Страница 207 - гдз по физике 7-9 класс сборник задач Лукашик, Иванова

58.1 [н] Можно ли назвать магнитное поле материальной средой? Как это выяснить?

Можно ли назвать магнитное поле материальной средой?

В современной физике под материей понимают объективную реальность, существующую независимо от нашего сознания. Материя существует в двух основных формах: вещество и поле.

Вещество — это форма материи, которая имеет массу покоя и состоит из дискретных частиц (атомов, молекул и т.д.). Газы, жидкости и твердые тела являются примерами вещества. Термин «материальная среда» обычно используют для обозначения именно вещества.

Магнитное поле — это другая форма материи. Оно не состоит из частиц вещества, но обладает физическими свойствами, такими как энергия и импульс. Оно создается движущимися электрическими зарядами и оказывает силовое воздействие на другие движущиеся заряды.

Следовательно, магнитное поле, безусловно, материально, так как оно существует объективно. Однако называть его «материальной средой» не совсем корректно, так как это может привести к путанице с веществом. Правильнее называть его физическим полем, которое является одной из форм материи.

Ответ: Магнитное поле является формой материи, то есть оно материально. Однако его не принято называть материальной средой, так как этот термин обычно используют для обозначения вещества (газов, жидкостей, твёрдых тел), а поле — это другая форма существования материи.

Как это выяснить?

Материальность магнитного поля, то есть его объективное существование и физические свойства, можно подтвердить экспериментально. Основные доказательства следующие:

1. Силовое действие. Магнитное поле обнаруживается по его действию на движущиеся заряженные частицы или проводники с током (сила Ампера, сила Лоренца). Это действие реально, его можно измерить, и оно используется в электромоторах и многих других устройствах. Если бы поле не было материальным, оно не могло бы оказывать силовое воздействие.
2. Наличие энергии. Магнитное поле обладает энергией. Для его создания необходимо затратить энергию, которая затем запасается в поле. Плотность энергии магнитного поля в вакууме определяется выражением $w = \frac{B^2}{2\mu_0}$, где $B$ — индукция магнитного поля. Эта энергия может быть преобразована в другие виды энергии (например, в кинетическую энергию при работе двигателя).
3. Конечная скорость распространения. Взаимодействия посредством магнитного поля распространяются не мгновенно, а с конечной скоростью, равной скорости света в вакууме ($c$). Это означает, что поле является физическим посредником, переносящим взаимодействие от источника к объекту.
4. Существование электромагнитных волн. Переменное магнитное поле порождает переменное электрическое поле, и наоборот. Это их взаимное порождение приводит к существованию электромагнитных волн (свет, радиоволны), которые распространяются в пространстве, в том числе и в вакууме, и переносят энергию и импульс. Существование электромагнитных волн является самым убедительным доказательством того, что поле — это реальная, материальная сущность.

Ответ: Материальность магнитного поля доказывается его способностью действовать с силой на движущиеся заряды, наличием у него энергии, конечной скоростью его распространения и существованием электромагнитных волн, которые переносят энергию и импульс в пространстве.

58.2 [н] Приведите примеры природных явлений, связанных с существованием магнитных полей.

Магнитное поле Земли (геомагнитное поле). Наша планета обладает собственным глобальным магнитным полем, которое генерируется конвекционными потоками в жидком металлическом внешнем ядре. Это поле образует вокруг Земли невидимую оболочку — магнитосферу. Магнитосфера выполняет жизненно важную функцию, отклоняя потоки заряженных частиц (солнечный ветер), летящих от Солнца. Без этой защиты солнечная радиация могла бы разрушить озоновый слой и сделать жизнь на поверхности невозможной. Кроме того, наличие магнитного поля позволяет использовать компас для навигации.

Ответ: Существование геомагнитного поля, которое защищает Землю от солнечного ветра и используется для навигации.

Полярные сияния. Это одно из самых красивых природных явлений, напрямую связанное с магнитным полем Земли. Когда заряженные частицы солнечного ветра прорываются в магнитосферу, они направляются магнитным полем вдоль его силовых линий к полярным областям. Входя в верхние слои атмосферы, эти частицы сталкиваются с атомами кислорода и азота, вызывая их свечение. Цвет сияния зависит от того, с какими атомами и на какой высоте происходит столкновение.

Ответ: Свечение верхних слоев атмосферы в полярных регионах (полярные сияния), вызванное взаимодействием заряженных частиц с магнитосферой Земли.

Магниторецепция у животных. Многие живые организмы способны ощущать магнитное поле Земли и использовать его для ориентации и навигации. Эта способность, называемая магниторецепцией, хорошо изучена у перелетных птиц, морских черепах, некоторых рыб и насекомых. Они используют геомагнитное поле как своеобразный природный компас во время длительных миграций, что позволяет им безошибочно находить путь на тысячи километров.

Ответ: Способность животных (например, птиц, черепах) ориентироваться в пространстве во время миграций, используя магнитное поле Земли.

Магнитные бури. Это сильные возмущения магнитного поля Земли, вызванные вспышками на Солнце и корональными выбросами массы. Мощные потоки заряженных частиц, достигающие Земли, взаимодействуют с ее магнитосферой, вызывая резкие изменения в магнитном поле. Магнитные бури могут приводить к сбоям в работе спутников, систем связи, навигационного оборудования и электросетей.

Ответ: Возмущения геомагнитного поля (магнитные бури), вызванные повышенной солнечной активностью.

Палеомагнетизм и магнитные аномалии. При остывании и кристаллизации магматические горные породы намагничиваются по направлению магнитного поля Земли, существовавшего в тот момент. Это "записанное" поле сохраняется в породах миллионы лет. Изучение палеомагнетизма позволяет реконструировать историю геомагнитного поля, включая его инверсии (смену полюсов), и является одним из доказательств теории тектоники плит. Также существуют природные магнитные аномалии, например, Курская магнитная аномалия, вызванная огромными залежами железной руды, которые создают мощное локальное магнитное поле.

Ответ: Сохранение информации о древнем магнитном поле в горных породах и наличие локальных магнитных аномалий из-за залежей полезных ископаемых.

58.3 [н] Составьте таблицу, разделив вещества на магнитные и немагнитные: медь, чугун, никель, свинец, серебро, железо, золото, стекло, цинк, сталь, алюминий, латунь.

Решение

Для того чтобы разделить представленные вещества на магнитные и немагнитные, необходимо определить их тип взаимодействия с магнитным полем. Вещества классифицируются на основе их магнитной проницаемости.

• Магнитные вещества (ферромагнетики): это вещества, которые сильно притягиваются внешним магнитным полем. Их относительная магнитная проницаемость $μ$ намного больше единицы ($μ \gg 1$). К таким веществам из списка относятся железо, никель, а также сплавы на основе железа, такие как чугун и сталь.
• Немагнитные вещества: к этой группе условно относят парамагнетики и диамагнетики, так как их взаимодействие с магнитом в обычных условиях практически незаметно.
  • Парамагнетики — вещества, которые очень слабо притягиваются к магниту ($μ$ незначительно больше 1). Примером из списка является алюминий.
  • Диамагнетики — вещества, которые очень слабо отталкиваются от магнита ($μ$ незначительно меньше 1). К ним относятся медь, свинец, серебро, золото, стекло, цинк и латунь (сплав меди и цинка).

На основании этой классификации составим требуемую таблицу.

Ответ:

58.4 [н] Ножницы, гвозди, иголки и многие другие железосодержащие предметы со временем приобретают свойства постоянных магнитов без участия человека. Объясните причину этого явления.

Решение

Явление, при котором железосодержащие предметы со временем намагничиваются, объясняется их ферромагнитными свойствами и воздействием магнитного поля Земли.

1. Магнитные домены. Железо и его сплавы являются ферромагнетиками. Их внутренняя структура состоит из множества микроскопических областей, называемых магнитными доменами. Каждый домен представляет собой маленький постоянный магнит. В обычном, ненамагниченном состоянии, эти домены ориентированы хаотично, поэтому их магнитные поля компенсируют друг друга, и предмет в целом не проявляет магнитных свойств.

2. Магнитное поле Земли. Наша планета является гигантским магнитом и создает вокруг себя магнитное поле. Силовые линии этого поля пронизывают все предметы на поверхности Земли.

3. Намагничивание. Когда ферромагнитный предмет, например, иголка или гвоздь, длительное время находится в неподвижном состоянии в магнитном поле Земли, его магнитные домены под действием этого поля начинают переориентироваться и выстраиваться преимущественно в одном направлении — вдоль силовых линий земного поля. Этот процесс называется намагничиванием через индукцию.

4. Внешние факторы. Процесс переориентации доменов ускоряется под воздействием внешних факторов, таких как механические вибрации (удары, сотрясения) или изменения температуры. Эти воздействия сообщают доменам дополнительную энергию, помогая им преодолеть внутренние "силы трения" и легче выстроиться по направлению внешнего поля.

В результате согласованной ориентации большого числа доменов их магнитные поля складываются, и предмет приобретает собственное, хоть и слабое, магнитное поле, становясь постоянным магнитом.

Ответ: Причина этого явления заключается в том, что железосодержащие предметы являются ферромагнетиками и находятся в магнитном поле Земли. Под длительным воздействием этого поля микроскопические магнитные области (домены) внутри предмета постепенно выстраиваются в одном направлении, в результате чего предмет приобретает свойства постоянного магнита.

58.5 [н] Почему магнитная стрелка компаса может размагнититься или даже поменять местами полюса, если после её фиксации положить компас на длительное хранение без учёта направления стрелки в рабочем состоянии?

Магнитная стрелка компаса представляет собой небольшой постоянный магнит, изготовленный из ферромагнитного материала (например, специальной стали). Магнитные свойства такого материала обусловлены упорядоченной ориентацией микроскопических областей, называемых магнитными доменами. В намагниченном состоянии большинство доменов ориентированы в одном направлении, создавая общее сильное магнитное поле.

Земля сама является гигантским магнитом и создает вокруг себя магнитное поле. В рабочем (свободном) состоянии стрелка компаса выравнивается вдоль силовых линий этого поля, указывая на северный и южный магнитные полюса Земли. Это её энергетически наиболее выгодное, стабильное положение.

При длительном хранении компаса его стрелку часто фиксируют (аретируют), чтобы предохранить от повреждений тонкую ось, на которой она вращается. Если зафиксировать стрелку в произвольном положении, не совпадающем с направлением магнитного поля Земли, то на ферромагнитный материал стрелки будет непрерывно действовать внешнее магнитное поле нашей планеты.

Это постоянное, хотя и слабое, внешнее воздействие стремится переориентировать магнитные домены внутри стрелки, чтобы привести её в соответствие с полем Земли. В зависимости от того, как была зафиксирована стрелка, возможны два исхода:

1. Размагничивание. Если стрелка была зафиксирована под некоторым углом к направлению поля Земли (например, перпендикулярно), то внешнее поле будет стремиться "повернуть" домены. Со временем это может привести к их дезориентации, нарушению их упорядоченного строя. В результате собственное магнитное поле стрелки ослабеет или полностью исчезнет.
2. Смена полюсов (переполюсовка). Это более радикальный случай, который происходит, если стрелку зафиксировать в положении, строго противоположном направлению поля Земли (то есть северный полюс стрелки указывает на юг). В этой ситуации магнитное поле Земли будет действовать как перемагничивающая сила. За длительное время оно способно "заставить" домены развернуться на 180 градусов. В итоге стрелка перемагнитится в обратном направлении, и её северный и южный полюса поменяются местами.

Таким образом, неправильное хранение компаса подвергает его стрелку длительному воздействию размагничивающего или перемагничивающего поля Земли, что и приводит к описанным последствиям.

Ответ: Магнитное поле Земли, действуя в течение длительного времени на зафиксированную в неправильном положении стрелку компаса, постепенно изменяет ориентацию её магнитных доменов. Это приводит либо к их хаотическому расположению (размагничиванию), либо к полному развороту в противоположном направлении (смене полюсов).

58.6° [н]

Как перед походом проверить, достаточно ли намагничена стрелка компаса?

Чтобы проверить, достаточно ли намагничена стрелка компаса, необходимо оценить силу ее взаимодействия с магнитным полем Земли. Сильно намагниченная стрелка будет уверенно и быстро устанавливаться вдоль силовых линий поля. Слабо намагниченная стрелка будет вести себя вяло и может легко отклоняться под действием случайных факторов, что делает компас ненадежным.

Для проверки можно провести простой тест. Выполните следующие шаги:

1. Положите компас на ровную горизонтальную поверхность (например, на стол или на землю). Убедитесь, что поблизости нет металлических предметов (ключей, ножей, пряжек ремня), магнитов, работающих электронных устройств (смартфонов, часов) или линий электропередачи, так как они создают собственные магнитные поля и могут исказить результат проверки.
2. Дайте стрелке компаса полностью успокоиться. Она должна установиться в направлении «север-юг». Запомните это положение.
3. Возьмите небольшой предмет из ферромагнитного материала, например, стальную скрепку, иголку, лезвие ножа или ключ. Важно: не используйте другой магнит, так как он может размагнитить или даже перемагнитить стрелку вашего компаса.
4. Аккуратно поднесите предмет к корпусу компаса сбоку. Намагниченная стрелка должна притянуться к предмету и отклониться от своего первоначального положения.
5. Резко уберите предмет от компаса.
6. Внимательно наблюдайте за поведением стрелки.

Результаты теста:

• Стрелка достаточно намагничена, если она быстро, без лишних «рывков» и задержек, возвращается в исходное положение (указывая на север). Она может совершить несколько затухающих колебаний вокруг северного направления, прежде чем остановиться. Это нормальное поведение для исправного компаса.
• Намагниченность стрелки слабая, если она возвращается в исходное положение очень медленно, вяло, «неохотно» или вообще останавливается, не дойдя до него. Это признак того, что взаимодействие с магнитным полем Земли слишком слабое, и такому компасу в походе доверять нельзя.

Если проверка показала, что стрелка намагничена слабо, ее можно попробовать намагнитить заново с помощью сильного постоянного магнита. Однако, если вы не уверены в своих действиях, надежнее будет заменить компас на новый.

Ответ: Чтобы проверить намагниченность стрелки, нужно положить компас на ровную поверхность вдали от металлических предметов, дать стрелке успокоиться, а затем поднести к ней небольшой стальной предмет, чтобы отклонить ее. После того как предмет убран, хорошо намагниченная стрелка должна быстро и уверенно вернуться в положение «север-юг». Если стрелка возвращается медленно или не возвращается совсем, ее намагниченность недостаточна.

58.7[н] Поменяет ли своё направление стрелка компаса, если вы отправитесь с ним в Южное полушарие Земли?

Нет, стрелка компаса не поменяет своего основного направления на противоположное. По определению, тот конец магнитной стрелки компаса, который указывает на север, является её северным полюсом. Этот северный полюс стрелки притягивается к Южному магнитному полюсу Земли, который располагается вблизи географического Северного полюса нашей планеты.

Таким образом, вне зависимости от того, находится ли наблюдатель в Северном или Южном полушарии, северный полюс стрелки компаса всегда будет указывать в одном и том же направлении — в сторону Северного географического полюса Земли.

Однако стоит отметить, что изменится так называемое магнитное наклонение. В Северном полушарии магнитные силовые линии направлены под углом к поверхности Земли, как бы "входя" в неё, поэтому северный конец стрелки будет стремиться наклониться вниз. В Южном полушарии, наоборот, силовые линии "выходят" из Земли, и северный конец стрелки будет стремиться подняться вверх. Это явление может затруднить работу обычного компаса, если он не был специально сбалансирован для использования в конкретном полушарии, но это не изменит его основного горизонтального направления "север-юг".

Ответ: Нет, стрелка компаса не поменяет своего направления; её северный конец будет по-прежнему указывать на север.

58.8 [1473] Какой полюс появится у заострённого конца железного гвоздя, если к его шляпке приблизить южный полюс стального магнита?

Решение

Когда южный полюс ($S$) стального магнита приближают к шляпке железного гвоздя, в гвозде происходит явление, называемое магнитной индукцией. Железо является ферромагнетиком, и под действием внешнего магнитного поля оно само становится временным магнитом.

Согласно законам магнетизма, разноимённые полюса притягиваются, а одноимённые отталкиваются. Поэтому та часть гвоздя, которая находится ближе всего к южному полюсу магнита (то есть шляпка), намагнитится и приобретёт противоположный по знаку полюс — северный ($N$).

Поскольку гвоздь в целом становится временным магнитом (диполем), у него должен быть и второй полюс. Если шляпка стала северным полюсом ($N$), то противоположный, заострённый конец гвоздя, станет южным полюсом ($S$).

Ответ: у заострённого конца железного гвоздя появится южный полюс.

58.9 [1474] Если магнит дугообразный, то гвоздь одним концом притягивается к одному полюсу, а другим — к другому. Почему?

Решение

Это явление объясняется магнитной индукцией. Гвоздь, как правило, изготовлен из ферромагнитного материала (например, стали). Когда такой материал помещают в сильное магнитное поле, он сам становится временным магнитом.

Дугообразный, или подковообразный, магнит имеет на своих концах два полюса: северный (N) и южный (S). Когда гвоздь располагается между этими полюсами, он оказывается в магнитном поле. Под действием этого поля в гвозде происходит переориентация внутренних микроскопических магнитов (доменов).

В результате тот конец гвоздя, который находится ближе к северному полюсу (N) постоянного магнита, намагничивается и становится южным полюсом (S). Соответственно, противоположный конец гвоздя становится северным полюсом (N).

Поскольку разноименные магнитные полюса притягиваются, индуцированный южный полюс гвоздя притягивается к северному полюсу дугообразного магнита, а индуцированный северный полюс гвоздя притягивается к южному полюсу магнита. Поэтому гвоздь притягивается к магниту обоими своими концами.

Ответ: Гвоздь, помещенный в магнитное поле дугообразного магнита, намагничивается за счет явления магнитной индукции. На его концах образуются полюса, противоположные по знаку близлежащим полюсам магнита, что и вызывает притяжение обоих концов гвоздя к разным полюсам.

58.10 [1475] К одному из полюсов магнитной стрелки ученица приблизила иголку. Полюс стрелки притянулся к иголке. Может ли это служить доказательством того, что игла была намагничена?

Решение

Наблюдаемое притяжение полюса магнитной стрелки к иголке не может служить однозначным доказательством того, что иголка была предварительно намагничена. Существует две возможные причины такого притяжения:

1. Иголка была намагничена. В этом случае она сама является постоянным магнитом со своими полюсами. Если к полюсу магнитной стрелки поднесли противоположный полюс иголки (например, к северному полюсу стрелки поднесли южный полюс иголки), то они будут притягиваться.

2. Иголка не была намагничена, но сделана из ферромагнитного материала (например, из стали). Магнитная стрелка создает вокруг себя магнитное поле. Когда в это поле вносят ферромагнитный предмет (иголку), он временно намагничивается под действием этого поля. Этот эффект называется магнитной индукцией. При этом на конце иголки, который находится ближе к полюсу стрелки, индуцируется противоположный по знаку полюс. Например, у северного полюса стрелки на иголке возникнет южный полюс. Взаимодействие между исходным полюсом стрелки и наведенным (индуцированным) полюсом иголки всегда будет притяжением, независимо от того, к какому полюсу стрелки (северному или южному) поднесли иголку.

Поскольку притяжение наблюдается в обоих случаях, оно не позволяет сделать вывод о том, была ли иголка намагничена до начала эксперимента. Единственным однозначным доказательством того, что тело является постоянным магнитом, является явление отталкивания. Если бы один из концов иголки оттолкнул полюс магнитной стрелки, это бы точно указывало на то, что иголка намагничена и к стрелке поднесли одноименный полюс.

Ответ: Нет, не может. Притяжение может быть вызвано как наличием у иголки собственного магнитного поля (если она была заранее намагничена), так и явлением магнитной индукции, при котором ненамагниченная стальная иголка намагничивается в поле магнитной стрелки и всегда притягивается к ней.

58.11 [1476] Почему корпус компаса делают из меди, алюминия, пластмассы и других материалов, но не из железа?

Решение

Принцип работы компаса основан на том, что его свободно вращающаяся магнитная стрелка выстраивается вдоль силовых линий магнитного поля Земли, указывая направление на северный магнитный полюс. Для корректной работы прибора необходимо, чтобы на стрелку не действовали никакие другие магнитные поля, кроме земного.

Железо относится к классу материалов, называемых ферромагнетиками. Особенность ферромагнетиков заключается в их способности сильно намагничиваться даже в очень слабых внешних магнитных полях. Если изготовить корпус компаса из железа, то под действием магнитного поля Земли он сам превратится в магнит.

Этот намагниченный железный корпус создаст собственное локальное магнитное поле, которое в непосредственной близости от стрелки будет во много раз сильнее, чем слабое магнитное поле Земли. В результате магнитная стрелка компаса будет взаимодействовать с полем корпуса, а не с полем Земли. Она будет указывать не на север, а на какую-либо часть самого корпуса, что сделает компас полностью бесполезным.

Материалы, такие как медь, алюминий и пластмассы, не являются ферромагнетиками. Медь — диамагнетик, а алюминий — парамагнетик; их магнитные свойства проявляются чрезвычайно слабо, и они не способны заметно исказить магнитное поле Земли. Пластмассы же являются немагнитными материалами. Поэтому корпус из этих материалов не мешает магнитной стрелке правильно выполнять свою функцию.

Ответ: Корпус компаса не делают из железа, потому что железо является ферромагнетиком и способно сильно намагничиваться. Намагниченный железный корпус создал бы собственное сильное магнитное поле, которое исказило бы показания прибора, заставив стрелку указывать на корпус, а не на магнитный полюс Земли. Медь, алюминий и пластмасса являются слабомагнитными или немагнитными материалами, поэтому они не мешают правильной работе компаса.

58.12 [1477°] Перед вами два совершенно одинаковых стальных стержня. Один из них намагничен. Как определить, какой стержень намагничен, не имея в своём распоряжении никаких вспомогательных средств?

Для того чтобы определить, какой из двух одинаковых стальных стержней намагничен, а какой нет, не используя никаких вспомогательных предметов, необходимо воспользоваться ключевым свойством постоянного магнита: его магнитная сила сконцентрирована на полюсах (концах) и практически равна нулю в середине стержня (в так называемой нейтральной зоне).

Решение

Нужно провести следующий эксперимент. Обозначим стержни как А и Б.

1. Возьмём стержень А и поднесём один из его концов к середине стержня Б, располагая их перпендикулярно друг другу (в форме буквы «Т»).

2. Далее проанализируем результат их взаимодействия. Возможны два варианта:

Вариант 1: Притяжение отсутствует.
Если конец стержня А не притягивается к середине стержня Б, это означает, что стержень Б является магнитом. Мы пытаемся притянуть ненамагниченный стальной стержень А к нейтральной зоне магнита Б, где магнитное поле практически отсутствует, поэтому взаимодействия не происходит.

Вариант 2: Наблюдается притяжение.
Если конец стержня А притягивается к середине стержня Б, это означает, что стержень А является магнитом. Полюс магнита А (на его конце) обладает сильным магнитным полем, которое индуцирует магнетизм в стальном стержне Б и притягивает его в любой точке, в том числе и в середине.

Таким образом, можно сделать однозначный вывод: если при контакте конца одного стержня с серединой другого притяжение есть, то первый стержень (который держат в руках) — магнит. Если притяжения нет, то магнит — второй стержень (тот, к середине которого подносили первый).

Ответ: Необходимо поднести конец одного стержня к середине другого. Если притяжения не будет, то стержень, к середине которого подносили первый, является магнитом. Если притяжение будет, то магнитом является стержень, конец которого подносили.