Отримання знань

Урок 8  Загадки магнітної стрілки (продовження

Тепер постараємося пояснити «фокус» з болтом, який відривається від магніта.

Магнітні властивості речовини пов'язані з магнітними властивостями його атомів. У деяких металів (їх називають феромагнітними, від латинської назви заліза - Ferrum) окремі атоми-магнітики прагнуть орієнтуватися так, щоб їх однойменні полюси були направлені в один бік. Таку властивість при кімнатній температурі мають лише залізо, кобальт, нікель і рідкісний метал гадоліній. Проте однакова магнітна орієнтація атомів має місце тільки в дуже обмежених областях металу, названих доменами. Розміри цих найдрібніших магнітиків-доменів складають приблизно 0,01-0,1 мм. Якщо відшліфувати поверхню магніту і посипати її магнітним по­рошком, його частинки розташуються в основному по межах доменів, чітко позначивши їх контури.

У шматка чистого заліза в цілому немає власного магнетиз­му, тому що «стрілки» різних доменів направлені в різні боки і знищують дію один одного. Підне­семо тепер до шматка заліза магніт. Під його впливом «стріл­ки» всіх мікромагнітиків, як по команді, обернуться в один бік. Дослідження під мікроскопом показали, що відбувається це явище досить цікавим чином: домени, які випадково опинилися «правильно» орієнтованими, збільшуються в розмірах. Вони приєднують до себе, як би «поїдають», сусідні домени, у яких напрям власної намагніченості опинився «не­правильним» щодо піднесеного магніта. У резуль­таті| залізо намагнічується. Максимальна намагніченость досягається, коли магнітні моменти всіх доменів орієнтовані в один бік - для цього потрібний дуже сильний зовнішній магніт.

Подивимося, що відбудеться, якщо прибрати магніт. Якби замість чистого заліза була сталева голка, вона так би і залишилася намагніченою: доменам в загартованій сталі не дуже просто вишикуватися в одному напрямі, але так само важко і прийняти колишню орієнтацію. Саме ця властивість| використовується для створення постійних магнітів. У них потрібно орієнтувати якомога більше доменів в одному напрямі, але так, щоб вони потім не самі собою розмагнічувались (розмагнічування відбувається при сильних уда­рах і при нагріванні до високої температури).

Зрозуміло, що якщо навіть один атом магніта має північний і південний полюси, то неможливо виготовити магніт тільки з одним полюсом. Проте, продовжуються, хоча поки і безуспішно, експериментальні пошуки найдрібніших «маг­нітних монополів», у яких є тільки один полюс (по аналогії з тим, що електричні заряди можна розділити на позитивні і негативні). Перші постійні магніти, які виготовляли ще в XIX столітті, виготовляли з вуглецевої, а потім з вольфрамової сталі. Магніт вважався хорошим, якщо він міг утримати вантаж, маса якого дорівнює його власній. З середини 30-х років XX століття почали застосовувати сплави, які по магнітних властивостях перевершували сталь в десять і більше разів. Це були сплави заліза з нікелем, алюмінієм, кобальтом, міддю. У 1952 році з'явився сплав платини з кобальтом, магнітна енергія якого була ще вища. У 1969 році почалося промислове виробництво магнітів, здатних утримувати вантаж, маса якого вже в сотні разів перевищувала їх власну. Такі магніти були зроблені із сплавів, що містять рідкісні метали - церій, празеодім, самарій. Порівняно невеликий магніт із сплаву самарія з кобальтом, що вміщується на долоні, здатний утримати невеликий автомобіль разом з пасажирами. Секрет такого сплаву в тому, що він складається з дуже дрібних сильно намагнічених частинок витягнутої форми, які ніби вкраплені в слабкомагнітну речовину. При виготовленні магніту ці частинки орієнтуються| в сильному магнітному полі переважно в одному напрямі і далі свою орієнтацію не втрачають,навіть коли зовнішнє магнітне поле прибирають.

У чистому залізі, його називають «м'яким», або в низьковуглеродистій сталі, наприклад в звичайному цвясі, магнітні стрілки доменів переорієнтовувалися дуже легко. Тому намагнічене залізо навіть не треба сильно нагрівати або піддавати різким ударам - воно розмагнічується само по собі, і досить швидко. Але це ж властивість доменів призводить до того, що в сильному зовнішньому магнітному полі вони майже всі приймають одну орієнтацію, і залізо стає надзвичайно сильн8м магнітом. От чому в нашому досліді  достатньо масивний залізний брусок став сильнішим магнітом, ніж постійний магніт,що його створив.

Подібною властивістю м'якого заліза користуються при виготовленні електромагнітів: досить слабке магнітне поле котушки із струмом (соленоїда) значно посилюється, коли всередину котушки вводять осердя з м’якого заліза. З такого ж заліза виготовляються і осердя трансформаторів - адже вони повинні швидко перемагнічуватися, коли по обмоткам котушок тече змінний струм. Цікаво, що м'яке залізо за долі секунди розмагнічується майже повністю. Це легко перевірити в нашому другому  досліді: відведіть магніт убік - і болт відразу ж впаде.

На закінчення уроку — дві прості експериментальні задачі на кмітливість.

Завдання 1. У шкільному фізичному кабінеті є великий смуговий магніт, полюси якого колись були забарвлені в синій і червоний кольори, і така сама за розміром ненамагнічена смужка заліза. З часом вся фарба з магніта зійшла, так що його стало неможливо відрізнити від немагнітної смужки. Як визначити, яка із смужок магнітна, якщо немає ніяких інших залізних предметів?

Завдання 2. Після того, як визначили, яка смужка - магніт, полюси цього магніта захотіли наново забарвити синій і червоною фарбою. Як дізнатися, який кінець цієї смужки потрібно забарвити в синій колір, а який - в червоний? Розглянете два випадки - коли у вас є компас і коли його немає.

Література: журнал "Квант"