Исследование зависимости силы взаимодействия между магнитами

Исследование зависимости силы взаимодействия между магнитами

Введение

Магни́т — тело, обладающее собственным магнитным полем. Возможно, слово происходит от др.-греч. Μαγνῆτις λίθος (Magnētis líthos), «камень из Магнесии» — от названия региона Магнисия и древнего городаМагнесия в Малой Азии, где в древности были открыты залежи магнетита.Постоянный магнит, изделие определенной формы (например, в виде подковы, полосы, стержня) из предварительно намагниченного материала, способного сохранять намагниченность после устранения намагничивающего поля.

Хотя магниты известны раньше электрических зарядов, объяснить природу взаимодействия магнитов смогли только в XIX веке, гораздо позже, чем взаимодействие электрических зарядов.

Вокруг магнитов существует магнитное поле. Графически его удобно показать при помощи силовых линий. М.Фарадей предложил для этих целей использовать железные опилки.

И в наше время магнитное поле еще не полностью изучено. Выдвигаются новые гипотезы, авторы которых пытаются объяснить его природу. Гигантским постоянным магнитом является Земля

Особенный интерес представляют магнитные поля нескольких магнитов. Я попытался определить, будет ли такое поле аналогично полю одного магнита или у него будут свои особенности.

Поэтому в своей работе я решил рассмотреть магнитные поля шарообразных магнитов.

Цели и задачи исследования:

• Проведение аналогии между магнитным и электрическими полями.
• Исследование магнитных полей шарообразных магнитов и их силовых характеристик.
• Определение силы взаимодействия шарообразных магнитов и ее зависимость от различных факторов.

Основным методом исследования в работе является физический эксперимент. В первой части работы я рассмотрел магнитные поля одного и нескольких магнитов, используя железные опилки. Во второй части мы изучили характеристики магнитного поля. При определении силы взаимодействия магнитов я применил свой метод измерения с использованием рычажных весов. На основании исследований я делал свои выводы, которые могли отличаться от теоретических.

Зависимость силы взаимодействия двух шарообразных магнитов от расстояния между ними

С увеличением расстояния между магнитами сила их взаимодействия уменьшается.  

Основной сложностью является проведение измерения силы этого взаимодействия. Мы предложили воспользоваться для этих целей рычажными весами. Схема измерения приведена на рисунке 1.

Рис.1 Схема измерения силы взаимодействия между магнитами

Весы уравновешиваются, и на каждую чашку добавляется одинаковый шарообразный магнит. Под правую чашку помещается еще один магнит, который закрепляется. На левую чашку весов добавляются гири и, когда сила тяжести станет больше силы взаимодействия между магнитами справа, произойдет разрыв между правыми магнитами. Таким образом, сила взаимодействия между магнитами будет равна силе тяжести, которая действовала на левую чашку перед последним добавлением гирь. Минимальная масса гирь, которую мы использовали – 1 г. Следовательно, погрешность измерения силы будет примерно равна 0,01 Н. Это как минимум в 10 раз точнее школьного динамометра.

        Расстояния между магнитами я увеличивал, добавляя между ними стеклянные пластины толщиной 1,85 мм (измерения проводилось при помощи микрометра).

Проводя измерения, я заметил, что чем больше магниты находятся в соприкосновении, тем больше сила их взаимодействия. То есть, можно предположить, что магниты дополнительно намагничивают друг друга, и для этого необходимо некоторое время. Нам пришлось провести повторные, более тщательные измерения.

Результаты измерений представлены в таблице 1.

Таблица 1. Значения силы взаимодействия между магнитами в зависимости от расстояния между ним

Зависимость силы взаимодействия от количества магнитов

        Исследуем зависимость силы взаимодействия между магнитами от их количества. Измерение силы взаимодействия будем проводить тем же способом, что и в предыдущих опытах. Результаты приведены в таблице 3.

Таблица 3. Значения силы взаимодействия между магнитами в зависимости от количества магнитов

        По результатам опытов построим график.

График 2. Зависимость силы взаимодействия между магнитами от количества магнитов 

С увеличением количества магнитов, увеличивается сила их взаимодействия. Но зависимость не пропорциональная. Этот факт я объясняю тем, что во взаимодействии участвуют с одной стороны один магнит, а с другой – система нескольких магнитов. С увеличением количества магнитов, увеличивается расстояние от центра системы магнитов до центра магнита, что приводит к уменьшению силы взаимодействия. Таким образом, общая сила взаимодействия с одной стороны увеличивается (увеличивается количество магнитов), с другой стороны уменьшается. При количестве магнитов больше пяти сила взаимодействия магнитов практически не изменяется. Изучая взаимодействие между магнитами разной формы, мы определили, что чем меньше расстояние между полюсами, тем сильнее будет данная зависимость.

Заключение

        Подводя итоги работы можно сделать следующие выводы:

1. Силовые линии магнитного поля аналогичны силовым линиям электрического поля, созданного двумя разноименными зарядами.
2. Магнитное поле Земли аналогично магнитному полю шарообразного магнита, которое отличается от поля плоского магнита радиусом кривизны силовых линий.
3. Магнитное поле нескольких магнитов расположенных вдоль одной прямой отличается от магнитного поля одиночного магнита радиусом кривизны силовых линий и наличием областей, в которых суммарное магнитное поле равно нулю. Эти области расположены в центре магнитов и в местах соприкосновения магнитов. Общее количество таких мест равно 2N – 1, где N – количество магнитов. В целом системы нескольких магнитов ведет себя как один целый продолговатый магнит, за исключением центральной области, где поле имеет сложную структуру.
4. Если магниты замкнуть, то получим симметричное магнитное поле, число элементов симметрии которого равно 2N.
5. Ферромагнетики в магнитном поле становятся магнитами и вносят изменения в магнитное поле. При этом, если ферромагнетик касается одного из полюсов, он ведет себя как магнит с одним полюсом.
6. Измерение силы взаимодействия между магнитами удобно производить при помощи рычажных весов.
7. Чем больше магниты находятся в соприкосновении, тем больше сила их взаимодействия. Магниты дополнительно намагничивают друг друга, и для этого необходимо некоторое время. Наблюдается явление магнитного гистерезиса.
8. Сила взаимодействия между магнитами не аналогична электрическим и гравитационным взаимодействиям вида  (где r – расстояние между взаимодействующими элементами). В нашей работе мы получили зависимость вида  (k = 1,27∙10-8 Н∙м5). Однако на наш взгляд зависимость имеет еще более сложный характер.
9. Сила взаимодействия магнитов не пропорциональна количеству магнитов и практически не изменяется при количестве магнитов больше пяти, так как с увеличением количества магнитов, увеличивается расстояние от центра системы магнитов, что приводит к уменьшению силы взаимодействия. Общая сила взаимодействия с одной стороны увеличивается (увеличивается количество магнитов), с другой стороны уменьшается.