История магнита и магнитного компаса. Использование магнитов в древние времена

ВВЕДЕНИЕ.

1.История магнита и магнитного компаса. Использование магнитов в древние времена

2. История создания и использования электромагнитов

3. Естественные и искусственные магниты

4. Применение магнитов в разных сферах деятельности современного общества

5. Сверхпроводники и их применение

ВВЕДЕНИЕ.

Мы привыкли к магниту и относимся к нему чуточку снисходительно как к устаревшему атрибуту школьных уроков физики, порой даже не подозревая, сколько магнитов вокруг нас. В наших квартирах десятки магнитов: в электробритвах, динамиках, магнитофонах, в часах... Сами мы – тоже магниты: биотоки, текущие в нас, рождают вокруг нас причудливый узор магнитных силовых линий. Земля, на которой мы живём, - гигантский голубой магнит. Солнце – жёлтый плазменный шар – магнит ещё более грандиозный. Галактик и туманности, едва различимые телескопами, - непостижимые по размерам магниты. Термоядерный синтез, магнитодинамическое генерирование электроэнергии, ускорение заряженных частиц в синхротронах, подъём затонувших судов – всё это области, где требуются грандиозные, невиданные раньше по размерам магниты.

Так что такое магнит?

Магнит – это объект, сделанный из определенного материала, который создает магнитное поле. Каждый магнит имеет, по крайней мере, один «северный» (N) и один «южный» (S) полюс. Ученые условились, что линии магнитного поля выходят из «северного» конца магнита и входят в «южный» конец магнита. Это пример магнитного диполя («ди»-означает два, диполь-два полюса).

Магнетизм – это сила, которая действует на расстоянии и вызывается магнитными полями. Конечно, на самом деле нужно говорить об электромагнетизме, так как явления электричества и магнетизма тесно связаны друг.

1.                        История магнита. Использование магнитов в древние времена

Первое историческое упоминание знакомства человека с магнитными свойствами некоторых материалов более двух тысяч лет, о которых нам поведал Плиний. Он рассказал, как некий пастух с острова Крит, сандалии которого были подкованы железом, обратил внимание, что к его обуви пристают какие-то мелкие черные камешки, в изобилии валявшиеся на склонах горы Идо. Пастуха звали Магнис, отсюда природные магниты получили свое название.

Римский поэт Лукреций Кар считал, что магнит обязан своим названием местности, где его нашли. Эта местность в Малой Азии называлась Магнезия. В одном из древних источников – поэме « О природе вещей», написанной Титом Лукрецием Каром в I веке до нашей эры, можем прочитать:

«Также бывает, что попеременно порода железа

Может от камня отскакивать или к нему привлекаться.

Также и то наблюдал я, как прыгают в медном сосуде

Самофракийские кольца железные или опилки

В случае, если под эти сосудом камень магнитный».

Лукреций объяснял магнетизм «магнитными токами», истекающими из «камня-магнита», а силу притяжения образно рисовал так:

« Связь такова здесь, как будто крючки, зацепившись за петли.

Держатся между собой в сочетанье известном, какое

Можем увидеть мы между железом и камнем магнитным».

Китайцы, называли эти черные камешки «чу-ши», что можно перевести как «любящий камень». Ход мыслей был прост: раз тянется - значит, любит. (Кстати говоря, людское мышление бывает забавно параллельным: на французском языке магнит называется «эман» - «любящий».)

Китайцы первыми придумали, как можно практически использовать магниты. Они не изобрели компас, как многие думают, они изобрели игрушку – югоуказатель. В легенде рассказывается о военной победе императора Хуанг-Ти, одержанной более трех тысяч лет назад. Этой победой он был обязан своим мастерам, изготовившим повозки, на которых были установлены фигурки человека с рукой, вытянутой вперед. Фигурки могли вращаться, но вытянутая рука всегда указывала на юг. С помощью таких повозок Хуанг-Ти смог в густом тумане напасть на врага с тыла и разгромить его. Опираясь на сведения, приведенные в древнейших китайских энциклопедиях, можно высказать догадку о том, что между 300 и 400 гг. до н. э. магнитная стрелка использовалась на кораблях. Если же перейти от легенд к твердо установленным фактам, то компас значительно «помолодеет». Так, в музее хранится китайский компас «лишь» тысячелетней давности, напоминающий по форме нашу хохломскую ложку.

2. История создания и использования электромагнитов

Магнитный компас

Если стержневой магнит, намагниченную иголку или кусок магнитного железняка укрепить так, чтобы они могли свободно поворачиваться в горизонтальной плоскости вокруг вертикальной оси, то, как хорошо известно, их концы будут показывать на север и юг.

Подобный инструмент называется компасом. Тот конец иголки, который указывает на север, был назван северным полюсом (его обозначение N или С), противоположный конец — южным полюсом (обозначается S или Ю

Компас был изобретен в Италии неким Джойя примерно 700 лет назад. Тогда уже научились натирать природными магнитами стальные иглы, которые стали первыми искусственными магнитами и которые использовали в качестве стрелок. Джойя снабдил магнитную стрелку кругом с делениями. Прибор получил название «компассаре», что означает «измерять шагами».

Тот факт, что разноименные магнитные полюсы притягиваются друг к другу, может объяснить, почему стрелка компаса показывает определенное направление. Так как северный конец стрелки указывает на север, то, видимо, где-то в этом направлении должен находиться противоположный магнитный полюс. Это же можно сказать и в отношении южного полюса. Но если эти полюсы действительно существуют, то где же они находятся?

В течение долгого времени считалось, что источником магнитного притяжения для компаса является Полярная звезда. Однако если бы это было так, то направление стрелки компаса должно было бы меняться по крайней мере на 1 градус через каждые 12 часов, вследствие видимого кругового движения Полярной звезды на небосводе. Наблюдения же не показывают поворота стрелки компаса в течение суток, так что это объяснение ошибочно.

Стрелочный компас

Это самый распространенный вид магнитного компаса. Он часто применяется в карманном варианте. В стрелочном компасе имеется тонкая магнитная стрелка, установленная свободно в своей средней точке на вертикальной оси, что позволяет ей поворачиваться в горизонтальной плоскости. Северный конец стрелки помечен, и соответственно с ней закреплена картушка. При измерении компас необходимо держать в руке или установить на штативе так, чтобы плоскость вращения стрелки была строго горизонтальна. Тогда северный конец стрелки будет указывать на северный магнитный полюс Земли. Компас, приспособленный для топографов, представляет собой пеленгаторный прибор, т.е. прибор для измерения азимута. Он обычно снабжен зрительной трубой, которую поворачивают до совмещения с нужным объектом, чтобы затем считать по картушке азимут объекта.

Жидкий компас

Жидкостный компас, или компас с плавающей картушкой, – это самый точный и стабильный из всех магнитных компасов. Он часто применяется на морских судах и потому называется судовым. Конструкции такого компаса разнообразны; в типичном варианте он представляет собой наполненный жидкостью «котелок», в котором на вертикальной оси закреплена алюминиевая картушка. По разные стороны от оси к картушке снизу прикреплены пара или две пары магнитов. В центре картушки имеется полый полусферический выступ – поплавок, ослабляющий нажим на опору оси (когда котелок наполнен компасной жидкостью). Ось картушки, пропущенная через центр поплавка, опирается на каменный подпятник, изготовляемый обычно из синтетического сапфира. Подпятник закреплен на неподвижном диске с «курсовой чертой». В нижней части котелка имеются два отверстия, через которые жидкость может переливаться в расширительную камеру, компенсируя изменения давления и температуры.

Картушка плавает на поверхности компасной жидкости. Жидкость, кроме того, успокаивает колебания картушки, вызываемые качкой. Вода не годится для судового компаса, так как она замерзает. Используется смесь 45% этилового спирта с 55% дистиллированной воды, смесь глицерина с дистиллированной водой либо высокочистый нефтяной дистиллят.

Котелок компаса отлит из бронзы и снабжен стеклянным колпаком с уплотнением, исключающим возможность протечки. В верхней части котелка закреплено азимутное, или пеленгаторное, кольцо. Оно позволяет определять направление на различные объекты относительно курса судна. Котелок компаса закреплен в своем подвесе на внутреннем кольце универсального (карданного) шарнира, в котором он может свободно поворачиваться, сохраняя горизонтальное положение, в условиях качки.

Котелок компаса закрепляется так, что его специальная стрелка или метка, называемая курсовой, либо черная линия, называемая курсовой чертой, указывает на нос судна. При изменении курса судна картушка компаса удерживается на месте магнитами, неизменно сохраняющими свое направление север – юг. По смещению курсовой метки или черты относительно картушки можно контролировать изменения курса.

Применение магнитов

Но использование магнита только для определения направления не закончилось. Во всех отраслях жизни магнит – постоянный спутник. Теперь магнетизм широко используется в науке, технике и обыденной жизни. Постоянные магниты и электромагниты стоят в генераторах, вырабатывающих ток, и в электромоторах, его потребляющих; без них не может обойтись большинство транспортных средств – автомобиль, троллейбус, тепловоз, самолет, корабль. Магниты облегчают нашу жизнь и развлекают нас, служат нам различных электробытовых приборах, а также в магнитофонах, радиолах и всевозможных игрушках. Наконец магниты – неотъемлемая часть многих научных проборов, начиная с  небольших, располагающихся на столе исследователя, и до огромных ускорителей с размерам, измеряемыми многими километрами.

Электромашинные генераторы и электродвигатели - машины вращательного типа, преобразующие либо механическую энергию в электрическую (генераторы), либо электрическую в механическую (двигатели). Действие генераторов основано на принципе электромагнитной индукции: в проводе, движущемся в магнитном поле, наводится электродвижущая сила (ЭДС). Действие электродвигателей основано на том, что на провод с током, помещенный в поперечное магнитное поле, действует сила.

Индукционные счетчики электроэнергии. Индукционный счетчик представляет собой не что иное, как маломощный электродвигатель переменного тока с двумя обмотками – токовой и обмоткой напряжения. Проводящий диск, помещенный между обмотками, вращается под действием крутящего момента, пропорционального потребляемой мощности. Этот момент уравновешивается токами, наводимыми в диске постоянным магнитом, так что частота вращения диска пропорциональна потребляемой мощности.

Динамометр - механический или электрический прибор для измерения силы тяги или крутящего момента машины, станка или двигателя.

Тормозные динамометры бывают самых различных конструкций; к ним относятся, например, тормоз Прони, гидравлический и электромагнитный тормоза.

Электромагнитный динамометр может быть выполнен в виде миниатюрного прибора, пригодного для измерений характеристик малогабаритных двигателей.

Гальванометр – чувствительный прибор для измерения слабых токов. В гальванометре используется вращающий момент, возникающий при взаимодействии подковообразного постоянного магнита с небольшой токонесущей катушкой (слабым электромагнитом), подвешенной в зазоре между полюсами магнита. Вращающий момент, а следовательно, и отклонение катушки пропорциональны току и полной магнитной индукции в воздушном зазоре, так что шкала прибора при небольших отклонениях катушки почти линейна. Приборы на его базе - самый распространенный вид приборов. Спектр выпускаемых приборов широк и разнообразен: приборы щитовые постоянного и переменного тока (магнитоэлектрической, магнитоэлектри- ческой с выпрямителем и электромагнитной систем), комбинированные приборы ампервольтомметры, для диагностирования и регулировки электрооборудования автомашин, измерения температуры плоских поверхностей, приборы для оснащения школьных учебных кабинетов, тестеры и измерители всевозможных электрических параметров.

Производство абразивов - мелких, твердых, острых частиц, используемых в свободном или связанном виде для механической обработки (в т.ч. для придания формы, обдирки, шлифования, полирования) разнообразных материалов и изделий из них (от больших стальных плит до листов фанеры, оптических стекол и компьютерных микросхем). Абразивы бывают естественные или искусственные. Действие абразивов сводится к удалению части материала с обрабатываемой поверхности. В процессе производства искусственных абразивов ферросилиций, присутствующий в смеси, оседает на дно печи, но небольшие его количества внедряются в абразив и позже удаляются магнитом.

Магнитные свойства вещества находят широкое применение в науке и технике как средство изучения структуры различных тел. Так возникли науки:   Магнетохимия (магнитохимия) - раздел физической химии, в котором изучается связь между магнитными и химическими свойствами веществ; кроме того, магнитохимия исследует влияние магнитных полей на химические процессы. Магнитохимия опирается на современную физику магнитных явлений. Изучение связи между магнитными и химическими свойствами позволяет выяснить особенности химического строения вещества. Магнитная дефектоскопия, метод поиска дефектов, основанный на исследовании искажений магнитного поля, возникающих в местах дефектов в изделиях из ферромагнитных материалов.