Oddziaływania magnetyczne

Rw1XgwezyCRCQ

Zdjęcie przedstawia dużą śrubę umieszczoną łbem do dołu w szerokim i płaskim szklanym naczyniu laboratoryjnym (krystalizatorze). Gwint śruby pokrywa czarna błyszcząca substancja tworząca nieregularną, kolczastą powierzchnię. Kolce te wychylone są na zewnątrz, prostopadle do powierzchni trzpienia śruby.

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 MiletuTales z Miletu uważał, że magnes ma duszę, która przyciąga żelazo. W dziełach ArystotelesaArystotelesArystotelesa 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.

Rt1qQlXtqLtxs

Zdjęcie fragmentu magnetytu. Tło ciemne, magnetyt jasnobrązowy, połyskliwy o nieregularnej powierzchni. Część magnetytu tworzy górkę, na której boku, prostopadle do tego boku, stoi spinacz. Tworzy to kąt około trzydziestu stopni między poziomem a osią spinacza. Do spinacza, przyczepione są dwa kolejne, w taki sposób, że przedłużają go.

Magnesami nazywamy wszystkie ciała, które przyciągają lub odpychają żelazo bądź inne magnesy. Kiedyś to określenie stosowano tylko w odniesieniu do rud magnetytumagnetytmagnetytu lub pirytu.

Magnes przyciąga spinacze, szpilki i inne przedmioty, które zostały wykonane ze stali. Wiesz już, że stalstalstal jest stopem żelaza i węgla. Zastanów się, czy spinacze będą jednakowo przyciągane przez cały magnes w każdym punkcie na jego powierzchni.

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 magnetycznepole magnetyczne.

Pole magnetyczne jest niewidoczne, ale wykorzystując opiłki żelaza, możesz zaobserwować skutki jego działania.

RPxhnUlUK5L8s

Zdjęcie przedstawiające długi magnes sztabkowy, ułożony poziomo. Jego prawa połowa jest czerwona, lewa połowa - biała. Wokół i na magnesie leżą opiłki żelaza, które ułożyły się wzdłuż linii pola magnetycznego pochodzącego od magnesu.

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 właściwości 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 $\mathrm{N}$ i południowy $\mathrm{S}$, które występują razem, nazywamy dipolem magnetycznymdipol magnetycznydipolem 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.

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.

Gdy magnesy były zbliżane biegunami jednoimiennymibieguny jednoimiennejednoimiennymi (tymi samymi), to wzajemnie się odpychały. Natomiast gdy były zbliżane biegunami różnoimiennymibieguny różnoimienneróżnoimiennymi (przeciwnymi) – przyciągały się.

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.

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.

Pole magnetyczne Ziemi

Biegun północny igły magnetycznej skierowany jest ku południowemu biegunowi magnetycznemu Ziemi. Wskazuje ona zatem północ geograficzną.

RPL3G40uvG9LQ

Ilustracja przedstawia rozkład linii pola magnetycznego Ziemi. Tło czarne. Na środku znajduje prostokątny magnes, a w jego tle Ziemia. Magnes jest lekko przechylony zgodnie z kierunkiem ruchu wskazówek zegara. Ziemia ma taką samą średnicę jak wysokość magnesu. Blisko bieguna geograficznego północnego znajduje się część niebieska magnesu z białą literą duże es. Blisko bieguna geograficznego południowego jest część czerwona magnesu, z białą literą duże en. Od bieguna magnetycznego południowego, do bieguna magnetycznego północnego, białymi łukowatymi liniami oznaczono pole magnetyczne Ziemi. Linie znajdują się z obu stron Ziemi. Na liniach umieszczono groty strzałek. Strzałki zwrócone ku biegunowi północnemu.

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.

Ciekawostka

RdjGq9ipgGU49

Ilustracja przedstawia pasy Van Allena. Tło granatowe. Na ilustracji widoczna Ziemia, z oznaczeniem jej osi magnetycznej (biała linia przecinająca Ziemię i wychodząca przez bieguny magnetyczne północny i południowy). W pobliżach biegunów, symetrycznie względem osi, od Ziemi odchodzą, w miarę zbliżania się do biegunów, coraz większe łuki, tworząc kształt coraz większych torusów. Najmniejszy to pas wewnętrzny, a największy to pas zewnętrzny. Obszary pomiędzy poszczególnymi łukami mają różne kolory: od niebieskiego, poprzez żółty, czerwony, zielony, aż do jasno- i ciemnoniebieskiego.

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) w większości pochodzące prawdopodobnie z wiatru słonecznego i promieniowania kosmicznego. Między tymi pasami powstają od czasu do czasu pasy dodatkowe, związane z większą aktywnością 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 polarnązorza polarnazorzę 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 do niej cząstek promieniowania kosmicznego o wysokiej energii, które byłyby groźne dla życia na Ziemi.

Podsumowanie

• Każdy magnes jest dipolem, tzn. posiada dwa bieguny: północny $\mathrm{N}$ i południowy $\mathrm{S}$.

• 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.

Doświadczenie 4

Badanie pola magnetycznego wokół magnesu podkowiastego

Co będzie potrzebne

• magnes podkowiasty;

• igła magnetyczna;

• sztywna kartka;

• spinacze lub opiłki żelaza.

R77S4xv3Sl8Bu

Ilustracja przedstawia zestaw doświadczalny, który składa się z magnesu podkowiastego, igły magnetycznej, sztywnej kartki i kilku spinaczy.

Instrukcja

1. Za pomocą igły magnetycznej wyznacz bieguny magnesu.

2. Połóż na magnesie sztywną kartkę i rozsyp na niej spinacze lub opiłki żelaza. Zaobserwuj, jak układają się linie pola magnetycznego wokół magnesu podkowiastego.

Podsumowanie

Wynik doświadczenia powinien wyjść mniej więcej taki, jak na ilustracji poniżej.

R5hFudxIIVm6G

Zdjęcie przedstawia wynik eksperymentu z magnesem podkowiastym. Na białej kartce, opiłki żelaza ułożyły się wzdłuż linii pola magnetycznego. Wyraźnie widać kształt magnesu. Bardzo dużo opiłków znajduje się przy jego końcach. Opiłki między ramionami magnesu są ułożone poziomo, od jednego ramienia do drugiego. Opiłki wokół magnesu utworzyły łuki, ciągnące się symetrycznie od jednego bieguna, do drugiego.

Słownik

Biogramy

Arystoteles-322Chalkis-384Stagira

R5noCzcKw7yop

Zdjęcie przedstawia rzeźbę głowy Arystotelesa. Mężczyzna w wieku ok. 60 lat. Krótka, gęsta broda okala twarz od ucha do ucha. Na czole widoczne głębokie, poziome zmarszczki oraz pionowe zmarszczki pomiędzy brwiami.

Arystoteles

384 p.n.e Stagira – 322 p.n.e Chalkis

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 MiletuMilet

RQsiiXvrz1w4K

Rycina przedstawia popiersie Talesa z Miletu. Szeroka klatka piersiowa. Gęste i pofalowane broda, wąsy i włosy. Broda sięga połowy szyi, pod wąsami widoczne wargi, włosy krótkie lub półdługie. Pod ściągniętymi brwiami duże oczy.

Tales z Miletu

(626/623 p.n.e. Milet – 548/545 p.n.e.)
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