Kvant. Магнитная стрелка 2
Леенсон И. Загадки магнитной стрелки 2 //Квант. — 2009. — № 5. — С. 34-36.
По специальной договоренности с редколлегией и редакцией журнала "Квант"
Впервой части статьи рассказывалось о четырех простых загадках магнитной стрелки. А теперь - более трудные загадки.
Загадка пятая. Возьмите компас, освободите стрелку от зажима (он нужен для того, чтобы стрелка попусту не болталась и не стирала ось) и поднесите компас к массивному предмету из чугуна, например к батарее отопления. Вы увидите, что к верхней части батареи стрелка будет обращена синим концом, а к нижней части - красным. Как это объяснить?
Этот опыт вполне можно показывать как фокус, причем вряд ли кто из присутствующих сразу сможет его разгадать. И чем севернее вы живете, тем более четко будет проявляться этот эффект.
Много лет назад одна из газет напечатала любопытную статью о том, как проходят вступительные экзамены в Московский физико-технический институт. Самым интересным оказался вопрос, который задали не экзаменаторы, а одна из поступающих (и такое случается).
Загадка шестая. Девушка проделала дома опыт, результат которого показался ей странным: большая консервная банка отрывала от сильного магнита притянутую им железную кнопку. В чем тут дело?
Это и в самом деле загадка. Консервные банки делают из жести, которая не намагничивается. А если она и «передает» действие постоянного магнита, с которым соприкасается, то уж, конечно, не может стать «сильнее» его и перетянуть кнопку на свою сторону. Но опыт показывает, что может!
Давайте проверим. Все, что нам потребуется, это достаточно сильный подковообразный магнит и два бруска из немагнитного железа (вернее, из малоуглеродистой стали, так как из чистого железа почти ничего не делают). С такими брусками удобнее ставить опыты, чем с кнопкой и консервной банкой. Один брусок должен быть небольшим - например, подойдет обыкновенный болт, который заменит кнопку, другой - массивным, он заменит банку.
Сначала убедимся, что ни болт, ни брусок не являются магнитами (вернее, не обладают остаточным магнетизмом, т.е. не могут сохранять намагниченность). Поднесем их поочередно на несколько секунд к постоянному магниту, а затем - к железным опилкам (их можно заменить мелкими немагнитными гвоздиками, канцелярскими скрепками и т.п.). Опилки не должны притягиваться ни к болту, ни к бруску.
Теперь расположим немагнитный брусок вертикально, поставим на него болт и сверху поднесем магнит. При этом между нижним бруском и болтом тоже обнаружится притяжение - болт передает магнитное действие магнита. А дальше (внимание!) начинается самое интересное. Как вы думаете, что будет, если, придерживая брусок на месте, прикоснуться магнитом к болту, а затем потянуть магнит вверх? Ответ как будто очевиден: магнит оторвет болт от бруска. Ничего подобного - не оторвет, болт останется на месте. Странный результат... Может быть, болт слишком тяжел? Но тогда почему магнит легко поднимает его, когда снизу нет бруска?
Немного изменим опыт, для чего будет удобнее использовать магнит не в виде подковы, а прямой (полосовой): расположим магнит снизу, на него поставим болт, а сверху -брусок. Придерживая магнит, потянем немагнитный брусок вверх. Невероятно - болт отрывается от магнита и висит на бруске! И чем сильнее постоянный магнит (и массивнее расположенный сверху брусок), тем выше можно поднять брусок с притянутым к нему болтом.
Абитуриентка была права: железо стало более сильным магнитом, чем постоянный магнит (с которым, кстати, оно даже не соприкасалось). Как же такое возможно?
Но сейчас настала пора разгадать тайну батареи отопления. Очевидно, что батарея намагничена, хотя и очень слабо - не удержит даже легкую скрепку. И намагнитить ее мог только один магнит - это сама Земля. Почему же южный магнитный полюс оказался у батареи вверху, а северный -внизу? (А вот в южном полушарии, например в Австралии, все будет наоборот.)
Разгадку дает простой эксперимент. Если хорошо намагниченную длинную спицу подвесить точно в центре тяжести (а это не так просто, поэтому лучше подвесить ненамагниченную спицу, а уже потом ее намагнитить), то можно заметить, что один ее конец норовит «клюнуть» вниз, а другой «задирает хвост». Чем ближе к северу, тем заметнее наклон спицы, а на экваторе наклон не наблюдается вовсе. Это явление, в отличие от магнитного склонения, назвали магнитным наклонением. Его можно обнаружить и с помощью компаса, но необычного: стрелка компаса должна быть насажена не на вертикальную, а на горизонтальную ось (такой прибор называется инклинатором, от латинского mclmare - наклонять). Если же свободно подвешенную магнитную стрелку держать точно над магнитным полюсом (или неподалеку от него), то она расположится вертикально и будет смотреть вниз.
Зная о том, что существует магнитное наклонение, легко понять, как именно намагнитилась батарея под действием «косого» магнитного поля Земли и почему верхняя и нижняя ее части представляют собой южный и северный полюсы постоянного, хотя и слабенького, магнита. (Понятно также, что в южном полушарии намагниченность будет противоположной.)
Если с помощью сильного постоянного магнита перемагнитить спицу, она, конечно, развернется в другую сторону. При этом тот ее конец, который был наклонен вниз, будет теперь приподнят. На севере Канады, например, наклон спицы будет очень сильным. А вот у стрелки обычного компаса магнитное наклонение практически не заметно - этому препятствует способ крепления стрелки на оси. Кроме того, эта стрелка слишком маленькая.
Теперь постараемся объяснить «фокус» с болтом, который отрывается от магнита.
Магнитные свойства вещества связаны с магнитными свойствами его атомов. У некоторых металлов (их называют ферромагнитными, от латинского названия железа - Ferrum) отдельные атомы-магнитики стремятся ориентироваться так, чтобы их одноименные полюса были направлены в одну сторону. Таким свойством при комнатной температуре обладают лишь железо, кобальт, никель и редкий металл гадолиний. Однако одинаковая магнитная ориентация атомов имеет место только в очень ограниченных областях металла, называемых доменами. Размеры этих мельчайших магнитиков-доменов составляют примерно 0,01-0,1 мм. Если отшлифовать поверхность магнита и посыпать ее магнитным порошком, его частицы расположатся в основном по границам доменов, четко обозначив их контуры.
У куска чистого железа в целом нет собственного магнетизма, потому что «стрелки» разных доменов направлены в разные стороны и уничтожают действие друг друга. Поднесем теперь к куску железа магнит. Под его влиянием «стрелки» всех микромагнитиков, как по команде, повернутся в одну сторону. Исследования под микроскопом показали, что происходит это явление довольно любопытным образом: домены, которые случайно оказались «правильно» ориентированными, увеличиваются в размерах. Они присоединяют к себе, как бы «поедают», соседние домены, у которых направление собственной намагниченности оказалось «неправильным» относительно поднесенного магнита. В результате железо намагничивается. Максимальная намагниченность достигается, когда магнитные моменты всех доменов ориентированы в одну сторону - для этого нужен очень сильный внешний магнит.
Посмотрим, что произойдет, если убрать магнит. Если бы вместо чистого железа была стальная иголка, она так бы и осталась намагниченной: доменам в закаленной стали не очень просто выстроиться в одном направлении, но так же трудно и принять прежнюю ориентацию. Именно это свойство используют для создания постоянных магнитов. В них нужно ориентировать как можно больше доменов в одном направлении, но так, чтобы они потом сами собой не размагничивались (размагничивание происходит при сильных ударах и при нагреве до высокой температуры).
Понятно, что раз даже один атом магнита имеет северный и южный полюса, то невозможно изготовить магнит только с одним полюсом. Тем не менее, продолжаются, хотя пока и безуспешно, экспериментальные поиски мельчайших «магнитных монополей», у которых есть только один полюс (по аналогии с тем, что электрические заряды можно разделить на положительные и отрицательные).
Первые постоянные магниты, которые изготовли-вали еще в XIX веке, делали из углеродистой, а затем из вольфрамовой стали. Магнит считался хорошим, если он мог удержать груз, масса которого равна его собственной. С середины 30-х годов XX века начали применять сплавы, которые по магнитным свойствам превосходили сталь в десять и более раз. Это были сплавы железа с никелем, алюминием, кобальтом, медью. В 1952 году появился сплав платины с кобальтом, магнитная энергия которого была еще выше. В 1969 году началось промышленное производство магнитов, способных удерживать груз, масса которого уже в сотни раз превышала их собственную. Такие магниты были сделаны из сплавов, содержащих редкие металлы - церий, празеодим, самарий. Сравнительно небольшой магнит из сплава самария с кобальтом, умещающийся на ладони, способен удержать небольшой автомобиль вместе с пассажирами. Секрет такого сплава в том, что он состоит из очень мелких сильно намагниченных частиц вытянутой формы, которые как бы вкраплены в слабомагнитное вещество. При изготовлении магнита эти частицы ориентируются в сильном магнитном поле преимущественно в одном направлении и дальше свою ориентацию не теряют, даже когда внешнее магнитное поле убирают.
В чистом железе, его называют «мягким», или в низкоуглеродистой стали, например в обычном гвозде, магнитные стрелки доменов переориентируются очень легко. Поэтому намагниченное железо даже не надо сильно нагревать или подвергать резким ударам - оно размагничивается само по себе, и довольно быстро. Но это же свойство доменов приводит к тому, что в сильном внешнем магнитном поле они почти все принимают одну ориентацию, и железо становится сильнейшим магнитом. Вот почему в нашем опыте достаточно массивный железный брусок стал более сильным магнитом, чем породивший его постоянный магнит.
Подобным свойством мягкого железа пользуются при изготовлении электромагнитов: довольно слабое магнитное поле катушки с током (соленоида) значительно усиливается, когда внутрь катушки вводят сердечник из мягкого железа. Из такого же железа делаются и сердечники трансформаторов - ведь они должны быстро перемагничиваться, когда по обмоткам катушек течет переменный ток. Интересно, что мягкое железо за доли секунды размагничивается почти полностью. Это легко проверить в нашем втором опыте: отведите магнит в сторону - и болт сразу же упадет.
В заключение статьи - две простые экспериментальные задачи на смекалку.
Задача 1. В школьном физическом кабинете имеется большой полосовой магнит, полюса которого когда-то были окрашены в синий и красный цвета, и точно такая же по размеру ненамагниченная полоска железа. Со временем вся краска с магнита сошла, так что его стало невозможно отличить от немагнитной полоски. Как определить, какая из полосок магнитная, если нет никаких других железных предметов? Задача 2. После того как определили, какая полоска -магнит, полюса этого магнита захотели заново окрасить синей и красной краской. Как узнать, какой конец этой полоски нужно окрасить в синий цвет, а какой - в красный? Рассмотрите два случая - когда у вас есть компас и когда его нет.
Ответы:
Задачи 1. Концом одной из полосок надо прикоснуться к разным местам второй полоски. Если первая полоска - магнит, она будет притягивать вторую в любом месте. Если же первая полоска немагнитная, она будет с наибольшей силой притягиваться к концам второй полоски, с меньшей силой -ближе к ее центру и совсем не будет притягиваться точно в центре (где северный и южный полюса магнита как бы уничтожают друг друга).
Задачи 2. Если есть компас, то магнитную полоску, которая является магнитом, нужно поднести к компасу и посмотреть, как она будет действовать на стрелку. Тот конец полоски, который притянул синий конец стрелки компаса, надо покрасить в красный цвет, а другой конец полоски (он притягивает красный конец стрелки) - в синий. Если компаса нет, то подвесьте магнит на нитке точно в центре (или положите на плавающий в воде предмет) и посмотрите, как он будет ориентироваться по сторонам света. Тот конец бруска, который смотрит на север, надо покрасить в синий цвет.
