Фізика. 9 клас. Головко

Розділ 1. Магнітні явища

Вивчаючи фізику в сьомому та восьмому класах, ви переконалися, що всі важливі досягнення людства, сучасної техніки та технологій стали можливими завдяки відкриттям цієї фундаментальної науки про природу. Звичні для нас побутові пристрої, які забезпечують зручні та комфортні умови життя людині, сконструйовані завдяки знанням фізичних основ механічних, теплових, електричних явищ. Досить поширеними на сьогодні є прилади, які функціонують завдяки використанню електричної енергії. Проте мобільні гаджети, персональні комп’ютери, телевізори, електромобілі, верстати на виробництві не могли би функціонувати без досліджень магнітних явищ. Та й, власне, виробництво електричної енергії, яка є найбільш споживаною сьогодні, неможливе без пристроїв, в основі принципу дії яких перебувають магнітні явища.

Вивчаючи цей розділ, ви ознайомитися з магнітними явищами, їх фізичною природою, використанням у побуті та техніці, усвідомите зв’язок магнетизму з іншими важливими розділами сучасної фізики, що підтверджує цілісність науково-природничої картини світу.

§ 1. Магнітні явища. Магніти

• Магнітні явища

• Магніти та їх використання

МАГНІТНІ ЯВИЩА. Ви, напевне, прикріпляли до зовнішньої поверхні холодильника за допомогою маленького магніту повідомлення або сувеніри з намагніченою основою? (рис. 1.1, а). А чи спостерігали ви за тим, як декоративне деревце «зависає» в повітрі? (рис. 1.1, б). А можливо, вам доводилося подорожувати потягом на магнітній подушці? (рис. 1.1, в).

Рис. 1.1. Магнітні явища в побуті та техніці: а) тримачі та наліпки мають намагнічену основу, тому тримаються на металевій поверхні холодильника; б) завдяки взаємодії магніту в підставці та намагніченого матеріалу вазона деревце «зависає» в повітрі; в) потяг на магнітній подушці розвиває швидкість більше 500 км/год

Всі ці винаходи пов’язані з магнітними явищами та використанням різноманітних магнітів і матеріалів із магнітними властивостями.

Чи можна спостерігати прояв магнітних явищ у природі? У розділі «Електричні явища» 8-го класу ви ознайомилися з таким фізичним явищем, як полярне сяйво (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Полярне сяйво має електромагнітну природу: а) спостереження полярного сяйва в Норвегії; б) спостереження полярного сяйва з космосу

Виявляється, це явище має електромагнітну природу. Світіння верхніх розріджених шарів атмосфери відбувається внаслідок взаємодії частинок космічного випромінювання великих енергій з атомами та молекулами атмосфери в магнітному полі Землі.

Магнітну природу має і явище виникнення сонячних плям — темніших, порівняно із сусідніми, ділянок сонячної поверхні (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Сонячні плями — ділянки сонячної поверхні, температура яких майже на 1500 К нижча, ніж сусідніх

Магнітні явища є невід’ємною складовою фізичної картини світу. Вони впливають на розвиток і функціонування всіх живих організмів та покладені в основу створення різноманітних сучасних приладів. За багатолітню історію їх вивчення зусиллями видатних учених А. Ампера, В. Гільберта, Г. Ерстеда, Дж. Максвелла, М. Фарадея та ін. фізична наука накопичила значні знання та відкрила важливі закони, з якими ви зможете ознайомитеся далі на сторінках підручника. Більше 10 Нобелівських премій у галузі фізики присуджено за теоретичні та експериментальні дослідження проблем магнетизму у XX ст.

Видатні нідерландські вчені: Г. А. Лоренц (1853-1928) та П. Зеєман (1865-1943) — лауреати Нобелівської премії з фізики 1902 р. «За видатні заслуги в дослідженнях впливу магнетизму на радіоактивні явища» — другої в історії Нобелівської нагороди з фізики

В. Г. Бар’яхтар (народ. 1930 р.), директор-засновник, почесний директор Інституту магнетизму НАН України, академік, Герой України, видатний учений у галузі теоретичної фізики, фізики твердого тіла та магнітних явищ

Перспективним напрямом сучасних досліджень із магнетизму є застосування матеріалів з унікальними магнітними властивостями. В Україні такі дослідження здійснюються в Інституті магнетизму Національної академії наук України, створеному в 1995 р. зусиллями відомого вченого в галузі теоретичної фізики, фізики магнітних явищ та твердого тіла, академіка В. Г. Бар’яхтара. Учені цієї потужної науково-дослідної установи розв’язують теоретичні та практичні проблеми магнетизму, створюють нові магнітні матеріали (магнітні носії з надвисокою щільністю запису інформації, матеріали з ефектом магнітної пам’яті), будують достовірні 3D-моделі різних геохімічних і геофізичних процесів (наприклад, розподілу радіоактивного забруднення місцевості), що є важливим інструментом розроблення системи заходів із ліквідації наслідків таких екологічних катастроф світового масштабу, як аварія на Чорнобильській АЕС.

МАГНІТИ ТА ЇХ ВИКОРИСТАННЯ. Магніти або матеріали з магнітними властивостями людина використовує з давніх часів. Свою назву вони отримали від давньогрецького міста Магнезія, жителі якого ще декілька тисячоліть тому звернули увагу, що камінці окремих гірських порід притягують легенькі металеві предмети. Одна з перших письмових згадок про магнітні камені належить відомому давньоримському філософу Тітові Лукрецію Кару, який у І ст. до н. е. у відомому творі «Про природу речей» описав рух самофракійських кілець (золоті кільця із залізними вставками) та залізних ошурків у мідному посуді, під яким розміщувався магнітний камінь.

Перші магніти — магнітні камені, були природного походження — шматки магнітного залізняка (магнетиту). Магнетит у природних умовах зустрічається у вигляді суцільно зернистого матеріалу, а також у вигляді магнетитового піску. Магнетит (Fe₃O₄) утворюється зі сполук заліза під дією високих тиску та температури в надрах Землі. Серед залізних руд магнетит вирізняється тим, що порівняно з іншими окислюється найменше. Його ще називають «білим залізом», або залізом, яке не ржавіє (рис. 1.4, а). Значні поклади магнетитів наявні на території нашої країни в родовищах Криворізького басейну (м. Кривий Ріг) (рис. 1.4, б). Характерною ознакою цього мінералу є залізно-чорний колір із металічним блиском та добре виражені магнітні властивості — він притягує невеликі залізні предмети (рис. 1.4, в).

Рис. 1.4. Магнітний залізняк (магнетит): а) магнетит — «біле залізо»; б) сувенір, виготовлений із криворізького магнетиту; в) магнетит має добре виражені магнітні властивості

Із часом було встановлено, що магнетит може намагнічувати залізні предмети, які самі стають магнітами.

Тіла, які тривалий час зберігають стан намагніченості, називають постійними магнітами або просто магнітами.

Чи змогли б ви самостійно отримати матеріал з магнітними властивостями? Це можливо, наприклад, якщо намагнітити канцелярські стальні ножиці. Якщо на них покласти магніт і залишити на певний час, то вони намагнічуються і будуть достатньо довго притягувати дрібні залізні предмети (цвяшки, скріпки) (рис. 1.5). Сталеві ножиці стають магнітом.

Рис. 1.5. Під час контакту сталевих ножиць із магнітом вони намагнічуються і притягують дрібні металеві предмети

Постійні магніти виготовляють зі спеціальної сталі намагнічуванням. Їхня магнітна дія з часом може послаблюватися. Особливо швидко постійні магніти «розмагнічуються» під впливом високої температури або внаслідок механічної дії, наприклад, ударяння (чому так відбувається, ви дізнаєтеся в наступних параграфах підручника). Саме тому для більшості постійних магнітів, що використовуються, наприклад, у побуті, верхня межа діапазону температур не перевищує 80 °С.

Постійні магніти широко застосовуються в техніці та побуті. Компактні потужні магніти закріплюють на картері двигунів автомобілів для очищення мастила від металевих частинок, що значно підвищує ресурс двигунів внутрішнього згоряння. Магнітні фіксатори використовуються під час виготовлення залізобетонних конструкцій на будівництві, що дає можливість зменшити кількість зварювань та усуває необхідність виготовлення спеціальних форм. Магнітні тримачі використовують для кріплення інструментів та побутових приладів (рис. 1.6, а). Намагнічена насадка викрутки дає можливість утримувати металеві шурупи, а за допомогою телескопічних магнітів легко дістати металеві предмети з недоступних місць (рис. 1.6, б). За допомогою магнітів переміщують листове залізо, труби та інші вантажі (рис. 1.6, в). Магніти використовуються для виготовлення різноманітних головоломок та іграшок, рекламної продукції, сувенірів (рис. 1.6, г).

Рис. 1.6. Використання постійних магнітів: а) магнітні тримачі; б) телескопічні магніти, за допомогою яких легко знаходити металеві предмети в недоступних місцях; в) вантажний постійний магніт, який дає можливість піднімати вантажі до 2 т; г) магнітна гра-головоломка

! Головне в цьому параграфі

Магнітні явища є невід’ємною складовою фізичної картини світу. Вони впливають на розвиток та функціонування всіх живих організмів і покладені в основу створення різноманітних сучасних приладів.

Перспективним напрямом сучасних досліджень із магнетизму є застосування матеріалів з унікальними магнітними властивостями. В Україні магнітні явища досліджуються в Інституті магнетизму Національної академії наук.

Тіла, які тривалий час зберігають стан намагніченості, називають постійними магнітами або просто магнітами.

Постійні магніти широко використовують у техніці та побуті: магніти для очищення мастила двигунів, магнітні фіксатори на будівництві, мобільні крани з постійними магнітами, магнітні тримачі побутових приладів.

? Запитання для самоперевірки

1. Наведіть приклади магнітних явищ у природі.
2. Поясніть, чому дослідження магнітних явищ має важливе значення для науки та техніки.
3. Які тіла називають постійними магнітами?
4. Запропонуйте спосіб отримання постійного магніту.
5. Наведіть приклади використання постійних магнітів у побуті та техніці.

Готуємося до виконання навчального проєкту

Використовуючи науково-популярну літературу, пошуково-довідкові системи мережі Інтернет, підготуйте повідомлення про українських учених, які досліджували та досліджують магнітні явища.

Вправа до § 1

1 (д). Яким чином можна витягти металеву скріпку з посудини з водою, не опускаючи в неї жодних предметів?
2 (д). Яким чином можна відокремити від металевої поверхні потужний постійний магніт? Відповідь обґрунтуйте.

Зміст