Wróć do informacji o e-podręczniku Wydrukuj Udostępnij materiał Zapisz jako PDF

Już w starożytności zaobserwowano, że niektóre ciała przyciągają inne ciała. O ile bursztyn należy potrzeć, aby przyciągał włosy czy skrawki sukna, o tyle magnesy przyciągają zawsze, ale tylko przedmioty wykonane z żelaza. Starożytni odkryli również, że magnes może spowodować, że inne ciało zrobione z żelaza uzyska własności magnetyczne, jeśli tylko będzie znajdowało się wystarczająco blisko magnesu. Zauważyli także, że dwie strony magnesu mają różne właściwości – zwrócone do siebie magnesy mogły się albo przyciągać, albo odpychać.

O tym wszystkim wiesz z pierwszej klasy gimnazjum. Dziś poznasz prawa pozwalające zrozumieć, dlaczego oddziaływania magnetyczne są tak szeroko wykorzystywane.

RECvMZGOB61051
Fascynacja człowieka magnesami oraz dążenie do odkrywania nowych typów materiałów doprowadziły do odkrycia ferrofluidów – substancji o właściwościach zbliżonych do cieczy, lecz reagujących na obecność pola magnetycznego. Ferrofluidy doskonale nadają się do demonstrowania kształtów pól magnetycznych różnych przedmiotów
Już potrafisz
  • stwierdzić, że jednym z rodzajów oddziaływań jest oddziaływanie magnetyczne;

  • wymienić najprostsze właściwości magnesów, np. to, że zawsze posiadają dwa bieguny: północny i południowy;

  • opisać fakt, że bieguny jednoimienne odpychają się, a różnoimienne – przyciągają;

  • stwierdzić, że magnesy oddziaływują na substancje wykonane z żelaza i stopów zawierających żelazo;

  • wymienić niektóre zastosowania magnesów, np. w nawigacji (kompas).

Nauczysz się
  • nazywać bieguny magnesów trwałych;

  • opisywać oddziaływanie między magnesami;

  • wykazać doświadczalnie, że magnes ma dwa bieguny;

  • przeprowadzać doświadczenia prezentujące właściwości magnetyczne różnych substancji;

  • podać przykłady wykorzystania oddziaływania magnetycznego;

  • opisywać pole magnetyczne Ziemi.

iAzYAhMRSl_d5e280

1. Przestrzeń wokół magnesu

Każdego dnia obserwujesz różne oddziaływania, które zachodzą na odległość, tzn. nie wymagają bezpośredniego kontaktu ciał. Do tej grupy oddziaływań zalicza się oddziaływania magnetyczne, znane są one ludzkości od wieków. Tales z MiletuTales z MiletuTales z Miletu uważał, że magnes ma duszę, która przyciąga żelazo. W dziełach ArystotelesaArystotelesArystotelesa znajdują się informacje dotyczące właściwości magnesu. W późniejszych czasach powstawały legendy i baśnie o magnesach, rozpowszechniano poglądy, że właściwości magnetyczne można zniszczyć przez potarcie diamentem. Obecnie wiadomo, że oddziaływania magnetyczne i elektryczne są ze sobą ściśle powiązane, ale więcej dowiesz się o tym na kolejnych lekcjach.

RlKekpsW92ACv1
Magnetyt to minerał, który przyciąga przedmioty wykonane ze stali

Magnesami nazywamy wszystkie ciała, które przyciągają lub odpychają żelazo bądź inne magnesy. Kiedyś to określenie stosowano tylko w odniesieniu do rud magnetytumagnetytmagnetytu lub pirytu.

Magnes przyciąga spinacze, szpilki i inne przedmioty, które zostały wykonane ze stali. Wiesz już, że stalstalstal jest stopem żelaza i węgla. Zastanów się, czy spinacze będą jednakowo przyciągane przez cały magnes w każdym punkcie na jego powierzchni.

Doświadczenie 1

Badanie przestrzeni wokół magnesu sztabkowego.

Co będzie potrzebne
  • magnes sztabkowy;

  • kilka spinaczy.

Instrukcja
  1. Połóż spinacze na stole.

  2. Zbliż do nich magnes.

  3. Zwróć uwagę, w jaki sposób spinacze przylgnęły do magnesu. Gdzie jest ich najwięcej?

  4. Zbliż magnes jednym, a następnie drugim końcem. Czy spinacze zostały przyciągnięte?

  5. Spróbuj zbliżyć środek magnesu do spinacza. Czy został on przyciągnięty?

Ćwiczenie 1
RDit0dvX2nCq81
Zadanie interaktywne.
Źródło: Magdalena Grygiel <Magdalena.Grygiel@up.wroc.pl>, licencja: CC BY 3.0.

Najwięcej spinaczy gromadzi się na końcach magnesu (nazywanych biegunami), ponieważ siła przyciągania magnetycznego jest tam największa. Natomiast na środku magnesu ma ona najmniejszą wartość. W przestrzeni wokół magnesu działają siły magnetyczne, które tworzą pole magnetycznepole magnetycznepole magnetyczne.

pole magnetyczne
pole magnetyczne

– przestrzeń, w której działają siły magnetyczne.

Pole magnetyczne jest niewidoczne, ale wykorzystując opiłki żelaza, możesz zaobserwować skutki jego działania.

R1POUjFEFXBTu1
Opiłki żelaza układają się w charakterystyczny sposób – tworzą linie wokół magnesu. Linie te ilustrują kształt pola magnetycznego, jakie wytworzyło się wokół magnesu sztabkowego

Większość opiłków żelaza zbiera się w pobliżu biegunów, a reszta układa się wzdłuż linii pola. Obrazują one linie pola magnetycznego występującego wokół magnesu. Opiłki żelaza się magnesują, tzn. zyskują właściwosci magnetyczne i stają się małymi magnesami, które wzajemnie się przyciągają.

Magnes ma dwa bieguny – północny i południowy. Jeżeli zawiesimy magnes na sznurku i pozwolimy mu obracać się swobodnie, to swoją osią ustawi się wzdłuż geograficznej linii północ – południe. Przyjęto, że północny biegun magnesu pokazuje północ geograficzną Ziemi. Nasza planeta jest ogromnym magnesem, którego południowy biegun magnetyczny znajduje się w pobliżu północnego bieguna geograficznego, a północny biegun magnetyczny – w pobliżu południowego bieguna geograficznego.

Bieguny północny (N) i południowy (S), które występują razem, nazywamy dipolem magnetycznymdipol magnetycznydipolem magnetycznym.

Wiesz już, że magnes posiada dwa bieguny. Co się stanie, gdy przepiłujesz go w połowie? Okaże się, że każdy z dwóch kawałków, które w ten sposób powstaną, będzie tworzył dwubiegunowy magnes. Nie można otrzymać ciała z tylko jednym biegunem. Dowiesz się, dlaczego tak się dzieje, jeśli wybierzesz program rozszerzony fizyki w liceum.

Ciekawostka

Fizycy próbowali wykazać istnienie pojedynczego bieguna magnetycznego, który roboczo nazwano monopolem magnetycznym. Miał on być nośnikiem tylko jednego bieguna magnetycznego (północnego lub południowego). Jednak próby te zakończyły się niepowodzeniem. Wszystkie badane magnesy mają dwa bieguny.

dipol magnetyczny
dipol magnetyczny

– układ dwóch biegunów magnetycznych: północnego i południowego. Przykładem dipola magnetycznego jest magnes.

Ćwiczenie 2
R1H8WDtHUg4431
Zadanie interaktywne.
Źródło: Magdalena Grygiel <Magdalena.Grygiel@up.wroc.pl>, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 3
R379ptwHnRXbJ1
Zadanie interaktywne.
Źródło: Magdalena Grygiel <Magdalena.Grygiel@up.wroc.pl>, licencja: CC BY 3.0.

Dotąd zajmowaliśmy się oddziaływaniem między magnesem a spinaczami czy opiłkami żelaza. Zastanów się, czy dwa magnesy przyciągają się czy odpychają. W tych rozważaniach pomogą ci doświadczenia.

Doświadczenie 2

Badanie oddziaływania między dwoma magnesami.

Co będzie potrzebne
  • dwa magnesy (najlepiej sztabkowe);

  • gładka powierzchnia stołu.

Instrukcja
  1. Połóż magnesy na stole. Umieść je w pewnej odległości od siebie.

  2. Zbliż jeden magnes do drugiego.

  3. Zaobserwuj, czy magnesy się przyciągają czy odpychają.

  4. Odwróć jeden magnes i ponownie zbliż go do drugiego magnesu.

  5. Ponownie zaobserwuj zachowanie się magnesów.

Podsumowanie

Magnesy zbliżone tymi samymi biegunami się odpychają, a przeciwnymi – przyciągają.

Ćwiczenie 4
RhWxM6jm97CMq1
Zadanie interaktywne.
Źródło: Magdalena Grygiel <Magdalena.Grygiel@up.wroc.pl>, licencja: CC BY 3.0.

Oba doświadczenia miały identyczne wyniki. Gdy magnesy były zbliżane biegunami jednoimiennymibieguny jednoimiennejednoimiennymi (tymi samymi), to wzajemnie się odpychały. Natomiast gdy były zbliżane biegunami różnoimiennymibieguny różnoimienneróżnoimiennymi (przeciwnymi) – przyciągały się.

Zapamiętaj!

Bieguny jednoimienne magnesów się odpychają się, a bieguny różnoimienne – przyciągają.

Zajmiemy się teraz oddziaływaniem między magnesami a różnymi substancjami. Magnes przyciąga różne przedmioty wykonane ze stali, która zawiera żelazo. Czy może przyciągać przedmioty wykonane z innych substancji? Aby to sprawdzić, wykonaj poniższe doświadczenie.

Doświadczenie 3

Badanie właściwości magnetycznych różnych substancji.

Co będzie potrzebne
  • magnes;

  • plastikowa linijka;

  • stół;

  • monety: 1‑groszowa, 1‑złotowa;

  • kartka papieru;

  • folia aluminiowa;

  • kawałek przewodu miedzianego;

  • pierścionek lub kolczyki – złote i srebrne;

  • magnes na lodówkę;

  • szpilki ze stali.

Instrukcja
  1. Do każdego przedmiotu zbliż magnes.

  2. Zaobserwuj, które przedmioty zostaną przyciągnięte.

Podsumowanie

Przez magnes zostały przyciągnięte: stalowe szpilki i magnes na lodówkę. Pozostałe przedmioty, wykonane z miedzi, złota, srebra i aluminium – się nie poruszyły. Przedmioty dzielimy więc na te, które są przyciągane przez magnes, i te, które na niego nie reagują.

Materiały, które są silnie przyciągane przez magnes, nazywamy ferromagnetykami. Zaliczane są do nich: żelazo, nikiel, kobalt i niektóre pierwiastki oraz ich stopy, np. stal. W naszym otoczeniu występują pierwiastki, które praktycznie wcale nie reagują na pole magnetyczne: gazy szlachetne, miedź, złoto, krzem, grafit oraz lit, sód i potas. Pierwiastki te dzielą się na diamagnetyki (słabo odpychane) i paramagnetyki (słabo przyciągane). O różnicy między nimi dowiesz się w liceum.

ferromagnetyki
ferromagnetyki

– substancje silnie przyciągane przez magnes, np. żelazo, nikiel, kobalt i ich stopy.

Ciekawostka

Pole magnetyczne przenika niemal przez wszystkie materiały, nawet przez metale. Wyjątkiem jest żelazo. W krysztale żelaza sąsiednie atomy oddziałują na siebie, gdyż wytwarzają pole magnetyczne. Wzajemne oddziaływanie prowadzi do porządkowania struktury, co wpływa na właściwości magnetyczne dużych obszarów (w porównaniu z rozmiarem atomów), które nazywane są domenami magnetycznymi. Można je zobaczyć za pomocą odpowiedniego mikroskopu.

Ćwiczenie 5
RurpS6kIGpOMI1
Zadanie interaktywne.
Źródło: Magdalena Grygiel <Magdalena.Grygiel@up.wroc.pl>, licencja: CC BY 3.0.
iAzYAhMRSl_d5e610

2. Pole magnetyczne Ziemi

Biegun północny igły magnetycznej skierowany jest ku południowemu biegunowi magnetycznemu. Wskazuje ona zatem północ geograficzną.

R9KL7znJQu54o1
Rozkład linii pola magnetycznego wokół Ziemi

Do wyznaczania kierunków geograficznych służy kompas. Wewnątrz znajduje się igła magnetyczna, która ustawia się równolegle do linii ziemskiego pola magnetycznego. Północny biegun igły magnetycznej jest skierowany ku południu magnetycznemu, ponieważ północny biegun igły jest przyciągany przez południowy magnetyczny biegun Ziemi.

Ciekawostka

Bieguny magnetyczne i geograficzne są względem siebie przesunięte. Oś magnetyczna Ziemi i oś jej obrotu się nie pokrywają. Południowy biegun magnetyczny jest oddalony o około 1800 km od północnego bieguna geograficznego i znajduje się w północnej części Kanady. Północny biegun magnetyczny usytuowany jest na południe od Australii. Kompas nie wskazuje więc dokładnie północy geograficznej.

Ciekawostka
RWKh7vCKHud8W1
Źródło: Anita Mowczan, licencja: CC BY 3.0.

Pasy radiacyjne zostały zarejestrowane przez satelitę amerykańskiego Explorer 1 i radzieckiego Sputnika 3. Składają się z dwóch pierścieni – zewnętrznego i wewnętrznego. W pasie zewnętrznym znajdują się cząstki naładowane (protony, elektrony) pochodzące prawdopodobnie ze Słońca.

Część cząstek naładowanych zostaje wciągnięta przez ziemskie pole magnetyczne i krąży w atmosferze między biegunami (po spiralnych torach, wzdłuż linii pola magnetycznego). Zmiany w ziemskim polu magnetycznym następują wskutek podwyższonej aktywności Słońca. Co pewien czas na naszej gwieździe dochodzi bowiem do burz elektromagnetycznych, które powodują, że wysyłana jest większa porcja promieniowania, czyli cząstek naładowanych. Zaburzenia pola magnetycznego prowadzą czasami do zbliżania się tych cząstek do powierzchni Ziemi. Pobudzają one gazy znajdujące się w atmosferze, które zaczynają świecić, co obserwujemy jako zorzę polarnązorza polarnazorzę polarną. Zjawisko to można często zobaczyć w okolicach koła podbiegunowego, a czasami również w Polsce.

Pasy wokół Ziemi (nazywane pasami Van Allena) stanowią bardzo ważne zabezpieczenie przed docieraniem cząstek promieniowania kosmicznego o wysokiej energii, które byłyby groźne dla życia na Ziemi.

iAzYAhMRSl_d5e667

Podsumowanie

  • Każdy magnes jest dipolem, tzn. posiada dwa bieguny: północny (N) i południowy (S).

  • Wokół magnesu występuje przestrzeń, w której działa siła magnetyczna. Przestrzeń ta nazywana jest polem magnetycznym.

  • Pole magnetyczne przedstawia się symbolicznie za pomocą linii. Liniom tym nadaje się zwroty od bieguna północnego do południowego.

  • Bieguny jednoimienne odpychają się, a różnoimienne – przyciągają.

  • Jeżeli magnes przetniemy na dwie części, to każda z nich stanie się dwubiegunowym magnesem.

  • Przedmioty wykonane z żelaza, kobaltu, niklu lub zawierające ich domieszki są przyciągane przez magnes. Materiały te nazywamy ferromagnetykami.

  • Ziemia wytwarza wokół siebie pole magnetyczne. Północny biegun tego pola znajduje się blisko południowego bieguna geograficznego, a południowy biegun tego pola – w pobliżu północnego bieguna geograficznego. Oba bieguny magnetyczne bez przerwy zmieniają swoje położenie.

Praca domowa
Doświadczenie 4.1

Badanie pola magnetycznego wokół magnesu podkowiastego

Co będzie potrzebne

.

  • magnes podkowiasty;

  • igła magnetyczna;

  • spinacze;

  • opiłki żelaza.

Instrukcja
  1. Połóż spinacze na stole.

  2. Zbliż do nich magnes. Zwróć uwagę, w jaki sposób zostały one przyciągniete. Gdzie jest ich najwięcej?

  3. Zbliż magnes jednym, a następnie drugim końcem. Czy spinacze zostały przyciągnięte przez oba bieguny? Spróbuj zbliżyć środek magnesu do spinacza. Czy tym razem spinacz został przyciągnięty?

  4. Za pomocą igły magnetycznej wyznacz biegun południowy magnesu:

    1. Na sztywnej kartce rozsyp spinacze lub opiłki żelaza.

    2. Pod sztywną kartkę podłóż magnes. Zaobserwuj, jak układają się linie pola magnetycznego wokół magnesu podkowiastego.

Podsumowanie

Wykonaj rysunek przedstawiający rozkład linii pola magnetycznego. Podpisz bieguny magnesu.

iAzYAhMRSl_d5e771

Słowniczek

bieguny jednoimienne
bieguny jednoimienne

– para takich samych biegunów, tj. północ – północ, południe – południe.

bieguny różnoimienne
bieguny różnoimienne

– para biegunów przeciwnych, tj. północ – południe.

magnetyt
magnetyt

– bardzo rozpowszechniony minerał; był znany już starożytnym Grekom, a jego nazwa pochodzi od dawnego miasta Magnesia leżącego w Turcji (obecnie nazywa się ono Manisa); minerał ten składa się z różnych tlenków żelaza.

polikryształ
polikryształ

– zbiór wielu małych, przypadkowo ułożonych kryształów.

stal
stal

– stop węgla i żelaza.

zorza polarna
zorza polarna

– zjawisko świecenia gazów znajdujących się w atmosferze; zorza powstaje w wyniku zderzeń cząstek gazów z mającymi wysoką energię protonami i elektronami.

iAzYAhMRSl_d5e893

Biogramy

Arystoteles
R1D2mk0cig8Ar1
Źródło: Eric Gaba (http://commons.wikimedia.org), licencja: CC BY-SA 2.5.

Arystoteles

Uczeń Platona, autor spójnego systemu wiedzy, który tłumaczy wszystkie aspekty świata ożywionego i nieożywionego. Swoje poglądy przedstawiał w pismach, które dotyczyły różnych dziedzin, tj. filozofii naturalnej, logiki, metafizyki, etyki, polityki, sztuki, retoryki, psychologii, fizyki i biologii.

Tales z Miletu
Rtv8apg4SMc521
Źródło: Ernst Wallis et al (http://commons.wikimedia.org), public domain.

Tales z Miletu

Tales z Miletu był zamożnym kupcem. Zyskał sławę, ponieważ przepowiedział zaćmienie Słońca (podał tylko rok, a nie dokładną datę). Wzbogacał swoją wiedzę dzięki podróżom, podczas których spotykał uczonych. Nie wiadomo, czy napisał jakieś dzieła, gdyż żadne się nie zachowały.

iAzYAhMRSl_d5e1035

Zadania podsumowujące lekcję

Ćwiczenie 6
R1d8IuPUEIj271
Zadanie interaktywne.
Źródło: Magdalena Grygiel <Magdalena.Grygiel@up.wroc.pl>, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 7
Rnr7BqsuUlUOH1
Zadanie interaktywne.
Źródło: Magdalena Grygiel <Magdalena.Grygiel@up.wroc.pl>, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 8
R1YdpIB9n8b7S1
Zadanie interaktywne.
Źródło: Magdalena Grygiel <Magdalena.Grygiel@up.wroc.pl>, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 9
RmeourfgYMwpm1
Zadanie interaktywne.
Źródło: Magdalena Grygiel <Magdalena.Grygiel@up.wroc.pl>, licencja: CC BY 3.0.
Ćwiczenie 10
R18o3x31TtNgz1
Zadanie interaktywne.
Źródło: Magdalena Grygiel <Magdalena.Grygiel@up.wroc.pl>, licencja: CC BY 3.0.