Oddziaływania magnetyczne
Już w starożytności zaobserwowano, że niektóre ciała przyciągają inne ciała. O ile bursztyn należy potrzeć, aby przyciągał włosy czy skrawki sukna, o tyle magnesy przyciągają zawsze, ale tylko przedmioty wykonane z żelaza. Starożytni odkryli również, że magnes może spowodować, że inne ciało zrobione z żelaza uzyska własności magnetyczne, jeśli tylko będzie znajdowało się wystarczająco blisko magnesu. Zauważyli także, że dwie strony magnesu mają różne właściwości – zwrócone do siebie magnesy mogły się albo przyciągać, albo odpychać.
O tym wszystkim wiesz z pierwszej klasy gimnazjum. Dziś poznasz prawa pozwalające zrozumieć, dlaczego oddziaływania magnetyczne są tak szeroko wykorzystywane.
stwierdzić, że jednym z rodzajów oddziaływań jest oddziaływanie magnetyczne;
wymienić najprostsze właściwości magnesów, np. to, że zawsze posiadają dwa bieguny: północny i południowy;
opisać fakt, że bieguny jednoimienne odpychają się, a różnoimienne – przyciągają;
stwierdzić, że magnesy oddziaływują na substancje wykonane z żelaza i stopów zawierających żelazo;
wymienić niektóre zastosowania magnesów, np. w nawigacji (kompas).
nazywać bieguny magnesów trwałych;
opisywać oddziaływanie między magnesami;
wykazać doświadczalnie, że magnes ma dwa bieguny;
przeprowadzać doświadczenia prezentujące właściwości magnetyczne różnych substancji;
podać przykłady wykorzystania oddziaływania magnetycznego;
opisywać pole magnetyczne Ziemi.
1. Przestrzeń wokół magnesu
Każdego dnia obserwujesz różne oddziaływania, które zachodzą na odległość, tzn. nie wymagają bezpośredniego kontaktu ciał. Do tej grupy oddziaływań zalicza się oddziaływania magnetyczne, znane są one ludzkości od wieków. Tales z MiletuTales z Miletu uważał, że magnes ma duszę, która przyciąga żelazo. W dziełach ArystotelesaArystotelesa znajdują się informacje dotyczące właściwości magnesu. W późniejszych czasach powstawały legendy i baśnie o magnesach, rozpowszechniano poglądy, że właściwości magnetyczne można zniszczyć przez potarcie diamentem. Obecnie wiadomo, że oddziaływania magnetyczne i elektryczne są ze sobą ściśle powiązane, ale więcej dowiesz się o tym na kolejnych lekcjach.
Magnesami nazywamy wszystkie ciała, które przyciągają lub odpychają żelazo bądź inne magnesy. Kiedyś to określenie stosowano tylko w odniesieniu do rud magnetytumagnetytu lub pirytu.
Magnes przyciąga spinacze, szpilki i inne przedmioty, które zostały wykonane ze stali. Wiesz już, że stalstal jest stopem żelaza i węgla. Zastanów się, czy spinacze będą jednakowo przyciągane przez cały magnes w każdym punkcie na jego powierzchni.
Badanie przestrzeni wokół magnesu sztabkowego.
magnes sztabkowy;
kilka spinaczy.
Połóż spinacze na stole.
Zbliż do nich magnes.
Zwróć uwagę, w jaki sposób spinacze przylgnęły do magnesu. Gdzie jest ich najwięcej?
Zbliż magnes jednym, a następnie drugim końcem. Czy spinacze zostały przyciągnięte?
Spróbuj zbliżyć środek magnesu do spinacza. Czy został on przyciągnięty?
Na podstawie przeprowadzonego doświadczenia oceń prawdziwość zdań i zaznacz stwierdzenia prawdziwe.
- Najwięcej spinaczy gromadzi się na końcach magnesu, więc tam działa na nie największa siła przyciągania magnetycznego.
- Spinacze nie są przyciągane do środka magnesu, ponieważ nie działa na nie siła magnetyczna w tym miejscu.
- Najwięcej spinaczy gromadzi się na końcach magnesu, więc tam nie działa na nie siła przyciągania magnetycznego.
- Najwięcej spinaczy gromadzi się na końcach magnesu, ponieważ znajdują się w jednakowych odległościach od środka magnesu.
Najwięcej spinaczy gromadzi się na końcach magnesu (nazywanych biegunami), ponieważ siła przyciągania magnetycznego jest tam największa. Natomiast na środku magnesu ma ona najmniejszą wartość. W przestrzeni wokół magnesu działają siły magnetyczne, które tworzą pole magnetycznepole magnetyczne.
– przestrzeń, w której działają siły magnetyczne.
Pole magnetyczne jest niewidoczne, ale wykorzystując opiłki żelaza, możesz zaobserwować skutki jego działania.
Większość opiłków żelaza zbiera się w pobliżu biegunów, a reszta układa się wzdłuż linii pola. Obrazują one linie pola magnetycznego występującego wokół magnesu. Opiłki żelaza się magnesują, tzn. zyskują właściwosci magnetyczne i stają się małymi magnesami, które wzajemnie się przyciągają.
Magnes ma dwa bieguny – północny i południowy. Jeżeli zawiesimy magnes na sznurku i pozwolimy mu obracać się swobodnie, to swoją osią ustawi się wzdłuż geograficznej linii północ – południe. Przyjęto, że północny biegun magnesu pokazuje północ geograficzną Ziemi. Nasza planeta jest ogromnym magnesem, którego południowy biegun magnetyczny znajduje się w pobliżu północnego bieguna geograficznego, a północny biegun magnetyczny – w pobliżu południowego bieguna geograficznego.
Bieguny północny (N) i południowy (S), które występują razem, nazywamy dipolem magnetycznymdipolem magnetycznym.
Wiesz już, że magnes posiada dwa bieguny. Co się stanie, gdy przepiłujesz go w połowie? Okaże się, że każdy z dwóch kawałków, które w ten sposób powstaną, będzie tworzył dwubiegunowy magnes. Nie można otrzymać ciała z tylko jednym biegunem. Dowiesz się, dlaczego tak się dzieje, jeśli wybierzesz program rozszerzony fizyki w liceum.
Fizycy próbowali wykazać istnienie pojedynczego bieguna magnetycznego, który roboczo nazwano monopolem magnetycznym. Miał on być nośnikiem tylko jednego bieguna magnetycznego (północnego lub południowego). Jednak próby te zakończyły się niepowodzeniem. Wszystkie badane magnesy mają dwa bieguny.
– układ dwóch biegunów magnetycznych: północnego i południowego. Przykładem dipola magnetycznego jest magnes.
Oceń prawdziwość zdań.
| Prawda | Fałsz | |
| Magnes sztabkowy jest dipolem magnetycznym. | □ | □ |
| Każdy magnes ma dwa bieguny magnetyczne północny i południowy. | □ | □ |
| W przyrodzie występują dipole i monopole magnetyczne. | □ | □ |
| Nie szukano monopoli magnetycznych. | □ | □ |
Dotąd zajmowaliśmy się oddziaływaniem między magnesem a spinaczami czy opiłkami żelaza. Zastanów się, czy dwa magnesy przyciągają się czy odpychają. W tych rozważaniach pomogą ci doświadczenia.
Badanie oddziaływania między dwoma magnesami.
dwa magnesy (najlepiej sztabkowe);
gładka powierzchnia stołu.
Połóż magnesy na stole. Umieść je w pewnej odległości od siebie.
Zbliż jeden magnes do drugiego.
Zaobserwuj, czy magnesy się przyciągają czy odpychają.
Odwróć jeden magnes i ponownie zbliż go do drugiego magnesu.
Ponownie zaobserwuj zachowanie się magnesów.
Magnesy zbliżone tymi samymi biegunami się odpychają, a przeciwnymi – przyciągają.
Uzupełnij puste miejsca.
Magnesy zbliżone do siebie dwoma biegunami północnymi .............................., identycznie jak magnesy zbliżone biegunami ........................... W przypadku zbliżenia biegunami przeciwnym - północnym i południowym magnesy .....................................
Oba doświadczenia miały identyczne wyniki. Gdy magnesy były zbliżane biegunami jednoimiennymijednoimiennymi (tymi samymi), to wzajemnie się odpychały. Natomiast gdy były zbliżane biegunami różnoimiennymiróżnoimiennymi (przeciwnymi) – przyciągały się.
Bieguny jednoimienne magnesów się odpychają się, a bieguny różnoimienne – przyciągają.
Zajmiemy się teraz oddziaływaniem między magnesami a różnymi substancjami. Magnes przyciąga różne przedmioty wykonane ze stali, która zawiera żelazo. Czy może przyciągać przedmioty wykonane z innych substancji? Aby to sprawdzić, wykonaj poniższe doświadczenie.
Badanie właściwości magnetycznych różnych substancji.
magnes;
plastikowa linijka;
stół;
monety: 1‑groszowa, 1‑złotowa;
kartka papieru;
folia aluminiowa;
kawałek przewodu miedzianego;
pierścionek lub kolczyki – złote i srebrne;
magnes na lodówkę;
szpilki ze stali.
Do każdego przedmiotu zbliż magnes.
Zaobserwuj, które przedmioty zostaną przyciągnięte.
Przez magnes zostały przyciągnięte: stalowe szpilki i magnes na lodówkę. Pozostałe przedmioty, wykonane z miedzi, złota, srebra i aluminium – się nie poruszyły. Przedmioty dzielimy więc na te, które są przyciągane przez magnes, i te, które na niego nie reagują.
Materiały, które są silnie przyciągane przez magnes, nazywamy ferromagnetykami. Zaliczane są do nich: żelazo, nikiel, kobalt i niektóre pierwiastki oraz ich stopy, np. stal. W naszym otoczeniu występują pierwiastki, które praktycznie wcale nie reagują na pole magnetyczne: gazy szlachetne, miedź, złoto, krzem, grafit oraz lit, sód i potas. Pierwiastki te dzielą się na diamagnetyki (słabo odpychane) i paramagnetyki (słabo przyciągane). O różnicy między nimi dowiesz się w liceum.
– substancje silnie przyciągane przez magnes, np. żelazo, nikiel, kobalt i ich stopy.
Pole magnetyczne przenika niemal przez wszystkie materiały, nawet przez metale. Wyjątkiem jest żelazo. W krysztale żelaza sąsiednie atomy oddziałują na siebie, gdyż wytwarzają pole magnetyczne. Wzajemne oddziaływanie prowadzi do porządkowania struktury, co wpływa na właściwości magnetyczne dużych obszarów (w porównaniu z rozmiarem atomów), które nazywane są domenami magnetycznymi. Można je zobaczyć za pomocą odpowiedniego mikroskopu.
Przyporządkuj wymienione przedmioty do odpowiedniej grupy tj. ferromagnetyków silnie oddziałujących z magnesem i innych, słabo oddziałujących z magnesem.
stalowa pinezka, drewniana linijka, kartka papieru, gwóźdź, rysik z ołówka, gumka do ścierania, złote kolczyki
| Silnie oddziaływujące - ferromagnetyki | |
|---|---|
| Słabo oddziaływujące |
2. Pole magnetyczne Ziemi
Biegun północny igły magnetycznej skierowany jest ku południowemu biegunowi magnetycznemu. Wskazuje ona zatem północ geograficzną.
Do wyznaczania kierunków geograficznych służy kompas. Wewnątrz znajduje się igła magnetyczna, która ustawia się równolegle do linii ziemskiego pola magnetycznego. Północny biegun igły magnetycznej jest skierowany ku południu magnetycznemu, ponieważ północny biegun igły jest przyciągany przez południowy magnetyczny biegun Ziemi.
Bieguny magnetyczne i geograficzne są względem siebie przesunięte. Oś magnetyczna Ziemi i oś jej obrotu się nie pokrywają. Południowy biegun magnetyczny jest oddalony o około 1800 km od północnego bieguna geograficznego i znajduje się w północnej części Kanady. Północny biegun magnetyczny usytuowany jest na południe od Australii. Kompas nie wskazuje więc dokładnie północy geograficznej.
Pasy radiacyjne zostały zarejestrowane przez satelitę amerykańskiego Explorer 1 i radzieckiego Sputnika 3. Składają się z dwóch pierścieni – zewnętrznego i wewnętrznego. W pasie zewnętrznym znajdują się cząstki naładowane (protony, elektrony) pochodzące prawdopodobnie ze Słońca.
Część cząstek naładowanych zostaje wciągnięta przez ziemskie pole magnetyczne i krąży w atmosferze między biegunami (po spiralnych torach, wzdłuż linii pola magnetycznego). Zmiany w ziemskim polu magnetycznym następują wskutek podwyższonej aktywności Słońca. Co pewien czas na naszej gwieździe dochodzi bowiem do burz elektromagnetycznych, które powodują, że wysyłana jest większa porcja promieniowania, czyli cząstek naładowanych. Zaburzenia pola magnetycznego prowadzą czasami do zbliżania się tych cząstek do powierzchni Ziemi. Pobudzają one gazy znajdujące się w atmosferze, które zaczynają świecić, co obserwujemy jako zorzę polarnązorzę polarną. Zjawisko to można często zobaczyć w okolicach koła podbiegunowego, a czasami również w Polsce.
Pasy wokół Ziemi (nazywane pasami Van Allena) stanowią bardzo ważne zabezpieczenie przed docieraniem cząstek promieniowania kosmicznego o wysokiej energii, które byłyby groźne dla życia na Ziemi.
Podsumowanie
Każdy magnes jest dipolem, tzn. posiada dwa bieguny: północny (N) i południowy (S).
Wokół magnesu występuje przestrzeń, w której działa siła magnetyczna. Przestrzeń ta nazywana jest polem magnetycznym.
Pole magnetyczne przedstawia się symbolicznie za pomocą linii. Liniom tym nadaje się zwroty od bieguna północnego do południowego.
Bieguny jednoimienne odpychają się, a różnoimienne – przyciągają.
Jeżeli magnes przetniemy na dwie części, to każda z nich stanie się dwubiegunowym magnesem.
Przedmioty wykonane z żelaza, kobaltu, niklu lub zawierające ich domieszki są przyciągane przez magnes. Materiały te nazywamy ferromagnetykami.
Ziemia wytwarza wokół siebie pole magnetyczne. Północny biegun tego pola znajduje się blisko południowego bieguna geograficznego, a południowy biegun tego pola – w pobliżu północnego bieguna geograficznego. Oba bieguny magnetyczne bez przerwy zmieniają swoje położenie.
Badanie pola magnetycznego wokół magnesu podkowiastego
.
magnes podkowiasty;
igła magnetyczna;
spinacze;
opiłki żelaza.
Połóż spinacze na stole.
Zbliż do nich magnes. Zwróć uwagę, w jaki sposób zostały one przyciągniete. Gdzie jest ich najwięcej?
Zbliż magnes jednym, a następnie drugim końcem. Czy spinacze zostały przyciągnięte przez oba bieguny? Spróbuj zbliżyć środek magnesu do spinacza. Czy tym razem spinacz został przyciągnięty?
Za pomocą igły magnetycznej wyznacz biegun południowy magnesu:
Na sztywnej kartce rozsyp spinacze lub opiłki żelaza.
Pod sztywną kartkę podłóż magnes. Zaobserwuj, jak układają się linie pola magnetycznego wokół magnesu podkowiastego.
Wykonaj rysunek przedstawiający rozkład linii pola magnetycznego. Podpisz bieguny magnesu.
Słowniczek
– para takich samych biegunów, tj. północ – północ, południe – południe.
– para biegunów przeciwnych, tj. północ – południe.
– bardzo rozpowszechniony minerał; był znany już starożytnym Grekom, a jego nazwa pochodzi od dawnego miasta Magnesia leżącego w Turcji (obecnie nazywa się ono Manisa); minerał ten składa się z różnych tlenków żelaza.
– zbiór wielu małych, przypadkowo ułożonych kryształów.
– stop węgla i żelaza.
– zjawisko świecenia gazów znajdujących się w atmosferze; zorza powstaje w wyniku zderzeń cząstek gazów z mającymi wysoką energię protonami i elektronami.
Biogramy
Uczeń Platona, autor spójnego systemu wiedzy, który tłumaczy wszystkie aspekty świata ożywionego i nieożywionego. Swoje poglądy przedstawiał w pismach, które dotyczyły różnych dziedzin, tj. filozofii naturalnej, logiki, metafizyki, etyki, polityki, sztuki, retoryki, psychologii, fizyki i biologii.
Tales z Miletu
Tales z Miletu był zamożnym kupcem. Zyskał sławę, ponieważ przepowiedział zaćmienie Słońca (podał tylko rok, a nie dokładną datę). Wzbogacał swoją wiedzę dzięki podróżom, podczas których spotykał uczonych. Nie wiadomo, czy napisał jakieś dzieła, gdyż żadne się nie zachowały.
Zadania podsumowujące lekcję
Do pojęć dopasuj ich definicje.
układ tych samych biegunów N-N lub S-S, układ dwóch biegunów magnetycznych występujących razem N i S, układ różnych biegunów N-S, obszar, w którym działają siły magnetyczne, magnes o jednym biegunie
| monopol magnetyczny | |
| dipol magnetyczny | |
| bieguny jednoimienne | |
| bieguny różnoimienne | |
| pole magnetyczne |
Oceń prawdziwość każdego zdania.
| Prawda | Fałsz | |
| Północny biegun igły magnetycznej wskazuje magnetyczny biegun południowy. | □ | □ |
| Pole magnetyczne występuje wokół magnesów. | □ | □ |
| W przyrodzie występują monopole magnetyczne. | □ | □ |
| Aluminiowy kapsel jest przyciągany przez magnes. | □ | □ |
Uzupełnij puste miejsca wybierając brakujące elementy z listy.
grawitacyjne, diamagnetykiem, ferromagnetykiem, magnetyczne, domenami, niklu, dipolami, monopolami, paramagnetykiem, aluminium, żelaza, elektryczne, kobaltu
Magnes przyciąga stalowe spinacze, ponieważ stal jest ................................. Stal jest stopem węgla i ................................. W żelazie atomy oddziałują na siebie, ponieważ wytwarzają pole ................................. To oddziaływanie skutkuje uporządkowaniem na dużych obszarach, które nazywane są ................................ magnetycznymi.
Rozwiąż krzyżówkę.
- Prowadzono nad nim badania, ale go nie odkryto.
- Stop węgla i żelaza.
- Może być północny lub południowy.
- Jedna z rud o właściwościach ferromagnetycznych.
- Tales z...
- Jeden z wielkich filozofów, uczeń Platona.
| 1 | |||||||||||
| 2 | |||||||||||
| 3 | |||||||||||
| 4 | |||||||||||
| 5 | |||||||||||
| 6 |
Określ prawdziwość każdego zdania.
| Prawda | Fałsz | |
| Bieguny geograficzne i magnetyczne Ziemi są względem siebie przesunięte. | □ | □ |
| Igła magnetyczna ustawia się prostopadle do linii ziemskiego pola magnetycznego. | □ | □ |
| Zorzę polarną można często obserwować na całej kuli ziemskiej. | □ | □ |
| Ziemskie pole magnetyczne nie ulega zmianom. | □ | □ |