§ 1. Магнітні явища. Дослід Ерстеда. Магнітне поле
Ще в глибоку давнину було помічено здатність деяких залізних руд притягувати до себе залізні тіла. Давні греки називали шматки цих руд магнітними каменями, ймовірно, за назвою міста Магнесія, звідки привозили таку руду. Зараз їх називають природними магнітами. Існують також штучні магніти. Сьогодні ви ознайомитеся з деякими властивостями магнітів, дізнаєтесь про те, що магнітна взаємодія здійснюється через магнітне поле, а також про зв’язок магнітних та електричних явищ.
1. Вивчаємо властивості постійних магнітів
Ще в 5 класі, вивчаючи курс природознавства, ви дізналися про магнітні явища та виявили, що деякі тіла мають властивість притягувати до себе залізні предмети й самі притягуються до них.
• Тіла, які тривалий час зберігають магнітні властивості, називають постійними магнітами.
Першу спробу наукового підходу до вивчення магнетизму здійснив у XIII ст. французький фізик П’єр Пелерен де Марікур (точні дати життя невідомі) у своєму трактаті «Послання про магніт». Більш системно властивості постійних магнітів дослідив Вільям Ґільберт (1544-1603) — англійський фізик і лікар, один із засновників науки про електрику. Наведемо основні із цих властивостей.
* Від голл. noord — північ; zuiden (нім. Süden) — південь.
2. Дізнаємося про дослід Ерстеда і досліди Ампера
Ще вчені Давньої Греції висловлювали припущення, що магнітні й електричні явища пов’язані, проте встановити цей зв’язок учені змогли лише на початку XIX ст.
15 лютого 1820 р. данський фізик Ганс Крістіан Ерстед (1777-1851) демонстрував студентам дослід із нагріванням провідника електричним струмом. У ході досліду вчений помітив, що під час проходження струму магнітна стрілка, розташована поблизу провідника, відхиляється від напрямку «північ — південь» і встановлюється перпендикулярно до провідника (рис. 1.1). Як тільки струм припинявся, стрілка поверталася в початкове положення. Так було з’ясовано, що електричний струм чинить певну магнітну дію.
Рис. 1.1. Схема досліду Ерстеда (Тут і далі наявність символа І означає, що в провіднику тече струм; стрілка поряд показує напрямок струму.)
Французький математик і фізик Андре Марі Ампер (1775-1836) уперше почув про досліди Г. Ерстеда 4 вересня 1820 р. і вже за тиждень продемонстрував взаємодію двох паралельно розташованих провідників зі струмом (рис. 1.2). Ампер також показав, що котушки, в яких проходить електричний струм, поводяться як постійні магніти (рис. 1.3). Аналізуючи результати дослідів, учений дійшов висновку: оскільки провідники є електрично нейтральними (вони незаряджені), їхнє притягання або відштовхування не може пояснюватися дією електричних сил, — «поведінка» провідників є наслідком дії магнітних сил.
Рис. 1.2. Схема досліду А. Ампера. Якщо у двох паралельних провідниках течуть струми одного напрямку, провідники притягуються (а); якщо течуть струми протилежних напрямків, провідники відштовхуються (б)
3. Даємо означення магнітного поля
У ході вивчення електричних явищ у 8 класі ви дізналися про те, що в просторі навколо зарядженого тіла існує поле, яке називають електричним, і що саме через це поле здійснюється електрична взаємодія між зарядженими тілами та частинками.
Навколо намагніченого тіла й навколо провідника зі струмом також існує поле — його називають магнітним. Магнітна взаємодія здійснюється з певною швидкістю через магнітне поле (першим такого висновку дійшов англійський фізик Майкл Фарадей (1791-1867)). Розглянемо, наприклад, взаємодію постійного магніту й котушки зі струмом (рис. 1.3, б). Котушка зі струмом створює магнітне поле. Магнітне поле починає діяти на постійний магніт (намагнічене тіло) з певною силою — магніт відхиляється. Магніт теж створює власне магнітне поле, яке, у свою чергу, діє на котушку зі струмом, — і котушка теж відхиляється.
Рис. 1.3. Котушки зі струмом поводяться як постійні магніти
Зазначимо, що магнітне поле також існує навколо будь-якої рухомої зарядженої частинки та навколо будь-якого рухомого зарядженого тіла і діє з певною силою на заряджені тіла та частинки, які рухаються в магнітному полі.
Зверніть увагу: ми не можемо побачити магнітне поле, проте воно (як і електричне поле) є абсолютно реальним — це форма матерії.
Магнітне поле — це форма матерії, яка існує навколо намагнічених тіл, провідників зі струмом, рухомих заряджених тіл і частинок та діє на інші намагнічені тіла, провідники зі струмом, рухомі заряджені тіла й частинки, розташовані в цьому полі.
• Поверніться до досліду Ерстеда (див. рис. 1.1) і досліду Ампера (див. рис. 1.2) і поясніть, як здійснюється магнітна взаємодія між магнітною стрілкою та провідником зі струмом; між двома провідниками зі струмом.
Підбиваємо підсумки
Тіла, які тривалий час зберігають свої магнітні властивості, називають постійними магнітами.
Основні властивості постійних магнітів:
- магнітна дія магніту найсильніше виявляється поблизу його полюсів;
- однойменні полюси магнітів відштовхуються, а різнойменні — притягуються; неможливо одержати магніт тільки з одним полюсом;
- у разі нагрівання постійного магніту до певної температури (точка Кюрі) його магнітні властивості зникають.
Магнітна взаємодія здійснюється через магнітне поле. Магнітне поле — це форма матерії, яка існує навколо намагнічених тіл, провідників зі струмом, рухомих заряджених тіл і частинок та діє на розташовані в цьому полі намагнічені тіла, провідники зі струмом, рухомі заряджені тіла й частинки.
Контрольні запитання
1. Назвіть основні властивості постійних магнітів. 2. Опишіть дослід Г. Ерстеда. У чому суть його відкриття? 3. Опишіть досліди А. Ампера. Що вони доводять? 4. Біля яких об’єктів існує магнітне поле? На які об’єкти воно діє? 5. Дайте означення магнітного поля.
1. Магнітну стрілку розташували біля штабового магніту (рис. 1). Який полюс магніту є південним, а який — північним?
2. Сталеву спицю намагнітили та розділили кусачками спочатку на дві, а потім на чотири частини (рис. 2). Яку властивість магнітів демонструє цей дослід?
3. Чому залізні ошурки, притягнувшись до полюсів магніту, стирчать у різні боки (див. рисунок на с. 6)?
4. Чому звужується струмінь розплавленого металу, коли через нього пропускають струм?
5. Скориставшись додатковими джерелами інформації, дізнайтеся про історію відкриття Г. Ерстеда. Які дослідження він провів, вивчаючи магнітне поле провідника зі струмом? Які результати одержав?
Експериментальні завдання
1. Скориставшись двома-трьома постійними магнітами, наприклад паличками магнітного конструктора, експериментально перевірте деякі властивості магнітів.
2. Візьміть кілька голок із нитками. Складіть нитки в один пучок і повільно піднесіть знизу до голок постійний магніт. Поясніть спостережуване явище (рис. 3).
Фізика і техніка в Україні
Інститут магнетизму НАН і МОН України (Київ) — провідна наукова установа, що проводить дослідження в галузі магнетизму й магнітних матеріалів. Інститут є базовим у підготовці студентів фізико-математичного факультету НТУ «Київський політехнічний інститут», фізичного та радіофізичного факультетів КНУ ім. Тараса Шевченка.
Організатором і першим директором інституту в 1995 р. став видатний український фізик, академік, Герой України Віктор Григорович Бар’яхтар, відомий своїми фундаментальними роботами в галузі теоретичної фізики, фізики магнітних явищ, фізики твердого тіла, а також дослідженнями екологічних наслідків Чорнобильської катастрофи.
В інституті розроблено матеріали для магнітних сенсорів і реєстраторів інформації, вирощено й синтезовано монокристали, які широко використовують в електроніці. Наукова установа володіє унікальною технологією та обладнанням для напилення тонких наноплівок.
Науково-дослідницький комплекс скануючої растрової та електронної мікроскопії для наноструктурних досліджень Інституту магнетизму віднесено до наукових об’єктів, які становлять національне надбання.
12. Магнітні та електричні фізичні явища
Магнітне полн Землі, практичне виклристання для компаса.
2. У переліку тіл і речовин укажи, які притягуватимуться магнітом, а які – ні: залізний цвях, пластмасова скріпка, цукор, кухонна сіль, залізна та алюмінієва ложки.
Притягуватимуться залізний цвях, залізна ложка, непритягуватиметься алюмінієва ложка, пластмасова скріпка, цукор і кухона аіль.
3. Поясни, чому виникають електричні явища.
Завдяки магнітному полю у якому починають рухатися електрони.
4. Якщо прозору обкладинку для зошита або книги потерти об аркуш паперу 10–15 разів, то, віддалені на невелику відстань (близько 10 см), вони притягуватимуться одне до 1-го. Яке явище відбувається при цьому? Поясни його.
Це сталося тому, що внаслідок тертя зошита, він електризувалася.
- Магніти – це природні чи штучні тіла, здатні притягувати до для себя інші тіла, до складу яких заходить залізо.
- Вивчення магнітних явищ отдало змогу виготовити компас – прилад, завдяки якому мандрівники орієнтуються на місцевості.
- Електричні явища – це взаємодія наелектризованих тіл.
- Люди використовують електричні явища, конструюючи й виготовляючи електричні прилади.
Сторінка природодослідника
Виконай удома завдання. Досліди дію магніту на різні монети. Для цього тобі знадобляться магніт, монети вартістю 1, 2, 5, 10, 20 5 і 50 копійок.
По черзі доторкнись магнітом до кожної з монет. Яким буде итог дії магніту на монети в кожному випадку?
Опиши побачене в зошиті. Зроби висновок про те, монети якого кольору притягуються до магніту. Спробуй пояснити його.
Cторінка ерудита
На малюнку 40 четыре зображено штучно виготовлені магніти у вигляді підкови та прямокутного бруска. В их одну половину зафарбовано в синій колір, іншу – в червоний. Це зроблено для того, щоб розрізняти північний полюс (Пн) магніту та південний (Пд). Магніти притягуються різнойменними полюсами і відштовхуються однойменними. Якщо спробувати розділити полюси магніту, то із цього нічого не вийде. Навіть найменший шматочок магніту, відокремлений від будь-якої його частини, завжди матиме два полюси.