Лабораторная работа №13 Изучение магнитного поля постоянных магнитов

Определения и обозначения

Магнитное поле постоянного магнита — область, в которой магнит действует на тела, например на магнитную стрелку. О существовании поля судят по тому, что стрелка поворачивается, даже если магнит не касается её. Это понятие помогает объяснить взаимодействие магнитов на расстоянии и перейти от простого наблюдения к исследованию поля.

Полюса магнита — его участки, где магнитное действие выражено сильнее всего. Их называют северным и южным и обычно обозначают N и S; у магнитной стрелки также есть северный и южный концы. Различение полюсов нужно, чтобы описывать, как расположены магниты и как они взаимодействуют.

Магнитная линия — условная линия, которую используют для изображения магнитного поля. В каждой точке её направление совпадает с направлением, куда указывает северный конец магнитной стрелки. Линии не существуют в виде нитей: они помогают представить форму поля и сравнить его выраженность в разных местах.

Магнитная стрелка — небольшой магнит, который может свободно поворачиваться и устанавливается под действием поля. Её северный конец показывает направление поля в том месте, где находится стрелка. Благодаря этому прибору можно не только заметить поле, но и последовательно восстановить его направление вокруг магнита.

Как это устроено

Перед опытом подготовьте постоянный магнит, лист бумаги, железные опилки и магнитную стрелку. Положите магнит на устойчивую поверхность, а лист разместите над ним так, чтобы опилки не попали на магнит и оборудование можно было легко убрать. Не подносите магнит к электронным устройствам и держите его подальше от других магнитов, пока исследуете одиночное поле: так посторонние воздействия меньше исказят наблюдения.

Чтобы увидеть форму поля, насыпьте на лист тонкий равномерный слой опилок и слегка постучите по бумаге. Каждая опилка в поле магнита намагничивается и поворачивается; соседние опилки выстраиваются рядом, образуя цепочки. Так становится заметно, где проходят магнитные линии, хотя сами опилки не являются линиями и не показывают их направление.

Направление исследуют магнитной стрелкой: её поочерёдно помещают в несколько точек вокруг магнита и ждут, пока она перестанет вращаться. В каждой точке отмечают, куда направлен северный конец, а затем переносят эти направления на схему. Если соединить отметки плавными линиями, получится картина поля; каждую линию проводят так, чтобы она везде шла по направлению стрелки.

Расположение опилок около полюсов и вдали от магнита помогает сравнить поле в разных местах. У полюсов цепочки заметно гуще, а по мере удаления рисунок становится менее плотным. Это означает, что поле неодинаково выражено: вывод делают по сравнению участков, а не по одному наблюдению в случайной точке.

Затем можно исследовать полосовой магнит и пару магнитов, меняя их расположение. Сначала направьте друг к другу разноимённые полюса, а после — одноимённые; каждый раз рассматривайте и опилки, и направление стрелки между магнитами. Запишите, где проходят линии и куда ориентируется стрелка: взаимное притяжение и отталкивание меняют общую картину поля.

Приёмы исследования магнитного поля и наблюдаемые результаты

Сначала выберите способ наблюдения, затем сопоставьте увиденное с выводом в последнем столбце. Опилки лучше использовать для сравнения формы, а стрелку — для определения направления. Чтобы вывод был надёжным, проверяйте несколько точек и записывайте, как расположены магниты.

Разбор задач

Задача 1. Расположите полосовой магнит под листом бумаги, посыпьте лист железными опилками и слегка постучите по нему. Опишите, что нужно сделать и зарисовать. Решение:

1. Сначала закрепите магнит под листом и равномерно распределите опилки тонким слоем. Это нужно, чтобы они могли свободно поворачиваться, не скрывая друг друга.
2. Слегка постучите по бумаге: колебания помогают опилкам занять устойчивое положение вдоль поля. Рассмотрите рисунок и отметьте, что цепочки особенно плотные у обоих полюсов.
3. Зарисуйте форму цепочек, положение магнита и обозначьте его полюса, если они известны. Не указывайте направление поля по одним опилкам, потому что они показывают только расположение линий.

Ответ: нужно зарисовать цепочки опилок вокруг магнита и их сгущение у полюсов; для направления поля потребуется отдельное наблюдение магнитной стрелкой.

Задача 2. В нескольких точках вокруг магнита установите магнитную стрелку и отметьте направление её северного конца. Постройте по наблюдениям картину поля. Решение:

1. Выберите несколько точек вокруг магнита, включая места около обоих полюсов и более удалённые участки. Расставьте стрелку по очереди и каждый раз дождитесь, пока она установится.
2. Отметьте в каждой точке положение северного конца: именно он задаёт направление поля. Если стрелка повернулась, зафиксируйте новое направление, а не прежнее положение корпуса.
3. Проведите через отметки плавные линии, которые в каждой точке идут по направлению стрелки. Полученная схема будет приближённой: чем больше точек измерено, тем точнее удаётся показать форму поля.

Ответ: картина поля строится по последовательным направлениям северного конца стрелки в разных точках вокруг магнита.

Задача 3. Сравните картины поля между двумя магнитами сначала при обращённых друг к другу разноимёнными полюсами, затем одноимёнными. Объясните различия. Решение:

1. В первом опыте расположите магниты так, чтобы напротив друг друга оказались полюса N и S. Посмотрите на опилки и проверьте стрелкой направление в промежутке: цепочки проходят от одного магнита к другому, а стрелка ориентируется вдоль них.
2. Не меняя расстояния, поверните один магнит, чтобы друг к другу были обращены одинаковые полюса. Наблюдайте, как изменились цепочки и куда теперь направлена стрелка в нескольких точках.
3. Сравните рисунки: при одноимённых полюсах линии в промежутке изгибаются в стороны, а стрелка показывает местное направление результирующего поля. Различие связано с тем, что разноимённые полюса притягиваются, а одноимённые отталкиваются.

Ответ: при разноимённых полюсах линии проходят через промежуток, а при одноимённых отклоняются от него; направление в каждой точке проверяют стрелкой.

Типичные ошибки

Считать, что опилки сами показывают направление поля, — ошибка: они только выявляют форму его картины. Так думают, потому что цепочки выглядят похожими на линии со стрелками. Проверьте себя: если требуется указать направление, найдите северный конец магнитной стрелки, а не ориентируйтесь на рисунок из опилок.

Путать направление поля с направлением намагничивания опилок тоже неверно. Опилки могут выстраиваться вдоль поля, но их цепочка сама по себе не сообщает, где у неё «начало» и «конец». Для проверки используйте стрелку и отмечайте именно её северный конец.

Нельзя судить о силе поля только по одной точке: там может оказаться случайно густая или редкая часть рисунка. Ошибку допускают, когда замечают лишь один участок и не сравнивают его с другими. Проверьте себя, рассмотрев несколько областей; у полюсов цепочки гуще, чем вдали от них.

Магнитные линии — не реальные нити и не отдельные предметы. Их принимают за материальные объекты, потому что линии на схеме или цепочки опилок выглядят непрерывными. Помните, что линия — условный способ изображения поля, а опилки лишь помогают увидеть его расположение.

Связь с другими темами

Для выполнения работы нужно знать, что магнит взаимодействует с магнитной стрелкой и имеет два полюса. Эти знания позволяют подготовить опыт и объяснить поворот стрелки, не предполагая контакта с магнитом. Наблюдения связывают с представлением о магнитном поле и способом изображать его магнитными линиями.

Определять направление поля по стрелке важно не только при исследовании постоянного магнита. Этот навык пригодится при изучении действия магнитного поля на проводник с током. Тогда также потребуется разобраться, как направлено поле и как оно влияет на расположенный в нём объект.

Что запомнить

• Магнитное поле постоянного магнита обнаруживают по его действию на магнитную стрелку.
• Железные опилки помогают увидеть расположение магнитных линий.
• Направление поля в точке показывает северный конец магнитной стрелки.
• У полюсов магнита линии расположены гуще, чем вдали от них.
• Картина поля зависит от взаимного расположения магнитов.
• Магнитные линии — условное изображение поля, а не материальные линии.