§ 56. Магниты и их свойства

Определения и обозначения

Магнит — тело, создающее магнитное поле и способное притягивать некоторые материалы, прежде всего железо и сталь. Магнитами бывают, например, стержни и подковы из специальных сплавов. Это определение помогает отличать магнит от обычного предмета, который сам по себе не создаёт заметного магнитного действия. Магниты используют там, где нужно воздействовать на другие тела без прямого контакта.

Магнитное поле — особый вид материи, посредством которого взаимодействуют магниты и проводники с током. Само поле нельзя увидеть непосредственно, но можно заметить его действие на железные опилки или магнитную стрелку. Понятие поля объясняет, почему магнит способен действовать на расстоянии. Оно также понадобится для изучения электрического тока и магнитной индукции.

Магнитные полюса — участки магнита, где его действие проявляется наиболее сильно; различают северный и южный полюса. У стержневого магнита эти области находятся у противоположных концов. Названия полюсов позволяют описывать взаимодействие магнитов: два северных или два южных полюса ведут себя одинаково. По их действию можно определить, как расположены магниты.

Магнитная стрелка — небольшой магнит, свободно вращающийся вокруг оси и ориентирующийся примерно с севера на юг. Её концы соответствуют северному и южному полюсам. Стрелка поворачивается под действием магнитного поля и поэтому служит его простым указателем. На этом принципе работает компас, помогающий определять стороны света.

Как это устроено

Магнит притягивает не любые тела, а главным образом железо, сталь, никель и кобальт. Внутри таких материалов есть частицы, магнитные свойства которых могут выстраиваться согласованно под действием внешнего поля. Тогда материал сам становится источником заметного магнитного действия и притягивается к магниту. У меди и многих других материалов такой эффект слаб или практически не проявляется, поэтому магнит не притягивает их заметно.

У полюсов магнита притяжение железных предметов особенно заметно, потому что магнитное действие там сильнее. Между полюсами поле тоже есть, но его действие обычно слабее. По мере удаления от магнита его влияние на предмет ослабевает: магнитное поле становится менее сильным. Поэтому один и тот же предмет может притягиваться у магнита и почти не реагировать на него на большом расстоянии.

Если сближать магниты, можно наблюдать как притяжение, так и отталкивание. Причина в том, что у магнитного поля есть направление, связанное с северным и южным полюсами. При встрече одноимённых полюсов действие полей приводит к отталкиванию, а разноимённых — к притяжению. Это правило удобно применять, когда нужно сравнить полюса двух магнитов.

У магнита нельзя отделить один полюс, просто разломив его. При разломе расположение магнитных свойств внутри частей меняется так, что каждая часть становится самостоятельным магнитом. Поэтому у каждого получившегося куска есть и северный, и южный полюс. Если разломить фрагмент ещё раз, результат повторится: появятся более мелкие магниты с двумя полюсами.

Магнитное поле обнаруживают по его действию на тела, способные реагировать на него. Если положить под лист бумаги магнит и насыпать сверху железные опилки, опилки выстроятся вдоль поля, показывая его расположение. Магнитная стрелка в той же области повернётся и установится определённым образом. Оба опыта показывают поле не напрямую, а по изменению положения предметов под его воздействием.

Основные свойства магнитов

В таблице удобно сопоставлять наблюдение в опыте с выводом о свойствах магнита. Сначала определите, что именно изменилось, а затем выберите соответствующий вывод. Такой способ помогает не путать опытный факт с объяснением его причины.

Разбор задач

Как определить одноимённые концы двух магнитов?

Даны два магнита, но названия их полюсов стерлись. Нужно выяснить, какие концы являются одноимёнными, не делая вывод только по внешнему виду. Условимся, что будем проверять концы попарно, сближая их и наблюдая за движением магнитов. Для сравнения важно заметить не просто притяжение, а также возможное отталкивание.

1. Выберите конец первого магнита и поднесите к нему по очереди концы второго.
2. Если один конец отталкивается, он одноимённый выбранному концу первого магнита.
3. Если конец притягивается, он разноимённый; следовательно, второй конец этого магнита одноимён выбранному.

Отталкивание служит надёжным признаком одноимённых полюсов, а притяжение показывает разноимённые. Если магниты только притягиваются, можно перевернуть один из них и проверить другую пару концов. Ответ: одноимёнными являются те концы, которые отталкиваются при сближении.

Почему гвоздь притягивается, а медная монета — нет?

Железный гвоздь притягивается к магниту, а медная монета — нет. Нужно объяснить различие и подобрать материалы для проверки действия магнита. Проверяем не то, металлический ли предмет, а реагирует ли материал на магнитное поле. При опыте предметы следует подносить к одному и тому же магниту примерно с одинакового расстояния.

1. Определите материал предмета: гвоздь обычно сделан из железа или стали, а монета может содержать медь.
2. Сопоставьте материалы: железо и сталь заметно притягиваются магнитом, медь — обычно нет.
3. Проверьте магнитом другие образцы: подойдут железный гвоздь, стальная скрепка, никелевая или кобальтовая деталь.

Разница объясняется магнитными свойствами материалов, а не тем, что один предмет металлический, а другой нет. Если предмет не притянулся, это ещё не доказывает, что он неметаллический: многие металлы магнитом не притягиваются. Ответ: гвоздь притягивается из-за железа или стали в его составе, а медная монета обычно не реагирует; для проверки можно взять железо, сталь, никель или кобальт.

Что произойдёт, если магнит разломить?

Магнит разломили на две части. Нужно определить число полюсов у каждого куска и выяснить, могут ли части взаимодействовать с исходным магнитом. Нельзя считать, что разлом просто разделяет северный и южный концы: полюса не существуют по отдельности. Каждая часть после разлома ведёт себя как самостоятельный магнит.

1. Представьте, что в каждой части сохраняется магнитное действие, а не только один из старых полюсов.
2. У каждого фрагмента будут два полюса: северный и южный.
3. Поднесите фрагмент к исходному магниту: в зависимости от того, какие полюса сближены, части могут притягиваться или отталкиваться.

После разлома получаются два магнита, и каждый может взаимодействовать с исходным магнитом по общему правилу полюсов. Одноимённые полюса будут отталкиваться, разноимённые — притягиваться. Ответ: у каждой части по два полюса, а характер взаимодействия зависит от того, какие именно полюса обращены друг к другу.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что магнит притягивает любые металлические предметы. Её допускают, потому что железо часто встречается среди металлических вещей, и его свойства переносят на все металлы. Но медь и многие другие металлы не притягиваются магнитом заметно. Проверьте себя: если в объяснении сказано только «это металл», уточните, из какого материала сделан предмет.

Ошибка — путать северный и южный полюса или утверждать, что одноимённые полюса притягиваются. Это происходит, когда запоминают названия, но не связывают их с результатом опыта. Правило простое: одинаковые полюса отталкиваются, разные притягиваются. Проверьте вывод, сравнив его с тем, что происходит при сближении двух известных полюсов.

Ошибка — считать, что после разламывания можно получить отдельный северный или южный полюс. Так кажется, если представить, что две части просто разделяют концы исходного магнита. На деле каждый фрагмент становится магнитом с обоими полюсами. Проверьте себя: у любой получившейся части должны быть северный и южный полюса.

Ошибка — думать, что магнитное действие есть только на поверхности магнита и исчезает сразу за ней. В действительности магнитное поле существует вокруг магнита и может действовать на расстоянии. Его обнаруживают по движению магнитной стрелки или выстраиванию железных опилок. Проверьте себя: если предмет изменяет положение без соприкосновения с магнитом, на него действует поле.

Связь с другими темами

Для описания магнитного взаимодействия нужны понятия силы, взаимодействия тел и направления действия силы. Магнитное поле станет основой дальнейшего изучения магнитной индукции и действия поля на проводник с током. Это поможет понять работу устройств, в которых электрический ток и магниты связаны между собой. Магнитные свойства применяются в компасах, электродвигателях, генераторах, динамиках и устройствах хранения данных.

Что запомнить

• Магнитное действие сильнее всего проявляется у полюсов.
• У каждого магнита есть северный и южный полюса.
• Одноимённые полюса отталкиваются, разноимённые притягиваются.
• Магнит притягивает не все металлы, а только некоторые материалы.
• При разделении магнита каждый фрагмент сохраняет оба полюса.
• Магнитное поле существует вокруг магнита и обнаруживается по его действию.
• Магнитная стрелка ориентируется вдоль направления магнитного поля Земли.