§ 38. Постоянные магниты. Магнитное поле Земли

Определения и обозначения

Постоянный магнит — тело, сохраняющее магнитные свойства без постоянного подключения источника тока. Например, стальной магнит продолжает притягивать железные предметы после удаления от батареи или электромагнита. Это понятие помогает отличать обычный магнит от устройства, действие которого существует только при прохождении тока.

Магнитный полюс — область магнита, где магнитное действие проявляется наиболее сильно. Различают северный и южный полюса, которые обозначают буквами N и S или словами «северный» и «южный». Полюса нужны для описания взаимодействия магнитов и их ориентации в пространстве.

Магнитное поле — область пространства, в которой обнаруживается действие магнитных сил. Само поле непосредственно не видно, но его можно обнаружить по движению магнитной стрелки или притяжению железного предмета. Такое определение объясняет, как магнит действует на расстоянии, не соприкасаясь с телом.

Магнитное поле Земли — магнитное поле, окружающее Землю и ориентирующее магнитные стрелки. Благодаря ему работает обычный компас, если рядом нет сильных магнитов и других источников помех. Изучение этого поля связывает свойства магнитов с природными явлениями и навигацией.

Как это устроено

У магнита всегда возникают два противоположных полюса, потому что магнитные свойства связаны с согласованным расположением множества маленьких магнитных областей внутри вещества. Если разделить магнит, граница разлома не становится отдельным полюсом: в каждом кусочке устанавливается собственное сочетание областей. Поэтому новый кусок получает северный и южный полюса. Магнит только с одним полюсом в обычных опытах получить нельзя.

Магнитное поле действует на другие магниты и на некоторые материалы. Сила действия неодинакова: около полюсов она наибольшая, потому что именно там влияние магнита проявляется наиболее заметно. По этой причине железные опилки собираются гуще у концов полосового магнита. Вдали от магнита действие ослабевает.

Железный предмет притягивается не потому, что заранее является постоянным магнитом. Поле магнита заставляет внутренние магнитные области железа частично ориентироваться в одном направлении, и предмет намагничивается. Ближний к магниту конец получает противоположное магнитное действие, поэтому притяжение оказывается сильнее отталкивания. После удаления магнита у обычного железа такая намагниченность обычно постепенно исчезает.

Если рядом находятся два магнита, их полюса взаимодействуют. Разноимённые полюса притягиваются, поскольку их магнитные поля направлены так, что система стремится сблизиться. Одноимённые полюса отталкиваются, и магниты стараются разойтись. Поэтому по одному только факту притяжения нельзя сразу решить, являются ли оба тела постоянными магнитами: один из них может быть просто железным предметом.

Магнитная стрелка компаса — небольшой магнит, который может свободно вращаться вокруг оси. Магнитное поле Земли поворачивает её так, чтобы она установилась вдоль направления поля. Конец стрелки, называемый северным, примерно направляется к географическому северу, потому что вблизи него находится магнитный полюс противоположного типа. Точное направление отличается от линии север—юг из-за несовпадения географических и магнитных полюсов и местных особенностей поля.

Сравнение магнитных полюсов и их взаимодействия

В таблице сначала находят вид взаимодействующих полюсов, а затем сравнивают их названия. Если названия одинаковые, полюса отталкиваются, если разные — притягиваются. Направление свободно подвешенного магнита используют для ориентирования, но учитывают, что магнитный и географический север не совпадают.

Разбор задач

Задача 1

Два конца стального стержня притягиваются к северному полюсу магнита. Нужно определить, является ли стержень постоянным магнитом. Одного наблюдения недостаточно, потому что к магниту может притягиваться и ненамагниченный стальной предмет.

1. Предположим, что стержень — постоянный магнит. Тогда один его конец должен быть южным и притягиваться к северному полюсу.
2. Другой конец в таком случае был бы северным полюсом и должен был бы отталкиваться от северного полюса проверочного магнита.
3. По условию притягиваются оба конца. Это соответствует намагничиванию стального стержня внешним полем, а не обязательному наличию у него постоянных полюсов.

Ответ: утверждать нельзя; скорее всего, стержень является магнитным материалом, временно намагниченным магнитом. Для проверки нужно поднести к каждому концу известный северный полюс и найти отталкивание хотя бы одного конца.

Задача 2

Магнит разломили пополам. Требуется определить полюса образовавшихся кусков. Нельзя считать, что разлом отделил северный полюс от южного, потому что магнитное поле создаётся всем упорядоченным строением вещества.

1. Разлом уменьшает размеры магнита, но не превращает кусок в изолированный полюс.
2. В каждом куске внутренние магнитные области сохраняют возможность образовать пару полюсов.
3. На одном конце первого куска появится северный полюс, на другом — южный; второй кусок также будет иметь оба полюса.

Ответ: образуются два меньших магнита, каждый с северным и южным полюсами. Их сила может быть меньше силы исходного магнита, но правило о двух полюсах сохраняется.

Задача 3

Магнитная стрелка компаса отклоняется от направления на географический север. Нужно объяснить причину отклонения и определить тип магнитного полюса Земли около географического северного полюса. Стрелка реагирует не на географические координаты, а на направление магнитного поля.

1. Северный конец стрелки ориентируется к области, где находится противоположный магнитный полюс.
2. Раз северный конец стрелки в среднем направлен к географическому северу, около него должна находиться область, действующая как магнитный южный полюс.
3. Отклонение возникает потому, что магнитные полюса Земли смещены относительно географических, а поле неодинаково в разных местах.

Ответ: около географического северного полюса находится магнитный южный полюс Земли, поэтому северный конец стрелки притягивается к этой области. Точное направление компаса называют магнитным направлением, и оно может отличаться от географического севера.

Типичные ошибки

Считать, что после разламывания магнит имеет только один полюс, ошибочно. Так думают, представляя полюса двумя отдельными половинами тела, но магнитные свойства распределены внутри всего вещества. Проверка проста: каждый кусок должен взаимодействовать с другими магнитами как самостоятельный магнит и иметь оба полюса.

Утверждение, что любые два магнита всегда притягиваются, неверно. Одноимённые полюса отталкиваются, а разноимённые притягиваются, поэтому надо сначала определить, какие полюса сближены. Проверить себя можно, медленно поднося магниты разными концами.

Нельзя путать магнитный и географический север. Географический север задаётся направлением на полюс Земли, а компас ориентируется по магнитному полю, которое имеет собственное направление. Если стрелка отклоняется, это не означает, что компас сломан: нужно учитывать магнитное склонение и местные помехи.

Притяжение железного предмета ещё не доказывает, что предмет — постоянный магнит. Железо намагничивается под действием внешнего поля и может потерять это свойство после удаления магнита. Ищите отталкивание одного конца известным полюсом: оно надёжнее показывает наличие постоянного магнита.

Связь с другими темами

Для понимания темы нужно знать, что тела могут действовать друг на друга на расстоянии, а передача такого действия описывается физическим полем. Свойства постоянных магнитов связаны с магнитным действием электрического тока, на котором основана работа электромагнитов. Эти знания пригодятся при изучении компаса, электродвигателя, генератора и способов ориентирования по магнитному полю Земли.

Что запомнить

• Постоянный магнит сохраняет магнитные свойства без подключения источника тока.
• У каждого магнита есть северный и южный полюса.
• Одноимённые магнитные полюса отталкиваются, разноимённые притягиваются.
• Магнитное действие сильнее всего проявляется у полюсов.
• При разламывании магнита каждый кусок получает оба полюса.
• Земля обладает собственным магнитным полем.
• Магнитная стрелка компаса ориентируется вдоль магнитного поля Земли.