Kvant. Постоянные магниты

А так ли хорошо знакомы вам постоянные магниты? // Квант. — 2010. — № 3. — C. 32-33

По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"

...прыгают в медных сосудах самофракийские кольца с
железа опилками вместе, бурно бушуя, когда под сосудом
камень магнитный.
Тит Лукреций Кар
Янтарь не притягивает к себе соломинку, когда что-либо их
разделяет, притяжение железа к магниту не испытывает
аналогичных помех.
Джероламо Кардано
... в конце концов мне удалось намагнитить и
наэлектризовать луч света и осветить магнитную силовую
линию.
Майкл Фарадей
И вот тогда я задал сам себе вопрос — а что будет, если
среда, в которой распространяется волна, будет иметь
одновременно отрицательные значения и электрической, и
магнитной проницаемости?
Виктор Веселаго
...наша хваленая современная физика — сплошное
надувательство: начали мы с магнитного железняка и янтаря,
а закончили тем, что не понимаем достаточно хорошо ни того,
ни другого. Зато в процессе изучения мы узнали огромное
количество удивительных и очень полезных для практики
вещей!
Ричард Фейнман

А как же! Взглянем вокруг — вот они на дверце холодильника в прилипших к ней игрушках, на столах в «ловушках» скрепок, булавок и кнопок, в магнитных лентах пластиковых карт или хотя бы в тех же компасах, которые вставляют уже и в школьные ранцы, и в ремешки часов. Чуть подумав, вспомним, что без магнитов не обходятся магнитофоны, микрофоны, телефоны — это нам подсказывают не успевающие за временем учебники. А чем начиняют сегодня разного рода аппаратуру? Магнитов в классическом понимании там может уже и не содержаться, но это не значит, что в устройствах, которыми мы повседневно пользуемся, перестали применять магнитные материалы. Просто они неузнаваемо изменились, порой став практически невидимыми, но главное — приобретя совершенно новые, особенные качества.

Однако в перекличке времен, возникшей в эпиграфах, пожалуй, заметно и нечто общее — неизменное повышенное внимание к этому удивительному явлению природы. Размышления о магнитах можно найти и у древних философов, и у средневековых естествоиспытателей, и у наших современников-исследователей. Когда-то в магнит умудрились вдохнуть «душу» и уподобляли его живым организмам; сегодня пытаются раскрыть загадку магнитного монополя и объяснить необычные свойства создаваемых в лабораториях магнитных материалов.

В какой-то мере этот «Калейдоскоп» — продолжение предыдущего выпуска «Нано...» И так же, как в прошлый раз, мы попробуем перекинуть мостик от, казалось бы, бесхитростных ситуаций и задач, где мы встречаемся с нашими персонажами-магнитами, к тем зачастую ошеломляющим технологическим новинкам, где они продолжают играть заметную, если не определяющую роль, меняя облик окружающего нас мира.

Вопросы и задачи

1. Может ли стальной стержень иметь на обоих концах одинаковые магнитные полюса? Может ли постоянный магнит иметь четное число магнитных полюсов? А нечетное число?
2. Два одинаковых прямолинейных магнита соединили одни раз так, как показано на рисунке а), другой раз — как показано на рисунке б). Изобразите линии индукции магнитного поля в каждом случае.

   

3. Будет ли действовать магнит на магнитную стрелку, если между ними поместить руку? А если алюминиевый лист?
4. На лист бумаги равномерно насыпают металлические опилки. Этот лист помещают в магнитное поле. Если слегка постукивать по листу, то опилки расположатся в цепочки по направлению магнитных линий. Для чего необходимо постукивать по листу? Почему опилки выстраиваются в цепочки?
5. Имеются два одинаковых стальных стержня, один из которых намагничен сильнее другого. Как найти этот стержень?
6. Полосовой магнит распилили на несколько кусков одинаковой длины. Какой из получившихся кусков окажется намагниченным сильнее: который находился ближе к концам или ближе к середине магнита?
7. Полосовой магнит разделили на две равные части и получили два магнита. Будут ли эти магниты оказывать такое же действие, как и целый магнит?
8. Зачем при хранении дугообразного магнита его концы соединяют железным бруском (якорем)?
9. Сильный дугообразный магнит способен удерживать стальной шарик. Почему шарик не удерживается на прежнем месте, если магнит замкнуть якорем?

   

10. Сильный магнит может удерживать на весу гирлянду из нескольких железных цилиндров. Что будет происходить, если снизу приближать к гирлянде такой же магнит, обращенный к верхнему одноименным полюсом? А если противоположным?
11. Три совершенно одинаковые магнитные стрелки расположены в вершинах равностороннего треугольника, сторона которого много больше длины стрелки. Стрелки могут вращаться вокруг осей, перпендикулярных плоскости треугольника. Каково положение равновесия стрелок, если всеми влияниями, а также магнитным полем Земли можно пренебречь?
12. Почему ударами молотка можно размагнитить стальной магнит, а легким постукиванием по стальному стержню можно, наоборот, способствовать его намагничиванию?
13. Отчего обыкновенные магнитные компасы вблизи полюсов Земли работают очень плохо?
14. Уравновешенные весы со стальным коромыслом располагаются вдоль земного меридиана. Сохранится ли равновесие, если коромысло намагнитить вдоль всей его длины?
15. Можно ли на Луне ориентироваться с помощью магнитного компаса?
16. Многие вещества сохраняют свои магнитные свойства и после испарения. А почему атомы железа в парообразном состоянии теряют ферромагнитные свойства?
17. Намагниченная стальная пластинка, опущенная в сосуд с соляной кислотой, растворилась. Куда девалась магнитная энергия пластинки?

Микроопыт

Возьмите большую магнитную стрелку на подставке и поднесите ее сначала к нижнему, а затем к верхнему концу школьного лабораторного штатива (варианты: к железному ведру, к железной ручке двери). Одинаково ли будет вести себя стрелка у разных концов штатива? Почему?

Любопытно, что...

...древнейшие сведения об использовании железа в качестве компаса содержатся в китайских летописях, составленных более трех тысячелетий назад. Название же «магнит», как свидетельствует древнегреческий философ Платон, ввел почти за пятьсот лет до новой эры автор знаменитых трагедий Еврипид.

...столетиями от поколения к поколению передавались фантастические небылицы о свойствах магнита. Так, связывая необычайную для неживой природы силу магнита с происками дьявола, считали, что он помогает ворам, открывая запоры и замки, что магнит ночью «спит» и потому бездействует, что влияние магнита прекратится, если натереть его чесноком, а если он потеряет свою силу, следует смочить его козлиной кровью.

...в своем фундаментальном туре «О магните.» Гильберт впервые высказал утверждение о том, что Земля — большой магнит.

...подковообразную форму придал магнитам Даниил Бернулли; связь ударов молний с перемагничиванием судовых компасов, а также влияние магнитных бурь на полярные сияния установил Доминик Араго; научную программу по изучению магнитных явлений, которой фактически следовали ученые XIX века, разработал, но, увы, не опубликовал Генри Кавендиш. ...пытаясь найти взаимосвязь между различными областями физики, Фарадей обнаружил вращение плоскости колебаний линейно поляризованного света, распространяющегося в веществе вдоль постоянного магнитного поля. Магнитооптический эффект Фарадея, реализуемый сегодня в тонких пленках, оказался незаменим при изучении свойств магнитных доменов, при проверке подлинности видео- и аудиозаписей, а также при расшифровке «черных ящиков».

...гипотеза о существовании в ферромагнетиках областей самопроизвольной намагниченности — доменов — была выдвинута французским физиком Пьером Вейссом в 1907 году и получила подтверждение 12 лет спустя в эффектном опыте. Перемагничивание доменов микронных размеров с помощью изобретенного к тому времени электронного усилителя сигналов удалось преобразовать в щелчки, слышимые по всей лаборатории. А уже в 1932 году магнитные домены наблюдались непосредственно в микроскоп.

...хотя полюса магнитов неразделимы, гипотеза о существовании магнитных монополей не противоречит теории, очень многие их свойства исследованы «на бумаге», а поиски монополей не прекращаются как в космосе, так и в земных экспериментах.

...Нобелевская премия по физике 2007 года была присуждена за разработку технологии, значительно увеличившей плотность хранения информации на жестких дисках. В ее основе — открытие гигантского магнитосопротивления в так называемых «сэндвичах», состоящих из двух слоев ферромагнитного материала, разделенных тончайшей прослойкой немагнитного материала. Этот эффект стал первым практическим применением нанотехнологии в современной электронной промышленности.

...в последние годы физикам удалось создать «суперлинзы», собирающие световые лучи в гораздо более узкий пучок, чем это разрешается законами оптической дифракции, что позволило различать точки, расположенные всего в нескольких десятках нанометров друг от друга. Метаматериалы, применяемые при изготовлении «суперлинз», имеют отрицательный показатель преломления, т.е. представляют собой «левые» оптические среды, в которых диэлектрическая постоянная и магнитная проницаемость отрицательны.

Что читать в «Кванте» о постоянных магнитах

(публикации последних лет)

1. А так ли хорошо знакомы вам токи и магниты? // Квант. — 2005. — № 1. — С. 32-33
2. «Левые среды» - 2006, Приложение №2, с.62;
3. «Движение заряда в магнитном поле» — 2007, №5, с.42;
4. «Триумф фундаментальной науки» — 2008, №4, с.4;
5. «Загадки магнитной стрелки» — 2009, №3, с.39; №5, с.34;
6. «Магнитные домены» — 2009, Приложение №4, с.44;
7. «Как управлять светом с помощью магнитного поля» — 2010, №1, с.12;
8. «Постоянные магниты. Магнитные свойства вещества» — 2010, Приложение №1, с.63.

Ответы

Вопросы и задачи

1. Да; да; нет.
2. См. рис.8.

   

   Рис. 8

3. Будет в обоих случаях.
4. Постукивать необходимо, чтобы заставить частицы двигаться, так как магнитные силы не могут преодолеть сил трения покоя. За счет намагничивания каждой частицы в продольном направлении поле около ее концов увеличивается, что создает условия для соединения частиц цепочкой.
5. По действию конца одного стержня на середину другого -один из стержней можно подвесить к динамометру или разместить на поплавке.
6. Все куски будут намагничены одинаково.
7. Нет, так как поле каждого магнита будет слабее.
8. Для того чтобы предохранить магнит от размагничивания.
9. Магнитное поле в основном будет замкнуто якорем, поэтому магнитное притяжение ослабевает, и шарик падает.
10. В первом случае по мере приближения нижнего магнита цилиндры будут один за другим отрываться от гирлянды и притягиваться к нижнему магниту. Во втором случае «прочность» гирлянды будет возрастать по мере приближения нижнего магнита. Когда второй магнит вплотную подойдет к нижнему цилиндру, он притянется к гирлянде и останется висеть на ней.
11. Стрелки расположатся параллельно противоположным сторонам треугольника - это положение устойчивого равновесия. Также стрелки могут расположиться перпендикулярно противоположным сторонам, однако это положение равновесия неустойчиво.
12. Удары по магниту нарушают правильное расположение доменов в веществе, и постоянный магнит из любого материала размагнитится. Напротив, постукивание по стальному стержню, расположенному параллельно линиям магнитного поля, даже такого слабого, как земное, способствует выстраиванию доменов вдоль поля, и стержень таким способом можно намагнитить.
13. Вблизи полюсов мала горизонтальная составляющая земного магнитного поля, и поэтому мал вращающий момент, действующий на стрелку компаса.
14. Вообще говоря, нет. В каждой точке земного шара имеется некоторое магнитное наклонение, т.е. направление магнитного поля не горизонтальное.
15. Нет. На Луне отсутствует магнитное поле.
16. Ферромагнетизм связан со свойствами довольно протяженных структур - доменов, которые могут существовать только в твердых телах.
17. Перешла во внутреннюю энергию раствора.

Микроопыт

Все железные предметы находятся в магнитном поле Земли. Под действием этого поля они намагничиваются, причем нижняя часть предмета обнаруживает северный магнитный полюс, а верхняя - южный (разумеется, в северном полушарии), что и «выдает» магнитная стрелка.