...
Магнітні властивості речовин PDF Печать E-mail

Магнітні властивості речовин

Мета роботи:    оволодіти методикою і технікою шкільного фізичного експерименту, що проводиться при вивченні магнітних властивостей речовини.
Обладнання: прилад для демонстрування магнітного поля колового струму; моделі для демонстрування спектрів магнітного поля струму; магніти смугові; магніт підковоподібний; штатив універсаль¬ний; стрічки з фольги або довгі багатожильні еластичні провідники 2 шт.; трансформатор універсальний; набір стержнів з діа- і парамагнітних речовин; модель будови феромаг¬нетику; підсилювач коливань звукової частоти; динамічний гучномо¬вець; осцилограф електронний; реостат; електромагніт розбірний; стальна ліній¬ка; штатив ізольований з двома контактами; лам¬па електрична в патроні; ви¬микач; з'єднувальні провідники, природний магніт в оправі, дрібненькі   ку¬сочки різних речовин: заліза, міді, алюмінію, дерева, скла, пластмаси тощо, залізний цвях або болт довжиною, дерев'яний поплавець, широка скляна посу¬дина з водою, залізні ошурки, поло¬вина леза безпечної бритви,  мідна дротинка, спиртівка, нікелева пластинка, три леза безпечної бритви, два дерев'яних брусочки, пластилін.

ТЕОРЕТИЧНІ ВІДОМОСТІ
Магнітна проникність. Уже згадувалося, що магнітне поле створюється не тільки електричними струмами, а й постійними магнітами. Постійні магніти можна виготовити тільки з небага¬тьох речовин, але всі речовини, вміщені в магнітне поле, намаг¬нічуються, тобто самі створюють магнітне поле. Тому вектор магнітної індукції   в однорідному середовищі відрізняється від   у тій самій точці простору у вакуумі.
Відношення  , що характеризує магнітні властивості середовища, дістало назву магнітної проникності середовища.
Отже, в однорідному середовищі магнітна індукція до¬рівнює:
,    (1)
де μ – магнітна проникність. Формула (1) справджується тільки для однорідного середовища, яке і заповнює весь простір, або для випадків особливої симетрії тіла, наприклад, для однорідного стержня всередині соленоїда. Якщо тіло має довільну форму, то при внесенні його в магнітне поле з індукцією   індукція всередині речовини не визначатиметься формулою (1). Залежність між   і   значно складніша і визначається формою тіла та його орієнтацією відносно 
Гіпотеза Ампера. Причину, внаслідок якої тіла мають маг¬нітні властивості, вперше встановив французький вчений Ампер. Спочатку під безпосереднім враженням від спостереження маг¬нітної стрілки, що повертається поблизу провідника із струмом у дослідах Ерстеда, Ампер припустив, що магнетизм Землі спричи¬нений струмами, які течуть усередині земної кулі. Головний крок було зроблено: магнітні властивості тіла можна пояснити струма¬ми, що циркулюють усередині його. Далі Ампер зробив загальний висновок: магнітні властивості будь-якого тіла визначаються замкнутими електричними струмами всередині його. Цей вирі¬шальний крок від можливості пояснення магнітних властивостей тіл струмами до категоричного стверджування, що магнітні взаємодії – це взаємодії струмів – свідчення великої наукової сміливості Ампера.
Згідно з гіпотезою Ампера всередині молекул і атомів цир¬кулюють елементарні електричні струми. (Тепер ми добре знаємо, що ці струми утворюються внаслідок руху електронів в атомах). Якщо площини, у яких циркулюють ці струми, розміщені хаотич¬но одна відносно одної, то дія струмів взаємно компенсується і ніяких магнітних властивостей тіло не виявляє. У намагніченому стані струми в тілі орієнтовані так, що їх дії додаються.
Гіпотеза Ампера пояснює, чому магнітна стрілка й рамка (контур) із струмом у магнітному полі поводять себе однаково (див. § 84). Стрілку можна розглядати як складну сукупність маленьких контурів із струмом, орієнтованих однаково.
Але в тілах з великою магнітною проникністю (μ>>1), які на¬зивають феромагнітними (залізо, кобальт, нікель та ін.), магнітні поля створюються не внаслідок обертального руху елек¬тронів навколо ядер, а внаслідок їх «власного обертання». Електрон завжди ніби обертається навколо своєї осі й, маючи заряд, створює магнітне поле поряд з полем, яке з'явилося завдяки його орбітальному руху.
Температура Кюрі. При температурах, вищих за деяку певну для даного феромагнетика температуру, його феромагнітні влас¬тивості зникають. Цю температуру називають температу¬рою Кюрі на честь французького вченого, який відкрив це явище. Якщо намагнічений цвях дуже нагріти, то він втратить здатність притягувати до себе залізні предмети. Температура Кюрі для заліза 753 °С, для нікелю 365 °С, а для кобальту 1000 °С. Є феромагнітні сплави, у яких температура Кюрі менша за 100 °С.
Перші докладні дослідження магнітних властивостей феромаг¬нетиків виконав видатний російський фізик О. Г. Столєтов (1839–1896).
Феромагнетики та їх застосування. Хоча феромагнітних тіл у природі не так уже багато, саме вони мають найбільше прак¬тичне значення. Вставляючи залізне або стальне осердя в котушку, можна в багато разів підсилити створюване нею магнітне поле. не збільшуючи сили струму в котушці. Осердя трансформаторів, генераторів, електродвигунів тощо виготовляють з феромагне¬тиків.
Магнітна проникність феромагнетиків не стала. Вона зале¬жить від індукції магнітного поля.
Якщо зовнішнє магнітне поле вимкнути, феромагнетик лиша¬ється намагніченим, тобто створює магнітне поле в навколишньому просторі. Упорядкована орієнтація елементарних струмів не зникає, коли вимкнути зовнішнє поле. Завдяки цьому існують постійні магніти.
Постійні магніти широко застосовують в електровимірювальних приладах, гучно¬мовцях і телефонах, звукозаписувальних апаратах, магнітних компасах тощо.
Великого застосування набули ферити – феромагнітні матеріали, що не проводять електричного струму. Це хімічні сполуки оксидів заліза з оксидами інших речовин. Перший з відомих людям феромагнітних матеріалів – магнітний залізняк – є фе¬ритом.
Магнітні стрічки і магнітні плівки. З феромагнетиків виго¬товляють магнітні стрічки і тонкі магнітні плівки.
Магнітні стрічки широко використовують для звукозапису в магнітофонах і відеозапису в відеомагнітофонах. Магнітна стріч¬ка являє собою гнучку основу з поліхлорвінілу чи інших речовин, на яку нанесено робочий шар у вигляді магнітного лаку, що складається з дуже дрібних голчастих частинок заліза чи іншого феромагнетика і зв'язуючих речовин. На стрічці звук записують за допомогою електромагніту. Магнітне поле електромагніту змінюється в такт із звуковими коливаннями. Коли стрічка рухається поблизу магнітної голов¬ки, намагнічуються різні ділянки плівки. При від¬творенні звуку відбувається зворотний процес. Намагнічена стрічка збуджує в магнітній головці електричні сигнали, які після підсилення надходять на динамік магнітофона. Цей процес зумовлений електромагнітною індукцією.
Тонкі магнітні плівки складаються з шару феромагнітного матеріалу завтовшки від 0,03 до 10 мкм. Їх застосовують у за¬пам'ятовуючих пристроях електронно-обчислювальних машин (ЕОМ). Магнітні плівки призначені для запису, зберігання і відтворення інформації, їх наносять на тонкий алюмінієвий диск чи барабан. Інформація записується і відтворюється приблизно так само, як і в звичайному магнітофоні. В ЕОМ інформацію можна записувати і на магнітних стрічках.
Модель будови феромагнетику використовують для пояснення процесу утворення доменів у феромагнетику і їх переорієнтації при намагнічуван¬ні. Прилад складається з рамки з дном, виготовленим з ор¬ганічного скла. На дні встановлено 20 вістер, розмішених у 4 ряди на відстані близько 15 мм одне від од¬ного. На кожне вістря насаджений намагнічений циліндрик з одним за-округленим кінцем. Зверху рамка закрита склом. Прилад пристосований для горизонталь¬ної проекції за допомогою універсального проекційного ліхтаря. У модернізованому варіанті стальні циліндрики замінені на магнітні стрілки.
Набір стержнів з діа-, пара- і феромагнітних ре¬човин використовують для демонстрування поведінки різних речовин у магнітному полі. Діаметр стержнів 3 мм, довжина 15 мм. До кожного стержнів приклеєна нитка довжиною 30 см. Другий кінець нитки прикріпле¬ний до стержня, встановленого в отвір корка, який зруч¬но закріплювати в лапці штатива.
При демонструванні дослідів той чи інший зразок вставляють у лапку штатива і вміщують між конічними наконечниками універсального трансформатора, до якого подають постійний струм. Стержні проектують на екран за допомогою універсального ліхтаря.

ХІД РОБОТИ
1.    Повторіть матеріал, що стосується магнітних властивостей речовин, за шкільним підручником та за підручником з курсу загальної фізики. Ознайомтесь з рекомендаціями з програми фізики для демонстрацій при вивченні в школі даної теми.
2. Дія магніту на тіла, виготовлені з різних речовин.
Цей дослід демонструє здатність магніту притягати лише деякі речовини.
Невеликі купки дрібних кусочків різних речовин насипають на листки паперу, покладені на демонстраційному столі, і послі¬довно підносять до них полюсні наконечники оправи магніту. Демонструють, що з багатьох різних речовин, які є на столі, магніт притягує лише залізо.
Корисно показати, що, крім заліза, магніт притягує чавун і нікель. До феромагнетиків належать також кобальт і гадоліній.
Для цього можна використати пластинки, нарізані з анодів зіпсованих радіоламп і дрібні кусочки чавуну.
Виконуючи цей дослід, слід обов'язково підкреслити, що висновок про притягання магнітом лише деяких речовин справед¬ливий тільки наближено. Справді, коли йдеться про сильну дію магніту на речовини, то цей висновок справедливий. Слабка дія магніту на інші «немагнітні» речовини не може бути виявлена таким грубим способом. Насправді всі речовини так або інакше взаємодіють з магнітами, що можна виявити за допомогою інших дослідів. Крім цього, слід зазначити, що існують спеціальні сплави, магнітні властивості яких кращі, ніж природних магнітів.
3. Дія магніту на залізо.
Щоб продемонструвати дію магніту на залізо (сталь), у широку скляну посудину наливають води і пускають плавати дерев'яний або корковий поплавець, на який покладено цвях або болт. Для поліпшення видимості досліду в поплавок вертикально встромляють прапорець – тонку дротинку з папірцем на верхньому кінці. Наближають магніт до одного з кінців цвяха і спостерігають рух поплавця, зумовлений притяганням заліза магнітом.
Корисно повторити дослід, поклавши на поплавець магніт і наближаючи до нього цвях. При цьому можна сказати про взаємодію між магнітом і залізом як експериментальний факт.
4. Намагнічування заліза під впливом природного магніту.
Цей дослід дає змогу показати можливість утворення штучних магнітів.
Залізні ошурки насипають купкою на аркуш паперу і, зану¬рюючи в них кінці цвяха, демонструють, що він не притягує ошурків, тобто не має магнітних властивостей. Прикладають цвях шляпкою до одного з полюсних наконечників оправи магніту і, тримаючи магніт у руці, знову занурюють вільний кінець цвяха в ошурки. Вийнявши цвях з ошурок, пока¬зують, що вони притяглися до цвяха і китицею звисають з його кінця. Тримаючи цвях за середину пальцями або пінцетом, відри¬вають магніт від нього. При цьому частина ошурків відпадає. Повертають цвях на 180° і занурюють його в ошурки шляпкою, яка тепер також притягує їх. З досліду роблять висновок про можливість утворення штуч¬ного магніту намагнічуванням залізного стержня. Слід підкрес¬лити, що цвях, доторкаючись до магніту, мав досить сильну маг¬нітну дію, але після віддалення від магніту вона різко послаби¬лась – кількість ошурків, що притяглися до кінця цвяха, зменшилась. Отже, він частково розмагнітився.
Дослід повторюють з стальною пластинкою і констатують, що сталь розмагнічується значно менше. Роблять загальний висновок про те, що простим доторканням до полюса природного магніту можна намагнітити залізні і стальні предмети, причому стальні тіла намагнічуються і зберігають магнітні властивості краще. Отже, можна виготовити штучні постійні магніти. Такі магніти широко використовуються в дослі¬дах, приладах і машинах. Слід продемонструвати постійні магніти різної форми, які є в розпорядженні вчителя.
5. Способи намагнічування за допомогою постійних магнітів.
Полотно ножівки занурюють кінцями в купку цвяшків і по¬казують, що воно не має магнітних властивостей. Потім кладуть його на стіл і проводять від одного кінця полотна до другого одним з полюсів постійного прямого магніту                                                      
8-12 раз. При зво¬ротному русі магніту його слід піднімати вгору і переносити на достатньо великій відстані від полотна. Щоб полотно не піднімалось за магнітом, його притискують пальцем до стола. Після цього занурюють кінці полотна в цвяшки або ошурки і демонструють його магнітні властивості. б) При намагнічуванні цим способом різнойменні полюси прямих постійних магнітів установлюють на середину полотна ножівки, покладеного на стіл, і, тримаючи самі магніти нохило, одночасно рухають їх від середини до кінців полотна. Потім знову встанов¬люють полюси на середину полотна і повторюють їх рух. Ножівку треба прикріпити до стола або важкого дерев'яного брусочка за допомогою двох-трьох шпильок.
Можна намагнітити полотно ножівки, рухаючи полюси магні¬тів від середини до кінців по черзі. Тоді потреба в прикріпленні полотна відпадає – його утримують на місці нерухомим магні¬том, притиснутим до середини.
Намагнічування можна вважати закінченим після 10–12 таких рухів. Факт намагнічування демонструють учням, занурюючи полотно в купку дрібних цвяшків. Очевидно, що перед дослідом треба продемонструвати відсутність у полотна магнітних вла¬стивостей.
6. Розмагнічування за допомогою постійних магнітів.
Після демонстрування намагнічування стальної штабки за допомогою постійних магнітів в учнів завжди виникає питання про можливість розмагнічування магніту таким самим способом (натиранням постійними магнітами). Здійснити повне розмагнічування цим способом дуже важко, практично майже неможливо. Можна лише певною мірою осла¬бити намагніченість штабки. Для цього, позначивши якимось способом один з кінців полотна, намагнічують його так, як опи¬сано вище, і демонструють його магнітні властивості, занурюючи один з кінців в ошурки або дрібні цвяшки.
Потім розмагнічують полотно тим самим способом, повернувши постійні магніти протилежними полюсами. При цьому треба пра¬гнути зберегти умови розмагнічування однаковими з умовами першого намагнічування (кути нахилу магнітів, кількість рухів). Після цього знову занурюють позначений кінець полотна в ошурки і (при вдалій спробі) спостерігають деяке зменшення кількості ошурків або цвяшків, притягнутих «розмагніченим» полотном. Постійні магніти частково розмагнічуються під дією ударів.
7. Розмагнічування при нагріванні
а) Для демонстрування розмагнічування при нагріванні до точки Кюрі (для заліза близько 768° С) намагнічують одним із способів, описаних вище, половину леза безпечної бритви. Зануривши його в ошурки, демонструють, що лезо стало магнітним. Очищають лезо від ошурків і закріплюють його на одному кінці мідної дротинки, зігнутому у вигляді канцелярської скріпки. Тримаючи рукою або прищіпкою за другий кінець дротинки, нагрівають лезо в полум'ї спиртівки до світло-жовтого кольору. Для швидкого й одночасного по всій довжині нагрівання леза гніт спиртівки треба розпушити або використати полум'я двох-трьох запалених таблеток «сухого спирту». Коли лезо охолоне, демонструють втрату ним магнітних власти¬востей: воно не притягає ошурків. Дослід закінчується тим, що знову намагнічують лезо.
б) Точка Кюрі для нікелю значно нижча (3659 С), ніж для заліза (768° С). Тому нагрівання нікелевих магнітів для розмагнічування здійснити далеко простіше, ніж стальних. Зокрема, у цьому досліді потрібного ефекту можна досягти за допомогою полум'я сірника. Дослід виконують так. З нікелевого анода зіпсованої радіолам¬пи вирізають пластинку розмірами приблизно 20 X 20 мм. Біля середини однієї з сторін пластинки проколюють отвір, яким під-вішують її до дротини. Другий кінець цієї дротини затискують у лапці штатива.
Трохи нижче підвішеної пластинки на підйомному столику розташовують постійний магніт так, щоб один з його полюсів був під пластинкою, але не доторкався до неї. Підйомний столик разом з магнітом переміщають убік. При цьому пластинка відхиляється від вертикалі. Бажано, щоб кут відхилення був близько 10-15°, а тому слід користуватися відносно сильним магнітом. Звертають увагу на те, що цей своєрідний маятник тримається у відхиленому стані завдяки притяганню магнітом нікелевої пластинки. Потім пластинку нагрівають у полум'ї спиртівки і спостерігають, що в нагрітому стані вона вже не вдержується магнітом і повертається до положення рівноваги. Якщо після остигання пластинку наблизити до магніту, вона знову залишається у відхиленому положенні.
Дослід стає ефективнішим, якщо верхній кінець дротинки, на якій висить пластинка, не просто затиснути в лапці штатива, а прикріпити до короткої нитки. Тоді, відірвавшись після нагрі¬вання від магніту, пластинка починає вільно коливатись. Як тільки вона остигне до температури нижче точки Кюрі, то знову буде затримана магнітом у відхиленому положенні. Можна вста¬новити спиртівку так, щоб пластинка, притягнута магнітом, попа¬дала в її полум'я. Тоді коливання такого маятника триватимуть доти, поки горить спиртівка.
В установці для виконання цього досліду викори¬стано круглий нікелевий електрод від неонової лампи СН-1.
8. Полюси магніту
а) На аркуш білого паперу, покладений на підйомний столик, насипають рівномірним шаром залізні ошурки або дрібні цвяшки.
Кладуть у них прямий магніт і повертають його так, щоб цвяшки притяглись до магніту з усіх боків. Вийнявши магніт з ошурків (цвяшків), демонструють їх розташування навколо магніту. Звер¬тають увагу учнів на те, що найбільша кількість ошурків зосе¬реджена поблизу кінців магніту, а біля середини їх немає зовсім. Демонструючи цей дослід, вводять поняття про полюси і нейтраль магніту.
б) Показати зміну величини магнітної сили вздовж довжини магніту можна на такому досліді. Прямий магніт установлюють горизонтально, підвішуючи на мідній або алюмінієвій дротині. До магніту знизу підвішують на різних відстанях залізні цвяшки. До кожного з цих цвяшків підвішують стільки таких самих цвяшків, скіль¬ки їх удержиться у цьому ланцюжку. Картина розподілу цвяш¬ків, притягнутих магнітом, дає можливість зробити вис¬новок про зміну величини магнітної сили вздовж довжини магніту і ввести поняття про його полюси і нейтраль.
9. Ослаблення дії магніту при накладанні різнойменних полюсів
Один з магнітів затискують у лапці штатива так, щоб він висів вертикально. До нижнього полюса його підвішують залізні цвяхи. Другий магніт наближають до першого, накладаючи їх однойменні полюси, і спостерігають, що цвяхи міцно вдержуються притягнутими. Потім другий магніт накладають на перший різно¬йменними полюсами і суміщають їх. При цьому цвяхи відпадають майже повністю, що свідчить про ослаблення дії магніту, який удержував цвяхи.
Посилення магнітної дії при накладанні магнітів одноймен¬ними полюсами продемонструвати важче. Для цього треба вимі¬ряти силу, яку прикладають для відривання тіла від полюса одного магніту, а потім від спільного полюса обох магнітів.
10. Молекулярна будова магніту
а) Для демонстрування досліду плексигласову пластинку з наді¬тими на вістря магнітиками встановлюють на лінзу насадки для горизонтального проектування і проектують картину розташу¬вання магнітиків на екран. І Завдяки тертю і відсутності сильного зовнішнього поля орієнтація магнітиків буде різною, що й відповідає уявленню про розташування елементарних магнітиків у ненамагніченому феромагнетику. Треба звернути увагу на те, що є групи магнітиків, орієнтованих приблизно однаково. Це свідчить про існування областей спонтанного намагнічення. Після цього до моделі з двох боків підносять різнойменними полюсами два прямих магніти і спостерігають упорядкування магнітиків, які тепер повертаються загостреними кінцями в один бік. Це відповідає ста¬ну намагнічення заліза. Змінивши напрям поля постійних магнітів, спо¬стерігають повертання магнітиків.
Потім прибирають прямі магніти і, злегка постукуючи по моделі, порушують порядок у розташуванні «молеку¬лярних магнітиків». Цей дослід відповідає роз¬магнічуванню магніту при ударах або нагріванні.
б) Скляну трубку закривають з одного кінця пробкою (або запа¬юють) і заповнюють на 3/4 об'єму залізними ошурками. Відкритий кінець трубки закривають поршнем – ватним тампоном, намо¬таним на мідну дротинку. Поршень вводять так, щоб ошурки були легко стиснуті.
Тримаючи трубку вертикально за один кінець, підносять ЇЇ до магнітної стрілки і демонструють відсутність намагніченості ошурків. Це відповідає хаотичному розташуванню молекулярних магнітів і стану розмагніченого феромагнетика. Потім ошурки в трубці намагнічують натиранням прямими магнітами і знову підносять до стрілки. Тепер трубка дів як звичайний магніт «молекулярні магніти» – ошурки розташовані впорядковано. Витягши поршень до кінця трубки, різкими рухами струшують ошурки, перемішуючи їх, а потім злегка стискують, всовуючи поршень. Знову перевіряють намагніченість трубки і пересвідчу¬ються, що в цілому ошурки не проявляють магнітної дії. Це від¬повідає втраті упорядкованої орієнтації молекулярних магнітів і стану розмагніченого феромагнетика.

 

Яндекс.Метрика >