Наука - это наше понимание того, как устроен мир, и в целом мир работает нормально, понимаем мы это или нет. Возьмем , к примеру, магнетизм . Люди знают о магнитах тысячи лет и почти столько же используют их практически как компасы. Древние греки и римляне знали так же хорошо, как и мы, что магнитный камень (богатый железом минерал) может притягивать другие куски железа, в то время как древние китайцы делали магнитные компасы, вставленные в замысловатые деревянные инкрустации, для своей практики фэн-шуй (искусство тщательно обставляя комнату) за тысячи лет до того, как к нам присоединились дизайнеры интерьера. Наука иногда может медленно догонять: мы действительно узнали, как работает магнетизм, только в прошлом веке, с тех пор, как мир внутри атомов был впервые обнаружен и исследован.
Что такое магнетизм?
Игра с магнитами - одно из первых открытий для большинства детей. Это потому, что магниты просты в использовании, безопасны и забавны. Они также довольно удивительны. Помните, когда вы впервые обнаружили, что два магнита могут соединяться и склеиваться, как клей? Помните силу, когда вы держали два магнита близко и чувствовали, что они либо притягиваются (притягиваются друг к другу), либо отталкиваются (отталкиваются)? Одна из самых удивительных особенностей магнитов - это то, что они могут притягивать другие магниты (или другие магнитные материалы) «на расстоянии» невидимо, посредством того, что мы называем магнитным полем .
Древним людям магнетизм, должно быть, казался магией. Спустя тысячи лет мы понимаем, что происходит внутри магнитных материалов, как их атомная структура обуславливает их магнитные свойства и почему электричество и магнетизм на самом деле являются лишь двумя сторонами одной медали: электромагнетизмом . Когда-то ученые сказали бы, что магнетизм - это странная невидимая сила притяжения между определенными материалами; сегодня мы, скорее всего, определим это как силу, создаваемую электрическими токами (которые сами вызваны движением электронов).
ШЕСТЬ вещей, которые нужно знать о магнитах
Почти каждый знает шесть основных фактов о том, как ведут себя магниты:
1. У магнита есть два конца, называемых полюсами , один из которых называется северным полюсом , а другой -южным.
2. Северный полюс одного магнита притягивает южный полюс второго магнита, в то время как северный полюс одного магнита отталкивает северный полюс другого магнита.
3. Магнит создает вокруг себя невидимую область магнетизма, называемую магнитным полем .
4. Северный полюс магнита ориентировочно направлен к северному полюсу Земли и наоборот. Это потому, что сама Земля содержит магнитные материалы и ведет себя как гигантский магнит.
5. Если разрезать стержневой магнит пополам, вы получите два новых, меньших по размеру магнита, каждый со своим северным и южным полюсом.
6. Если вы проведете магнитом несколько раз по немагниченному куску магнитного материала (например, железному гвоздю), вы также можете превратить его в магнит. Это называется намагничиванием .
Что такое магнитное поле?
Предположим, вы поместили стержневой магнит (в форме прямоугольника, иногда с северным и южным полюсами, окрашенными в разные цвета) или подковообразный магнит (изогнутый в форме буквы U) на стол и поместили рядом железный гвоздь. Если вы медленно подтолкните магнит к гвоздю, наступит момент, когда гвоздь подпрыгнет и прилипнет к магниту. Вот что мы имеем в виду под магнитами, имеющими невидимое магнитное поле, которое распространяется вокруг них. Другой способ описать это - сказать, что магнит может «действовать на расстоянии»: он может вызывать толкающую или тянущую силу на другие объекты, которых он на самом деле не касается).
Магнитные поля могут проникать сквозь любые материалы, не только через воздух. У вас, вероятно, есть маленькие записки, прикрепленные к дверце холодильника с яркими магнитами, чтобы вы могли видеть, как магнитные поля прорезают бумагу. Возможно, вы проделали трюк, когда вы использовали магнит, чтобы взять длинную цепочку скрепок, и каждая скрепка намагничивала следующую. Этот небольшой эксперимент говорит нам, что магнитное поле может проникать сквозь магнитные материалы, такие как железо .
Чем Земля похожа на магнит?
Почему магниты указывают на север или юг? Великий английский ученый Уильям Гилберт ответил на этот вопрос в 1600 году, когда предположил, что Земля - это гигантский магнит.
Теория Гилберта была опубликована в De Magnete (О магнитах , магнитных телах и великом магните Земли), первой большой научной книге, опубликованной на английском языке (ранее научные книги всегда писались на латыни). Как и все настоящие ученые, Гилберт проверял многие свои идеи с помощью тщательных экспериментов.
Теперь мы знаем, что Земля магнитна, потому что она заполнена расплавленными породами, богатыми магнитными материалами, такими как железо. Подобно стержневому магниту, магнитное поле Земли простирается в космос в области, называемой магнитосферой , и может влиять на вещи вокруг себя. Когда энергичные частицы, приближающиеся от Солнца (так называемый солнечный ветер), взаимодействуют с магнитным полем Земли, мы получаем в небе удивительные полярные сияния ( северное сияние или северное сияние и южное сияние или aurora australis).
А как насчет других звезд и планет - у них тоже есть магнетизм? Мы знаем, что у Солнца магнитное поле в несколько раз сильнее, чем у Земли, но у Луны почти нет магнетизма. У других планет тоже есть магнитные поля. Сатурн, Юпитер, Нептун и Уран имеют поля более сильные, чем у Земли, в то время как Марс, Меркурий и Венера имеют более слабые поля. Пока не известно, есть ли у Плутона магнитное поле (но тогда астрономы все еще спорят, является ли он планетой!).
Как мы можем измерить магнетизм?
Сила поля вокруг магнита зависит от того, насколько близко вы подойдете: самое сильное оно находится рядом с магнитом и быстро спадает при удалении. (Вот почему небольшой магнит на вашем столе должен быть достаточно близко к предметам, чтобы их притягивать.) Мы измеряем силу магнитных полей в единицах, называемых гауссами и теслами (современная единица СИ, названная в честь пионера электричества Николы Тесла, 1856–1943 гг. ). Интересно отметить, что сила магнитного поля Земли очень мала - примерно в 100–1000 раз слабее, чем у обычного магнита на холодильник. На Земле гравитация, а не магнетизм - это сила, которая прижимает вас к полу. Мы бы заметили земной магнетизм гораздо больше, если бы ее гравитация не была такой сильной.
Что такое электромагнит?
Магнит Гомера Симпсона или Микки Мауса, который держит вещи в холодильнике, является постоянным магнитом : он все время сохраняет свой магнетизм. Не все магниты работают так. Вы можете сделать временный магнит , пропустив электричество через катушку проволоки, намотанную вокруг железного гвоздя (устройство, которое иногда называют соленоидом ). Включите ток, и гвоздь станет магнитом; выключите его снова, и магнетизм исчезнет. (Это основная идея дверного звонка с электрическим звуковым сигналом : вы создаете электромагнит, когда нажимаете кнопку, которая прижимает молоток к планке звукового сигнала - динь-дон!) Подобные временные магниты называются электромагнитами.- магниты работают за счет электричества - и они намекают на более глубокую связь между электричеством и магнетизмом, к которой мы скоро вернемся.
Как и постоянные магниты, временные электромагниты бывают разных размеров и силы. Вы можете сделать электромагнит достаточно мощным, чтобы снимать скрепки с помощью одной 1,5-вольтовой батареи . Используйте гораздо большее напряжение, чтобы получить больший электрический ток, и вы можете построить электромагнит, достаточно мощный, чтобы поднять автомобиль. Так работают электромагниты на свалке. Сила электромагнита зависит от двух основных факторов: величины используемого электрического тока и количества раз наматываемого провода. Увеличьте один или оба из них, и вы получите более мощный электромагнит.
Магнетизм и электричество: теория электромагнетизма
Электромагниты показывают, что с помощью электричества можно создать магнетизм. Фактически, как европейские ученые обнаружили в 19 веке, электричество всегда создает магнетизм, когда оно движется или изменяется. Каждый раз, когда электрический ток течет по проводу, вокруг него создается магнитное поле. Короче говоря, изменение электричества производит магнетизм.
Верно и обратное: вы можете производить электричество, используя изменяющийся образец магнетизма. Это хорошо, иначе вы бы сейчас не читали эти слова. Практически все электричество, которое мы используем (за исключением электричества, производимого солнечными батареями ), производится с помощью устройств, называемых генераторами . В них используются мощные магниты и катушки из проволоки для выработки электричества с помощью турбин , устройств, улавливающих кинетическую энергию текучих сред, проходящих мимо них (обычно ветра , воды или пара, получаемого из угля, нефти или ядерной энергии ).
Как получить электричество из магнетизма? Проще говоря, вы кладете металлический провод рядом с магнитом (так, чтобы провод находился внутри магнитного поля). Переместите провод или переместите магнит так, чтобы магнитное поле внутри провода колебалось, и электричество проходило через провод. Продолжайте перемещать провод или магнит, и вы будете постоянно производить электричество.
Из этого видно, что электричество и магнетизм - партнеры. Где бы вы ни нашли одно, другое всегда рядом. Первым, кто правильно объяснил это, в середине XIX века был блестящий шотландский физик по имени Джеймс Клерк Максвелл. Его теория суммировала все, что тогда было известно об электричестве и магнетизме, в четырех относительно простых математических формулах. Уравнения Максвелла , как мы их теперь называем, объединили электричество и магнетизм в единую мощную теорию, которую мы называем электромагнетизмом . Теперь мы знаем, что электромагнетизм - одна из четырех фундаментальных сил, которые контролируют все, что происходит в нашей Вселенной - и это действительно мощная идея!
Для чего мы используем магниты?
Может быть, вы думаете, что магниты интересны; может ты думаешь, что они скучные! Какая польза от них, спросите вы, кроме детских фокусов и свалок?
Вы можете быть удивлены, насколько много вещей вокруг вас работают за счет магнетизма или электромагнетизма. Каждый электроприбор с электродвигателем (от электрической зубной щетки до газонокосилки) использует магниты для превращения электричества в движение. Двигатели используют электричество для создания временного магнетизма в катушках проводов. Создаваемое таким образом магнитное поле толкает фиксированное поле постоянного магнита, вращая внутреннюю часть двигателя с высокой скоростью. Вы можете использовать это вращательное движение для управления всеми видами машин.
В холодильнике есть магниты, удерживающие дверь закрытой. Магниты считывают и записывают данные (цифровую информацию) на жесткий диск вашего компьютера и на кассеты в старых личных стереосистемах. Больше магнитов в ваших Hi-Fi динамиках или наушниках помогает превратить сохраненную музыку в звуки, которые вы можете слышать.
Какие материалы магнитные?
Железо - король магнитных материалов - металл, о котором мы все думаем, когда думаем о магнитах. Большинство других распространенных металлов (таких как медь , золото, серебро и алюминий ) на первый взгляд немагнитны, и большинство неметаллов (включая бумагу , дерево , пластик , бетон , стекло и текстиль, например хлопок и шерсть) также немагнитны. Но железо - не единственный магнитный металл. Никель, кобальт и элементы, которые принадлежат к части Периодической таблицы (упорядоченная структура, которую химики используют для описания всех известных химических элементов), известные как редкоземельные металлы (особенно самарий и неодим), также являются хорошими магнитами. Некоторые из лучших магнитов сплавы (смеси) этих элементов друг с другом и с другими элементами. Ферриты (соединения железа, кислорода и других элементов) также делают превосходные магниты. Магнитный камень (который также называют магнетитом) - это пример феррита, который обычно встречается внутри Земли (его химическая формула FeO · Fe 2 O 3 ).
Такие материалы, как железо, превращаются в хорошие временные магниты, когда вы подносите к ним магнит, но, как правило, теряют часть или весь свой магнетизм, когда вы снова убираете магнит. Мы говорим , эти материалы являются магнитно - мягкими . Напротив, сплавы железа и редкоземельных металлов сохраняют большую часть своего магнетизма, даже когда вы удаляете их из магнитного поля, поэтому из них получаются хорошие постоянные магниты. Мы называем эти материалы магнитно трудно .
Верно ли говорить, что все материалы либо магнитные, либо немагнитные? Раньше люди думали так, но теперь ученые знают, что материалы, которые мы считаем немагнитными, тоже подвержены магнетизму, хотя и очень слабо. Степень намагничивания материала называется его восприимчивостью .
Как разные материалы реагируют на магнетизм
У ученых есть несколько разных слов, чтобы описать поведение материалов, когда вы помещаете их рядом с магнитом (что является другим способом сказать, когда вы помещаете их в магнитное поле). Вообще говоря, мы можем разделить все материалы на два типа, которые называются парамагнитными и диамагнитными, в то время как некоторые из парамагнитных материалов также являются ферромагнитными. Важно понимать, что на самом деле означают эти запутанные слова ...
Парамагнитный
Сделайте образец магнитного материала и повесьте его на нити, чтобы он болтался в магнитном поле, и он намагничивался и выстраивался так, чтобы его магнетизм был параллелен полю. Как известно людям тысячи лет, именно так стрелка компаса ведет себя в магнитном поле Земли. Материалы, которые ведут себя таким образом, называются парамагнитными. Такие металлы, как алюминий и большинство неметаллов (которые, как вы могли подумать, вовсе не магнитные), на самом деле парамагнитны, но настолько слабы, что мы этого не замечаем. Парамагнетизм зависит от температуры: чем горячее материал, тем меньше вероятность воздействия на него близлежащих магнитов.
Ферромагнетик
Некоторые парамагнитные материалы, особенно железо и редкоземельные металлы, сильно намагничиваются в поле и обычно остаются намагниченными даже при снятии поля. Мы говорим, что такие материалы являются ферромагнитными, что на самом деле просто означает, что они «магнитные, как железо». Однако ферромагнитный материал все равно потеряет свой магнетизм, если вы нагреете его выше определенной точки, известной как температура Кюри . Железо имеет температуру Кюри 770 ° C (1300 ° F), а для никеля температура Кюри составляет ~ 355 ° C (~ 670 ° F). Если нагреть железный магнит до 800 ° C (~ 1500 ° F), он перестанет быть магнитом. Вы также можете разрушить или ослабить ферромагнетизм, если несколько раз ударяете магнитом.
Диамагнитный
Мы можем думать о парамагнитных и ферромагнитных материалах как о «поклонниках» магнетизма: в некотором смысле они «любят» магнетизм и положительно реагируют на него, позволяя себе намагничиваться. Не все материалы отзываются с таким энтузиазмом. Если вы повесите какие-то материалы в магнитных полях, они будут сильно раздражаться внутри и сопротивляться: они превращаются во временные магниты, чтобы противостоять намагничиванию и слабо отражать магнитные поля снаружи себя. Мы называем эти материалы диамагнитными. Так ведут себя вода и многие органические (углеродные) вещества, например бензол. Привяжите диамагнитный материал к нити и повесьте его в магнитном поле, и он повернется так, чтобы образовать угол 180 ° к полю.
Краткая история магнетизма
· Древний мир: магнетизм известен древним грекам, римлянам и китайцам. Китайцы используют геомантические компасы (с деревянными надписями, расположенными кольцами вокруг центральной магнитной стрелки) в фен-шуй. Магниты получили свое название от Манисы в Турции, места, которое когда-то называлось Магнезия, где магнитный магнит был найден в земле.
· 13 век: магнитные компасы впервые стали использоваться для навигации в западных странах. Француз Петрус Перигрин (также известный как Петр Марикуртский) проводит первые надлежащие исследования магнетизма.
· XVII век: английский врач и ученый Уильям Гилберт (1544–1603) публикует « О магнитах» , свое монументальное научное исследование магнетизма, и предлагает, чтобы Земля была гигантским магнитом.
· XVIII век: англичанин Джон Мичелл (1724–93) и француз Шарль Огюстен де Кулон (1736–1806) изучают силы, которые могут проявлять магниты. Кулон также проводит важные исследования электричества, но не может связать электричество и магнетизм как части одного и того же основного явления.
· XIX век: датчанин Ганс Кристиан Эрстед (1777–1851), французы Андре-Мари Ампер (1775–1836) и Доминик Араго (1786–1853) и англичанин Майкл Фарадей (1791–1867) исследуют тесную связь между электричеством и магнетизмом. Джеймс Клерк Максвелл (1831–1879) публикует относительно полное объяснение электричества и магнетизма (теория электромагнетизма) и предполагает, что электромагнитная энергия распространяется волнами (открывая путь для изобретения радио ). Пьер Кюри (1859–1906) демонстрирует, что материалы теряют свой магнетизм выше определенной температуры (теперь известной как температура Кюри). Вильгельм Вебер (1804–1891) разрабатывает практические методы обнаружения и измерения напряженности магнитного поля.
· XX век: Поль Ланжевен (1872–1946) развивает работу Кюри с теорией, объясняющей, как на магнетизм влияет тепло. Французский физик Пьер Вайс (1865–1940) предполагает, что существуют частицы, называемые магнетронами, эквивалентные электронам, которые определяют магнитные свойства материалов, и излагает теорию магнитных доменов. Два американских ученых, Самуэль Абрахам Гоудсмит (1902–78) и Джордж Юджин Уленбек (1900–88), показывают, как магнитные свойства материалов являются результатом вращательного движения электронов внутри них.
Подписывайтесь на канал ! Будет много интересного!