Магнетизм изучается с давних времен, а за последние два столетия стал основой современной цивилизации.

Человечество собирает знания о магнитных явлениях не меньше трех с половиной тысяч лет (первые наблюдения электрических сил имели место тысячелетием позже). Четыреста лет назад, на заре становления физики, магнитные свойства веществ были отделены от электрических, после чего долгое время те и другие изучались самостоятельно. Так была создана экспериментальная и теоретическая база, ставшая к середине XIX века основой единой теории электромагнитных явлений Вероятнее всего, необычные свойства природного минерала магнетита (магнитного железняка, Fe3O4) были известны в Месопотамии еще в бронзовом веке. А после возникновения железной металлургии нельзя было не заметить, что магнетит притягивает железные изделия. О причинах такого притяжения думал уже отец греческой философии Фалес из Милета (примерно 640−546 годы до н.э.), который объяснял его особой одушевленностью этого минерала (Фалес также знал, что натертый о шерсть янтарь притягивает сухие листья и мелкие щепочки, а потому наделял и его духовной силой). Позднее греческие мыслители рассуждали о невидимых парах, окутывающих магнетит и железо и влекущих их друг к другу. Неудивительно, что само слово «магнит» тоже имеет греческие корни. Скорее всего, оно восходит к названию Магнесии-у-Сипила, города в Малой Азии, вблизи которого залегал магнетит. Греческий поэт Никандр упоминал о пастухе Магнисе, оказавшемся рядом со скалой, которая тянула к себе железный наконечник его посоха, но это, по всей вероятности, просто красивая легенда.

Природными магнитами интересовались и в Древнем Китае. Способность магнетита притягивать железо упоминается в трактате «Весенние и осенние записи мастера Лю», датируемом 240 годом до н.э. Столетие спустя китайцы заметили, что магнетит не действует ни на медь, ни на керамику. В VII—VIII вв. /bm9icg===>еках они выяснили, что свободно подвешенная намагниченная железная игла поворачивается к Полярной звезде. В результате во второй половине XI века в Китае появились настоящие морские компасы, европейские мореплаватели освоили их сотней лет позже. Примерно тогда же китайцы обнаружили, что намагниченная игла смотрит восточнее направления на север и открыли тем самым магнитное склонение, намного опередив в этом вопросе европейских мореплавателей, которые пришли к этому выводу только в XV столетии.

Маленькие магнитики

В ферромагнетике собственные магнитные моменты атомов выстраиваются параллельно (энергия такой ориентации минимальна). В результате образуются намагниченные области, домены — микроскопические (10−4-10−6 м) постоянные магнитики, разделённые доменными стенками. В отсутствие внешнего магнитного поля магнитные моменты доменов ориентированы в ферромагнетике хаотически, во внешнем поле границы начинают смещаться, так что домены с моментами параллельно полю вытесняют все остальные — ферромагнетик намагничивается.

Зарождение науки об магнетизме

Первое в Европе описание свойств природных магнитов сделал француз Пьер де Марикур. В 1269 году он служил в армии короля Сицилии Карла Анжуйского, осадившей итальянский город Лусеру. Оттуда он и отправил приятелю в Пикардию документ, который вошел в историю науки как «Письмо о магните» (Epistola de Magnete), где рассказал о своих опытах с магнитным железняком. Марикур заметил, что в каждом куске магнетита имеются две области, особенно сильно притягивающие железо. Он усмотрел параллель между этими зонами и полюсами небесной сферы и позаимствовал их названия для областей максимума магнитной силы — поэтому мы теперь и говорим о северном и южном магнитных полюсах. Если разбить кусок магнетита надвое, пишет Марикур, в каждом осколке появляются собственные полюса. Марикур не только подтвердил, что между кусками магнетита возникает как притяжение, так и отталкивание (это уже было известно), но впервые связал этот эффект с взаимодействием между разноименными (северным и южным) либо одноименными полюсами.

Многие историки науки считают Марикура бесспорным пионером европейской экспериментальной науки. Во всяком случае, его заметки о магнетизме ходили в десятках списков, а после появления книгопечатания издавались отдельной брошюрой. Их с уважением цитировали многие натуралисты вплоть до XVII столетия. Этот труд был хорошо известен и английскому естествоиспытателю и врачу (лейб-медику королевы Елизаветы и ее преемника Якова I) Уильяму Гильберту, который в 1600 году опубликовал (как положено, на латыни) замечательный труд «О магните, магнитных телах и большом магните — Земле». В этой книге Гильберт не только привел практически все известные сведения о свойствах природных магнитов и намагниченного железа, но и описал собственные опыты с шаром из магнетита, с помощью которых он воспроизвел основные черты земного магнетизма. Например, он обнаружил, что на обоих магнитных полюсах такой «маленькой Земли» (по латыни terrella) компасная стрелка устанавливается перпендикулярно ее поверхности, на экваторе — параллельно, а на средних широтах — в промежуточном положении. Так Гильберт смоделировал магнитное наклонение, о существовании которого в Европе знали более полувека (в 1544 году это явление впервые описал нюрнбергский механик Георг Хартман).

Революция в навигации. Компас произвёл настоящую революцию в морской навигации, сделав глобальные путешествия не единичными случаями, а привычной регулярной рутиной.

Гильберт воспроизвел на своей модели и геомагнитное склонение, которое приписал не идеально гладкой поверхности шара (и потому в планетарном масштабе объяснял этот эффект притяжением континентов). Он обнаружил, что сильно нагретое железо теряет магнитные свойства, но при охлаждении они восстанавливаются. И наконец, Гильберт первым провел четкое различие между притяжением магнита и притяжением натертого янтаря, которое он назвал электрической силой (от латинского названия янтаря electrum). В общем, это был чрезвычайно новаторский труд, по достоинству оцененный и современниками, и потомками. Утверждение Гильберта, что Землю следует считать «большим магнитом», стало вторым по счету фундаментальным научным выводом о физических свойствах нашей планеты (первый — открытие ее шарообразности, сделанное еще в Античности).

Два века перерыва

После Гильберта наука о магнетизме вплоть до начала XIX века продвинулась очень мало. Сделанное за это время можно буквально перечесть по пальцам. В 1640 году ученик Галилея Бенедетто Кастелли объяснил притяжение магнетита наличием в его составе множества мельчайших магнитных частиц — первая и очень несовершенная догадка, что природу магнетизма следует искать на атомном уровне. Голландец Себальд Бругманс в 1778 году заметил, что висмут и сурьма отталкиваются от полюсов магнитной стрелки — это был первый пример физического явления, которое 67 годами позже Фарадей назвал диамагнетизмом. В 1785 году Шарль-Огюстен Кулон посредством прецизионных измерений на крутильных весах показал, что сила взаимодействия магнитных полюсов обратно пропорциональна квадрату расстояния между ними — точно так же, как и сила взаимодействия между электрическими зарядами (в 1750 году к аналогичному выводу пришел англичанин Джон Мичелл, но кулоновское заключение много надежней).

А вот изучение электричества в те годы двигалось семимильными шагами. Объяснить это нетрудно. Единственными первичными источниками магнитной силы оставались природные магниты — других наука не знала. Их сила стабильна, ее нельзя ни изменить (разве что уничтожить нагревом), ни тем более генерировать по собственному желанию. Понятно, что это обстоятельство сильно ограничивало возможности экспериментаторов.

Электричество было в гораздо более выгодном положении — ведь его можно было получать и накапливать. Первый генератор статических зарядов построил в 1663 году бургомистр Магдебурга Отто фон Герике (знаменитые магдебургские полушария — тоже его детище). Век спустя такие генераторы стали столь широко распространены, что их демонстрировали даже на великосветских приемах. В 1744 году немец Эвальд Георг фон Клейст и немногим позже голландец Питер ван Мушенбрук изобрели лейденскую банку — первый электрический конденсатор; тогда же появились и первые электрометры. В результате к концу XVIII века наука знала об электричестве куда больше, чем в его начале. А вот о магнетизме этого сказать было нельзя.

А потом все изменилось. В 1800 году Алессандро Вольта изобрел первый химический источник электрического тока — гальваническую батарею, также известную как вольтов столб. После этого открытие связи между электричеством и магнетизмом стало вопросом времени. Оно могло состояться уже на следующий год, когда французский химик Николя Готеро заметил, что два параллельных провода с током притягиваются друг к другу. Однако ни он, ни великий Лаплас, ни замечательный физик-экспериментатор Жан-Батист Био, которые позже наблюдали это явление, не придали ему никакого значения. Поэтому приоритет справедливо достался ученому, давно предположившему существование такой связи и много лет посвятившему ее поискам.

От Копенгагена до Парижа

Все читали сказки и истории Ганса Христиана Андерсена, но мало кто знает, что когда будущий автор «Голого короля» и «Дюймовочки» четырнадцатилетним подростком добрался до Копенгагена, он обрел друга и покровителя в лице своего двойного тезки, ординарного профессора физики и химии Копенгагенского университета Ганса Христиана Эрстеда. И оба прославили свою страну на весь мир.

Многообразие магнитных полей Ампер изучил взаимодействие между параллельными проводниками с током. Его идеи развил Фарадей, который предложил концепцию магнитных силовых линий.

Эрстед с 1813 года вполне сознательно пытался установить связь между электричеством и магнетизмом (он был приверженцем великого философа Иммануила Канта, полагавшего, что все природные силы обладают внутренним единством). В качестве индикаторов Эрстед использовал компасы, но долгое время безрезультатно. Эрстед ожидал, что магнитная сила тока параллельна ему самому, и для получения максимального крутящего момента располагал электрический провод перпендикулярно стрелке компаса. Естественно, что стрелка не реагировала на включение тока. И только весной 1820 года во время лекции Эрстед протянул провод параллельно стрелке (либо чтобы посмотреть, что из этого получится, либо у него появилась новая гипотеза — об этом историки физики спорят до сих пор). И вот тут-то стрелка и качнулась — не слишком сильно (у Эрстеда была маломощная батарея), но все-таки заметно.

Правда, великое открытие тогда еще не состоялось. Эрстед почему-то прервал эксперименты на три месяца и вернулся к ним лишь в июле. И вот тут-то он понял, что «магнитное воздействие электрического тока направлено по окружностям, охватывающим этот ток». Это был парадоксальный вывод, ведь ранее вращающиеся силы не появлялись ни в механике, ни в какой-либо другой ветви физики. Эрстед изложил свои выводы в статье и 21 июля отправил ее в несколько научных журналов. Потом он больше электромагнетизмом не занимался, и эстафета перешла к другим ученым. Первыми ее приняли парижане. 4 сентября известный физик и математик Доминик Араго рассказал об открытии Эрстеда на заседании Академии наук. Его коллега Андре-Мари Ампер решил заняться магнитным действием токов и буквально на следующий день приступил к экспериментам. Первым делом он повторил и подтвердил опыты Эрстеда, а в начале октября обнаружил, что параллельные проводники притягиваются, если токи текут через них в одном и том же направлении, и отталкиваются — если в противоположных. Ампер изучил взаимодействие и между непараллельными проводниками и представил его формулой (закон Ампера). Он показал также, что свернутые в спираль проводники с током поворачиваются в магнитном поле, подобно стрелке компаса (и между делом изобрел соленоид — магнитную катушку). Наконец, он выдвинул смелую гипотезу: внутри намагниченных материалов текут незатухающие микроскопические параллельные круговые токи, которые и служат причиной их магнитного действия. Тогда же Био и Феликс Савар совместными усилиями выявили математическую зависимость, позволяющую определять интенсивность магнитного поля, создаваемого постоянным током (закон Био-Савара).

Чтобы подчеркнуть новизну изученных эффектов, Ампер предложил термин «электродинамические явления» и постоянно пользовался им в своих публикациях. Но это еще не было электродинамикой в современном смысле. Эрстед, Ампер и их коллеги работали с постоянными токами, создававшими статичные магнитные силы. Физикам только предстояло обнаружить и объяснить действительно динамичные нестационарные электромагнитные процессы. Эта задача была решена в 1830—1870-х. К ней приложили руку около дюжины исследователей из Европы (в том числе и России- вспомним правило Ленца) и США. Однако главная заслуга бесспорно принадлежит двум титанам британской науки — Фарадею и Максвеллу.

Лондонский тандем

Для Майкла Фарадея 1821 год стал воистину судьбоносным. Он получил заветную должность суперинтенданта лондонского Королевского института и фактически случайно начал исследовательскую программу, благодаря которой занял уникальное место в истории мировой науки.

Магнитные и не очень. Различные вещества во внешнем магнитном поле ведут себя по‑разному, это обусловлено различным поведением собственных магнитных моментов атомов. Наиболее известны ферромагнетики, существуют парамагнетики, антиферромагнетики и ферримагнетики, а также диамагнетики, у атомов которых нет собственных магнитных моментов (во внешнем поле они слабо намагничиваются «против поля»).

Произошло это так. Редактор журнала «Анналы философии» Ричард Филипс предложил Фарадею написать критический обзор новых работ, посвященных магнитному действию тока. Фарадей не только последовал этому совету и опубликовал «Исторический эскиз электромагнетизма», но приступил к собственным исследованиям, которые растянулись на долгие годы. Сначала он, как и Ампер, повторил эксперимент Эрстеда, после чего двинулся дальше. К концу 1821 года он изготовил устройство, где токонесущий проводник вращался вокруг полосового магнита, а другой магнит поворачивался вокруг второго проводника. Фарадей предположил, что и магнит, и провод под током окружены концентрическими силовыми линиями, lines of force, которыми и обусловлено их механическое воздействие. Это уже был зародыш концепции магнитного поля, хотя сам Фарадей таким термином не пользовался.

Поначалу он почитал силовые линии удобным методом описания наблюдений, но со временем уверился в их физической реальности (тем более что нашел способ наблюдать их с помощью рассыпанных между магнитами железных опилок). К концу 1830-х он четко осознал, что энергия, источником которой служат постоянные магниты и проводники под током, распределена в пространстве, заполненном силовыми линиями. Фактически Фарадей уже мыслил в теоретико-полевых терминах, в чем значительно опередил своих современников.

Но главное его открытие состояло в другом. В августе 1831 года Фарадей смог заставить магнетизм генерировать электрический ток. Его прибор состоял из железного кольца с двумя противоположными обмотками. Одну из спиралей можно было замкнуть на электрическую батарею, другая соединялась с проводником, расположенным над магнитным компасом. Стрелка не меняла положения, если по первой катушке шел постоянный ток, но качалась во время его включения и выключения. Фарадей понял, что в это время во второй обмотке возникали электрические импульсы, обусловленные возникновением или исчезновением магнитных силовых линий. Иначе говоря, он открыл, что причиной электродвижущей силы служат изменения магнитного поля. Этот эффект обнаружил также американский физик Джозеф Генри, но он опубликовал свои результаты позднее, чем Фарадей, и не сделал столь серьезных теоретических выводов.

Электромагниты и соленоиды лежат в основе множества технологий, без которых невозможно представить современную цивилизацию: от вырабатывающих электроэнергию электрогенераторов, электродвигателей, трансформаторов до радиосвязи и вообще практически всей современной электроники.

К концу жизни Фарадей пришел к заключению, что новые знания об электромагнетизме нуждаются в математическом оформлении. Он решил, что эта задача придется по плечу Джеймсу Клерку Максвеллу, молодому профессору Маришал-колледжа в шотландском городе Абердине, о чем ему и написал в ноябре 1857 года. И Максвелл действительно объединил все тогдашние знания об электромагнетизме в единую математизированную теорию. Эта работа была в основном выполнена в первой половине 1860-х годов, когда он стал профессором натуральной философии лондонского Кингз-колледжа. Понятие электромагнитного поля впервые появилось в 1864 году в мемуаре, представленном Лондонскому Королевскому обществу. Максвелл ввел этот термин для обозначения «той части пространства, которая содержит и окружает тела, пребывающие в электрическом или магнитном состоянии», причем специально подчеркнул, что это пространство может быть как пустым, так и заполненным любым видом материи.

Главным итогом трудов Максвелла стала система уравнений, связывающих между собой электромагнитные явления. В опубликованном в 1873 году «Трактате об электричестве и магнетизме» он назвал их общими уравнениями электромагнитного поля, а сегодня они зовутся уравнениями Максвелла. Позднее их не раз обобщали (например, для описания электромагнитных явлений в различных средах), а также переписывали с использованием все более совершенного математического формализма. Максвелл показал также, что эти уравнения допускают решения, включающие незатухающие поперечные волны, частным случаем которых является видимый свет.

Теория Максвелла представила магнетизм как особого рода взаимодействие между электрическими токами. Квантовая физика XX века добавила к этой картине всего два новых момента. Теперь мы знаем, что электромагнитные взаимодействия переносятся фотонами и что электроны и многие другие элементарные частицы обладают собственными магнитными моментами. На этом фундаменте построены все экспериментальные и теоретические работы в области магнетизма.

Что представляет собой природа магнетизма? Известно, что сам магнетизм является одним из основных свойств материи. Благодаря ему, определённые металлы намагничиваются и начинают притягивать к себе другие металлы. Но вот почему это происходит - тут ясного и чёткого ответа нет, как нет ответа на вопрос, что такое электрический ток. Теоретически, конечно, все эти понятия объяснены, созданы математические модели, и человек может управлять как магнитными, так и электрическими силами. Но истинная суть вопроса остаётся за гранью сознания. Люди не знают, почему это происходит, как не знают, почему бьётся человеческое сердце.

У каждого магнита есть 2 полюса - северный и южный . Этот факт наводит на мысль, что в полюсах скапливается магнитная энергия. Причём эта энергия имеет разные знаки - плюс и минус. По логике вещей, если разрезать магнит пополам, то в одной части останется положительная энергия, а в другой - отрицательная.

Однако ничего подобного не происходит. Как только цельный магнит разрезается на 2 части, в каждой из них тут же образуются 2 полюса. Можно разрезать один кусок на 20 частей. Ничего не изменится. Каждый кусочек окажется с 2-мя полюсами.

Однако мы коснулись самой заветной мечты физиков. Они надеются найти в природе или получить экспериментальным путём монополь - одиночный магнитный полюс. Этой заветной мечте уже более 100 лет. На чём же она базируется?

Специалисты проводят аналогию с электроном. Он является носителем электрического заряда. Соответственно, должен существовать и элементарный магнитный заряд. Но пока ничего похожего в окружающем мире не обнаружено.

Природа магнетизма неразрывна с микромиром, который состоит из атомов и молекул. Его изучением занимается квантовая механика, нам же нужно знать, что каждая мельчайшая частица представляет собой микромагнит. Это элементарный диполь, у которого северный и южный полюса направлены в разные стороны. Поэтому их магнитные силы компенсируют друг друга.

Но иногда случиться так, что элементарные частицы формируются в относительном порядке. Все северные полюса при этом направлены в одну сторону, а южные полюса, соответственно, в другую. В этом случае в окружающем тело пространстве возникает магнитное поле .

Представим себе, что перед нами находится магнит. Поднесём к нему обычный железный гвоздь. Он состоит из микрочастиц, которые расположены хаотично. Но под действием магнитного поля они повернутся строго параллельно друг к другу. В результате этого гвоздь сам превратится в магнит. Против южного полюса магнитного поля у него появится свой северный полюс, а против северного - южный полюс. Из физики мы знаем, что разноимённые магнитные полюса притягиваются. Поэтому железный гвоздь и прилипнет к магниту.

Давно известно, что намагничиваются все тела: твёрдые, газообразные, жидкие. Но у большинства этих веществ степень намагничивания очень низкая. Заметить её можно лишь при помощи сверхточных приборов. К примеру, платина, олово, титан притягиваются к магниту, но их сила притяжения в сотни тысяч раз меньше, чему у стали или железа. В обычной жизни все думают, что они вообще не притягиваются.

В чём же тут причина? А в том, что не у всех веществ атомы проявляют магнитные свойства. Сам по себе атом довольно сложная частица материи. Она имеет тяжёлое ядро, вокруг которого вращаются электроны. Все составляющие атома находятся в движении и создают вокруг себя магнитное поле. Иначе можно сказать, что они обладают определённым магнитным моментом .

Магнитные поля складываются и образуют общий магнитный момент атома. Однако у разных атомов он различается. Если взять ферромагнетики , к которым относятся железо, никель, кобальт и их сплавы, то здесь каждый атом представляет собой микроскопический магнит. А вот у других веществ магнитные моменты атомов практически близки к нулю.

Примечаетльно то, что у ферромагнетиков атомы объединяются в большие группы. Называются они доменами . Каждый такой домен характеризуется одинаковым направлением магнитных моментов. То есть можно сказать, что в ферромагнитных веществах всегда присутствуют намагниченные участки. Каждый такой участок насчитывает в себе миллиарды атомов.

Когда на ферромагнетик не действует внешнее магнитное поле, он никак не проявляет магнитных свойств. В такой ситуации магнитные моменты доменов нейтрализуют друг друга за счёт теплового движения атомов. Но стоит появиться внешним магнитным силам, и вещество становится магнитом. Причём его свойства сохраняются и после снятия внешнего магнитного поля. Это означает, что часть доменов не возвращается к хаотическому состоянию, а остаётся строго ориентированной.

Разговор у нас шёл о парамагнитных телах. Но кроме них существуют вещества, которые не притягиваются, а отталкиваются от магнита. К ним, например, относятся золото, серебро и висмут. Называют их диамагнетиками. В чём же заключается причина этого парадокса?

Дело в том, что при намагничивании железа в нём возникают разноимённые с магнитом полюсы. А у золота или висмута идёт другой процесс. У северного полюса магнита возникает северный полюс, а у южного, соответственно, южный полюс. Вот поэтому диамагнетики и отталкиваются.

Такова в самой общей и упрощённой форме природа магнетизма. Но это чудодейственное явление пока ещё не выяснено с достаточной полнотой. Несомненно, наука в этой области откроет ещё много удивительных вещей, которые прольют свет на загадочные процессы и явления. И тогда, наверное, каждый из нас сможет понять и объяснить, что же всё-таки представляет собой магнетизм, который является одной из главных загадок окружающего нас мира.

Обобщающий урок физики по теме: "Магнитные явления".

Цели:

Образовательные – обобщить и систематизировать знания учащихся о магнитном поле, о его свойствах; способствовать развитию интереса к изучению физики;

Развивающие – в целях формирования научного мировоззрения подчеркнуть реальность и объективность существования магнитного поля, указать экспериментальные факты, доказывающие это положение; развивать интеллектуальные способности учащихся через умение решать задачи повышенной сложности, анализировать полученный результат, делать выводы; уметь излагать в доступной научной форме свои мысли; уметь обобщать материал; развивать свой кругозор.

Воспитательная – воспитывать умение преодолевать трудности, выслушивать оппонентов, отстаивать свою точку зрения, уважать окружающих, воспитывать чувство коллективизма и умение работать в группе.

Оборудование: интерактивная доска, плакат с кроссвордом, карточки с разноуровневыми заданиями, жетоны.

План урока

1. Организационный момент – (1 мин).
2. Физкультминутка.(2 мин)
3. Объявление темы и целей урока.(1 мин)
4. Актуализация знаний.(5 мин)

4. Видеосюжет «Магнитная стрелка». (1 мин)

5. Разгадывание кроссворда – 4 мин.

6. Групповая работа.

1 задание: 15 минут

Каждой группе дается карточка с шестью разноуровневыми вопросами. Время на подготовку 1 минута.

2 задание: Заполнить таблицу. 5 мин.

3 задание: Игра «Домино». 6 мин

Индивидуальная работа с учащимися (решение задачи – 3 человека) и с остальными учащимися - игра «Домино».

1. Решение задачи у доски с комментариями – 1 человек. (по ходу проверяю решение индивидуальных задач)
2. Видеосюжет «Явление электромагнитной индукции».1 мин
3. Загадки.
4. Подведение итогов.
5. Рефлексия.

Ход урока.

1. Организационный момент.
2. Физкультминутка.
3. Объявление целей урока.

Ребята, сегодня у нас обобщающий урок по разделу «Магнитные явления». Эпиграфом нашего урока являются слова Ф.И.Тютчева:

Не то, что мните вы, природа:

Не слепок, не бездушный лик, -

В ней есть душа, в ней есть свобода

В ней есть любовь, в ней есть язык!

Да у природы есть свой язык, и мы должны его понимать. На каждом уроке физики, при изучении любого явления мы учимся этому языку. Путь познания природы таков:

Открытие – исследование – объяснение – применение.

Цель нашего урока – обобщить и систематизировать ранее полученные знания.

В течении урока ответ каждого учащегося будет оцениваться одним баллом (жетоном) и суммарным количеством баллов в конце урока будет выставляться оценка.

От 1-3 – оценка «3», 4-6 – «4», 7 – и более – оценка «5»

1. Фронтальный опрос.

Учитель: Уважаемые ребята, на сегодняшнем уроке нам предстоит еще раз рассмотреть вопрос о магнитных явлениях и о свойствах магнитного поля.

Что такое магнитное поле?

(Магнитное поле представляет собой особую форму материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися заряженными частицами.)

Каковы свойства магнитного поля?

(1. Магнитное поле порождается током.

2. Магнитное поле обнаруживается по его действию на ток или на магнитную стрелку.)

Как называется величина, характеризующая магнитное поле? (Эта величина называется – Магнитная индукция)

Ребята мы уже говорили о том, что магнитное поле возникает в результате электрического поля. А давайте еще раз посмотрим порождение магнитного поля электрическим на интерактивной доске.

5. Видеосюжет «Магнитная стрелка».

Кто из ученых определил величину силы, действующей на проводник с током, помещенный в магнитное поле, и как она называется?

(Величину этой силы определил английский ученый Ампер. Она получила название в честь него как сила Ампера.)

Кто из ученых определил величину силы, действующей со стороны магнитного поля на движущийся заряд?

(Величину силы, действующей на движущийся заряд в магнитном поле, определил Лоренц.)

Приведите примеры использования магнитных полей для различных целей.

(Магнитные поля используются в измерительных электрических приборах, для измерения отклонения электронного пучка в электронно-лучевой трубке или в кинескопе телевизора, для нахождения масс элементарных заряженных частиц, в электромагнитах. В природе магнитное поле Земли предохраняет все живое на земле от потока космических частиц.)

6. Разгадывание кроссворда

- А теперь, ребята, давайте разгадаем кроссворд, который у нас находится на магнитной доске.

Мы по вертикали получили слово «Фарадей». Кто он, какой вклад он внес в развитие физики? Фарадей – первый опытным путем доказал явление электромагнитной индукции.

7. Группа делится на три команды. (парамагнетики, ферромагнетики, диамагнетики)

1 задание: время 15 минут

Каждой группе дается карточка с шестью разноуровневыми вопросами. Время на подготовку 1 минута. (2 группа 4 задание – демонстрация опыта)

2 задание: время 5 мин

Заполнить таблицу.

3 задание: 6 мин (игра «Домино»)

Индивидуальная работа с учащимися и с остальными учащимися - игра «Домино»

1. Видеосюжет «Явление электромагнитной индукции».

Ребята, вначале урока мы с вами просмотрели сюжет того, что магнитное поле возникает в результате электрического. Теперь давайте посмотрим явление, обратное ему, т.е. магнитное поле создает электрическое поле.

1. Подведение итогов.

Командиры выставляют самооценки.

1. Рефлексия.

Дети, понравился ли вам сегодня наш урок?

Чем именно он вам понравился?

Где у вас были затруднения?

Нужно ли проводить такие уроки?

11. Домашнее задание: по тетради повторить основные понятия .

О природе земного магнетизма

Было время, когда люди, пытаясь объяснить, почему магнитная стрелка всегда одним своим концом показывает на север, полагали, что земной магнетизм находится на небе, что стрелку компаса направляют магнитные силы, исходящие из Полярной звезды. О том, что сама Земля представляет собой большой шарообразный магнит, с полюсами и с внешним магнитным полем, которое действует на стрелку компаса, люди узнали сравнительно недавно, около 350 лет назад. Великий русский ученый М. В. Ломоносов, придавая важное значение наблюдениям за компасной стрелкой, еще в 1759 году предложил построить самопишущий компас, который мог бы записывать эти наблюдения во время движения корабля.
По мере исследования земного магнетизма постепенно раскрывались различные его свойства. Прежде всего было доказано, что географические меридианы не совпадают с магнитными, направление которых на поверхности Земли указывает компасная стрелка, и что, таким образом, магнитная ось Земли не совпадает с ее осью вращения. Ученые установили, что направление земного магнитного поля соответствует такому, которое получилось бы, если бы около центра Земли поместить магнит, ось которого составляет с осью вращения нашей планеты угол около 11,5°.
Магнитное поле характеризуется в каждой точке пространства не только направлением, но и величиной напряженности. На поверхности Земли эта напряженность сравнительно небольшая приблизительно такая, какую имеет обычный школьный магнит на расстоянии 10 - 15 см от его концов. Напряженность земного магнитного поля можно представить как равнодействующую двух составляющих: вертикальной и горизонтальной. Последняя направляет компасную стрелку по магнитному меридиану.
Если передвигаться с компасом в руке вдоль какой-нибудь широты вокруг земного шара, то окажется, что направление магнитного меридиана в редких случаях совпадает с географическим; между этими направлениями почти всегда имеется некоторый угол, который называется магнитным склонением. Направление стрелки компаса может отклоняться от географического меридиана к востоку или к западу. Магнитное склонение находят для всех мест земного шара и составляют кар ты распределения этого склонения. Если известно в данном месте склонение компаса, то можно определить и направление географического меридиана. Это дает возможность установить местоположение корабля на море или самолета над земной поверхностью.
Но магнитное поле Земли медленно меняется во времени, вследствие этого меняется и склонение магнитной стрелки. Поэтому приходится периодически составлять заново карты, на которых показано распределение магнитного склонения.
Россия одной из первых учредила в начале XIX века магнитные обсерватории. Однако только в ХХ веке путем генеральной магнитной съемки были созданы детальные карты распределения магнитного поля на всей территории страны; это дает возможность строить и карты магнитного склонения, необходимые для штурманской службы.
Медленные (вековые) изменения земного магнитного поля имеют повидимому почти периодический характер: в течение 400-600 лет напряженность геомагнитного поля меняется на 1-2% своей величины. Однако для разных мест поверхности Земли эта периодичность выражается различно.
Около двухсот лет назад было обнаружено, что наряду с медленными изменениями земного магнетизма имеют место сравнительно быстрые - как правильные, так и неправильные - колебания напряженности земного магнитного поля. Правильные колебания совпадают с некоторыми астрономическими периодами: суточным обращением Земли около своей оси, лунными сутками и годичным обращением Земли в круг Солнца. Размах этих колебаний невелик: суточные колебания магнитного поля составляют около 0.05% полной напряженности геомагнитного поля, причем летом они больше, чем зимой; колебания в течение лунных суток и того меньше - около 0,005%; годичные колебания напряженности также составляют несколько сотых процента напряженности поля.
Кроме того, наблюдаются неправильные изменения земного магнитного поля, так называемые магнитные бури, которые наступают внезапно и продолжаются от нескольких часов до нескольких суток. Во время бурь изменение напряженности магнитного поля достигает нескольких процентов. Большей частью магнитные бури совпадают с северными сияниями и тесно связаны с явлениями, наблюдаемыми на Солнце, в частности с солнечными пятнами.
Геомагнитное поле нерегулярно изменяется не только во времени, но и в пространстве при передвижении по поверхности Земли. Существуют места, где напряженность магнитного поля значительно больше (а иногда и меньше), чем в окружающем районе. Такие изменения земного поля называются магнитными аномалиями. Мировую известность имеет, например, район Курской магнитной аномалии, где напряженность магнитного поля в три-четыре раза превосходит нормальную напряженность окружающего района. Сильные магнитные аномалии обычно имеют место над теми районами земной коры, которые содержат в себе большие количества железной руды - магнетита.
Как же объясняются основные особенности магнитного поля Земли? Самой трудной оказалась для науки проблема происхождения главного геомагнитного поля, которое в течение последних миллионов лет остается почти постоянным, подвергаясь лишь небольшим изменениям. По этому вопросу были высказаны самые различные предположения. Одни ученые утверждали, что Земля полечила свой магнетизм в магнитном поле Солнца. Дальнейшие исследование, однако, не подтвердили это предположение. Хотя и возникают иногда сильные магнитные поля в районе так называемых солнечных пятен, но в целом Солнце не имеет заметного магнитного поля на расстоянии радиуса орбиты Земли. Не подтвердилась также другая гипотеза, согласно которой Земля, имеющая постоянный электрический заряд, вследствие своего суточного вращения должна образовать вокруг себя магнитное поле. Расчеты показывают, что поверхностный заряд Земли в общем невелик и может при вращении Земли образовать лишь ничтожно малое магнитное поле.
В последнее время выдвинута гипотеза о происхождении земного магнетизма, которая объясняет его возникновение вращением массы Земли. По этой теории всякая вращающаяся масса создает магнетизм вне зависимости от электрического состояния этой массы. Еще наш великий ученый П. Н. Лебедев хотел на опыте проверить такое предположение: он подвергал очень быстрому вращению различные тела, но возникновение магнетизма у них не было обнаружено.
Наконец, некоторые ученые полагают, что источники магнитного поля сосредоточены где-то значительно ниже поверхности Земли.

Все высказывавшиеся до сих пор предположения о происхождении земного магнетизма не являются общепринятыми в науке. Вероятно, явление главного магнитного поля Земли представляет собой сложную комбинацию двух основных процессов: системы замкнутых электрических токов с магнитной осью, смещенной по отношению к оси вращения Земли, и остаточного намагничения горных пород, богатых магнетитом, в верхних слоях земной коры. Первый процесс является устойчивым, создающим основную величину напряженности главного магнитного поля. К нему присоединяется поле остаточного намагничивания земной коры. Оно могло образоваться под действием радиоактивного тепла в процессе разогревания и остывания в земном магнитном поле горных пород, содержащих магнетит. Что касается временных изменений главного магнитного поля, то их объясняют следующим образом. Вековые изменения объясняются с помощью колебаний температуры в нижележащих слоях земной коры; повышение или понижение температуры изменяет намагниченность горных пород и вызывает колебания магнитного поля на поверхности Земли.
Суточные вариации геомагнитного поля определяются движением ионизированных масс воздуха в высоких слоях атмосферы, в так называемой ионосфере. Ионизация же воздуха происходит под действием солнечных лучей, поскольку интенсивность солнечного излучения больше около полудня и особенно в летние дни, то и суточные вариации геомагнитного поля принимают в это время наибольшее значение. Магнитные бури объясняются тем, что Земля попадает в потоки солнечного корпускулярного излучения. На Солнце происходят процессы извержения отдельных частиц, которые иногда выбрасываются далеко за пределы орбиты Земли. Эти частицы обладают большой ионизирующей способностью и быстро увеличивают количество электрических зарядов в ионосфере. Движение этих зарядов создает магнитное поле, которое и воспринимается на Земле как магнитная буря.
Таким образом, земной магнетизм представляет собой весьма сложное явление: в создании его участвуют различные части Земли и разнообразные физические процессы. Несомненно, что дальнейшие успехи российской геофизики, астрономии и других наук позволят в ближайшее время найти новые данные о происхождении, земного магнетизма, которые правильно объяснят одно из интереснейших явлений природы.

В формате PDF (143 кбайт).

С некоторой осторожностью можно считать, что с проблемой гравитации мы разобрались . Получили внутренне непротиворечивые и отвечающие опыту представления о природе гравитации и инерции. В области электричества физика достаточно хорошо осведомлена. Известны носители электрического тока, широко применяемые в науке и технике. Но что такое магнетизм и какова его природа, известно ровно столько же, если не меньше, чем о гравитации во времена Ньютона и прошедшего века. Фарадей ввел линии напряженности магнитного поля. Они хорошо демонстрируются железными опилками на постоянном магните. Но говорить, что эти линии существуют на самом деле, несколько легкомысленно. Максвелл, пользуясь моделью вакуума как некоего диэлектрика, дал физике бессмертные формулы электромагнетизма. В физике стараются не акцентировать внимание на вакууме Максвелла. Как мы видим – совершенно напрасно. Соберем здесь сведения из физики и полученные нами соотношения.

Качественно явление воздействия магнитной напряженности на ферромагнетик объясняется в физике так. В силу особенностей внешних электронных оболочек атомов ферромагнетиков, каждый атом уже является индивидуальным магнитиком. Группа таких атомов образует магнитный домен, который также есть магнит, но уже в макро масштабах. Достаточно принудительно внешним магнитным полем сделать ориентацию доменов в преимущественно одном направлении, как весь образец ферромагнетика становится постоянным магнитом. При этом не все домены ориентируются в одном направлении. Если бы это удалось сделать, то постоянные магниты приобрели невиданную магнитную индукцию и обладали бы фантастическими способностями при взаимодействиях со всеми веществами как парамагнетиками, так и диамагнетиками.

Диамагнетики, простейшим примером которого является атом водорода, имеют статистически «беспорядочную» ориентацию плоскостей вращения электронов вокруг ядер вещества. Слово «беспорядочную» взято в кавычки по причине того, что на самом деле ориентация движения электронов определяется структурой вакуума, относительно которой атомы меняют непрерывно свое положение по причине теплового движения атомов, а также по причине непрерывного взаимодействия зарядов атома (электроны и положительные ядра) с вакуумом. Последнее взаимодействие известно в науке как флуктуации вакуума. И только достаточно сильными магнитными напряженностью в 100...1000 раз сильнее существующих постоянных магнитов удается придать организованную ориентацию вращения электронов диамагнетиков, которая и определяет взаимодействие вещества диамагнетика с внешним магнитным полем. По правилу Ленца полученная организованная магнитная индукция вещества (предмета) направлена против действующего внешнего поля. Получаем силу отталкивания между полюсами магнита и наведенными полюсами магнитиков в диамагнитном предмете. Возникает явление левитации. Таково объяснение этого явления в физике. Недостает только объяснения самого магнитного поля как потока магнитной индукции в вакууме. Природа магнитного континуума вакуума подводит физическую основу для правильного понимания явлений электромагнетизма вообще и приведенного примера левитации.