Страница 176 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин, Иванов

1. Какие тела называют постоянными магнитами?

1. Какие тела называют постоянными магнитами?

Постоянными магнитами называют тела, которые способны длительное время сохранять свою намагниченность после удаления внешнего магнитного поля. Такие тела создают в окружающем пространстве постоянное магнитное поле.

Для изготовления постоянных магнитов используются специальные материалы — ферромагнетики, которые обладают высокой остаточной намагниченностью. Примерами таких материалов являются закаленная сталь, специальные сплавы (например, альнико — сплав железа, алюминия, никеля, кобальта) и соединения редкоземельных металлов (например, неодимовые магниты, состоящие из сплава неодима, железа и бора).

Внутри ферромагнетика существуют микроскопические области (домены), в которых магнитные моменты атомов уже сонаправлены. В обычном состоянии ориентация магнитных моментов доменов хаотична, поэтому тело в целом не проявляет магнитных свойств. При помещении в сильное внешнее магнитное поле домены ориентируются преимущественно в одном направлении. В магнитотвердых материалах, из которых делают постоянные магниты, эта ориентация сохраняется и после снятия внешнего поля, что и обуславливает их постоянные магнитные свойства.

Каждый постоянный магнит имеет два полюса — северный (N) и южный (S). Одноименные полюса двух магнитов отталкиваются, а разноименные — притягиваются. Важной особенностью является то, что магнитные полюса не могут существовать по отдельности: если разрезать магнит, то каждая его часть снова станет полноценным магнитом с двумя полюсами.

Ответ: Постоянные магниты — это тела, которые длительное время сохраняют намагниченность и создают вокруг себя постоянное магнитное поле после того, как внешнее намагничивающее поле было убрано.

1. Какие тела называют постоянными магнитами?

1. Какие тела называют постоянными магнитами?

Постоянными магнитами называют тела, изготовленные из специальных материалов (ферромагнетиков), которые способны длительное время сохранять свою намагниченность и создавать вокруг себя постоянное магнитное поле после того, как внешнее намагничивающее поле было убрано. Примерами таких материалов являются железо, никель, кобальт, а также различные сплавы, например, неодим-железо-бор или альнико. Свойство сохранять намагниченность обусловлено внутренней структурой ферромагнетиков, в которых существуют микроскопические области (домены) с однонаправленными магнитными моментами атомов. Под действием сильного внешнего поля эти домены ориентируются в одном направлении, и эта упорядоченная структура сохраняется, делая тело постоянным магнитом.

Ответ: Постоянные магниты — это тела из ферромагнитных материалов, способные длительное время сохранять намагниченность и создавать вокруг себя магнитное поле.

2. Что называют магнитными полюсами магнита?

Магнитными полюсами магнита называют те его участки, в которых магнитное действие (притяжение или отталкивание) проявляется с наибольшей силой. У любого магнита, независимо от его формы и размера, есть как минимум два полюса: северный (обозначается N, от английского North) и южный (обозначается S, от английского South). Названия полюсов условны и исторически связаны с их поведением в магнитном поле Земли: свободно подвешенный магнит ориентируется так, что его северный полюс указывает на северный географический полюс Земли. Важнейшее свойство магнитных полюсов — их неразделимость. Невозможно получить магнит с одним полюсом (магнитный монополь). Если магнит разрезать пополам, то каждая из половинок станет новым, меньшим магнитом, у которого снова будут и северный, и южный полюсы.

Ответ: Магнитные полюсы — это области на концах магнита, где его магнитные свойства проявляются наиболее сильно.

3. Как взаимодействуют между собой полюсы магнита?

Взаимодействие магнитных полюсов подчиняется простому и фундаментальному правилу: одноименные полюсы отталкиваются, а разноименные — притягиваются. Это означает, что если поднести два магнита друг к другу северными полюсами (N и N) или южными полюсами (S и S), они будут отталкиваться. Если же сблизить магниты разноименными полюсами, то есть северным полюсом одного магнита к южному полюсу другого (N и S), они будут притягиваться друг к другу. Это взаимодействие происходит посредством магнитных полей, которые существуют вокруг каждого магнита. Сила этого взаимодействия зависит от силы магнитов и расстояния между полюсами.

Ответ: Одноименные полюсы магнитов (N-N, S-S) отталкиваются, а разноименные (N-S) — притягиваются.

3. Как взаимодействуют между собой постоянные магниты?

3. Как взаимодействуют между собой постоянные магниты?

Постоянные магниты взаимодействуют друг с другом посредством своих магнитных полей. У каждого магнита есть два полюса, условно называемые северным (N) и южным (S). Характер взаимодействия зависит от того, какими полюсами магниты обращены друг к другу.

Правило взаимодействия простое: одноимённые полюса отталкиваются, а разноимённые — притягиваются. Таким образом, если поднести два магнита друг к другу северными полюсами (N к N) или южными полюсами (S к S), они будут испытывать силу отталкивания. Если же поднести северный полюс одного магнита к южному полюсу другого (N к S), они будут испытывать силу притяжения. Эта сила взаимодействия является проявлением магнитного поля, которое создается каждым магнитом в окружающем пространстве, и она ослабевает с увеличением расстояния между магнитами.

Ответ: Постоянные магниты взаимодействуют таким образом, что одноимённые полюса (северный с северным, южный с южным) отталкиваются, а разноимённые (северный с южным) — притягиваются.

4. Можно ли изготовить магнит, имеющий только один полюс?

Нет, изготовить магнит, имеющий только один полюс (так называемый магнитный монополь), невозможно. Это один из фундаментальных принципов магнетизма.

Любой магнит, независимо от его формы и размера, всегда является диполем, то есть имеет два полюса — северный и южный. Если попытаться разделить магнит на две части, чтобы изолировать один полюс от другого, например, разломав стержневой магнит пополам, то на месте разлома образуются новые полюса. В результате получатся два новых, более слабых магнита, каждый из которых будет иметь свою пару северного и южного полюсов.

Это свойство объясняется на микроскопическом уровне. Магнетизм вещества обусловлен движением электронов в атомах, которые создают элементарные магнитные моменты. Эти элементарные моменты ведут себя как крошечные магнитики (диполи). В постоянном магните они ориентированы в одном направлении, создавая общее макроскопическое поле. Поскольку источник магнетизма — это движение зарядов (замкнутые токи), а не отдельные "магнитные заряды", то и изолированных полюсов существовать не может.

В классической электродинамике этот факт отражен в одном из уравнений Максвелла — законе Гаусса для магнетизма, который гласит, что поток вектора магнитной индукции через любую замкнутую поверхность равен нулю: $\oint_S \vec{B} \cdot d\vec{A} = 0$. Это означает, что магнитные силовые линии всегда замкнуты и не имеют ни начала, ни конца, в отличие от силовых линий электрического поля, которые начинаются на положительных зарядах и заканчиваются на отрицательных.

Ответ: Нет, невозможно изготовить магнит, имеющий только один полюс. При любой попытке разделить магнит на части всегда образуются новые магниты, каждый из которых будет иметь и северный, и южный полюс.

4. Можно ли изготовить магнит, имеющий только один полюс?

4. Изготовить магнит, имеющий только один полюс (так называемый магнитный монополь), согласно современным научным представлениям и всем проведенным экспериментам, невозможно. Это один из фундаментальных принципов электромагнетизма.

Любой существующий магнит, от большого промышленного до отдельного атома, всегда является диполем, то есть имеет два полюса — северный (N) и южный (S). Если взять постоянный магнит и разломить его пополам в надежде отделить северный полюс от южного, то ничего не получится. Вместо этого на месте разлома у каждой половины образуются новые полюса, и в результате получатся два новых, меньших по размеру магнита, каждый из которых снова будет иметь и северный, и южный полюс.

Причина этого кроется в самой природе магнетизма. Магнитные поля порождаются движущимися электрическими зарядами. В постоянных магнитах это микроскопические токи, создаваемые движением электронов в атомах и их собственным моментом вращения (спином). Любой контур с током создает магнитное поле, линии которого являются замкнутыми кривыми. Они выходят из северного полюса и входят в южный, замыкаясь внутри магнита. Невозможно создать такую конфигурацию токов, которая бы порождала поле с незамкнутыми линиями, начинающимися на одном полюсе и не заканчивающимися на другом.

Этот эмпирический факт отражен в одном из четырех фундаментальных уравнений электродинамики — уравнениях Максвелла. Закон Гаусса для магнитного поля гласит, что поток вектора магнитной индукции $ \vec{B} $ через любую замкнутую поверхность равен нулю: $ \oint_S \vec{B} \cdot d\vec{A} = 0 $

Это уравнение математически выражает тот факт, что в природе не существует "магнитных зарядов" (монополей), которые были бы источниками или стоками для линий магнитного поля, в отличие от электрических зарядов, на которых начинаются и заканчиваются линии электрического поля.

Ответ: Нет, изготовить магнит, имеющий только один полюс, невозможно. Любой магнит обязательно имеет два полюса.

Притяжение магнитов напоминает притяжение на расстоянии наэлектризованных тел. Приведите аргументы в пользу того, что взаимодействие магнитов не является электрическим.

Решение

Хотя на первый взгляд взаимодействие магнитов и наэлектризованных тел похоже (оба являются дальнодействующими, могут быть как притяжением, так и отталкиванием), существует несколько фундаментальных аргументов, доказывающих, что природа этих взаимодействий различна.

1. Различное действие на вещества. Наэлектризованное тело (например, стеклянная палочка, потертая о шелк) способно притягивать к себе любые легкие незаряженные предметы, будь то кусочки бумаги, пылинки или тонкая струйка воды. Это происходит из-за явления электростатической индукции (поляризации). В отличие от этого, постоянный магнит взаимодействует (заметно притягивает) только с узким классом веществ, называемых ферромагнетиками (железо, никель, кобальт и их сплавы). На большинство других материалов, таких как дерево, стекло, алюминий или бумага, магнит не оказывает видимого воздействия.

2. Взаимодействие с электрическими зарядами. Электрическое поле, создаваемое заряженным телом, действует с силой на любой другой электрический заряд, вне зависимости от того, движется он или покоится. Постоянный же магнит (если он сам электрически нейтрален) не создает силы, действующей на покоящийся электрический заряд. Магнитное поле проявляет себя, только когда заряд движется. Сила, действующая на движущийся заряд $q$ со скоростью $\vec{v}$ в магнитном поле $\vec{B}$, называется силой Лоренца и определяется как $\vec{F} = q(\vec{v} \times \vec{B})$. Из формулы видно, что если скорость равна нулю, то и сила равна нулю.

3. Невозможность разделения полюсов. В электростатике существуют два типа зарядов: положительные (+) и отрицательные (–). Их можно разделить: можно создать тело, обладающее избыточным положительным зарядом (например, удалив с него электроны) или избыточным отрицательным зарядом. У магнитов же есть два полюса — северный (N) и южный (S). Однако разделить их невозможно. Если разрезать магнит на две части, то не получится отдельно северный и отдельно южный полюс. Вместо этого образуются два новых, меньших магнита, у каждого из которых снова будут оба полюса. Отсутствие в природе магнитных зарядов (так называемых магнитных монополей) — одно из ключевых отличий магнетизма от электричества.

Ответ: Аргументы в пользу того, что взаимодействие магнитов не является электрическим, следующие:

1. Магниты взаимодействуют лишь с определенными веществами (ферромагнетиками), в то время как наэлектризованные тела притягивают любые легкие предметы.

2. Постоянный магнит не действует на покоящиеся электрические заряды, в отличие от наэлектризованного тела, которое действует на любые заряды.

3. Магнитные полюсы (северный и южный) невозможно разделить, тогда как положительные и отрицательные электрические заряды могут существовать изолированно друг от друга.

Почему металлические опилки, притянувшиеся к одному полюсу магнита, расходятся своими концами?

Металлические опилки, как правило, состоят из ферромагнетика (например, железа). Когда они попадают в магнитное поле, они временно намагничиваются. Этот эффект называется магнитной индукцией, и в результате каждая опилка сама становится маленьким магнитом со своим северным (N) и южным (S) полюсом.

Притяжение к полюсу постоянного магнита происходит потому, что конец опилки, ближайший к полюсу магнита, приобретает противоположную полярность. Например, если опилки притягиваются к северному полюсу (N) магнита, то их концы, соприкасающиеся с магнитом, становятся южными полюсами (S). Соответственно, противоположные, свободные концы этих опилок становятся северными полюсами (N).

В результате все опилки, висящие на одном полюсе магнита, имеют одинаково направленные магнитные полюса: их свободные концы имеют ту же полярность, что и полюс магнита, к которому они притянулись.

Согласно основному закону магнетизма, одноимённые полюса отталкиваются друг от друга. Поскольку все свободные концы опилок имеют одинаковую полярность (в нашем примере — северную), они испытывают силу взаимного отталкивания. Именно эта сила заставляет их расходиться веером.

Ответ: Металлические опилки намагничиваются в поле магнита, и их свободные концы приобретают одинаковую полярность. Так как одноимённые магнитные полюса отталкиваются, концы опилок расходятся друг от друга.

Прикрепите магнитную стрелку к пробке и опустите в воду. Как будет вести себя стрелка? Поднесите к стрелке постоянный магнит. Что изменится в поведении стрелки?

Как будет вести себя стрелка?

Магнитная стрелка, прикрепленная к пробке и опущенная в воду, будет вести себя как компас. Пробка, плавая на поверхности воды, позволит стрелке свободно вращаться в горизонтальной плоскости с очень малым трением. На магнитную стрелку действует магнитное поле Земли. Под его воздействием стрелка повернется и сориентируется вдоль силовых линий этого поля. Один конец стрелки (северный полюс, N) будет указывать на северный географический полюс Земли (вблизи которого находится южный магнитный полюс), а другой конец (южный полюс, S) — на южный географический полюс Земли (вблизи которого находится северный магнитный полюс). Таким образом, система "пробка-стрелка" совершит несколько колебаний и остановится, когда стрелка расположится в направлении "север-юг".

Ответ: Магнитная стрелка на пробке в воде повернется и установится в направлении "север-юг", ориентируясь по магнитному полю Земли.

Что изменится в поведении стрелки?

Когда к магнитной стрелке поднесут постоянный магнит, её поведение кардинально изменится. Магнитное поле постоянного магнита вблизи него значительно сильнее магнитного поля Земли. Поэтому стрелка перестанет ориентироваться по магнитному полю Земли и будет взаимодействовать с полем поднесенного магнита. Это взаимодействие подчиняется основному закону магнетизма: разноименные полюса притягиваются, а одноименные — отталкиваются.

Например, если к северному полюсу стрелки ($N$) поднести южный полюс постоянного магнита ($S$), они притянутся, и стрелка повернется своим северным полюсом к магниту. Если же к северному полюсу стрелки ($N$) поднести северный полюс магнита ($N$), то они оттолкнутся, и стрелка повернется к магниту своим южным полюсом ($S$). Таким образом, ориентация стрелки будет полностью зависеть от положения и ориентации полюсов поднесенного магнита, а не от магнитного поля Земли.

Ответ: При поднесении постоянного магнита стрелка перестанет указывать на север и юг и повернется, чтобы сориентироваться по полю этого магнита: ее северный полюс притянется к южному полюсу магнита, а южный полюс — к северному (и наоборот, в зависимости от того, какой полюс магнита поднесен).