки вказує на північ? Чи немає тут протиріччя?

Дослід 5. На північному географічному полюсі глобуса прикріплюємо червоний прапорець, який символізує південний магнітний полюс Землі, на географічному півдні – синій прапорець, який позначає північний магнітний полюс Землі. Зверніть увагу на те, що відстань між точками географічної півночі й магнітного півдня дорівнює приблизно 1600 км!

Магнітне поле мають не всі планети Сонячної системи. Так Меркурій має надзвичайно слабке магнітне поле, а на Місяці компас і зовсім не знадобиться. Магнітні аномалії на Землі.

Людина не може побачити магнітне поле, проте може виявите його існування в просторі за його дією.

Дослід 7. На стіл кладемо штабовий магніт, накриваємо його аркушем паперу й, обережно струшуючи його, посипаємо ошурками. Ошурки під дією магніту намагнічуються й розташовуються вздовж вигнутих ліній – силових ліній магнітного поля. 

 Напрям магнітного поля. З дослідів видно, що магнітна стрілка, яка може вільно обертатися навколо своєї осі, завжди встановлюється в даній ділянці магнітного поля, орієнтуючись певним чином. Тому можна ввес­ти поняття про напрям магнітного поля в даній точці. Для цього слід скористатися орієнтуючою дією магнітного поля на магнітну стрілку.

Напрям, на який указує північний полюс магнітної стрілки, є на­прямом магнітного поля в даній точці.

Якщо уявити, що в якій-небудь точці магнітного поля є маленька магнітна стрілка, то під дією поля стрілка обернеться й установиться за напрямом дотичної до лінії поля в цій точці, причому її північний полюс укаже напрям силової лінії.

Лініями магнітного поля є лінії, проведені так, що дотичні до них у кожній точці вказують напрям поля в цій точці.

Лінії магнітної індукції  неперервні лінії, дотичні до якої у кожній точці збігаються за напрямком із вектором магнітної індукції. Ці лінії завжди замкнені, оскільки магнітне поле вихрове (рис 1.)

рис.1. Напрям вектора магнітної індукції

Одиниця магнітної індукції в СІ  тесла (1 Тл): 

 Відмінність ліній магнітного поля від силових ліній електростатичного поля: лінії магнітного поля ніде не починаються й не закінчуються. Вони або замкнуті, або почи­наються й закінчуються на нескінченності (рис.2.

Поля із замкнутими силовими лініями називаються вихровими. Магнітне поле – вихрове поле.

рис. 2. Силові лінії магнітного поля 

рис.3.Викривлені силові лінії магнітного поля створюють причудливі форми планетарної туманності

 Магнітне поле Землі.

Магнітне поле Землі схоже на поле однорідної намагніченої сфери з магнітною віссю, нахиленої на 11,5° до осі обертання Землі. Південний магнітний полюс Землі, до якого притягається північний кінець стрілки компаса, не збігається з Північним географічним полюсом, а перебуває в пункті із координатами приблизно 76° північної широти й 101° західної довготи. Північний магнітний полюс Землі розташований в Антарктиді. Напруженість магнітного поля на полюсах становить 0,63Е, на екваторі  0,31Е.

Відкрита в 1905 році зміна магнітного поля призвела до висновку, що воно зароджується в рідкому зовнішньому ядрі планети. Порівняно швидкі рухи можуть відбуватися там без катастрофічних наслідків.

Силові лінії магнітного поля Землі утворюють своєрідні пастки для потоків, що рухаються до неї, частинок сонячного вітру. Затримані магнітним полем частинки утворюють радіаційні пояси.

Різкі зміни магнітного поля Землі називаються магнітними бурями. Магнітні бурі часто починаються через добу або дві після хромосферних спалахів на Сонці; вони викликаються потоками частинок, що рухаються з великими швидкостями від Сонця. Заряджені частинки, сковзаючи уздовж силових магнітних ліній Землі, можуть проникнути в атмосферу. Стикаючись із атомами атмосфери, вони викликають особливе світіння, яке називають полярним сяйвом.

Магнітні бурі – короткочасні зміни магнітного поля Землі, які сильно впливають на стрілку компаса. Спостереження показують, що поява магнітних бур пов'язана з сонячною активністю. В період посилення сонячної активності з поверхні Сонця в світовий простір викидаються потоки заряджених частинок, електронів і протонів. Магнітне поле, що утворюється цими рухомими частинками, змінює магнітне поле Землі і викликає магнітну бурю. Магнітні бурі – явище короткочасне.

На земній кулі зустрічаються області, в яких напрям магнітної стрілки постійно відхилений від напряму магнітній лінії Землі. Такі області називають областями магнітної аномалії.

Результатом взаємодії сонячного вітру з магнітним полем Землі є полярне сяйво. Вторгаючись в земну атмосферу, частинки сонячного вітру прямують магнітним полем і певним чином фокусуються. Стикаючись з атомами і молекулами атмосферного повітря, вони іонізують і порушують їх, внаслідок чого виникає свічення, яке називають полярним сяйвом.

Магнітне поле Землі, в якому виникло і розвивалось життя на планеті, не є стабільним екологічним фактором. Його значення постійно змінюється, оскільки визначається двома джерелами. Перше – це Земля, яка являє собою величезний магніт, а друге  відносно слабше – потік заряджених частинок (іонів) у верхніх шарах атмосфери. Добові коливання температури атмосфери призводять до відповідних змін швидкості іонних потоків в атмосфері. В результаті другий компонент магнітного поля Землі протягом доби змінюється.