Постоянные магниты. Магнитное поле постоянных магнитов

Магнитное поле возникает при наличии движущихся зарядов. Например, при наличии проводника с током. Но все мы видели магниты и в повседневной жизни, хоть в виде тех же значков на холодильнике.

Рядом с такими магнитами ведь никакого проводника с током. Тогда почему они все же обладают магнитными свойствами? Притягивают к себе другие металлические предметы или сами притягиваются к ним? На данном уроке вы узнаете много нового и интересного про магниты, природу их магнитного поля и его свойства.

Постоянный магнит

Начнем с определения. Какие тела называют постоянными магнитами?

Постоянный магнит (или просто магнит) — это тело, длительное время сохраняющее намагниченность.

Что это означает? Если мы вставим в катушку с током обычный железный стержень, он начнет притягивать к себе другие железные предметы. В этот момент он намагничен и обладает магнитными свойствами. Выключим ток — и намагниченность сразу исчезнет.

Но если мы вставим в катушку с током стержень из закаленной стали, после выключения тока он не размагнитится. Он будет сохранять намагниченность (рисунок 1). Такое устройство мы можем называть магнитом.

Получается, что создавать магнитное поле могут всего две вещи:

• проводник с током;
• постоянный магнит.

{"questions":[{"content":"Постоянные магниты[[choice-1]]","widgets":{"choice-1":{"type":"choice","options":["длительное время сохраняют намагниченность","сохраняют намагниченность, пока рядом находится проводник с током","не обладают намагниченностью"],"answer":[0]}}}]}

Объяснение явления намагниченности

Одно из первых объяснений этого явления принадлежало Андре-Мари Амперу.

Как Ампер объяснял намагниченность железа?
Французский ученый говорил о существовании электрических токов. Эти токи по его предположению циркулировали внутри каждой молекулы вещества.

Странное объяснение, не так ли? Дело в том, что в те времена еще не было достаточно знаний о строении вещества. Про атомы еще никто не слышал и не говорил. Так что такое мнение не имело доказательств, ведь природу молекулярных токов никто не мог объяснить.

С тех времен физика шагнула далеко вперед. Как можно теперь объяснить молекулярные токи Ампера?

Давайте вспомним строение атома. Вокруг ядра вращаются электроны. Каждый электрон имеет заряд и находится в движении. Значит, вокруг него существует магнитное поле. Но большинство веществ устроено таким образом, что эти крошечные магниты нейтрализуют друг друга.

В строении веществ, из которых делают магниты, такой нейтрализации не происходит (рисунок 2). Электроны таких атомов вращаются в одном и том же направлении. Поэтому их магнитные поля складываются, и вокруг такого вещества образуется единое магнитное поле.

{"questions":[{"content":"Причина существования магнитного поля вокруг постоянных магнитов кроется в их[[choice-4]]","widgets":{"choice-4":{"type":"choice","options":["молекулярном строении","высокой проводимости","форме","высокой плотности"],"answer":[0]}}}]}

Искусственные магниты

Постоянные магниты, сделанные человеком, имеют две основные разновидности. Они могут быть полосовыми (рисунок 3, а) и дугообразными (рисунок 3, б).

Полюса магнита

Каждый магнит, как и магнитная стрелка, обладает двумя полюсами: северным ($N$) и южным ($S$).

Что называется магнитными полюсами магнита (рисунок 4)?

Полюса магнита — это те места магнита, где обнаруживается наиболее сильные магнитные действия.

Мы можем это проверить с помощью простого опыта. Возьмем полосовой магнит и динамометр. К динамометру прикрепим железный шарик.

Касаемся шариком магнита в разных его точках, а потом аккуратно его отрываем. При этом следим за показаниями динамометра в момент отрыва. Так мы можем судить о силе притяжения шарика к разным точкам магнита. Опыт покажет, что самое сильное притяжение будет как раз в местах, которые мы называем полюсами (рисунок 5).

Этот же опыт покажет нам что в середине магнита шарик практически не испытывает притяжение.

Нейтральная зона магнита — место магнита, где практически не проявляется притяжения.

Что лучше всего притягивается к магнитам?
Это чугун, сталь, железо и некоторые сплавы. Также притягивается никель и кобальт, но значительно слабее.

{"questions":[{"content":"Место магнита, в котором практически не проявляется притяжение, называется [[fill_choice_big-3]].","widgets":{"fill_choice_big-3":{"type":"fill_choice_big","options":["северным полюсом","южным полюсом","нейтральной зоной","активной зоной"],"answer":2}}}]}

Естественные магниты

Также в природе встречаются и естественные магниты. Например, железная руда. Из-за ее свойств ее называют магнитным железняком. Богатые залежи этого минерала зафиксированы на Урале, в Карелии, Курской области и других местах.

Если рядом с железом, сталью, никелем и кобальтом оказывается магнитный железняк, то эти металлы приобретают магнитные свойства. Именно поэтому магнитный железняк и открыл людям возможность наблюдать эти свойства.

{"questions":[{"content":"Естественным магнитом является[[choice-12]]","widgets":{"choice-12":{"type":"choice","options":["железная руда","кобальт","никель","сталь","свинцовая руда"],"answer":[0]}}}]}

Магнитные свойства

Взаимодействие магнитных стрелок

Возьмем две магнитные стрелки. Установим из рядом друг с другом (рисунок 6).

Что произойдет? Они установятся в определенных положениях: противоположными полюсами друг к другу.

Взаимодействие магнитной стрелки и магнита

Теперь возьмем магнит и поднесем его к магнитной стрелке (рисунок 7). Что мы увидим?

Северный полюс магнитной стрелки оттолкнулся от северного полюса магнита. Он притягивается к его южному полюсу.

В это же время южный полюс магнитной стрелки отталкивается от южного полюса магнита и притягивается к северному.

Взаимодействие полюсов магнитов между собой

Так как взаимодействуют между собой полюсы магнитов? Вышеописанные и другие опыты подводят нас к выводам (рисунок 8).

Разноименные магнитные полюсы притягиваются, а одноименные — отталкиваются.

Это легко запомнить. Аналогия проходит с электрическими зарядами: одноименные отталкиваются, а разноименные притягиваются.

При этом сила взаимодействия будет прямо пропорциональна расстоянию между полюсами взаимодействующих магнитов.

Это применимо и к магнитным стрелкам, и к постоянным магнитам, и к  электромагнитам.

Но чем объясняется это явление? Все дело в существовании магнитного поля вокруг любого магнита. Магнитные поля взаимодействующих магнитов обоюдно действуют друг на друга.

{"questions":[{"content":"Если мы поднесем друг к другу северный и южный полюсы магнитов, то они будут[[choice-17]]","widgets":{"choice-17":{"type":"choice","options":["притягиваться друг к другу","отталкиваться друг от друга","никак не будут взаимодействовать друг с другом"],"answer":[0]}}}]}

Разница магнитных и электрических взаимодействий

Хоть мы и провели аналогию с электрическими зарядами, это не позволяет применять нам все законы электричества к магнетизму.

Например, есть одно очень большое отличие. Мы можем разделять электрические заряды. Это происходит при электризации в источниках тока. А вот полюсы магнита неразделимы. Если мы разрежем магнит на части, у нас все равно не получится отделить один полюс от другого. Мы просто получим два новых магнита (рисунок 9).

Разделяемые части могут равными или разными — результата все равно один. Получатся новые магниты, каждый из которых будет иметь два полюса и нейтральную зону.

Магнитное поле магнита

Какой вид имеет это магнитное поле? Как можно получить представление о магнитном поле магнита?

Вернемся к нашим любимым железным опилкам. Они помогли нам увидеть и форму магнитного поля прямого тока, и катушки с током. Пригодятся они нам и сейчас.

Поместив опилки рядом с магнитами, они займут определенное положение — вдоль магнитных линий магнитного поля.

Магнитные линии магнитного поля магнитов (не тавтология, привыкайте) являются замкнутыми кривыми (рисунок 10). Они похожи на магнитные линии, описывающие магнитное поле катушки с током.

Магнитные линии выходят из северного полюса магнита и входят в южный. Линии замыкаются внутри магнита.

{"questions":[{"content":"Магнитные линии магнитного поля постоянного магнита выходят из [[fill_choice-22]] полюса и заходят в [[fill_choice-25]] полюс.","widgets":{"fill_choice-22":{"type":"fill_choice","options":["северного","южного"],"answer":0},"fill_choice-25":{"type":"fill_choice","options":["южный","северный"],"answer":0}}}]}

Магнитное поле, созданное двумя магнитами

Как будет выглядеть магнитное поле, созданное сразу двумя магнитами?

Если два магнита расположить друг к другу одноименными полюсами, то получим результат, показанный на рисунке 11.

Если два магнита расположить друг к другу разноименными полюсами, то получим совсем другую картину (рисунок 12).

Подтверждение вышесказанному вы можете легко получить, проводя тот же опыт с опилками. Опилки выстроятся вдоль магнитных линий, изображенных на рисунках выше.

Упражнения

Это можно сделать с помощью магнитной стрелки. Поднесите ее к одному из концов стального стержня. Посмотрите, в каком положении она установится. Если магнитная стрелка повернется к стержню южным полюсом, то этот конец стержня является его северным полюсом (рисунок 13).

К южному полюсу стержня стрелка повернется своим северным полюсом. Помните: разноименные полюса притягиваются, а одноименные — отталкиваются.

Для этого нам нужно намотать этот проводник на катушку. Силовые линии магнитного поля катушки с током расположены так же, как и у полосового магнита (рисунок 14).

Задания

Магниты притягивают к себе не все материалы. Так, картон не притягивается к магниту, поэтому он останется неподвижен.
Когда вы положите картон на гвозди и поднесете магнит, то картон поднимется вместе с гвоздями. Точнее говоря, магнит будет притягивать к себе гвозди (так они сделаны из железа). Под действием магнитного поля магнита гвозди придут в движение и поднимут на себе картон (рисунок 15).

Когда игла соскользнет с полюса магнита, она все еще будет находиться в его магнитном поле. Магнит продолжит притягивать ее. В этот момент сила натяжения нити уравновешивает силу притяжения магнита. Так будет казаться, что игла зависла в воздухе. Если же расслабить нить, то игла снова притянется к магниту и «прилипнет» к нему.