§ 13. ДОСЛІДЖУЄМО МАГНІТНІ ВЛАСТИВОСТІ РЕЧОВИНИ

• Назад до змісту довідника

Зміст підручника

ПОМІРКУЙТЕ

От якщо причиною магнітної дії є електричний струм, то як пояснити, що магніти її теж проявляють?

Магнітні властивості постійних магнітів зумовлені рухом заряджених частинок усередині атомів. У кожному атомі негативно заряджені електрони обертаються навколо ядер і навколо власних осей, утворюючи мікроскопічні замкнені струми. У намагнічених тілах ці елементарні магнітні поля орієнтуються в одному напрямку, додаються і створюють помітне спільне магнітне поле навколо зразка.

ДОСЛІДЖУЙ

Зроби «магніт» власноруч і перевір його дію. Обладнання: магніт, ножиці, викрутка, залізні цвяхи, залізні голки, металеві скріпки. Доторкнися ножицями (викруткою) до магніту і потримай деякий час. Перевір, чи намагнітилися ножиці. Піднеси ножиці (викрутку) до залізних цвяхів, голок, скріпок.

Після контакту з постійним магнітом сталеві ножиці та стрижень викрутки самі набувають магнітних властивостей. Під дією сильного зовнішнього магнітного поля внутрішні магнітні домени сталі вишиковуються в одному напрямку, тому інструменти починають притягувати дрібні залізні предмети: цвяхи, голки та скріпки. Оскільки сталь є феромагнетиком, вона зберігає залишкове намагнічування ще деякий час після віддалення магніту.

ДУМАЙ

1. Як Ампер пояснював намагніченість речовин, зокрема заліза?

Андре-Марі Ампер припустив, що всередині молекул кожної речовини постійно циркулюють замкнені мікроскопічні електричні струми. У звичайному ненамагніченому стані ці струми орієнтовані абсолютно безладно, через що їхні магнітні поля гасять одне одного. Під впливом зовнішнього поля молекулярні струми повертаються однаково, їхні поля накладаються, і залізо демонструє власні магнітні властивості.

2. Які тіла називають постійними магнітами?

Постійними магнітами називають вироби з феромагнітних матеріалів, які здатні тривалий час зберігати стан намагніченості після усунення зовнішнього поля і самостійно створювати навколо себе магнітне поле.

3. Чому під час нагрівання магніт втрачає свої властивості?

Під час нагрівання зростає швидкість хаотичного теплового руху частинок кристалічної ґратки. Цей рух руйнує строгу паралельну орієнтацію елементарних магнітних полів електронів, тому результуюче магнітне поле тіла зникає.

4. Що називають полюсами магніту? Як взаємодіють між собою магніти, зображені на мал. 13.8?

Полюсами магніту називають ті його ділянки, де магнітна дія виявляється найсильніше і до яких найгустіше притягуються залізні предмети.

На малюнку 13.8 магніти взаємно притягуються в місці контакту, оскільки північний полюс верхнього похилого магніту стикається з південним полюсом нижнього горизонтального магніту, а різнойменні полюси завжди притягуються.

5. У чому схожість і відмінність між електричною взаємодією заряджених тіл і магнітною взаємодією двох магнітів?

Схожість полягає в тому, що обидві взаємодії відбуваються безпосередньо через поля без прямого дотику, причому однойменні полюси чи заряди відштовхуються, а протилежні — притягуються.

Головна відмінність полягає в тому, що в природі існують поодинокі електричні заряди (окремо додатні й окремо від’ємні), тоді як розділити магнітні полюси неможливо: будь-який магніт завжди обов’язково має неподільну пару з північного та південного полюсів.

РОЗВ’ЯЖИ ЗАДАЧІ

1. Середина магніту (мал. 13.9) не притягує залізні ошурки. Чи будуть притягувати ошурки половинки магніту, якщо його розламати по відрізку AB?

Так, половинки магніту обов’язково притягуватимуть ошурки. Після поділу магніту лінія зламу $AB$ перетвориться на нові магнітні полюси: кожна утворена частинка стане самостійним магнітом із власними повноцінними полюсами $N$ і $S$.

2. Наведи приклади діа-, пара-, феромагнетиків, скориставшись Періодичною таблицею хімічних елементів.

• Діамагнетики: цинк ($\text{Zn}$), мідь ($\text{Cu}$), срібло ($\text{Ag}$), золото ($\text{Au}$), бісмут ($\text{Bi}$).
• Парамагнетики: алюміній ($\text{Al}$), платина ($\text{Pt}$), натрій ($\text{Na}$), кальцій ($\text{Ca}$), титан ($\text{Ti}$).
• Феромагнетики: залізо ($\text{Fe}$), кобальт ($\text{Co}$), нікель ($\text{Ni}$), гадоліній ($\text{Gd}$).

3. За зображеними на мал. 13.10 лініями магнітного поля постійних магнітів установи їх магнітні полюси.

Магнітні лінії виходять із північного полюса ($N$) і входять у південний полюс ($S$). За напрямком стрілок визначаємо полюси для кожного випадку:

Малюнок а:

• Верхній полюс — південний ($S$): лінії магнітного поля спрямовані до полюса (входять у нього).
• Нижній полюс — північний ($N$): лінії магнітного поля спрямовані від полюса (виходять із нього).

Малюнок б:

• Правий — північний ($N$): лінії магнітного поля спрямовані назовні (виходять із нього).
• Лівий — південний ($S$): лінії спрямовані всередину (входять у нього), за винятком бічного зовнішнього поля, проте загальний потік біля торця чітко показує вхід ліній до полюса.

Малюнок в (дугоподібний магніт):

• Обидва верхні кінці — північні полюси ($N$): лінії спрямовані від верхніх торців дуги вниз.
• Нижній вигин (центр) — південний полюс ($S$): лінії магнітного поля входять у нижню частину магніту.

4. На мал. 13.11 зображено магніт та магнітну стрілку (вид згори). За напрямом силових ліній познач полюси магнітів. Як буде розташовуватися магнітна стрілка, якщо її розміщувати в точках A, B, C?

Силові лінії виходять із північного полюса і прямують до південного. Стрілки силових ліній беруть початок на лівому боці бруска і заходять у правий бік, тому лівий полюс магніту є північним ($N$), а правий полюс — південним ($S$).

Магнітна стрілка встановлюється вздовж дотичної до силової лінії так, що її північний кінець ($N$) збігається з напрямком стрілки поля:

• У точці $A$ над магнітом лінія поля спрямована зліва направо, тому стрілка розташується горизонтально: полюс $N$ праворуч, полюс $S$ ліворуч.
• У точці $B$ під магнітом лінія поля так само йде зліва направо, тому стрілка ляже горизонтально: полюс $N$ праворуч, полюс $S$ ліворуч.
• У точці C біля правого торця лінія поля напрямлена до полюса $S$ (вліво), тому стрілка розташується на одній лінії з магнітом: полюс $N$ дивиться ліворуч (притягується до південного полюса магніту), а полюс $S$ — праворуч.

ВИКОНАЙ ДОСЛІДЖЕННЯ

1. Досліди магнітні властивості предметів із заліза, алюмінієвої фольги, міді та води. Обладнання: дуже сильний магніт (наприклад неодимовий), залізний цвях, алюмінієва фольга, мідна монета, вода у пластиковій пляшці. Піднось предмети до магніту. Спостерігай за взаємодією предметів з магнітом. Установи магнітний тип речовини.

2. Досліди властивості магнітної взаємодії. Обладнання: штатив, динамометр, залізний цвях, два постійні магніти. Піднось по черзі магніт різними його частинами до залізного цвяха, закріпленого на динамометрі (мал. 13.12, а). Спостерігай, як притягується цвях до полюсів магніту, посередині магніту. Опиши характер взаємодії та виміряй силу взаємодії магнітів між однойменними полюсами (мал. 13.12, б) та між різнойменними полюсами (мал. 13.12, в).

Залізний цвях найсильніше притягується до крайніх частин магніту — його полюсів, де покази розтягу динамометра сягають найбільших величин. У середній частині магніту притягання відсутнє або майже не фіксується.

Характер взаємодії та вимірювання за малюнком 13.12:

• Власна вага підвішеного тіла без взаємодії (мал. 13.12, а): $P_0 = 1\text{ Н}$.
• Зближення однойменних полюсів (мал. 13.12, б): між магнітами діє магнітне відштовхування, спрямоване вгору. Пружина динамометра стискається, показ зменшується до $P_1 = 0{,}6\text{ Н}$. Сила відштовхування дорівнює різниці показів:
  $F_{\text{відшт}} = P_0 - P_1 = 1\text{ Н} - 0{,}6\text{ Н} = 0{,}4\text{ Н}$
• Зближення різнойменних полюсів (мал. 13.12, в): між магнітами діє магнітне притягання, спрямоване вниз. Пружина додатково розтягується, показ зростає до $P_2 = 1{,}5\text{ Н}$. Сила притягання дорівнює:
  $F_{\text{прит}} = P_2 - P_0 = 1{,}5\text{ Н} - 1\text{ Н} = 0{,}5\text{ Н}$

3. Відтвори картину ліній магнітної індукції постійних магнітів, скориставшись залізними ошурками. Зобрази лінії магнітних полів підковоподібного й прямого магнітів.

Дрібні залізні ошурки під дією зовнішнього поля намагнічуються і поводяться як мініатюрні стрілки, укладаючись у чіткі лінії вздовж напрямку магнітної індукції.

ОПРАЦЮЙ ІНФОРМАЦІЮ

1. Дізнайся про феромагнітну рідину. Приготуй її. Скористайся відеоінструкцією.

Феромагнітна рідина являє собою колоїдну суміш магнітних наночастинок (сполук магнетиту чи заліза), рівномірно розподілених у воді або мастилі. Щоб частинки не осідали й не злипалися, до складу додають спеціальну поверхнево-активну речовину. Під час наближення постійного магніту рідина намагнічується і миттєво збирається в характерні голчасті їжачки вздовж ліній магнітної індукції.

Для лабораторного виготовлення аналога ферорідини змішують сухий дрібний тонер для лазерного друку з рослинною олією або гасом до утворення рідкої однорідної маси. Якщо піднести до дна скляної посудини неодимовий магніт, чорна суміш слідує за магнітом і повторює форму силових ліній.

2. Дізнайся про магнітні властивості людського організму. Як ці властивості використовують у магніто-резонансній томографії?

Тканини людського тіла складаються переважно з води та органічних речовин, тому загалом організм виявляє діамагнітні властивості. Ядра атомів Гідрогену (протони) мають власний магнітний момент.

У магнітно-резонансному томографі потужне поле вишиковує осі цих протонів. Потім апарат посилає радіочастотний імпульс, протони поглинають енергію та повертаються, випромінюючи електромагнітний сигнал відповіді. Томограф реєструє цей сигнал і перетворює його на детальні пошарові зображення м’яких тканин організму.

3. Дізнайся про магнітну левітацію. Підготуй повідомлення про використання магнітної левітації.

Магнітна левітація базується на утриманні тіла в повітрі за допомогою взаємного відштовхування однойменних полюсів магнітів або явища надпровідності.

Вона широко застосовується у швидкісних поїздах Maglev. Потяг підіймається над напрямною колією електромагнітним полем і не торкається полотна, завдяки чому тертя об рейки повністю зникає, а швидкість руху сягає понад $500\text{ км/год}$. Також принцип левітації використовують у магнітних підшипниках потужних валів і турбін промислових установок, що запобігає механічному зношуванню деталей.

4. Дізнайся про професії, які потребують знання властивостей магнітного поля.

• Лікар-рентгенолог і медичний технік: налаштовують роботу апаратів МРТ, контролюють вплив потужних магнітних полів на пацієнта та отримують точні діагностичні зображення.
• Інженер-енергетик та електромеханік: проектують та обслуговують промислові електрогенератори, електродвигуни та силові трансформатори.
• Геофізик: вимірює магнітне поле земної кори за допомогою магнітометрів для розвідки родовищ залізних руд і прогнозу землетрусів.
• Дефектоскопіст: шукає приховані внутрішні тріщини у сталевих рейках, трубопроводах і деталях літаків методом магнітнопорошкового контролю.