2. Магнитное поле постоянных магнитов
Постоянный магнит — изделие из материала, сохраняющего состояние намагниченности в течение длительного времени.
Постоянные магниты являются источниками постоянного магнитного поля .
Полюсами магнита называют его противоположные концы, на которых магнитная сила притяжения или отталкивания наибольшая. По аналогии с географическими, магнитные полюса назвали северный магнитный полюс \(N\) и южный магнитный полюс \(S\).
Обозначения северного магнитного полюса происходит от английского слова North — Север, южного — South, что значит Юг. На рис.\(1\) северный полюс магнита обозначен красным цветов, а южный — синим. Раскрашивать магниты и стрелки могут и в другие цвета.
Рис. \(1\). Металлические опилки вокруг постоянного магнита
Более \(2500\) лет назад в окрестностях города Магнессия минерал, который притягивали железные предметы, назвали магнетитом .
Как взаимодействуют магниты?
Если учесть, что магнитная стрелка является маленьким постоянным магнитом, то и ориентироваться (поворачиваться) в магнитном поле она будет как постоянный магнит. Поэтому южный полюс одной магнитной стрелки притянется к северному полюсу другой стрелки (рис. \(2\)).
Рис. \(2\). Магнитные стрелки
Точно так же магнитная стрелка будет взаимодействовать и с магнитом.
Если поднести к магнитной стрелке магнит северным полюсом, то к нему притянется южный полюс магнитной стрелки. А если поднести к магнитной стрелке магнит южным полюсом, то притянется северный полюс магнитной стрелки (рис. \(3\)).
Рис. \(3\). Воздействие постоянного магнита на магнитную стрелку
Таким образом можно доказать, что одноимённые магнитные полюсы отталкиваются, а разноимённые магнитные полюсы притягиваются.
Это правило распространяется и на электромагниты.
Почему же взаимодействуют магниты?
Вокруг магнита существует магнитное поле. Поля двух магнитов взаимодействуют между собой, и это взаимодействие проявляется как притяжение или отталкивание магнитов.
Для визуализации магнитного поля постоянного магнита используют железные опилки.
На лист прозрачного пластика насыплем железные опилки и разровняем их, встряхнув лист. Затем поместим под листом дугообразный магнит. Железные опилки придут в движение и расположатся вдоль линий магнитного поля магнита (рис. \(4\)).
Рис. \(4\). Железные опилки на листе прозрачного пластика
В физике для исследования магнитного поля с точки зрения математического описания его свойств, выведения закономерностей используется геометрическое понятие «линия». Магнитное поле описывается термином « силовая линия », исходя из экспериментального факта возникновения силы со стороны поля. По причине отсутствия в природе магнитных зарядов силовые линии магнитного поля являются замкнутыми, что определяет название магнитного поля как вихревого (рис. \(1\)).
Направление линий магнитного поля изображено на рисунках \(5\) и \(6\) для одноимённых и разноимённых полюсов постоянных магнитов.
ЧТО ВЫ ЗНАЕТЕ О МАГНИТАХ — ВИКТОРИНА ПО ФИЗИКЕ
1. Может ли стальной стержень иметь на обоих концах одинаковые магнитные полюса?
2. Может ли постоянный магнит иметь четное число магнитных полюсов?
3. Может ли постоянный магнит иметь нечетное число магнитных полюсов?
4. Будет ли действовать магнит на магнитную стрелку, если между ними поместить руку?
5.Будет ли действовать магнит на магнитную стрелку, если между ними поместить алюминиевый лист?
6. Можно ли определить, какой из двух одинаковых стальных стержней намагничен сильнее другого?
7. Если распилить полосовой магнит на несколько кусков одинаковой длины, то какой из получившихся кусков окажется намагниченным сильнее: который находился ближе к концам или ближе к середине магнита?
8. Полосовой магнит разделили на две равные части и получили два магнита. Будут ли эти магниты оказывать такое же действие, как и целый магнит?
9. Какой дугообразный магнит (см. рисунок ниже) при хранении будет быстрее размагничиваться: слева или справа?
10. Сильный магнит может удерживать на весу гирлянду из нескольких железных цилиндров. Что будет происходить, если снизу приближать к гирлянде такой же магнит, обращенный к верхнему противоположным полюсом?
11. Три совершенно одинаковые магнитные стрелки установлены в вершинах равностороннего треугольника, сторона которого много больше длины стрелки. Стрелки могут вращаться вокруг осей, перпендикулярных плоскости треугольника. Какое устойчивое положение найдут магнитные стрелки, если влиянием магнитного поля Земли пренебречь?
12.Что мы делаем при легком постукивании по стальному стержню, способствуем его намагничиванию или размагничиванию?
13. Уравновешенные весы со стальным коромыслом располагаются вдоль земного меридиана. Сохранится ли равновесие, если коромысло намагнитить вдоль всей его длины?
14. Можно ли на Луне ориентироваться с помощью магнитного компаса?
Азбука физики
Научные игрушки
Простые опыты
Этюды об ученых
Решение задач
Презентации
Что будет, если разрезать магнит
Многие видели или выполняли сами известный трюк: насыпали железные опилки или скрепки на стол, а под столом начинали водить магнитом.
Опилки «оживали» и бежали за магнитом. Но откуда взялись магниты? Что отличает их от всех других предметов? Наконец, мы знаем, что у магнитов есть два полюса — положительный и отрицательный. А если распилить магнит пополам, получатся ли у нас два разделенных полюса? На эти вопросы нам отвечает Мария Маркина, старший научный сотрудник Физического факультета МГУ им М. В. Ломоносова, кандидат физико-математических наук. — Начнем с того, откуда берется магнетизм. Ответ на этот вопрос находится в микромире. Все, что есть в нашей Вселенной: звезды и планеты, люди и животные, вода и воздух, здания и машины, — состоит из атомов. Разные атомы устроены похоже: в центре находится ядро из ядерных частиц протонов и нейтронов, окруженное облаком электронов. Эти три частицы — протон, нейтрон и электрон — являются универсальными «кирпичиками», из которых сделано все на свете. Все эти частицы обладают своим собственным магнитным моментом, можно представить, что это крошечные стрелки компаса. То есть магнетизм — одно из основных свойств всего, что нас окружает. Кроме того, две из этих частиц обладают электрическими зарядами: электрон — отрицательным, а протон — положительным. Получается, что одни и те же частицы отвечают и за электрические, и за магнитные свойства вещества, а электричество и магнетизм — две стороны одного и того же взаимодействия — электромагнитного. Оно устроено так: электрические заряды разных знаков притягиваются, а одного знака — отталкиваются друг от друга. То же правило действует и для магнитных стрелок: разные полюса магнитов притягиваются друг к другу, а одинаковые — отталкиваются. Разница только в том, что электрические заряды существуют по отдельности, а магнитные «заряды» встречаются только парами, в виде крошечных стрелок компаса, или магнитных диполей. Поэтому и нельзя разрезать стрелку компаса или магнит пополам, чтобы получить северный и южный магнитные полюса отдельно. Вместо этого мы получим два маленьких магнита. С точки зрения микромира очень странно, почему многие вещества оказываются немагнитными. Но в нашем мире мы никогда не имеем дела с отдельными электронами и даже с отдельными атомами, поскольку в самой мелкой пылинке таких атомов бесконечно много. В результате тот магнетизм, что мы можем наблюдать, — это совместное действие огромного числа маленьких магнитных моментов. Они могут скомпенсировать действие друг друга, или наоборот — усилить, могут взаимодействовать сильнее или слабее. В результате существуют вещества, которые по-разному реагируют на магнитное поле. В магните, который висит на холодильнике, магнитные моменты отдельных частиц действуют заодно, они хорошо организованы, как, например, муравьи в муравейнике.
Магнит с одним полюсом
©Wikipedia
Если распилить магнит посередине на две части, то в результате получатся два маленьких магнита ? у каждого по два полюса. Великий физик Поль Дирак еще в 1931 году предсказывал существование монополей ? магнитов с одним полюсом. Сотни ученых всего мира в течение последних десятилетий пытались экспериментально обнаружить монополи ? безуспешно.
Теперь же исследователям, наконец, удалось впервые синтезировать искусственный монополь в квантовой системе. О своем открытии ученые поведали в статье в журнале Nature.
«Открытие естественного магнитного монополя произвело бы революцию в физике, по своему масштабу не уступая обнаружению электрона ? пишут в своей статье авторы из финского университета Аалто и Амхертского колледжа в США. ? В нашей работе впервые представлено экспериментальное доказательство существования монополя Дирака».
Исследователи получили уникальную возможность наблюдать и контролировать эту необычную квантовую систему. Открытие магнитных монополей должно помочь в объяснении ряда физических явлений.
Квантово-механические характеристики однополюсных магнитов были даны еще в давней статье Поля Дирака. Он, в частности, предсказал, что каждый монополь должен принимать и отдавать электрические заряды в отдельных дискретных порциях, что и было продемонстрировано в недавнем эксперименте.
Ученым удалось сконструировать уникальную квантовую систему: облако из атомов рубидия, находящееся в «пятом состоянии вещества» ? конденсате Бозе-Эйнштейна. При этом был зафиксирован основной признак предсказанного монополя, так называемая «струна Дирака».
Исследователи отмечают, что хотя другим группам также удавалось сконструировать аналогии магнитных монополей, созданная ими квантовая система ? единственная, которую можно протестировать в процессе эксперимента.
«Речь идет всего лишь о симуляции монополя Дирака, ? уточняет Линдси Лебланк, физик, не принимавший участия в этой работе. ? Но, тем не менее, поразительное сходство результатов эксперимента с теоретическими предсказаниями Дирака дают основание надеяться, что рано или поздно магнитный монополь удастся обнаружить».
