МАГНЕТИЗМ В НАУКЕ И ЖИЗНИ

ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ РАБОТА

НА УЧЕБНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКУЮ КОНФЕРЕНЦИЮ

«ШАГ В БУДУЩЕЕ -2016» ДЛЯ СТУДЕНТОВ СПО

АВТОР:

Какоуров Станислав Андреевич, Россия, Иркутская область, г. Зима,

государственное бюджетное профессиональное образовательное

учреждение Иркутской области «Зиминский железнодорожный

техникум»

РУКОВОДИТЕЛЬ:

Шкаруба Жанна Анатольевна, преподаватель физики

2016 г.

Содержание

Введение………………………………………………………………………………………

3

Постановка задачи …………………………………………………………………………..

4

Магнетизм в науке и жизни…………………………………………………………………

5

Заключение ….………………………………………………………………………………

13

Список литературы…………………………………………………………………………..

14

Приложение…………………………………………………………………………………..

15

ВВЕДЕНИЕ

Физика изучает мир, в котором мы живем, явления, в нем происходящие, открывает законы, которым подчиняются эти явления. Главная задача физики - познать законы природы, свойства различных веществ и поставить их на службу человеку.

Магнетизм - одно из самых интересных явлений в физике, на его основе работает масса технических устройств. Сегодня магнетизм широко используется в науке, технике и обыденной жизни. Это и обусловило выбор темы моего исследования.

Цели моей исследовательской работы:

1. Расширить знания о магнетизме.

2. Показать взаимосвязь физики, физических явлений и физических законов на примере явления магнитной левитации.

3. Объяснить с точки зрения физики явление левитации и рассмотреть принцип действия левитрона.

4. Воспитание в себе умение преодолевать трудности, выслушивать оппонентов, отстаивать свою точку зрения, уважать окружающих.

Постановка проблемы обусловила необходимость решения следующих задач:

1. Провести историко-логический анализ учебных, научных, научно-популярных источников информации.

2. Проанализировать различные методы магнитной левитации.

3. Выявить физические законы, принципы, которые лежат в основе устройств работающих на основе магнетизма.

Объектом исследования является физическое явление магнетизм.

Методологическая основа работы. Цель и конкретные задачи обусловили выбор методов, адекватных предмету исследования: комплексный подход к исследованию явления магнетизма.

Теоретическая значимость работы состоит в расширении знаний о магнетизме и его природы. В работе произведен анализ и дано объяснение с точки зрения физики явлению магнитной левитации и рассмотрен принцип действия левитрона. В работе изучены основные характеристики магнитов и их применение в жизни. Выявлены физические законы, принципы, которые лежат в основе устройств работающих на основе магнетизма.

Практическая значимость результатов исследования заключается в том, что ее результаты могут быть использованы в процессе дальнейшего изучения явления магнетизма. Исследовательская работа состоит из введения, основной части, заключения и списка использованной литературы.

ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ

Физика изучает мир, в котором мы живем, явления, в нем происходящие, открывает законы, которым подчиняются эти явления. Главная задача физики - познать законы природы, свойства различных веществ и поставить их на службу человеку.

Магнетизм - одно из самых интересных явлений в физике, на его основе работает масса технических устройств. Сегодня магнетизм широко используется в науке, технике и обыденной жизни. Нет области прикладной деятельности человека, где бы ни применялись магниты.

Исследовательская работа носит частично - поисковый, теоретический характер.

Цели моей исследовательской работы:

1. Расширить знания о магнетизме.

2. Показать взаимосвязь физики, физических явлений и физических законов на примере явления магнитной левитации.

3. Объяснить с точки зрения физики явление левитации и рассмотреть принцип действия левитрона.

4. Воспитание в себе умение преодолевать трудности, выслушивать оппонентов, отстаивать свою точку зрения, уважать окружающих.

Постановка проблемы обусловила необходимость решения следующих задач:

1. Провести историко-логический анализ учебных, научных, научно-популярных источников информации.

2. Проанализировать различные методы магнитной левитации.

3. Выявить физические законы, принципы, которые лежат в основе устройств работающих на основе магнетизма.

Это и обусловило выбор темы моего исследования из-за ее актуальности в современном мире науки и техники.

МАГНЕТИЗМ В НАУКЕ И ЖИЗНИ

"Науку все глубже постигнуть стремись,
Познанием вечного жаждой тянись.
Лишь первых познаний блеснет тебе свет,
Узнаешь: предела для знания нет."

Фирдоуси

(Персидский и таджикский поэт 940-1030 г.г.)

Явление магнетизма известно людям очень давно. Свое название оно получило от города Магнетии в Малой Азии, где были обнаружены залежи магнитного железняка - «камня, притягивающего железо».

Первым письменным свидетельствам знакомства человека с магнитными свойствами некоторых материалов более двух тысяч лет. В одном из таких источников - замечательной поэме «О природе вещей», написанной Титом Лукрецием Каром в I веке до нашей эры, читаем: «Также бывает, что попеременно порода железа может от камня отскакивать или к нему привлекаться. Также и то наблюдал я, как прыгают в медном сосуде Самофракийские кольца железные или опилки в случае, если под этим сосудом есть камень магнитный».

Лукреций объяснял магнетизм «магнитными токами», истекающими из «камня-магнита», а силу притяжения образно рисовал так: «Связь такова здесь, как будто крючки, зацепившись за петли. Держаться между собой в сочетанье известном, какое можем увидеть мы между железом и камнем магнитным».

Французский ученый Ампер объяснял намагниченность железа, которую объяснял существованием электрических токов, которые циркулируют внутри каждой молекулы этих веществ. Во времена Ампера о строении атома еще ничего не знали, поэтому природа молекулярных токов оставалась неизвестной. Теперь мы знаем, что в каждом атоме имеются отрицательно заряженные частицы - электроны. При движении электронов возникает магнитное поле, которое и вызывает намагниченность железа и стали.

В 1897 г. гипотезу подтвердил английский учёный Томсон, а в 1910г. измерил токи американский учёный Милликен.

Магнетизм - это сила, которая действует на расстоянии и называется магнитными полями.

На рисунке 1 показаны магнитные поля, встречающиеся в природе и технике. Чтобы можно было изобразить все это многообразие на одном рисунке, применена логарифмическая шкала - два соседних деления отличаются друг от друга по величине в 10 раз. Единица измерения шкалы носит имя известного шведского физика X.К. Эрстеда. Напряженность магнитного поля в эрстедах указывается в системе СГС (сантиметр, грамм, секунда), в Международной системе единиц (СИ) она измеряется в амперах на метр (А/м). Эти две единицы связаны между собой соотношением: 1 эрстед = 79,5775 А/м, то есть для того, чтобы получить значение напряженности магнитного ноля в системе СИ, надо величину, указанную на рисунке, разделить примерно на 80. Слабые магнитные поля, например, вариации геомагнитного поля, измеряют в гаммах - одной стотысячной доле эрстеда (1 γ = 10^-5 эрстед). Рассматривая рисунок, вы увидите, что самые сильные поля, зарегистрированные во Вселенной, создаются нейтронными звездами и пульсарами. В лабораториях удается достичь магнитной напряженности в сотни тысяч раз более слабой, да и то на очень короткое время, измеряемое долями секунды. Если можно было бы воспроизвести в лабораторных условиях поля, сравнимые с теми, которые создаются нейтронными звездами, то мы стали бы свидетелями удивительных явлений. Например, железо, имеющее плотность 7,87 г/см³, под действием такого поля превратилось бы в вещество с плотностью 2700 г/см³. Кубик с ребром 10 см из такого вещества, аккуратно положенный на стол, тут же проломил бы его крышку. На рисунке указаны средние значения магнитных полей. Например, напряженность поля Земли меняется от 0,24 эрстед (в Бразилии) до 0,68 эрстед (в Антарктиде). Поэтому считается, что геомагнитное поле равно 0,5 эрстеда. (Бывают и аномалии, скажем, Курская магнитная, где напряженность равна 2 эрстеда.) Также в определенных пределах лежат магнитные поля практически всех известных нам объектов и явлений. Слева от центральной шкалы показано принятое деление полей на слабые, средние, сильные и сверхсильные.

Рис.1 Логарифмическая шкала Эрстеда

Магнит - это объект, сделанный из определенного материала, который создает магнитное поле.

Каждый магнит имеет, по крайней мере, один "северный" (N) и один "южный" (S) полюс. Ученые условились, что линии магнитного поля выходят из "северного" конца магнита и входят в "южный" конец магнита. Это пример магнитного диполя ("ди" означает два, диполь - два полюса) рисунок 2.

Рис.2 Магнит

Северные полюса указывают на Север, южные полюса указывают на Юг (рис.3).

Одинаковые полюса отталкиваются, разные - притягиваются (рис.4).

Рис.3 Полюса магнитов Рис.4 Действие полюсов

Виды магнитов:

1. Постоянные магниты.

2. Временные магниты.

3. Электромагниты.

Постоянные магниты - наиболее привычный нам вид магнитов. Они постоянные в том смысле, что будучи однажды намагничены, эти магниты сохраняют некоторый уровень остаточной намагниченности. Как мы увидим в дальнейшем, разные виды постоянных магнитов имеют различные характеристики или свойства, относящиеся к тому, как легко они размагничиваются, насколько они сильные, как их сила меняется с температурой и т. д.

Временные магниты - это магниты, которые действуют как постоянные магниты только тогда, когда находятся в сильном магнитном поле, и теряют свой магнетизм, когда магнитное поле исчезает. В качестве примера можно привести скрепки и гвозди, а также другие изделия из "мягкого" железа.

Электромагнит - это туго намотанные на каркас витки провода, обычно с железным сердечником, который действует как постоянный магнит только тогда, когда по проводу течет ток. Сила и полярность магнитного поля, создаваемого электромагнитом, обусловлены изменением величины и направления электрического тока, текущего по проводу.

Материалы, используемые для производства постоянных магнитов.

Существует 4 класса современных коммерческих магнитов, каждый из которых основывается на своем составе используемых материалов. Внутри каждого класса различают семейства градаций со своими магнитными свойствами.

Эти основные классы следующие:

• Неодим-железо-бор (Nd-Fe-B, NdFeB, NIB);

• Самарий-кобальт (SmCo);

• Альнико (Alnico);

• Керамические (ферриты).

Таблица 1, приведенная ниже, представляет некоторые специальные характеристики этих классов постоянных магнитов.

Материал

Br
(Гс)

Hc
(Э)

(BH)max
(МГсЭ)

Tc of Br
(% на ºС)

Tmax
(ºС)

Tcur
(ºС)

Nd-Fe-B

12 800

12 300

4

-0.12

150

310

SmCo

10 500

9 200

26

-0.04

300

750

Альнико

12 500

640

5.5

-0.02

540

860

Керамические

3 900

3 200

3.5

-0.20

300

460

Магниты из сплава неодим-железо-бор и самарий-кобальт известны также как редкоземельные магниты, так как в их состав входят элементы редкоземельной, или лантаноидной, группы периодической системы элементов. Они были разработаны в 70-х и 80-х годах прошлого века. Как видно из таблицы, эти магниты являются сильнейшими из постоянных магнитов, и их трудно размагнитить. В тоже время, рабочая температура у магнитов из сплава неодим-железо-бор наименьшая.

Магниты альнико сделаны из сплава алюминия, никеля, кобальта и железа. Они были разработаны в 40-х годах прошлого века. Как видно из таблицы, данный класс магнитов меньше всего подвержен влиянию температуры, но легко размагничивается. В тоже время, максимальная рабочая температура у данного класса магнитов наибольшая.

Керамические магниты (или ферриты) - наиболее известный класс магнитов. Они были разработаны в 60-х годах прошлого века. Это довольно сильные магниты, не так легко размагничивающиеся как альнико, но их магнитные характеристики наиболее подвержены влиянию температуры.

По происхождению магниты классифицируются на естественные и искусственные.

Естественные встречаются в природе в виде залежей магнитных руд. Искусственные создает человек.

Магнитные силы действуют только на магнитные материалы. Магнитные силы действуют на расстоянии. При намагничивании временные магниты действуют как постоянные магниты. Катушка с проводом, по которому течет электрический ток, становится магнитом. Размещение железного сердечника внутри катушки с током увеличивает силу электромагнита. Изменение магнитного поля вызывает электрический ток в проводнике. Частица с зарядом не испытывает действие магнитной силы при движении параллельно магнитному полю. При движении перпендикулярно магнитному полю заряженная частица испытывает действие силы в направлении, перпендикулярном как направлению движения, так направлению магнитного поля. Провод с током, находящийся в перпендикулярном магнитном поле, испытывает действие силы в направлении, перпендикулярном как направлению провода, так и направлению магнитного поля.

Магниты используются для удержания, разделения, контроля, транспортировки и поднятия различных объектов, а также для преобразования электрической энергии в механическую и обратно.

Вот примерный, далеко не полный, список использования магнитов:

Внутри жилища: наушники, стереоколонки, телефонная трубка, электрозвонок, держатель по периметру дверцы холодильника, записывающие и воспроизводящие головки аудио- и видеоаппаратуры, записывающие и воспроизводящие головки дисковода и жесткого диска компьютера, магнитная полоска на банковской карте, управляющие и размагничивающие магнитные системы в телевизоре, вентиляторы, трансформаторы, магнитные замки;

Внутри двигателей: двигатели для вращения CD/DVD дисков и для позиционирования головок, лентопротягивающие двигатели для аудио- и видеоаппаратуры, насос и таймер в посудомоечной и стиральной машинах, компрессор в холодильнике, электрическая зубная щетка, двигатель для вибратора в сотовом телефоне;

В автомобиле: двигатель стартера, внутренний вентилятор двигателя, блокираторы двери, стеклоподъемники, регулятор бокового зеркала, насос для очищающей жидкости, датчики скорости, генератор переменного тока, реле стартера.

Многие ученые прошлого и настоящего изучали и продолжают изучать магниты. Их исследовательские труды, быстро подхватывают разработчики новых устройств и магнит снова становится на службу человеку.

Левитацией в физике называют устойчивое положение объекта в гравитационном поле без непосредственного контакта с другими объектами.

Необходимыми условиями для левитации в этом смысле являются:

1. наличие силы, компенсирующей силу тяжести;

2. наличие возвращающей силы, обеспечивающей устойчивость объекта.

Явление левитации объясняется эффектом Мейснера, который гласит: если над магнитом поместить сверхпроводник, он зависнет в воздухе.

Одно из свойств, присущих всем сверхпроводникам, носит название эффекта Мейснера. Если поместить магнит над сверхпроводником, магнит зависнет в воздухе, как будто поддерживаемый некой невидимой силой. (Причина эффекта Мейснера заключается в том, что магнит обладает свойством создавать внутри сверхпроводника собственное «зеркальное отражение», так что настоящий магнит и его отражение начинают отталкиваться друг от друга. Еще одно наглядное объяснение этого эффекта - в том, что сверхпроводник непроницаем для магнитного поля. Он как бы выталкивает магнитное поле. Поэтому, если поместить магнит над сверхпроводником, силовые линии магнита при контакте со сверхпроводником исказятся. Эти силовые линии и будут выталкивать магнит вверх, заставляя его левитировать.)

Если человечество получит возможность использовать эффект Мейснера, то можно вообразить шоссе будущего с покрытием из такой специальной керамики. Тогда при помощи магнитов, размещенных у нас на поясе или на днище автомобиля, мы сможем волшебным образом парить над дорогой и нестись к месту назначения без всякого трения или потерь энергии.

Эффект Мейснера работает только с магнитными материалами, такими как металлы. Но можно использовать сверхпроводниковые магниты и для левитирования немагнитных материалов, известных как парамагнетики или диамагнетики. Эти вещества сами по себе не обладают магнитными свойствами; они обретают их только в присутствии и под воздействием внешнего магнитного поля. Парамагнетики притягиваются внешним магнитом, диамагнетики отталкиваются.

Вода, к примеру, диамагнетик. Поскольку все живые существа состоят из воды, они тоже могут левитировать в присутствии мощного магнитного поля. В поле с магнитной индукцией около 15 Т (в 30 000 раз более мощном, чем магнитное поле Земли) ученым уже удалось заставить левитировать небольших животных, таких как лягушки. Но если сверхпроводимость при комнатной температуре станет реальностью, можно будет поднимать в воздух и крупные немагнитные объекты, пользуясь их диамагнитными свойствами.

В заключение хочу отметить, что силовые поля в том виде, в каком их обычно описывает фантастическая литература, не согласуются с описанием четырех фундаментальных взаимодействий в нашей Вселенной. Но можно предположить, что человеку удастся имитировать многие свойства этих выдуманных полей при помощи многослойных щитов, включающих в себя плазменные окна, лазерные завесы, углеродные нанотрубки и вещества с переменной прозрачностью. Но реально такой щит может быть разработан лишь через несколько десятилетий, а то и через столетие. И в случае, если сверхпроводимость при комнатной температуре будет обнаружена, у человечества появится возможность использовать мощные магнитные поля; возможно, с их помощью удастся поднять в воздух автомобили и поезда, как мы видим в фантастических фильмах.

Красивый пример победы над гравитацией можно найти в интересной игрушке под названием «Левитрон», состоящей из магнита в форме вращающегося волчка, который взлетает на несколько сантиметров над отталкивающим его магнитом. Поначалу «Левитрон» кажется чем-то магическим, но изучив соответствующие разделы физики, можно объяснить и это удивительное явление.

Различные методы технической левитации используются уже давно и по мере развития техники они становятся все более и более актуальными. Я рассмотрел в своей работе магнитную левитацию, так как именно этот тип лежит в основе работы игрушки «Левитрон», которая является одной из самых популярных и увлекательных магнитных игрушек!

Принцип работы «Левитронов» основан на трех физических законах:

1. втором законе Ньютона;

2. законе всемирного тяготения;

3. законе взаимодействия магнитных полей.

При изготовлении «Левитрона» были опробованы несколько вариантов.

Вначале был выбран наиболее простой с точки зрения изготовления вариант

«Левитрона». Это два постоянных магнита, один из которых большой (базовый), лежит горизонтально, над ним, висит вращаясь, в форме волчка другой магнит (рис.5).

Рис. 5 Левитрон

Магниты обращены друг к другу одинаковыми полюсами, что создает силу отталкивания и это позволяет волчку левитировать. Но это только теоретически. Однако, на практике, эту схему достаточно сложно реализовать. Раскручивая волчок с помощью миниатюрного двигателя, вводили его в поле базового магнита. И он всегда выходил из поля. Наблюдения за попытками показали, что волчок при вращении наклоняет свою ось вращения (она описывает конус, так называемая прецессия) и вектор силы тяжести волчка не совпадает с его осью. Плоскость магнита волчка становится не параллельной плоскости базового, и результат взаимодействия магнитных сил становится результирующая сила F, стремящееся выкинуть волчок. Поэтому не удается надолго приподнять строго вертикально волчок. Он уходит в бок.

Рис.6 Магнитная игрушка «Левитирующая гантелька»

Такую игрушку можно даже встретить в продаже, в магазинах «приколов».

Вроде ничего сложного, система магнитов и вот вам почти левитация, даже крутится и мигает светодиодами на боках, упираясь одной стороной в стекло, что хорошо видно (рис.7а,б).

Рис.7а Левитроны

Рис. 7б Левитроны

В данной конструкции используются редкоземельные магниты они помощнее обычных, поэтому вся конструкция и висит повыше.

А вот что можно сделать самому, на скорую руку, из простых кольцевых магнитов, кстати, сразу наглядно показано всё незатейливое устройство этого «чуда»(рис.8).

Рис.8 Схема изготовления левитирующей гантельки

ВЫВОДЫ

Тема моей работы «Магнетизм в науке и жизни».

Магнетизм - одно из самых интересных явлений в физике, на его основе работает масса технических устройств. Сегодня магнетизм широко используется в науке, технике и обыденной жизни. Постоянные магниты и электромагниты стоят в генераторах, вырабатывающих ток, и в электромоторах, его потребляющих; без них не может обойтись большинство транспортных средств - автомобиль, троллейбус, тепловоз, самолет, корабль. Магниты облегчают нашу жизнь и развлекают нас, служа нам в различных электробытовых приборах, а также в магнитофонах, радиолах и всевозможных игрушках. Наконец, магниты - неотъемлемая часть многих научных приборов, начиная от небольших, располагающихся на столе исследователя, и до огромных ускорителей с размерами, измеряемыми многими километрами. Это и обусловило выбор темы моего исследования. Работая над темой я узнал об экспериментальных фактах, понятиях, законах, теориях, методах физической науки, о современной научной картине мира, о широких возможностях применения физических законов в технике и технологии. Расширил знания о магнетизме на примере явления магнитной левитации. Дал объяснения с точки зрения физики явлению, рассмотрел и продемонстрировал принцип действия левитрона. Воспитал в себе умение преодолевать трудности, выслушивать оппонентов, отстаивать свою точку зрения, уважать окружающих.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Уразаев В. Техническая левитация: обзор методов // Технологии в электронной промышленности, 6, 2007.

2. arv.radioliga.com/- Электроника просто, полезно, увлекательно

3. Бабич Э.А. и др. Технология производства ферритовых изделий. М.: Высшая школа, 1978

4. Детлаф А.А., Яворский Б.М. "Курс общей физики". - М.: Высшая школа, 1989г.

5. Пасынков В.В., Сорокин В.С. Практическое использование магнитов, М.: Высшая школа, 1986

6. Трофимова Т.И. Курс физики". - М.: Высшая школа,1998г.

7. scientific.ru/journal/translations/magn_ed.html междисциплинарный научный сервер

8. ru.wikipedia.org/ - Свободная энциклопедия

Приложение

Магнетизм в картинках

Грузоподъемный электромагнит

Магнит для автомобильной антены

Приспособление для лыж, крепится к крыше авто

Приспособление для скрепок

Поисковый

Стартер

Сувениры

Тетрис

Фотомагниты

Электромагнитные замки

Летающая магнитная кровать

Наушники

Расчестка массажная с магнитными

Лак магнитный

Пластиковые карты

Магнитотерапия

Магнитный браслет

Магнит-держатель записок

Магниты для штор