Постоянные магниты. Магнитное поле постоянных магнитов. Магнитное поле Земли

1. Постоянные магниты

Что же такое по­сто­ян­ный маг­нит? По­сто­ян­ным маг­ни­том на­зы­ва­ет­ся тело, спо­соб­ное дол­гое время со­хра­нять на­маг­ни­чи­ва­ние. В ре­зуль­та­те мно­го­крат­ных ис­сле­до­ва­ний, про­ве­ден­ных мно­го­чис­лен­ных опы­тов, мы можем ска­зать, что толь­ко три ве­ще­ства на Земле могут быть по­сто­ян­ны­ми маг­ни­та­ми (рис. 1).

Рис. 1. По­сто­ян­ные маг­ни­ты.

Толь­ко эти три ве­ще­ства и их спла­вы могут быть по­сто­ян­ны­ми маг­ни­та­ми, толь­ко они могут на­маг­ни­чи­вать­ся и со­хра­нять такое со­сто­я­ние дол­гое время.

По­сто­ян­ные маг­ни­ты ис­поль­зо­ва­лись очень давно, и в первую оче­редь это при­бо­ры ори­ен­ти­ро­ва­ния в про­стран­стве – пер­вый ком­пас был изоб­ре­тен в Китае для того, чтобы ори­ен­ти­ро­вать­ся в пу­стыне. На се­го­дняш­ний день о маг­нит­ных стрел­ках, о по­сто­ян­ных маг­ни­тах уже никто не спо­рит, их ис­поль­зу­ют по­все­мест­но в те­ле­фо­нах и в ра­дио­пе­ре­дат­чи­ках и про­сто в раз­лич­ных элек­тро­тех­ни­че­ских из­де­ли­ях. Они могут быть раз­ны­ми: есть по­ло­со­вые маг­ни­ты (рис. 2)

Рис. 2. По­ло­со­вой маг­нит

А есть маг­ни­ты, ко­то­рые на­зы­ва­ют­ся ду­го­об­раз­ны­ми или под­ко­во­об­раз­ны­ми (рис. 3)

Рис. 3. Ду­го­об­раз­ный маг­нит

2. Магнитное поле постоянных магнитов

Ис­сле­до­ва­ние по­сто­ян­ных маг­ни­тов свя­за­но ис­клю­чи­тель­но с их вза­и­мо­дей­стви­ем. Маг­нит­ное поле может со­зда­вать­ся элек­три­че­ским током и по­сто­ян­ным маг­ни­том, по­это­му пер­вое, что было про­ве­де­но, – это ис­сле­до­ва­ния с маг­нит­ны­ми стрел­ка­ми. Если под­не­сти маг­нит к стрел­ке, то мы уви­дим вза­и­мо­дей­ствие – од­но­имен­ные по­лю­са будут от­тал­ки­вать­ся, а раз­но­имен­ные будут при­тя­ги­вать­ся. Такое вза­и­мо­дей­ствие на­блю­да­ет­ся со всеми маг­ни­та­ми.

Рас­по­ло­жим вдоль по­ло­со­во­го маг­ни­та ма­лень­кие маг­нит­ные стрел­ки (Рис. 4), южный полюс будет вза­и­мо­дей­ство­вать с се­вер­ным, а се­вер­ный будет при­тя­ги­вать южный. Маг­нит­ные стрел­ки будут рас­по­ла­гать­ся вдоль линии маг­нит­но­го поля. При­ня­то счи­тать, что маг­нит­ные линии на­прав­ле­ны вне по­сто­ян­но­го маг­ни­та от се­вер­но­го по­лю­са к юж­но­му, а внут­ри маг­ни­та от юж­но­го по­лю­са к се­вер­но­му. Таким об­ра­зом, маг­нит­ные линии за­мкну­ты точно так же, как и у элек­три­че­ско­го тока, это кон­цен­три­че­ские окруж­но­сти, они за­мы­ка­ют­ся внут­ри са­мо­го маг­ни­та. По­лу­ча­ет­ся, что вне маг­ни­та маг­нит­ное поле на­прав­ле­но от се­ве­ра к югу, а внут­ри маг­ни­та от юга к се­ве­ру.

Рис. 4. Линии маг­нит­но­го поля по­ло­со­во­го маг­ни­та

Для того чтобы про­на­блю­дать форму маг­нит­но­го поля по­ло­со­во­го маг­ни­та, форму маг­нит­но­го поля ду­го­об­раз­но­го маг­ни­та, вос­поль­зу­ем­ся сле­ду­ю­щи­ми при­бо­ра­ми или де­та­ля­ми. Возь­мем про­зрач­ную пла­сти­ну, же­лез­ные опил­ки и про­ве­дем экс­пе­ри­мент. По­сып­лем же­лез­ны­ми опил­ка­ми пла­сти­ну, на­хо­дя­щу­ю­ся на по­ло­со­вом маг­ни­те (рис. 5):

Рис. 5. Форма маг­нит­но­го поля по­ло­со­во­го маг­ни­та

Мы видим, что линии маг­нит­но­го поля вы­хо­дят из се­вер­но­го по­лю­са и вхо­дят в южный полюс, по гу­сто­те линий можно су­дить о по­лю­сах маг­ни­та, где линии гуще – там на­хо­дят­ся по­лю­са маг­ни­та (рис. 6).

Рис. 6. Форма маг­нит­но­го поля ду­го­об­раз­но­го маг­ни­та

Ана­ло­гич­ный опыт про­ве­дем с ду­го­об­раз­ным маг­ни­том. Мы видим, что  маг­нит­ные линии на­чи­на­ют­ся на се­вер­ном и за­кан­чи­ва­ют­ся на южном по­лю­се по всему маг­ни­ту.

3. Магнитное поле Земли

Нам уже из­вест­но, что маг­нит­ное поле об­ра­зу­ет­ся толь­ко во­круг маг­ни­тов и элек­три­че­ских токов. Как же нам опре­де­лить маг­нит­ное поле Земли? Любая стрел­ка, любой ком­пас в маг­нит­ном поле Земли стро­го ори­ен­ти­ро­ва­ны. Раз маг­нит­ная стрел­ка стро­го ори­ен­ти­ру­ет­ся в про­стран­стве, сле­до­ва­тель­но, на нее дей­ству­ет маг­нит­ное поле, и это маг­нит­ное поле Земли. Можно сде­лать вывод о том, что наша Земля – это боль­шой маг­нит (Рис. 7) и, со­от­вет­ствен­но, этот маг­нит со­зда­ет в про­стран­стве до­ста­точ­но мощ­ное маг­нит­ное поле. Когда мы смот­рим на стрел­ку маг­нит­но­го ком­па­са, мы знаем, что крас­ная стре­лоч­ка по­ка­зы­ва­ет на юг, а синяя на север. Как же рас­по­ла­га­ют­ся маг­нит­ные по­лю­сы Земли?

В этом слу­чае необ­хо­ди­мо пом­нить о том, что на се­вер­ном гео­гра­фи­че­ском по­лю­се Земли рас­по­ла­га­ет­ся южный маг­нит­ный полюс и на южном гео­гра­фи­че­ском по­лю­се рас­по­ла­га­ет­ся се­вер­ный маг­нит­ный полюс Земли. Если рас­смот­реть Землю как тело, на­хо­дя­ще­е­ся в про­стран­стве, то можно го­во­рить о том, что, когда мы идем по ком­па­су на север, мы при­дем на южный маг­нит­ный полюс, а когда идем на юг – мы по­па­дем на се­вер­ный маг­нит­ный полюс. На эк­ва­то­ре стре­лоч­ка ком­па­са будет рас­по­ла­гать­ся прак­ти­че­ски го­ри­зон­таль­но от­но­си­тель­но по­верх­но­сти Земли, и чем ближе мы будем на­хо­дить­ся к по­лю­сам, тем вер­ти­каль­нее будет рас­по­ло­же­ние стрел­ки. Маг­нит­ное поле Земли могло из­ме­нять­ся, были вре­ме­на, когда по­лю­сы ме­ня­лись от­но­си­тель­но друг друга, то есть южный был там, где се­вер­ный, и на­о­бо­рот. По пред­по­ло­же­нию уче­ных, это было пред­вест­ни­ком боль­ших ка­та­строф на Земле. По­след­ние несколь­ко де­сят­ков ты­ся­че­ле­тий этого не на­блю­да­лось.

Рис. 7. Маг­нит­ное поле Земли

Маг­нит­ные и гео­гра­фи­че­ские по­лю­са не сов­па­да­ют. Внут­ри самой Земли тоже су­ще­ству­ет маг­нит­ное поле, и, как в по­сто­ян­ном маг­ни­те, оно на­прав­ле­но от юж­но­го маг­нит­но­го по­лю­са к се­вер­но­му.

От­ку­да же бе­рет­ся маг­нит­ное поле в по­сто­ян­ных маг­ни­тах? Ответ на этот во­прос дал фран­цуз­ский уче­ный Ан­дре-Ма­ри Ампер. Он вы­ска­зал идею о том, что маг­нит­ное поле по­сто­ян­ных маг­ни­тов объ­яс­ня­ет­ся эле­мен­тар­ны­ми, про­стей­ши­ми то­ка­ми, про­те­ка­ю­щи­ми внут­ри по­сто­ян­ных маг­ни­тов. Эти про­стей­шие эле­мен­тар­ные токи опре­де­лен­ным об­ра­зом уси­ли­ва­ют друг друга и со­зда­ют маг­нит­ное поле. От­ри­ца­тель­но за­ря­жен­ная ча­сти­ца – элек­трон – дви­жет­ся во­круг ядра атома, это дви­же­ние можно счи­тать на­прав­лен­ным, и, со­от­вет­ствен­но, во­круг та­ко­го дви­жу­ще­го­ся за­ря­да со­зда­ет­ся маг­нит­ное поле. Внут­ри лю­бо­го тела ко­ли­че­ство ато­мов и элек­тро­нов про­сто огром­но, со­от­вет­ствен­но, все эти эле­мен­тар­ные токи при­ни­ма­ют упо­ря­до­чен­ное на­прав­ле­ние, и мы по­лу­ча­ем до­ста­точ­но зна­чи­тель­ное маг­нит­ное поле. То же самое мы можем ска­зать о Земле, то есть маг­нит­ное поле Земли очень на­по­ми­на­ет маг­нит­ное поле по­сто­ян­но­го маг­ни­та. А по­сто­ян­ный маг­нит – это до­ста­точ­но яркая ха­рак­те­ри­сти­ка лю­бо­го про­яв­ле­ния маг­нит­но­го поля.

4. Заключение

Кроме су­ще­ство­ва­ния маг­нит­ных бурь, су­ще­ству­ют еще маг­нит­ные ано­ма­лии. Они свя­за­ны с сол­неч­ным маг­нит­ным полем. Когда на Солн­це про­ис­хо­дят до­ста­точ­но мощ­ные взры­вы или вы­бро­сы, они про­ис­хо­дят не без по­мо­щи про­яв­ле­ния маг­нит­но­го поля Солн­ца. Это эхо до­сти­га­ет Земли и ска­зы­ва­ет­ся на ее маг­нит­ном поле, в ре­зуль­та­те мы с вами на­блю­да­ем маг­нит­ные бури. Маг­нит­ные ано­ма­лии свя­за­ны с за­ле­жа­ми же­лез­ных руд в Земле, огром­ные за­ле­жи в те­че­ние дол­го­го вре­ме­ни на­маг­ни­чи­ва­ют­ся маг­нит­ным полем Земли, и все тела, на­хо­дя­щи­е­ся во­круг, будут ис­пы­ты­вать дей­ствие маг­нит­но­го поля со сто­ро­ны этой ано­ма­лии, стрел­ки ком­па­сов будут по­ка­зы­вать непра­виль­ное на­прав­ле­ние.

Далее мы с вами рас­смот­рим дру­гие яв­ле­ния, свя­зан­ные с маг­нит­ны­ми дей­стви­я­ми. 

Вопросы к конспектам