Необыкновенная способность магнитов притягивать к себе железные предметы или прилипать к железным поверхностям всегда вызывали удивление. Попробуем поближе познакомиться со свойствами и поведением магнитов.
1 Делаем электромагнит Требуется: железный гвоздь, лист бумаги А4, батарейка АА (пальчиковая), медная проволока, металлические скрепки.
Проведем эксперимент Возьмите гвоздь и оберните его бумагой, сложенной в несколько слоев. Гвоздь должен быть плотно обернут (рис. 1). Возьмите медную проволоку и намотайте поверх бумаги, виток к витку, без промежутков. Оставьте на концах примерно по 5 см проволоки (рис. 2). Подсоедините оба конца проволоки к разным полюсам батарейки (рис. 3). 1
рис.1
рис. 2
Поднесите гвоздь к металлическим скрепкам. (рис. 4).
В чем здесь физика? Ток из батарейки, протекая по медной проволоке (называемой обмоткой электромагнита), создает магнитное поле. Магнитное рис. 4 рис. 3 поле, действуя на гвоздь, намагничивает его и превращает в магнит. Вы видите, как скрепки притягиваются к гвоздю. Бумага не проводит ток. Она служит для того, чтобы ток шел только сквозь проволоку, но не через гвоздь, иначе магнита не получится.
Где это можно увидеть? Таким способом делают все электромагниты. Чем больше ток течет через обмотку электромагнита, тем он сильнее.
2 Вынужденный маршрут Требуется: 2 магнита, поле для игры, 2 трубочки, скотч, 4 скрепки, заготовака с
машинками.
Проведем эксперимент Вырежьте машинки из заготовки (рис. 5). Прикрепите к днищам обеих машин скрепки (рис. 5). 2
Возьмите из набора трассу для гонок и установите ее на книгах (рис. 6). Установите обе машинки на старте. Прикрепите скотчем к каждой трубочке магнит (рис. 7). Установите магниты под картоном на уровне старта, где стоят автомобили, и начинайте игру: двигайте магниты по контурам дороги. Машины начнут двигаться. Можно играть вдвоем с другом.
рис. 7 рис. 6
рис. 5
В чем здесь физика? Магнитная сила магнита, проходя через картон, притягивает стальные скрепки, прикрепленные к автомобилям, вынуждая их следовать за движением магнита.
Где это можно увидеть? Это физическое явление лежит в основе движения поездов, которые ездят, не касаясь рельс. Вследствие того, что нет силы трения с рельсами, можно развивать большую скорость. Этот вид поездов называется «поезда на магнитной подушке»
3
3 Линии магнитного поля Требуется: рабочая поверхность, металлическая пыль, магнит.
Проведем эксперимент Возьмите рабочую поверхность (лист бумаги) и насыпьте на нее металлическую пыль(рис. 8). Возьмите магнит и положите под поверхность (рис. 9). Аккуратно постучите по поверхности, чтобы пыль заняла необходимое положение.
рис. 8
В чем здесь физика? рис. 9 Магнит создает магнитное поле, которое распространяется во все стороны. Кусочки железа в магнитном поле становятся маленькими магнитами и пытаются расположиться вдоль линий магнитного поля. Аккуратно постукивая по листу, мы помогаем им это сделать. В результате мы видим, как металлическая пыль показывает нам картину силовых линий магнитного поля, созданную магнитом.
Где это можно увидеть? Этот способ является самым простым для определения положения магнитных линий в пространстве. 4
4 Нагревание магнита Требуется: огонь, металлические скрепки, магнит, пассатижи или плоскогубцы,
огонь.
Проведем эксперимент
Зажгите конфорку на кухонной плите. Можно воспользоваться и электрической плитой (рис. 10). Возьмите магнит в пассатижи и поднесите к огню. Нагревайте магнит около 30 секунд, а потом попробуйте поднести его к металлическим скрепкам (рис. 11). Аккуратно, магнит очень горячий!
рис. 10
рис. 11
В чем здесь физика?
При нагревании магниты теряют свои уникальные свойства. Для разных магнитов температура, до которой нужно нагреть магнит, чтобы он потерял свои свойства, разная. Эта температура была названа в честь физика Пьера Кюри температурой Кюри.
Где это можно увидеть? Магнитные материалы, использование которых планируется в жестких условиях, проходят множество проверок, одна из которых позволяет определить температуру Кюри и узнать, при каких температурах магнит может нормально работать. Знание температуры Кюри позволяет заранее узнать, в каких условиях магнит сможет работать, а в каких – нет. 5
5 Идем на рыбалку Требуется: цветной пластик, скрепки, трубочка, нить, магнит, вода, таз, ножницы.
Проведем эксперимент Вырежьте из цветного пластика несколько рыбок (рис. 12). На голове каждой рыбки закрепите скрепку (рис. 13). Ниткой привяжите магнит к трубочке — это будет ваша удочка. Наполните таз водой и запустите туда рыбок. Сверху в воду опустите магнит, но не касайтесь им рыбок — они подплывут к магниту! (рис. 14).
рис. 13 рис. 12
В чем здесь физика? Это происходит потому, что сила магнита больше, чем сила тяжести, которая тянет рыбок на дно.
рис. 14
Где это можно увидеть? Чтобы отсортировать на складе металлолома железный и стальной лом от лома цветных металлов, применяют огромные электромагниты. 6
6 Временное намагничивание Требуется: магнит, металлические скрепки.
Проведем эксперимент Возьмите два больших магнита и сложите их большими сторонами вместе (рис. 15). Возьмите скрепку и подвесьте к магниту. К этой скрепке подвесьте еще одну или две (рис. 16). Возьмитесь за первую скрепку и аккуратно оторвите ее от магнитов (рис. 17).
В чем здесь физика?
рис. 15
Скрепки остаются висеть, потому что в магнитном поле железо, как и некоторые другие материалы, становится временным магнитом. Через небольшой промежуток времени оно размагнитится и скрепки упадут.
рис. 17
рис. 16
Где это можно увидеть? Таким способом можно сделать временные магниты. Поднесите одну из скрепок к металлической пыли и вы увидите, как пыль прилипает к скрепке. Такие магниты гораздо слабее того, с помощью которого они сделаны. 7
7 Делаем компас Требуется: магниты, посуда с водой, иголка.
Проведем эксперимент Возьмите металлическую иглу. Возьмите два круглых магнита (они сильнее) и сложите их вместе. (рис. 18). рис. 18 Одним из полюсов получившегося магнита нерис. 19 сколько раз проведите от начала иголки в конец. Проводить нужно только в одном направлении рис. 20 (рис. 19). Возьмите неметаллическую посуду (можно тарелку) и наберите туда холодной воды. Положите иголку на воду. Если это сделать аккуратно, то она не утонет, а будет плавать по поверхности. Если не получается – положите иголку на кусочек бумаги, который намокнет и утонет, в то время как иголка останется на плаву (рис. 20). Подождите пару минут.
В чем здесь физика? Проводя магнитом по иголке, мы намагничиваем ее – создаем временный магнит. Далее мы кладем иголку на воду для того, чтобы она свободно вращалась – таким 8
образом мы добиваемся минимального сопротивления. Иголка не тонет потому, что ее держит сила поверхностного натяжения воды. Немного подождав, вы увидите, что иголка повернется одним концом к южному полюсу, а другим – к северному. Это происходит потому, что все магниты пытаются выстроиться вдоль силовых линий магнитного поля, которым обладает Земля.
Где это можно увидеть? По такому принципу работают все компасы – сначала намагничивается кусочек металла, а потом прикрепляется на ось, на которой он может свободно вращаться. Металлическая стрелка вращается и в конце концов располагается с севера на юг.
8 Делаем электродвигатель Требуется: батарейка 1,5 (3) В, медная проволока, шуруп, магнит типа В.
Проведем эксперимент Возьмите круглый магнит и приложите его к головке шурупа (рис. 21). Острие шурупа приставьте к отрицательному полюсу батарейки (он помечен минусом). Болт должен висеть, не падая (рис. 22). 9
рис. 21 рис. 22
рис. 23
Одним концом медного провода дотроньтесь до положительного полюса батарейки. Можно его приклеить изолентой. Другим концом провода дотроньтесь до магнита (рис. 23).
В чем здесь физика? Мы создали простейшую электросхему. Когда мы замыкаем ее (дотрагиваемся проводом до “+” и “–”), через цепь начинает течь ток. Одно из свойств круглого магнита звучит следующим образом: если магнит вращается, то между его центром и краем будет течь ток. Верно и обратное: течет ток – магнит вращается!
Где это можно увидеть? Это так называемый «униполярный двигатель» — разновидность электрических машин постоянного тока.
Математический маятник 9 с кольцом и магнитом Требуется: металлическое кольцо, магнит, нить, трубочки.
Проведем эксперимент Укрепите на расстоянии 15—20 см друг от друга две палочки, на одинаковой высоте. К каждой палочке привяжите нить длиной 25—30 см. 10
На одну нить подвесьте магнит, а на другую – металлическое кольцо (его можно сделать из скрепки) (рис. 24). Посмотрите сначала, как колеблются маятники по отдельности. Отведите один из них и отпустите, наблюдая колебания. Теперь отведите обе нити в разные стороны так, чтобы, когда маятники качаются, они не касались друг друга, и отпустите.
рис. 24
В чем здесь физика? Хотя магнит и кольцо не касаются друг друга, маятники колеблются не так, как они вели бы себя, если бы колебались по отдельности. Это объясняется тем, что магнитное поле магнита, проходя через кольцо, создает там ток, который, в свою очередь, создает свое собственное магнитное поле, взаимодействующее с магнитным полем магнита.
Где это можно увидеть? Движение магнита рядом с замкнутым контуром (например кольцом из металла) индуцирует (или создает) ток в контуре. Это явление используется для создания тока в электрических цепях, которые не имеют физического контакта (не касаются) с внешними предметами.
11
Математический маятник с разорванным кольцом 10 и магнитом Требуется: незамкнутое металлическое кольцо, магнит, нить, штативы.
Проведем эксперимент Проведите эксперимент аналогично предыдущему, только вместо кольца подвесьте кольцо с разрывом (рис. 25).
В чем здесь физика? В незамкнутом контуре – разрыв в кольце – ток течь не может, поэтому маятники колеблются, как будто бы не видят друг друга.
рис. 25
Измерение силы 11 магнитного поля
Требуется: магнит, металлические скрепки.
Проведем эксперимент Возьмите магнит и подвесьте к одному из его полюсов металлическую скрепку. К концу скрепки приложите еще одну скрепку. Делайте так, пока скрепки продолжают висеть (рис. 26). 12
Попробуйте вешать скрепки к разным сторонам магнитов.
В чем здесь физика? Скрепка, подвешенная к магниту, сама становится временным магнитом и может держать другие скрепки, привешиваемые к ней. Тем не менее, вес всех скрепок действует на сам магнит – это он удерживает их. Чем больше скрепок мы можем подвесить – тем магнит сильнее. Таким образом можно сравнить силу двух действующих магнитов.
рис. 26
Где это можно увидеть? На станциях переработки металлолома сильные электромагниты на подвесах используются, чтобы собирать с земли металлический мусор и переносить его к печи для переплавки.
Свойство магнитов — 12 притягивать Требуется: магнит, различные материалы.
Проведем эксперимент Возьмите магнит и поднесите его к различным материалам. Например к металлу, дереву, пластику. 13
В чем здесь физика? Некоторые материалы притягиваются к магниту, а некоторые – нет. Это зависит от свойств материалов и их внутреннего строения. Практически все металлы притягиваются к магниту.
Где это можно увидеть? Этот эффект можно использовать для того, чтобы узнать, есть ли в материале железо. Магниты применяются в самых различных областях науки и техники.
13 Необычные обычные вещи Требуется: магнит.
Проведем эксперимент Подвесьте на нитке обыкновенную спичку и поднесите к ней магнит. Попробуйте примагнитить долларовую купюру.
В чем здесь физика? Многие вещи нам кажутся обычными, например: деревянная спичка с головкой из серы. Но мало кто знает, что головка спички содержит железо – именно поэтому она отклоняется при поднесении к ней магнита. Долларовая купюра изготовлена из особой бумаги, почему же она притягивается к магниту? Оказывается, чернила для печати надписей на долларах содержат небольшое количество железа! 14
Магнитная 14 проницаемость предметов Требуется: два магнита, различные материалы.
Проведем эксперимент Возьмите два магнита и поэкспериментируйте с окружающими вас вещами следующим образом: Один из магнитов кладите сверху на предмет, а другой подносите снизу. Если предмет вертикальный (например, стекло окна), придерживайте магниты с двух сторон руками. Посмотрите, на какой толщине для каждого вещества магниты перестают воздействовать друг на друга.
В чем здесь физика? Различные вещества не только по-разному реагируют на магнитное поле, но и поразному проводят его, даже если не магнитятся к нему. Поэтому бумажная книга и деревянный стол одинаковой толщины по-разному ослабляют магнитное поле.
Где это используется? Знание того, как различные материалы проводят магнитное поле, позволило создать магнитопроводы – устройства, материал которых настолько хорошо проводит магнитное поле, что оно идет только через магнитопровод, не выходя во внешнее пространство. 15
Действует ли магнит 15 через другие материалы? Требуется: магнит, стакан, металлическая скрепка, вода.
Проведем эксперимент В стакан с водой брось скрепку. Поспорь с другом, что ты вытащишь ее, не замочив рук. Прислони магнит к стакану на уровне скрепки. После того как она приблизится к стенке стакана, медленно двигай магнит по стенке вверх (рис. 27). Скрепка следует за движением магнита и поднимается вверх до тех пор, пока не приблизится к поверхности воды. Таким образом ее можно легко достать, не замочив рук.
рис. 27
В чем здесь физика? Магнитная сила действует и сквозь стекло, и сквозь воду. Если бы стенки стакана были железными или стальными, скрепка все равно поднималась бы, но слабее, потому что часть магнитной силы поглотила бы стенка стакана.