Проведение опытов с магнитом
Возьмем предметы, сделанные из разных материалов: кусок ткани, бумажку, деревянный брусок, железную скрепку, фарфоровую птичку, пластмассовый кубик, резиновую утку и стеклянную крышку (Приложение № 1, фото 1). Будем подносить к ним по очереди магнит. Из всех этих материалов к магниту притянулась только скрепка (Приложение № 1, фото 2).
Вывод: Магнит притягивает к себе только железо. Предметы из дерева, фарфора, резины, так же как стекло и пластмасса не реагируют на магнит.
Опыт 2. Магнит имеет два полюса.
Возьмем игрушечный автомобиль, приклеим к нему пластилином магнит. Другой магнит будем приближать к нему разными сторонами. Когда мы будем приближать магнит к автомобилю одной стороной, автомобиль будет ехать вперед; когда другой – назад (Приложение № 1 фото 3). Это происходит потому, что полюсы каждого магнита имеют противоположные знаки (положительный и отрицательный).
Вывод: Полюсы противоположных знаков магнита притягиваются; одинаковых – отталкиваются.
Опыт 3. Магнитные свойства можно передать обычному железу.
Попробуем к магниту подвесить 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. У нас их получилось 5 штук (Приложение № 1, фото 4).
Если осторожно магнит убрать, взявшись за верхнюю скрепку, то скрепки не рассыпятся (Приложение № 1, фото 5). Скрепки, находясь рядом с магнитом, намагнитились и сами стали магнитами. Из литературы я узнал, что это свойство называется магнетизм.
Но цепочка из скрепок сохраняется недолго, она распадается, так как скрепки обладают магнетическими свойствами незначительное время.
То же самое произойдет с любыми другими железными детальками: 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 резко стукнуть предмет. Или нагреть его до температуры выше 60 градусов. Атомы внутри предмета от этого потеряют свою ориентацию и железо снова станет обычным.
Вывод: Магнитное поле можно создать искусственно.
Опыт 4. Магнитное поле Земли.
Наша планета Земля — это огромный магнит. Магнитное поле всех наших магнитов взаимодействует с ее магнитным полем. На этом основана работа компаса, магнитная стрелка которого выстраивается вдоль силовых линий магнитного поля Земли, всегда показывая на север.
Мы тоже можем сделать свой компас. Для этого нам понадобится иголка и плоская миска с водой. Намагнитим иголку магнитом. После этого смажем ее растительным маслом и аккуратно положим на поверхность воды. Благодаря силе поверхностного натяжения иголка не утонет, а останется свободно плавать. И не просто плавать — она развернется в воде в каком-то определенном положении. Только нужно убрать со стола подальше магнит и другие источники магнитного поля (компьютер, динамики).
Мы сравнили показания нашего самодельного компаса со стрелкой настоящего — они совпали! (Приложение № 1, фото 6).
Вывод: магнитная сила Земли заставляет все свободно движущиеся магниты ориентировать свои полюсы один на Северный полюс, другой на Южный полюс.
Опыт 5. Достать скрепки из воды, не намочив руки
Для проведения опыта нам понадобился прозрачная банка с водой, магнит и металлические скрепки. Скрепки я поместил на дно банки и попробовал достать скрепки при помощи магнита.
Поднеся магнит к банке, я легко достал скрепки, не замочив рук (Приложение № 1, фото 7).
Вывод: Магнитная сила действует сквозь воду и стекло.
Опыт 6. Игра «размагничивание магнита»
Меня заинтересовал вопрос: можно ли размагнитить магнит? Изучая литературу, я узнал, что нарушить намагничивание может огонь.
Намагнитим иголку, поднесем к скрепке – скрепка примагнитилась. Теперь поднесем к концу иголки горящую спичку и накалим ее. Снова попробуем поднести к скрепке. Концы иголки больше не притягивают. Иголка размагнитилась. (Приложение № 1, фото 8, 9, 10).
Вывод: магнитное притяжение действует через стол.
| Опыт 7. Изготовление магнита с помощью электрического тока Сделать магнит нам поможет электричество. Для изготовления электромагнита мне понадобится: батарейка, изолента, железный болт, медная изолированная проволока диаметром 0,2 мм и длиной несколько метров. |
| Намотаем проволоку вплотную виток к витку на болт в несколько рядов. Оставим свободными два конца проволоки по 8-10 см. Чтобы витки после намотки не разматывались, закрепим их изолентой. Зачистим свободные концы проволоки и подсоединим их к контактам батарейки, пустив тем самым по ним электрический ток. Вывод: Получился магнит, который будет притягивать маленькие железные предметы (Приложение № 1, фото 11). |
Опыт 8. «Какой магнит сильнее?»
Сравним силы магнитов, изготовленных разными способами:
· магнита, получившегося в результате предыдущего опыта;
· магнита, сделанного намагничиванием стального самореза;
· магнита, изготовленного фабричным способом.
В качестве измерителя «силы» магнита будем использовать скрепки.
В ходе опыта выяснилось, что магнит, изготовленный фабричным способом, смог удерживать у своего полюса цепочку с 5 скрепками, электромагнит удержал 4 скрепки, а стальной саморез – 2 скрепки (Приложение № 1, фото 12,13,14).
Вывод: магнит, изготовленный фабричным способом, оказался сильнее всех, так как смог удержать большее количество стальных скрепок.
После проведения всех опытов я сделал для себя следующие выводы:
1. Магнит притягивает к себе только железо. Предметы из дерева, фарфора, резины, так же как стекло и пластмасса не реагируют на магнит.
2. Полюсы противоположных знаков магнита притягиваются; одинаковых – отталкиваются.
3. Магнитное поле можно создать искусственно
4. Магнитная сила Земли заставляет все свободно движущиеся магниты ориентировать свои полюсы один на Северный полюс, другой на Южный полюс.
5. Магнитная сила действует сквозь воду и стекло.
6. Магнитное притяжение действует через стол.
7. Магнит, изготовленный фабричным способом, оказался сильнее всех, так как смог удержать большее количество стальных скрепок.
Заключение
Выполнив исследовательскую работу, я узнал, какие предметы способны притягивать магниты, что они имеют два полюса северный и южный, благодаря чему магниты могут не только притягиваться, но и отталкиваться. Свойства магнитов люди использовали с древних времен, но особенно широко эти свойства используются в наши дни. Также, для меня было открытием, что Земля ведет себя как большой магнит.
Увлекли меня и заинтересовали опыты с магнитами. В результате чего я сделал некоторые выводы: магниты притягивают только предметы из железа, магнитное поле можно создать искусственно, магнитная сила действует сквозь воду и стекло, нагреванием можно достичь размагничивание магнита и другие.
Данные опыты можно использовать на уроках окружающего мира или внеурочных занятиях. Опыты доступны для проведения одноклассниками.
Таким образом, подтвердилась моя гипотеза, что способность магнита притягивать предметы это не волшебство, а природное явление.
Магнетизм
Благодаря различию свойств на уровне атомно-молекулярного строения все вещества по своим магнитным свойствам подразделяются на три класса — ферромагнетики, парамагнетики и диамагнетики.
Согласно закону Ампера, электрический ток производит магнитное поле. Электрон, вращающийся вокруг атома, можно рассматривать как циклический электрический ток очень малой силы и радиуса. Однако магнитное поле он, и это не удивительно, всё равно индуцирует. Фактически же, все электроны, вращаясь вокруг атомов, производят свое магнитное поле, и каждый атом, как следствие, обладает собственным магнитным полем, которое представляет собой суммарное поле, или суперпозицию магнитных полей отдельных электронов.
Теперь мы подходим к главному. В некоторых атомах равное число электронов вращается во всевозможных направлениях, и их магнитные поля взаимно гасятся. Однако в атомах некоторых элементов орбиты электронов могут быть ориентированы таким образом, что часть электронов производит магнитные поля, остающиеся некомпенсированными за счет полей электронов, обращающихся в противоположном направлении. И когда такие магнитные поля, связанные с вращением электронов по орбите, к тому же оказываются одинаково направленными у всех атомов кристаллической структуры вещества, он, в целом, создает вокруг себя стабильное и достаточно сильное магнитное поле. Любой фрагмент такого вещества представляет собой маленький магнит с четко выраженными северным и южным полюсами.
Именно совокупное поведение таких мини-магнитов атомов кристаллической решетки и определяет магнитные свойства вещества. По своим магнитным свойствам вещества делятся на три основных класса: ферромагнетики, парамагнетики и диамагнетики. Имеется также два обособленных подкласса материалов, выделенных из общего класса ферромагнетиков — антиферромагнетики и ферримагнетики. В обоих случаях эти вещества относятся к классу ферромагнетиков, но обладают особыми свойствами при низких температурах: магнитные поля соседних атомов выстраиваются строго параллельно, но в противоположных направлениях. Антиферромагнетики состоят из атомов одного элемента и, как следствие, их магнитное поле становится равным нулю. Ферримагнетики представляют собой сплав двух и более веществ, и результатом суперпозиции противоположно направленных полей становится макроскопическое магнитное поле, присущее материалу в целом.
Ферромагнетики
Некоторые вещества и сплавы (прежде всего, следует отметить железо, никель и кобальт) при температуре ниже точки Кюри приобретают свойство выстраивать свою кристаллическую решетку таким образом, что магнитные поля атомов оказываются однонаправленными и усиливают друг друга, благодаря чему возникает макроскопическое магнитное поле за пределами материла. Из таких материалов получаются постоянные магниты. На самом деле магнитное выравнивание атомов обычно не распространяется на неограниченный объем ферромагнитного материала: намагничивание ограничивается объемом, содержащим от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч атомов, и такой объем вещества принято называть доменом (от английского domain — «область»). При остывании железа ниже точки Кюри формируется множество доменов, в каждом из которых магнитное поле ориентировано по-своему. Поэтому в обычном состоянии твердое железо не намагничено, хотя внутри него образованы домены, каждый из которых представляет собой готовый мини-магнит. Однако под воздействием внешних условий (например, при застывании выплавленного железа в присутствии мощного магнитного поля) домены выстраиваются упорядоченно и их магнитные поля взаимно усиливаются. Тогда мы получаем настоящий магнит — тело, обладающее ярко выраженным внешним магнитным полем. Именно так устроены постоянные магниты.
Парамагнетики
В большинстве материалов внутренние силы выравнивания магнитной ориентации атомов отсутствуют, домены не образуются, и магнитные поля отдельных атомов направлены случайным образом. Из-за этого поля отдельных атомов-магнитов взаимно гасятся, и внешнего магнитного поля у таких материалов нет. Однако при помещении такого материала в сильное внешнее поле (например, между полюсами мощного магнита) магнитные поля атомов ориентируются в направлении, совпадающем с направлением внешнего магнитного поля, и мы наблюдаем эффект усиления магнитного поля в присутствии такого материла. Материалы, обладающие подобными свойствами, называются парамагнетиками. Стоит, однако убрать внешнее магнитное поле, как парамагнетик тут же размагничивается, поскольку атомы снова выстраиваются хаотично. То есть, парамагнетики характеризуются способностью к временному намагничиванию.
Диамагнетики
В веществах, атомы которых не обладают собственным магнитным моментом (то есть в таких, где магнитные поля гасятся еще в зародыше — на уровне электронов), может возникнуть магнетизм иной природы. Согласно второму закону электромагнитной индукции Фарадея, при увеличении потока магнитного поля, проходящего через токопроводящий контур, изменение электрического тока в контуре противодействует увеличению магнитного потока. Вследствие этого, если вещество, не обладающее собственными магнитными свойствами, ввести в сильное магнитное поле, электроны на атомных орбитах, представляющие собой микроскопические контуры с током, изменят характер своего движения таким образом, чтобы воспрепятствовать увеличению магнитного потока, то есть, создадут собственное магнитное поле, направленное в противоположную по сравнению с внешним полем сторону. Такие материалы принято называть диамагнетиками.
В отношении магнитных свойств вещества важно усвоить, что они зависят от конфигурации электронных орбит атомов. Даже после разбиения на отдельные атомы железо, например, сохранит свои ферромагнитные свойства. А вот при дальнейшем дроблении вы получите лишь элементарные частицы, которые собственными магнитными свойствами не обладают, и описать природу магнетизма будет уже нельзя. Итак, магнитные свойства вещества зависят исключительно от конфигурации элементарных частиц в составе атома и организации кристаллических доменов, но никак ни от свойства заряженных частиц атомной структуры.