45. Постоянные магниты

Определения и обозначения

Постоянный магнит — тело, которое длительное время сохраняет магнитные свойства и действует на некоторые материалы и другие магниты. Временно намагниченное тело проявляет такие свойства лишь пока действует причина намагничивания или вскоре после неё. Это различие помогает понять, почему один предмет остаётся магнитом, а другой быстро перестаёт притягивать.

Магнитные полюса — участки магнита, где его магнитное действие проявляется сильнее всего. У бруска они находятся у противоположных концов, хотя намагниченный предмет может иметь другую форму. Понятие полюса позволяет описывать, какая часть магнита взаимодействует с другим магнитом.

Полюса называют северным и южным; обычно их обозначают N и S. Чтобы определить их, используют свободно поворачивающуюся магнитную стрелку: её северный конец отталкивается от северного полюса магнита и притягивается к южному. Такое обозначение помогает не путать полюса при описании взаимодействия.

Магнитное взаимодействие — притяжение или отталкивание магнитов в зависимости от того, какие полюса обращены друг к другу. Разноимённые полюса притягиваются, а одноимённые отталкиваются. Это правило нужно применять, когда предсказывают движение стрелки или двух магнитов.

Как это устроено

Постоянные магниты получают из некоторых материалов, например железа и стали, намагничивая их под действием другого магнита или магнитного поля. Внутри подходящего материала есть множество маленьких областей, которые можно представить как крошечные магнитики; при намагничивании их действия упорядочиваются. После этого материал способен сохранять общее магнитное действие. Не всякое тело можно таким способом превратить в постоянный магнит: свойства вещества определяют, может ли оно намагничиваться и удерживать намагниченность.

У бруска магнитное действие заметнее всего у концов, потому что там расположены его полюса. Если подносить к разным местам магнита подходящий предмет, ближе к полюсам притяжение обычно обнаруживается легче. В средней части действие выражено слабее, поэтому там притяжение может быть менее заметным. Это не означает, что середина совсем лишена магнитного действия: просто полюса — наиболее сильные участки магнита.

Северный и южный полюса определяют с помощью стрелки, которая может свободно поворачиваться. Сначала находят её северный конец: он обычно помечен и при свободном повороте устанавливается в направлении на север. Если этот конец отталкивается от неизвестного конца магнита, перед нами тоже северный полюс; если притягивается — южный. Здесь важно наблюдать именно отталкивание или притяжение, а не только то, что стрелка поворачивается.

Разноимённые полюса притягиваются, потому что их магнитное взаимодействие направлено на сближение; одноимённые, напротив, отталкиваются. Это правило работает как для полюсов двух постоянных магнитов, так и для магнита и магнитной стрелки. Например, северный полюс магнита притянется к южному концу стрелки, но оттолкнёт её северный конец. Поэтому по поведению стрелки можно не только определить полюс, но и проверить, верно ли названы концы магнитов.

Если разломить брусок пополам, каждый кусок становится отдельным магнитом с северным и южным полюсами. При разделении не удаётся отделить один полюс от другого: внутри каждой части сохраняется упорядоченное магнитное действие материала. На месте разлома у двух новых кусочков появляются противоположные полюса, а на внешних концах остаются прежние. Поэтому части будут взаимодействовать у поверхности разлома как разноимённые полюса и притягиваться.

Сравнение магнитных полюсов

Чтобы пользоваться таблицей, сначала установите, какой полюс магнита или стрелки вам известен. Затем найдите нужную строку и сравните полюса: одинаковые обозначения означают отталкивание, разные — притяжение. Для определения неизвестного конца удобно обращаться к строке про северный конец стрелки.

Разбор задач

Задача 1

К северному полюсу магнита поднесли северный и южный полюса двух магнитных стрелок. Нужно определить, какая стрелка притянется, а какая оттолкнётся. Сравним каждый конец стрелки с полюсом магнита.

1. У первой стрелки к магниту обращён северный полюс. Он одноимённый с северным полюсом магнита.
2. Одноимённые полюса отталкиваются, поэтому первая стрелка оттолкнётся.
3. У второй стрелки обращён южный полюс, то есть полюс, разноимённый северному полюсу магнита. Разноимённые полюса притягиваются.

Ответ: северный полюс стрелки оттолкнётся, а южный притянется к магниту. Главное в рассуждении — сравнить названия именно тех полюсов, которые обращены друг к другу. Не следует путать конец стрелки, обращённый к магниту, с её противоположным концом.

Задача 2

Стрелка может свободно поворачиваться рядом с неизвестным полюсом магнита. Нужно выяснить, северный это полюс или южный. Для проверки используем известный северный конец стрелки и правило взаимодействия полюсов.

1. Найдите северный конец стрелки, например по отметке на ней.
2. Поднесите его к неизвестному полюсу и посмотрите, притягивается ли он или отталкивается.
3. Если стрелка отталкивается, неизвестный полюс тоже северный; если притягивается — южный.

Ответ: отталкивание показывает, что неизвестный конец магнита северный, а притяжение — что южный. Для надёжного вывода нужно дать стрелке свободно повернуться и наблюдать её движение. Одного лишь поворота без определения, какой конец куда движется, недостаточно.

Задача 3

Брусок постоянного магнита разломили пополам. Нужно описать полюса получившихся частей и их взаимодействие. Рассуждаем не так, будто разлом разделяет магнит на два разных полюса, а как будто образовались два новых магнита.

1. Каждая половина становится отдельным магнитом с северным и южным полюсами.
2. На внешних концах частей сохраняются прежние полюса бруска, а на месте разлома появляются новые, противоположные друг другу.
3. У места разлома друг к другу обращены разноимённые полюса, поэтому они притягиваются.

Ответ: у каждой половины будут северный и южный полюса; отдельного полюса не получится. Возле разлома части будут притягиваться, поскольку обращённые друг к другу полюса разноимённые. Если разломить одну половину ещё раз, каждая новая часть также будет иметь два полюса.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что магнит притягивает любые металлические предметы. Так думают, потому что в быту часто встречаются стальные скрепки и другие предметы, которые магнит действительно притягивает. Однако магнитное действие заметно не на всех металлах и материалах. Проверяйте себя: слово «металл» само по себе ещё не означает, что предмет будет притягиваться.

Ошибка — перепутать обозначения полюсов или решить, что одноимённые полюса притягиваются. Путаница возникает, если не запомнить, что северный конец стрелки притягивается к южному полюсу магнита. Чтобы проверить ответ, сравните названия полюсов: одинаковые отталкиваются, разные притягиваются. Например, N и N оттолкнутся, а N и S притянутся.

Ошибка — ожидать, что разлом магнита даст отдельный северный и отдельный южный полюс. Такое представление кажется логичным, если вообразить, что полюса можно просто разрезать пополам. На деле каждый кусок становится магнитом с обоими полюсами. Проверка проста: мысленно обозначьте у каждой части северный и южный концы, а не только место разлома.

Ошибка — считать, что магнит действует одинаково сильно по всей длине. Её допускают, когда представляют магнит как тело с равномерным притяжением в каждой точке. Наиболее выражено магнитное действие у полюсов, поэтому предмет обычно сильнее притягивается возле концов бруска. Проверяйте себя сравнением: при прочих равных поднесите один и тот же подходящий предмет к концу и к середине магнита.

Связь с другими темами

Для понимания магнитов полезно знать, что тела могут притягиваться и отталкиваться. Эти слова описывают, как меняется их взаимное положение под действием взаимодействия. В теме о магнитах к ним добавляется правило: результат зависит от того, какие полюса обращены друг к другу.

Магнитная стрелка и компас показывают направление благодаря магнитному взаимодействию. Стрелка может свободно поворачиваться и устанавливается определённым образом, поэтому её используют для нахождения полюсов магнита. Это связывает правила о магнитах с практическим способом ориентироваться.

Представления о полюсах нужны при дальнейшем изучении магнитного поля электрического тока и электромагнитов. Электромагнит создаёт магнитное действие при прохождении тока, а его свойства можно сравнивать с постоянным магнитом. Понимание притяжения и отталкивания помогает описывать такие взаимодействия.

Что запомнить

• Постоянный магнит сохраняет магнитные свойства длительное время.
• У постоянного магнита есть северный и южный полюса.
• Магнитное действие сильнее всего проявляется у полюсов.
• Одноимённые полюса отталкиваются, разноимённые притягиваются.
• При разделении магнита каждая его часть получает оба полюса.
• Северный полюс магнита можно определить с помощью магнитной стрелки.