Страница 185 - гдз по физике 8 класс учебник Пёрышкин

1. Какие тела называют постоянными магнитами?

1. Какие тела называют постоянными магнитами?

Постоянными магнитами называют тела, которые длительное время сохраняют намагниченность и создают вокруг себя магнитное поле без необходимости внешнего источника энергии или тока. Эта способность обусловлена свойствами материала, из которого они изготовлены.

Такие материалы называются ферромагнетиками. К ним относятся, например, железо, никель, кобальт и их сплавы, а также некоторые редкоземельные металлы (например, неодим, самарий) и их соединения. Внутренняя структура ферромагнетиков состоит из микроскопических областей, называемых магнитными доменами. В каждом домене атомы имеют одинаково направленные магнитные моменты, и домен в целом ведет себя как маленький постоянный магнит.

В обычном состоянии (не намагниченном) домены в материале ориентированы хаотично, и их магнитные поля взаимно компенсируют друг друга. Чтобы сделать из такого материала постоянный магнит, его помещают в сильное внешнее магнитное поле. Под действием этого поля домены переориентируются и выстраиваются преимущественно в одном направлении, вдоль поля.

У материалов, подходящих для постоянных магнитов (так называемых магнитотвердых материалов), это упорядоченное состояние доменов сохраняется и после того, как внешнее поле убирают. В результате тело приобретает собственную остаточную намагниченность и становится постоянным магнитом.

Примерами постоянных магнитов являются природные магниты (магнетит) и искусственно созданные, такие как полосовые или подковообразные магниты, используемые в компасах, динамиках, электродвигателях, жестких дисках и многих других устройствах.

Ответ: Постоянными магнитами называют тела, изготовленные из ферромагнитных материалов (магнитотвердых), которые способны длительное время сохранять намагниченность и создавать магнитное поле после прекращения действия внешнего намагничивающего поля.

2. Что называют магнитными полюсами магнита?

1. Постоянными магнитами называют тела, которые способны длительное время сохранять свою намагниченность после прекращения действия внешнего магнитного поля. Такие тела изготавливаются из специальных материалов, называемых ферромагнетиками (например, железо, кобальт, никель и их сплавы, а также некоторые редкоземельные элементы). Свойство сохранять намагниченность объясняется тем, что под действием внешнего поля микроскопические магнитные области внутри материала (домены) ориентируются в одном направлении, и эта ориентация сохраняется, создавая собственное макроскопическое магнитное поле тела. Ответ: Постоянные магниты — это тела из ферромагнитных материалов, способные длительное время сохранять намагниченность.

2. Магнитными полюсами магнита называют те участки на его поверхности, вблизи которых магнитное действие (притяжение или отталкивание) проявляется наиболее сильно. У любого магнита есть как минимум два полюса: северный (обозначается N, от английского North) и южный (обозначается S, от South). Эти названия исторически связаны с поведением стрелки компаса в магнитном поле Земли: один конец стрелки всегда указывает на север, а другой — на юг. Важно отметить, что разделить полюсы невозможно: если разломить магнит, каждый его обломок станет новым магнитом с собственными северным и южным полюсами. Ответ: Магнитные полюсы — это участки магнита, где его магнитное действие максимально.

3. Взаимодействие между магнитными полюсами описывается следующим правилом: одноимённые полюса отталкиваются, а разноимённые — притягиваются. Это значит, что два северных (N-N) или два южных (S-S) полюса будут отталкиваться друг от друга, в то время как северный и южный полюсы (N-S) будут притягиваться. Это силовое взаимодействие происходит на расстоянии через магнитное поле, существующее вокруг каждого магнита. Ответ: Одноимённые полюса отталкиваются, а разноимённые — притягиваются.

3. Как взаимодействуют между собой постоянные магниты?

3. Как взаимодействуют между собой постоянные магниты?
Постоянные магниты взаимодействуют друг с другом через свои магнитные поля. У каждого магнита есть два полюса: северный (обычно обозначается N или окрашивается в синий цвет) и южный (S или красный цвет). Характер взаимодействия определяется простым и фундаментальным правилом:
1. Одноименные полюса отталкиваются (северный отталкивается от северного, а южный — от южного).
2. Разноименные полюса притягиваются (северный притягивается к южному).
Сила этого взаимодействия (притяжения или отталкивания) зависит от магнитных свойств материалов и расстояния между полюсами. Чем сильнее магниты и чем меньше расстояние между ними, тем сильнее сила взаимодействия. Эта сила максимальна у полюсов и быстро ослабевает по мере удаления от них. Взаимодействие магнитов является проявлением одного из фундаментальных взаимодействий в природе — электромагнитного.
Ответ: Постоянные магниты притягиваются разноименными полюсами (северный к южному) и отталкиваются одноименными полюсами (северный от северного и южный от южного).

4. Можно ли изготовить магнит, имеющий [один полюс]?
Нет, изготовить магнит, имеющий только один полюс (например, только северный или только южный), невозможно. Такой гипотетический объект называется магнитным монополем.
Весь наш опыт и фундаментальные законы физики указывают на то, что магнитные полюса всегда существуют парами. Если взять полосовой магнит и разломить его пополам в надежде отделить северный полюс от южного, то на месте разлома у каждого из двух получившихся кусков образуется новый противоположный полюс. В итоге мы получим два новых, более коротких магнита, и у каждого из них будет свой северный и свой южный полюс. Этот процесс можно продолжать вплоть до атомарного уровня.
Причина этого кроется в природе магнетизма. Он возникает из-за движения и спина элементарных частиц, таких как электроны. Каждый атом в магнетике ведет себя как крошечный магнитный диполь, то есть имеет оба полюса. Соответственно, любой макроскопический магнит является совокупностью этих диполей, и выделить отдельный полюс невозможно.
В классической электродинамике этот факт отражен в одном из уравнений Максвелла — законе Гаусса для магнитного поля, который утверждает, что поток вектора магнитной индукции через любую замкнутую поверхность равен нулю: $ \oint_S \vec{B} \cdot d\vec{A} = 0 $. Это математически означает, что у магнитного поля нет источников и стоков, то есть не существует "магнитных зарядов" (монополей), а силовые линии магнитного поля всегда замкнуты.
Ответ: Нет, изготовить магнит, имеющий только один полюс, на основе современных знаний и технологий невозможно. Любой магнит всегда имеет пару полюсов — северный и южный.

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

4. Нет, изготовить магнит, имеющий только один полюс (так называемый магнитный монополь), на основе современных физических знаний и технологий невозможно. Это утверждение является одним из фундаментальных принципов электромагнетизма.

Основная причина заключается в природе магнетизма. Любой известный источник магнитного поля является диполем, то есть всегда имеет два полюса — северный (N) и южный (S). Если взять обычный постоянный магнит и попытаться разделить его на два отдельных полюса, разломав его пополам, то на месте разлома у каждого из получившихся кусков образуется новый противоположный полюс. В результате получатся два новых, более маленьких магнита, каждый из которых снова будет иметь и северный, и южный полюсы. Этот процесс можно продолжать вплоть до атомарного уровня, и каждый атом или даже элементарная частица (например, электрон) будет вести себя как крошечный магнитный диполь.

Линии магнитного поля всегда являются замкнутыми. Они выходят из северного полюса и входят в южный полюс снаружи магнита, а внутри него замыкаются, идя от южного полюса к северному. Существование только одного полюса означало бы, что линии поля должны где-то начинаться или заканчиваться, что противоречит наблюдаемым свойствам магнитных полей. В уравнениях Максвелла, описывающих электромагнитные явления, это выражается законом Гаусса для магнетизма: $ \nabla \cdot \vec{B} = 0 $. Эта формула математически означает отсутствие "магнитных зарядов" (монополей), которые могли бы быть источниками или стоками магнитного поля.

Хотя существование магнитных монополей предсказывается некоторыми теоретическими моделями физики элементарных частиц (например, теориями Великого объединения), на сегодняшний день ни одного такого объекта не было обнаружено экспериментально, несмотря на многочисленные поиски.

Таким образом, в рамках классической электродинамики и на практике любой магнит является как минимум диполем.

Ответ: Нет, невозможно изготовить магнит, имеющий только один полюс. Любой магнит всегда имеет как минимум два полюса — северный и южный.

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

Несмотря на внешнее сходство (наличие притяжения и отталкивания), магнитное и электрическое взаимодействия имеют фундаментальные различия. Вот несколько аргументов, подтверждающих, что взаимодействие магнитов не является электрическим:

1. Различное действие на вещества

Электрическое взаимодействие проявляется со всеми телами. Наэлектризованное тело (например, потертая о шерсть эбонитовая палочка) будет притягивать не только другие заряженные тела, но и незаряженные (диэлектрики, как кусочки бумаги, или проводники) за счет явления электрической индукции (поляризации). Магнитное же взаимодействие является избирательным. Постоянный магнит сильно взаимодействует только с ферромагнетиками (железо, никель, кобальт и их сплавы), очень слабо с пара- и диамагнетиками, и никак не взаимодействует с большинством диэлектриков (например, сухое дерево, стекло, пластик), если они не являются частью электрического контура.

Ответ: Магнитное поле действует избирательно на определенные материалы (ферромагнетики), в то время как электрическое поле действует на любые вещества.

2. Отсутствие изолированных магнитных полюсов

В электричестве существуют изолированные положительные и отрицательные заряды (например, протон и электрон). Можно создать тело с избыточным положительным или отрицательным зарядом. В магнетизме же невозможно разделить северный (N) и южный (S) полюсы. Если разрезать магнит на две части, то получатся два новых, меньших магнита, у каждого из которых снова будут и северный, и южный полюсы. Невозможно получить отдельный «магнитный заряд» (монополь). В уравнениях Максвелла это фундаментальное свойство описывается как $\nabla \cdot \mathbf{B} = 0$ (теорема Гаусса для магнитного поля), что означает отсутствие магнитных зарядов.

Ответ: В отличие от электрических зарядов, которые могут существовать отдельно, магнитные полюса всегда существуют парами (северный и южный).

3. Взаимодействие со стационарными и движущимися зарядами

Постоянный магнит (создающий статическое магнитное поле) не оказывает никакого силового воздействия на покоящийся электрический заряд. Сила со стороны магнитного поля начинает действовать на заряд, только если он движется. Эта сила называется силой Лоренца и зависит от скорости заряда: $F_Л = q(\mathbf{v} \times \mathbf{B})$. В то же время наэлектризованное тело (создающее статическое электрическое поле) действует силой на любой другой заряд, независимо от того, движется он или покоится.

Ответ: Магнитное поле действует только на движущиеся электрические заряды, а электрическое поле действует как на движущиеся, так и на покоящиеся заряды.

4. Электрическая нейтральность магнитов

Обычный постоянный магнит является электрически нейтральным телом. Суммарный электрический заряд в нем равен нулю, так как число протонов в его атомах равно числу электронов. Его магнитные свойства обусловлены не избытком или недостатком зарядов, а согласованным движением и собственными магнитными моментами (спинами) электронов в его атомах. Наэлектризованное же тело по определению обладает ненулевым суммарным электрическим зарядом.

Ответ: Постоянные магниты в целом электрически нейтральны, в отличие от наэлектризованных тел, которые имеют избыточный электрический заряд.

2*. Магнитный конструктор содержит детали треугольной формы. Экспериментируя с конструктором, ученики установили, что детали притягиваются, какими бы сторонами их друг к другу ни подносили. Как это можно объяснить?

Решение

Наблюдаемое явление, когда детали магнитного конструктора притягиваются друг к другу любыми сторонами, можно объяснить их особой внутренней конструкцией.

Каждая деталь представляет собой пластиковый корпус треугольной формы. Вдоль каждой стороны внутри корпуса размещены небольшие, но сильные постоянные магниты (обычно цилиндрической формы). Ключевым моментом является то, что эти магниты не закреплены жёстко, а могут свободно вращаться вокруг своей оси внутри специальных полостей.

Когда сторона одной детали подносится к стороне другой, магнитные поля начинают взаимодействовать. Под действием этих сил внутренние магниты в обеих деталях мгновенно разворачиваются таким образом, чтобы оказаться друг к другу разноимёнными полюсами (северный полюс к южному).

Поскольку разноимённые полюса магнитов всегда притягиваются, между деталями возникает сила притяжения. Эта самоориентация магнитов происходит автоматически, независимо от того, какими сторонами и под каким углом детали подносят друг к другу. Таким образом, отталкивание одноимённых полюсов (северный к северному или южный к южному) становится невозможным, и детали всегда сцепляются.

Ответ: Детали конструктора всегда притягиваются, потому что внутри их пластикового корпуса вдоль каждой стороны установлены постоянные магниты, которые могут свободно вращаться. При сближении деталей эти магниты автоматически разворачиваются друг к другу противоположными полюсами, что всегда приводит к возникновению силы притяжения.

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

Это явление объясняется процессом магнитной индукции. Когда металлические опилки, которые являются ферромагнетиками (например, из железа), притягиваются к полюсу магнита, каждая из них временно намагничивается.

При этом конец каждой опилки, который соприкасается с полюсом магнита, приобретает противоположную полярность. Например, если опилки притянулись к северному полюсу (N) магнита, то их концы, контактирующие с магнитом, станут южными (S).

В то же время свободные концы опилок (те, что направлены в сторону от магнита) приобретают одноимённую с полюсом магнита полярность. В нашем примере они все станут северными (N).

Поскольку одноимённые магнитные полюса отталкиваются, свободные концы опилок начинают отталкиваться друг от друга. Именно это взаимное отталкивание заставляет опилки расходиться, образуя подобие щётки или веера.

Ответ: Металлические опилки намагничиваются в поле постоянного магнита так, что их свободные концы приобретают одноимённую с полюсом магнита полярность. Так как одноимённые полюса отталкиваются, концы опилок расходятся.

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?

Прикрепленная к пробке и опущенная в воду магнитная стрелка будет вести себя как компас. Пробка будет плавать, обеспечивая стрелке возможность свободно вращаться в горизонтальной плоскости почти без трения. Земля является огромным магнитом и создает вокруг себя магнитное поле. Это поле будет действовать на магнитную стрелку с определенной силой, создавая вращающий момент. Под действием этого момента стрелка повернется и, после небольших колебаний, займет устойчивое положение, сориентировавшись вдоль линий магнитного поля Земли. Один конец стрелки (ее северный полюс, $N$) будет указывать на Северный магнитный полюс Земли (который находится вблизи географического Северного полюса), а другой конец (южный полюс, $S$) — на Южный магнитный полюс Земли.

Ответ: Магнитная стрелка на пробке сориентируется в пространстве так же, как и стрелка компаса: она повернется и установится в направлении север-юг, указывая на магнитные полюса Земли.

Что изменится в поведении стрелки?

При поднесении к плавающей стрелке постоянного магнита ее поведение изменится. Магнитное поле постоянного магнита вблизи него намного сильнее магнитного поля Земли. Поэтому именно поле постоянного магнита будет оказывать доминирующее влияние на стрелку. Взаимодействие будет подчиняться основному правилу магнетизма: противоположные полюса притягиваются, а одноименные отталкиваются.
Например, если поднести к стрелке северный полюс ($N$) постоянного магнита, он начнет притягивать южный полюс ($S$) стрелки и отталкивать ее северный полюс ($N$). В результате стрелка быстро развернется так, чтобы ее южный полюс указывал на северный полюс поднесенного магнита. Если поднести южный полюс магнита, стрелка развернется своим северным полюсом к нему. Таким образом, первоначальная ориентация стрелки по сторонам света нарушится, и она будет следовать за поднесенным магнитом.

Ответ: Стрелка перестанет ориентироваться по магнитному полю Земли и развернется в сторону поднесенного постоянного магнита. Ее ориентация будет определяться взаимодействием с сильным полем этого магнита: северный полюс стрелки будет притягиваться к южному полюсу магнита, а южный полюс стрелки — к северному полюсу магнита.