Конспект уроку: Постійні магніти. Магнітне поле Землі. Взаємодія магнітів

Постійні магніти

Якщо вставити в котушку зі струмом осердя з гартованої сталі, то він намагнітиться і довгий час зберігатиме цю намагніченість.

Тіла, які тривалий час зберігають стан намагніченості, називають постійними магнітами або просто магнітами.

Уже в 1820 р. французький вчений Ампер пояснював намагніченість заліза і сталі існуванням електричних струмів, які циркулюють всередині кожної молекули цих речовин. У часи Ампера про будову атома ще нічого не знали і тому природа молекулярних струмів залишалась невідомою. Тепер відомо, що в кожному атомі є негативно заряджені електрони. При русі електронів виникає магнітне поле, яке і викликає намагніченість заліза і сталі.

На малюнку зображено штабовий постійний магніт разом з картиною їх магнітних полів.

Рис. Постійні магніти

Картину цих магнітних полів можна одержати, використавши дрібні сталеві ошурки. Для цього магніт накривають шматком цупкого паперу або скла. Потім через ситечко зверху насипають ошурки, злегка постукуючи по картону або склу ручкою.

У всякого магніту, як і у магнітної стрілки, обов'язково є два полюси, відповідно: північний (N) та південний(S).

Підносячи магніт до різних предметів побачимо, що добре притягуються до нього предмети з чавуну, заліза, сталі та деякі сплави: при цьому вони намагнічуються.

Магнітне поле постійних магнітів

Магнітне поле котушки із струмом дуже схоже на магнітне поле прямого магніту (картини магнітних полів на малюнках а), Ь) одержані подібним, як і в першому випадку, способом за допомогою сталевих ошурок).

Рис. Магнітні поля котушки із струмом і прямого штабового магніту. Магнітне поле котушки із струмом дуже схоже на магнітне поле прямого магніту, одержане за допомогою сталевих ошурок.

Неважко помітити, що з того боку котушки, який  струм обтікає за годинниковою стрілкою, знаходиться її південний полюс (S), а з боку, який струм обтікає проти годинникової стрілки – північний полюс (N).

Якщо магнітну стрілку наблизити до іншої такої ж стрілки, то вони повернуться і встановляться одна проти одної протилежними полюсами.

Підносячи до полюсів даної магнітної стрілки магніт, можна помітити, що північний полюс цієї стрілки відштовхується від північного полюса магніту й притягується до південного полюса. Аналогічно південний полюс стрілки відштовхується відповідно від південного полюса магніту й притягується до північного полюса. На основі цих дослідів зробити можна такий висновок: різнойменні магнітні полюси притягуються, а однойменні відштовхуються. Це правило стосується і електромагнітів.

В природі зустрічаються природні магніти - поклади залізної руди (т. зв. магнітний залізняк).

 Магнітне поле Землі

Ще в глибоку давнину встановлено було, що  магнітна стрілка, яка вільно може обертатися навколо вертикальної осі, завжди встановлюється у даному місці Землі у певному напрямку. Даний факт спостерігали у всіх численних подорожах на суходолі, морях і океанах Земної кулі. Цей факт є ствердженням того, що навколо Землі існує магнітне поле, а магнітна стрілка встановлюється вздовж його силових ліній.

На малюнку схематично показано магнітні силові лінії магнітного поля Землі. Як видно, поблизу Північного географічного полюса розміщується Південний магнітний полюс, в котрий входять силові магнітні лінії, а біля Південного географічного полюса Землі - Північний магнітний полюс, із якого силові лінії поля магнітного виходять.

Рис. Магнітне поле Землі. Біля Північного географічного полюса розміщується Південний магнітний полюс, в котрий входять силові магнітні лінії, а біля Південного географічного полюса міститься Північний магнітний полюс, із якого виходять силові лінії магнітного поля.

В наш час Південний магнітний полюс знаходиться від Північного географічного полюса приблизно за 2100 км. Магнітна вісь складає кут у 11° 53^і з віссю обертання Землі (земною віссю).

Дослідження гірських порід показали, що магнітні полюси, а разом з ними і все магнітне поле Землі із часом переміщується, причому це переміщення досить складне.

Магнітні бурі

Іноді на Землі та в її атмосфері раптово виникають так звані магнітні бурі - короткочасні зміни магнітного поля Землі, які сильно впливають на стрілку компаса, стан і роботу різних радіоелектронних приладів, стан і життєдіяльність організму людини, викликають полярні сяйва. Магнітне сяйво - одне з природних джерел світла.

Спостереження за Сонцем показують, що поява магнітних бур пов'язана з так званою сонячною активністю. Як виявилось, в періоди сонячної активності з поверхні Сонця у світовий простір викидаються потоки заряджених мікрочастинок, електронів і протонів. Потоки цих частинок утворюють магнітне поле, яке своєю дією змінює магнітне поле Землі й викликає магнітне збурення - бурю. Магнітні бурі діють короткочасно.

На земній поверхні виявлено області, у яких напрям магнітної стрілки постійно відрізняється від напряму силових ліній магнітного поля Землі. Подібні області називають областями магнітної аномалії (від латинського слова аномалія - “відхилення", “ненормальність"). Такі аномалії пояснюються впливом на магнітне поле Землі магнітних полів залізняків - покладів залізних руд, магнітних речовин. Одна з найбільших аномалій - Курська магнітна аномалія; її поява в цьому районі пов'язана з наявністю на невеликій глибині величезних покладів залізної руди.

Земне магнітне поле захищає поверхню Землі від космічного випромінювання, яке згубно діє на живі організми.

Магнітні поля в Сонячній системі

 Важливу роль у Всесвіті, в тому числі у Сонячній системі, відіграють електромагнітні процеси. Коротко розглянемо механізм виникнення магнітних полів навколо небесних тіл.

Нам вже відомо, що магнітне поле існує навколо зарядів, що рухаються впорядковано, тобто, навколо струмів. Але за звичайних умов струми можуть підтримуватися за рахунок дії генераторів. Опір провідників, зумовлений гальмуванням електронів кристалічною решіткою, призводить до зниження сили струму і перетворення енергії струму у внутрішню енергію провідника у формі тепла.

Зовсім по іншому поводять себе струми у плазмі, яка заповнює міжпланетний простір. Внаслідок високого ступеня розрідження плазми тут віддалі між рухомими частинками надзвичайно великі і співудари між ними відбуваються надзвичайно рідко. В результаті циркуляції електричних зарядів у космічній плазмі (тобто, електричні струми), які виникли з будь-якої причини можуть продовжуватися дуже довго. Отже, стільки ж часу навколо цих зарядів, що циркулюють, існуватимуть магнітні поля. Ці магнітні поля, за образним висловлюванням фізиків ніби “вморожені у плазму".

За рахунок циркуляції плазми на Сонці створюються сильні магнітні поля, що відіграють важливу роль у всіх процесах сонячної активності. 

Космічні дослідження показали, що поле магнітне Землі суттєво відрізняється за своєю структурою від поля звичайного магніту. Ця відмінність обумовлена впливом потоку заряджених частинок сонячного вітру.

Сонячний вітер “притискає" магнітосферу Землі з сонячного боку. З нічного боку утворюється довгий шлейф, який простягається за Землею у напрямку сонячного вітру на більш ніж 5,5 млн. км. Відстань від поверхні Землі до зовнішньої межі магнітосфери на денному боці становить близько 60000 км.

Рис. Сонячний вітер. Сонячний вітер «притискає» магнітосферу Землі з сонячного боку. З нічного боку утворюється довгий шлейф.

В області замкнених силових ліній частинки плазми утримуються довго, завдяки чому утворюються пояси радіації Землі.

У всіх планет земної групи (Меркурій, Венера, Марс), крім Землі, а також у супутників планет, в тому числі й у Місяця, практично немає магнітних полів. Тому у всіх цих планет немає радіаційних поясів і заряджені частинки легко потрапляють на їх поверхні.

На відміну від планет земної групи планети-гіганти оточені значними магнітосферами.