Opracowanie: mgr Zofia Gołębska Magnetyzm

Co to jest magnes? Już w starożytności wiedziano, że pewna ruda żelaza Fe3O4 przyciąga żelazo. Ruda ta obecnie nosi nazwę Magnetytu. Magnesy naturalne to rudy magnetyczne, natomiast magnesy sztuczne otrzymujemy w najprostszym wypadku przez pocieranie w specjalny sposób przedmiotów stalowych magnesem naturalnym. Magnesem może być każdy metal posiadający właściwości ferromagnetyczne, np. żelazo, kobalt, nikiel i wiele stopów (stal). Ferrum od łacińskiego słowa-żelazo. W ferromagnetykach występują obszary stałego namagnesowania, tzw domeny ferromagnetyczne. Obszary te można obserwować pod mikroskopem. Są to niewielkie kryształy stale wytwarzające wokół siebie pola magnetyczne. Domeny ferromagnetyczne istnieją zawsze w ferromagnetyku, jeśli tylko temperatura jest niższa od tzw. Punktu Curie. .

Punkt Curie dla żelaza wynosi 1043K Punkt Curie dla żelaza wynosi 1043K. Każdy ferromagnetyk składa się z wielkiej ilości domen ferromagnetycznych. Gdy bieguny magnetyczne domen są rozłożone chaotycznie, wówczas wokół sztabki wykonanej z ferromagnetyka nie występuje pole magnetyczne (są nienamagnesowane). Wystarczy jednak częściowe lub całkowite uporządkowanie domen, aby wokół sztabki wystąpiło pole magnetyczne. Otrzymujemy wtedy magnes. Magnesować możemy różnymi sposobami. Jeżeli posiadamy magnes trwały, wystarczy przesuwać nim wzdłuż sztabki z ferromagnetyka. Na skutek działania sił magnetycznych między biegunami magnesu i biegunami domen, domeny obracają się. W praktyce wytwarza się magnesy za pomocą obwodów elektrycznych. Przedmioty, które chcemy namagnesować, umieszcza się wewnątrz zwojnicy, przez którą przepuszcza się prąd elektryczny.

BIEGUN POŁUDNIOWY BIEGUN PÓŁNOCNY Jeżeli magnes naturalny lub sztuczny zanurzymy w opiłkach stalowych zauważymy, że zdolność przyciągania magnesu koncentruje się w dwóch przeciwległych końcach, natomiast środkowa część magnesu nie objawia żadnego działania. Końce magnesu nazywamy biegunami magnesu. BIEGUN POŁUDNIOWY BIEGUN PÓŁNOCNY

BIEGUN PÓŁNOCNY to biegun swobodnie zawieszonego magnesu, który zwraca się ku północy, natomiast BIEGUN POŁUDNIOWY to biegun zwrócony na południe. W kompasie, który służy do orientacji w terenie, igła magnetyczna osadzona jest na ostrzu i ustawiona swobodnie wskazuje północ zacienionym ostrzem. KOMPAS

Magnes sztabkowy zanurzamy w pojemniczku z opiłkami stalowymi. DOŚWIADCZENIE 1 Magnes sztabkowy zanurzamy w pojemniczku z opiłkami stalowymi. Obserwacje: BIEGUNY MAGNESU PRZYCIĄGAJĄ OPIŁKI. ŚRODKOWA CZĘŚĆ MAGNESU NIE OBJAWIA ŻADNEGO DZIAŁANIA.

DOŚWIADCZENIE 2 Zawieszamy magnes na nici. Do północnego bieguna tego magnesu zbliżamy drugi magnes biegunem południowym. Czynność powtarzamy zbliżając biegun północny do północnego. NA PODSTAWIE DOŚWIADCZENIA STWIERDZAMY, IŻ BIEGUNY JEDNOIMIENNE MAGNESU SIĘ ODPYCHAJĄ, A RÓŻNOIMIENNE PRZYCIĄGAJĄ.

ILUSTRACJA DOŚWIADCZENIA

Magnetyzm trwały i nietrwały Stal twarda po namagnesowaniu zachowuje właściwości magnetyczne bardzo długo. Można ją szybko odmagnesować jedynie przez gwałtowne wstrząsy (np. uderzenie młotem), albo silne ogrzewanie. Pocierając sztabkę stalową magnesem stwierdzamy, że po każdym jego przesunięciu, sztabka staje się coraz silniejszym magnesem. Stal miękka nie można namagnesować trwale, mimo to wykazuje ona pewne właściwości magnetyczne.

DOŚWIADCZENIE 3 Do magnesu sztabkowego przyczepiamy szpilki, jedna do drugiej. Następnie pierwszą odrywamy od bieguna. Obserwujemy co dzieje się z następnymi szpilkami. Po oderwaniu pierwszej szpilki od bieguna magnesu, wszystkie rozpadają się tracąc jednocześnie swoje zdolności magnetyczne. WNIOSEK: Stali miękkiej nie można namagnesować trwale.

Doświadczenie 4 Łamiemy magnes sztabkowy na dwie części ( w połowie), próbując oddzielić ich bieguny i sprawdzamy właściwości obu części. Po złamaniu otrzymaliśmy dwa magnesy, każdy z dwoma biegunami. WNIOSEK: Bieguny magnesu nie dają się oddzielić jeden od drugiego.

Pole magnetyczne Polem magnetycznym nazywamy przestrzeń otaczającą magnes, w której występuje działanie sił magnetycznych. Linie sił pola magnetycznego są zawsze liniami zamkniętymi. Możemy to uwidocznić wykorzystując opiłki stalowe, które magnesują się i łączą w łańcuch wyznaczające linie lub igiełki magnetyczne.

Doświadczenie 5 - ukazanie linii sił pola magnesu za pomocą igiełek magnetycznych. Umieszczamy igiełki magnetyczne w przestrzeni otaczającej magnes. OBSERWACJE: Każda igła magnetyczna ustawia się wzdłuż linii sił pola, które w jedną stronę przyciąga biegun N każdej igły i odpycha w drugą stronę biegun S. WNIOSEK: Zwrot północnego bieguna igiełek wyznacza zwrot linii sił pola.

Graficzny obraz linii sił wokół magnesu sztabkowego z doświadczenia nr 5.

Doświadczenie 6 - obserwacja linii sił pól magnetycznych różnych magnesów linie sił w polu magnetycznym magnesu sztabkowego linie sił w polu magnetycznym magnesu podkowy linie sił w polu magnetycznym dwóch biegunów różnoimiennych linie sił w polu magnetycznym dwóch biegunów jednoimiennych

Linie sił w polu magnetycznym magnesu sztabkowego. Linie sił pola wokół magnesu podkowy.

Pole magnetyczne wokół przewodnika z prądem W 1820r. Duński uczony Oersted stwierdził, że prąd elektryczny powoduje wychylenie igły magnetycznej. REGUŁA PRAWAEJ DŁONI OERSTEDA Jeżeli prawa dłoń zwrócona jest stroną wewnętrzną do przewodnika, pod którym umieszczona jest igła magnetyczna, a palce wskazują kierunek przepływu prądu, to północny biegun magnesu odchyli się w kierunku wskazanym przez odchylony kciuk.

DOŚWIADCZENIE OERSTEDA Na płycie z otworami ustawiamy dwa wsporniki, a między nimi rozpinamy odcinek przewodnika. Pod przewodnikiem ustawiamy kilka igiełek magnetycznych. Łączymy przewodnik ze źródłem prądu. Obserwujemy zachowanie się igiełek magnetycznych, sprawdzając jednocześnie regułę prawej dłoni. Następnie zmieniamy kierunek przepływu prądu. Gdy włączamy prąd, igły odchylają się od normalnego położenia północ-południe. Po zmianie kierunku przepływu prądu, igły wychyliły się w kierunku przeciwnym do poprzedniego.

WNIOSEK: Prąd elektryczny powoduje wychylenie igły magnetycznej, kierunek wychylenia igły zależy od kierunku prądu. Przewodnik z prądem zachowuje się jak magnes. Przesuwając igłę stale w kierunku, jaki ona wskazuje, zakreślimy linie sił pola magnetycznego. Linie pola wytworzonego przez przewodnik prostoliniowy tworzą koła współśrodkowe otaczające przewodnik.

DOŚWIADCZENIE 7 WYZNACZANIE LINII SIŁ P. M DOŚWIADCZENIE 7 WYZNACZANIE LINII SIŁ P.M. KOŁOWEGO PRZEWODNIKA Z PRĄDEM. Na statywie mocujemy przewodnik kołowy, następnie podłączamy go do źródła napięcia. Wokół przewodnika rozsypujemy opiłki żelaza i obserwujemy ich ułożenie (kształt linii).

DOŚWIADCZENIE 8 - pole magnetyczne zwojnicy. Na płycie, za pomocą przewodnika, modelujemy zwojnicę składającą się z kilku zwojów. W środku ustawiamy kilka igiełek magnetycznych. Również na zewnątrz zwojów umieszczamy w różnych miejscach igiełki. Końce przewodnika łączymy ze źródłem napięcia i obserwujemy zachowanie się igiełek. Wewnątrz zwojnicy igiełki ustawiają się w linii prostej wyznaczając bieguny magnetyczne zwojnicy. Jeżeli zmienimy kierunek prądu w zwojnicy, igiełki obrócą się o 180o.

Wewnątrz zwojnicy i przy jej końcach, czyli biegunach, siły pola osiągają największe wartości. Na zewnątrz zwojnicy linie mają kształty jak linie pola magnesu sztabkowego. W miarę oddalania się od biegunów, pole magnetyczne słabnie. Kształt linii pola magnetycznego cewki można zaobserwować poprzez rozsypanie opiłków żelaza wokół zwojnicy.

WZBUDZANIE PRĄDU INDUKCYJNEGO Zwojnicę o dużej liczbie zwojów łączymy z amperomierzem. Następnie do wnętrza cewki wsuwamy energicznymi ruchami magnes. Stwierdziliśmy, że wskazówka miernika wychyliła się, co świadczy o tym, że w obwodzie przepłynął prąd, który trwał tak długo, jak długo magnes był w ruchu. Szybkie wysunięcie magnesu z cewki powoduje wychylenie wskazówki w stronę przeciwną.

Prąd wzbudzony przez zmianę pola magnetycznego nazywamy PRĄDEM INDUKCYJNYM. Zmiana położenia biegunów magnesu względem przewodnika spełnia taką samą rolę, jak źródło napięcia.