Главное свойство магнитного поля: Магнитное поле, его свойства

Содержание

Магнитное поле, его свойства

Сегодня на уроке мы с вами поговорим о магнитном поле и его свойствах

 «Исследования Ампера… принадлежат к

 числу самых блестящих работ,

которые проведены когда-либо в науке»

Джеймс Клерк Максвелл

Магнитные явления известны людям с глубокой древности. Еще древние греки знали, что существует особый минерал, способный притягивать железные предметы. Это был один из минералов железной руды, который сейчас известен как магнетит. Его залежи находились возле города Магнесии на севере Турции. Слово «магнит» в переводе с греческого означает «камень из Магнесии».

Впервые свойства магнитных материалов использовали в Китае. Именно там в III веке до нашей эры был сконструирован первый компас, и только к XII веку он стал известен в Европе

. Первой крупной работой, посвящённой исследованию магнитных явлений, является книга Вильяма Гильберта «О магните», вышедшая в 1600 году.

Известные с древних времен явления притяжения разноименных и отталкивания одноименных полюсов магнита напоминают явление взаимодействия разноименных и одноименных электрических зарядов.

Известно, что между неподвижными электрическими зарядами действуют силы, определяемые законом Кулона. Согласно теории близкодействия это взаимодействие осуществляется так: каждый из зарядов создает электрическое поле, которое действует на другой заряд.

Однако долгое время оставался неразрешимым вопрос о том, могут ли между электрическими зарядами существовать силы иной природы? Рассмотрим опыт, проведенный французским физиком Андре-Мари Ампером в 1820 году.

Ампер взял два гибких провода и укрепил их вертикально, а затем присоединил нижние концы проводов к полюсам источника тока. При таком подключении с проводниками не обнаруживалось никаких изменений. Проводники заряжались от источника тока, но заряды проводников при разности потенциалов между ними в несколько вольт ничтожно малы. Поэтому кулоновские силы никак не проявляются.

Затем Ампер замкнул другие концы проводников небольшой проволочкой так, чтобы в проводниках возникли токи противоположного направления. Оказалось, что при таком подключении проводники начинают отталкиваться друг от друга. Если же поменять направление токов так, чтобы они текли в одном направлении, то проводники начинали притягиваться друг к другу.

Это взаимодействие не может быть вызвано электростатическим полем по следующим причинам. Во-первых, при размыкании цепи взаимодействие проводников прекращается, хотя заряды на проводниках и их электростатические поля остаются. Во-вторых,

одноименные заряды (электроны в проводнике) всегда только отталкиваются.

В том же 1820 году Ханс Кристиан Эрстед провел серии опытов. Он располагал проводник над магнитной стрелкой (или под ней) параллельно ее оси. При пропускании тока по проводнику, стрелка начинала отклоняться от своего первоначального положения. При размыкании цепи — стрелка возвращалась в своё первоначальное положение.

  

Этот опыт наглядно показывает, что в пространстве, окружающем проводник с током, действуют силы, вызывающие поворот магнитной стрелки

, то есть силы, подобные тем, которые действуют на нее вблизи постоянных магнитов.

Поэтому взаимодействия между проводниками с током, т.е. взаимодействия между направленно движущимися электрическими зарядами, называют магнитными.

Силы же, с которыми проводники с током действуют друг на друга, называют магнитными силами.

Действие магнитных сил было обнаружено в пространстве и вокруг отдельно движущихся заряженных частиц. Русский и советский физик Абрам Фёдорович Иоффе в 1911 году наблюдал отклонение магнитных стрелок, расположенных вблизи пучка движущихся электронов.

    

Схема его опыта довольно проста. Над и под трубкой, через которую пропускался поток электронов, находились две одинаковые, но противоположно направленные магнитные стрелки, укрепленные на общем кольце, подвешенном на упругой нити. При прохождении в трубке потока электронов магнитные стрелки поворачивались.

Таким образом, многочисленные опыты привели ученых к выводу, что вокруг любого проводника с током, т.е. вокруг движущихся электрических зарядов, существует магнитное поле.

Магнитное полеэто особый вид материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными частицами.

Магнитное поле можно обнаружить и исследовать с помощью железных опилок, магнитной стрелки, а также небольшого контура или рамки с током, причем собственное магнитное поле контура должно быть слабым по сравнению с исследуемым.

Проводники, подводящие ток к контуру, должны быть расположены вблизи друг друга или сплетены между собой, тогда их магнитные поля взаимно компенсируются. Ориентация такого контура характеризуется направлением нормали к контуру. В качестве

положительного направления нормали принимается направление, которое связано с током правилом правого винта (или правилом буравчика): если головку винта поворачивать по направлению тока в контуре, то поступательное движение острия винта указывает направление положительной нормали.

Опыт показывает, что если подвесить такой контур на гибких проводниках в магнитном поле, то он повернется и установится определенным образом. Таким образом, магнитное поле оказывает на контур с током ориентирующее действие. При этом положительная нормаль будет направлена к плоскости контура вдоль продольной оси магнитной стрелки, помещенной в ту же точку магнитного поля.

Поэтому за направление магнитного поля принимают направление от южного полюса к северному по оси свободно установившейся в магнитном поле стрелки.

Основные выводы:

Вокруг движущихся электрических зарядов, существует магнитное поле.

Магнитное поле — это особый вид материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными частицами.

Магнитное поле порождается электрическим

током и обнаруживается по действию на электрический ток.

Рак под контролем магнитного поля

Немагнитное покрытие из оксида кремния магнитных наночастиц значительно повышает гибель раковых клеток. К такому выводу в результате исследования пришли российские ученые. Такая оболочка не позволяет наночастицам объединяться, в результате они сохраняют эффективные магнито-механические свойства в низкочастотном переменном магнитном поле. Исследование опубликовано в журнале Colloids and Surfaces B: Biointerfaces.

Биосовместимые магнитные наноматериалы имеют широкий спектр применения, что делает их одним из самых перспективных материалов в биомедицине. Благодаря их чувствительности к внешнему магнитному их можно использовать для целенаправленной доставки лекарств или точечного воздействия на определённые молекулы-мишени.

Цитотоксичность (способность убивать живые клетки) магнитных наночастиц зависит от параметров магнитного поля, его амплитуды, частоты, а также продолжительности воздействия. Под воздействием переменного низкочастотного магнитного поля магнитные наночастицы начинают вращаться, что приводит к механическому повреждению клеток.

Ученым из НИТУ «МИСиС», МГУ имени М.В. Ломоносова, ФГБУ «НМИЦ психиатрии и наркологии имени В.П. Сербского», СибГМУ, ТПУ, Сколтеха, РХТУ им. Д.И. Менделеева и ГНИМУ имени Н. И. Пирогова удалось добиться увеличения магнито-механического эффекта наночастиц за счет нанесения на их поверхность дополнительного немагнитного покрытия.

В ходе экспериментов исследователи использовали два типа магнитных наночастиц на основе оксида железа с одинаковым диаметром магнитного ядра, один из которых был дополнительно покрыт немагнитным биоинертным слоем оксида кремния. Затем цитотоксический эффект магнитных наночастиц обоих типов был оценен на раковых клетках предстательной железы человека в переменном низкочастотном магнитном поле.

Ученые установили, что немагнитное покрытие магнитных частиц не только позволяет добиться увеличения в размере, но и существенно влияет на их биологические свойства. В низкочастотном переменном магнитном поле наночастицы с покрытием на основе оксида кремния значительно снижают жизнеспособность раковых клеток, в то время как наночастицы без дополнительного покрытия не оказывают заметного цитотоксического эффекта. Под воздействием наночастиц с немагнитным покрытием раковые клетки умирали от некроза, вызванного нарушением целостности внутриклеточных мембранных структур. По данным, полученным методами просвечивающей электронной микроскопии и динамического светорассеяния, был сделан вывод, что магнитные наночастицы без дополнительного покрытия подвержены воздействию кислотной среды эндосом, вследствие чего они агрегируют и не могут эффективно вращаться в вязкой клеточной среде.

Ученые пришли к выводу, что именно подвижность магнитных наночастиц является залогом их эффективности против раковых клеток в низкочастотном переменном магнитном поле. Дополнительное покрытие на основе оксида кремния обеспечивает стабильность магнитных наночастиц, предотвращая их агрегацию и последующую потерю подвижности.

«Данное исследование интересно как с фундаментальной точки зрения, так и с практической. С одной стороны, мы нашли то, что ранее не описывалось в научных статьях, а именно ключевое влияние немагнитной фазы, которая позволяет сохранять коллоидную стабильность наночастиц, на эффективность магнито-механического воздействия на клетки. В более ранних работах основное внимание уделялось магнитной фазе наночастиц: форме, размерам, составу. Это хороший задел для дальнейшего изучения того, какими должны быть структурные особенности наночастиц для максимального увеличения их эффективности. С другой стороны, мы показали, что наши наночастицы работают, они вызывают гибель клеток. Таким образом, можно продолжать исследование, проверить их эффективность in vivo», — комментирует соавтор исследования Артём Илясов, инженер лаборатории «Биомедицинские наноматериалы».

Тесты по теме «Магнитное поле»

Использование тестов на уроках дает возможность осуществлять реальную индивидуализацию и дифференциацию обучения; вносить своевременную коррекционную работу в процесс преподавания; достоверно оценивать и управлять качеством обучения. Предлагаемые тесты по теме “Магнитное поле” содержат по 10 заданий.

Тест №1

1. Магнит создает вокруг себя магнитное поле. Где будет проявляться действие этого поля наиболее сильно?

А. Около полюсов магнита.
Б. В центре магнита.
В.Действие магнитного поля проявляется равномерно в каждой точке магнита.

Верный ответ: А.

2. Можно ли пользоваться компасом на Луне для ориентирования на местности?

А. Нельзя.
Б. Можно.
В. Можно, но только на равнинах.

Верный ответ: А.

3. При каком условии магнитное поле появляется вокруг проводника?

А. Когда в проводнике возникает электрический ток.
Б. Когда проводник складывают вдвое.
В. Когда проводник нагревают.

Верный ответ: А.

4. На рисунке показано расположение магнитной стрелки. Как в точке А направлен вектор магнитной индукции?

А. Вверх.
Б. Вниз.
В. Направо.
Г. Налево.

Верный ответ: В.

5. Укажите фундаментальное свойство магнитного поля?

А. Его силовые линии всегда имеют источники: они начинаются на положительных зарядах и оканчиваются на отрицательных.
Б. Магнитное поле не имеет источников. Магнитных зарядов в природе нет.
В. Его силовые линии всегда имеют источники: они начинаются на отрицательных зарядах и оканчиваются на положительных.

Верный ответ: Б.

6.Выберите рисунок, где изображено магнитное поле.

Рис. 1

Рис. 2

Верный ответ: рис.2

7. По проволочному кольцу протекает ток. Укажите направление вектора магнитной индукции.

 А. Вниз.
Б. Вверх.
В. Направо.

Верный ответ: Б.

8. Как ведут себя катушки с сердечниками, изображенные на рисунке.

А. Не взаимодействуют.
Б. Поворачиваются.
В. Отталкиваются.

Верный ответ: А.

9. Из катушки с током убрали железный сердечник. Как изменится картина магнитной индукции?

А. Густота магнитных линий многократно возрастет.
Б. Густота магнитных линий многократно уменьшится.
В. Картина магнитных линий не изменится.

Верный ответ: Б.

10. Каким способом можно изменить полюса магнитного катушки с током?

А. Ввести в катушку сердечник.
Б. Изменить направление тока в катушке.
В. Отключить источник тока.

Г. Увеличить силу тока.

Верный ответ: Б.

Тест №2

1. В Исландии и Франции морской компас начали использовать в 12-13 веках. Магнитный брусок закрепляли в центре деревянного креста, затем эту конструкцию помещали в воду, и крест, повернувшись, устанавливался в направлении север-юг. Каким полюсом магнитный брусок повернётся к северному магнитному полюсу Земли?

А. Северным.
Б. Южным.

Верный ответ: Б.

2. Какое вещество совсем не притягивается магнитом?

А. Железо.
Б. Никель.
В. Стекло.

Верный ответ: В.

3. Внутри стенового покрытия проложен изолированный провод. Как обнаружить местонахождения провода не нарушая стенового покрытия?

А. Поднести к стене магнитную стрелку. Проводник с током и стрелка будут взаимодействовать.
Б. Осветить стены. Усиление света укажет на нахождение провода.
В. Местонахождение провода нельзя определить, не ломая стенового покрытия.

Верный ответ: А.

4. На рисунке показано расположение магнитной стрелки. Как в точке А направлен вектор магнитной индукции?

А. Вниз.
Б. Вверх.
В. Направо.
Г. Налево.

Верный ответ: А.

5. В чем состоит особенность линий магнитной индукции?

А. Линии магнитной индукции начинаются на положительных зарядах, оканчиваются на отрицательных.
Б. Линии не имеют ни начала, ни конца. Они всегда замкнуты.

Верный ответ: Б.

6. Проводник с током расположен перпендикулярно плоскости. На каком рисунке линии магнитной индукции изображены правильно.

Рис. 1 Рис.2 Рис.3 Рис.4

Верный ответ: рис. 4.

7. По проволочному кольцу протекает ток. Укажите направление тока, если вектор магнитной индукции направлен вверх.

 

А. Против часовой стрелки.
Б. По часовой стрелке.

Верный ответ: А.

8. Определите характер взаимодействия катушек, изображенных на рисунке.

А. Притягиваются.
Б. Отталкиваются.
В. Не взаимодействуют.

Верный ответ: Б.

9. Рамка с током в магнитном поле поворачивается. В каком приборе используется это явление?

А. Лазерный диск.
Б. Амперметр.
В. Электромагнит.

Верный ответ: Б.

10. Почему рамка с током, помещенная между полюсами постоянного магнита вращается?

А. Из-за взаимодействия магнитных полей рамки и магнита.
Б. Из-за действия электрического поля рамки на магнит.

В. Из-за действия магнитного поля магнита на заряд в витке.

Верный ответ: А.

Литература: Физика. 8 кл.: учебник для общеобразовательных документов/ А.В. Перышкин. - Дрофа, 2006.

Теория по теме «Магнитное поле» 11 класс

МАГНИТНОЕ ПОЛЕ

— это особый вид материи, посредством которой осуществляется взаимодействие между движущимися электрически заряженными частицами.

  1. Опыт Эрстеда

  1. Свойства магнитного поля

1. Магнитное поле создается движущимися заряженными частицами и телами, проводниками с током, постоянными магнитами.

2. Магнитное поле действует на движущиеся заряженные частицы и тела, на проводники с током, на постоянные магниты, на рамку с током.

  1. Силовая характеристика магнитного поля

Магнитная индукция

Вектор магнитной индукции направлен всегда так, как сориентирована свободно вращающаяся магнитная стрелка в магнитном поле.

Единица измерения магнитной индукции в системе СИ:

  1. Линии магнитной индукции

— это линии, касательными к которой в любой её точке является вектор магнитной индукции.

  • Первое правило правой руки: если обхватить проводник правой рукой, направив отставленный большой палец вдоль тока, то остальные пальцы этой руки укажут направление силовых линий магнитного поля данного тока.

  • Второе правило правой руки :если обхватить соленоид ладонью правой руки так, чтобы четыре пальца были направлены вдоль тока в витках, то отставленный большой палец покажет направление линий магнитного поля внутри соленоида.

  1. Опыт Амперавзаимодействие параллельных токов

  1. Сила Ампера

— это сила, с которой магнитное поле действует на проводник с током.

Модуль силы Ампера равен произведению силы тока в проводнике на модуль вектора магнитной индуции, длину проводника и синус угла между вектором магнитной индукции и направлением тока в проводнике.

Сила Ампера максимальна, если вектор магнитной индукции перпендикулярен проводнику.

Если вектор магнитной индукции параллелен проводнику, то магнитное поле не оказывает никакого действия на проводник с током, т.е. сила Ампера равна нулю.


  1. Направление силы Ампера

Направление силы Ампера определяется по правилу левой руки:

Если левую руку расположить так, чтобы перпендикулярная проводнику составляющая вектора магнитной индукции входила в ладонь, а 4 вытянутых пальца были направлены по направлению тока, то отогнутый на 90 градусов большой палец покажет направление силы, действующий на проводник с током.

  1. Сила Лоренца

сила, действующая со стороны магнитного поля на движущуюся электрически заряженную частицу.

  1. Направление силы Лоренца


Направление силы Лоренца определяется по правилу левой руки:

  1. Если поставить левую руку так, чтобы перпендикулярная скорости составляющая вектора индукции входила в ладонь, а четыре пальца были бы расположены по направлению скорости движения положительного заряда (или против направления скорости отрицательного заряда), то отогнутый большой палец укажет направление силы Лоренца
    Движение заряженной частицы в магнитном поле

В этом случае сила Лоренца на частицу не действует, и поэтому частица будет продолжать двигаться равномерно и прямолинейно с той скоростью, которая у нее была

В этом случае сила Лоренца заставит двигаться частицу по окружности радиуса

В этом случае движение будет происходить по винтовой линии

Удивительные свойства программируемых полимагнитов / Хабр


Магнитное поле обычного магнита (слева) и двух полимагнитов

Американская компания Polymagnet уже несколько лет выпускает магниты с произвольной формой намагниченного материала — полимагниты. Они кардинально отличаются от обычных магнитов и обладают различными свойствами, которые задаются перед печатью. Например, такие магниты могут автоматически выравниваться друг относительно друга или удерживать заданное расстояние друг от друга (в миллиметрах), отталкиваясь при сокращении этого расстояния (аналог защёлки) или, наоборот, сближаясь при превышении расстоянии, но не прикасаясь друг к другу (аналог пружины), демонстрацию см. под катом.

Главное, что вы задаёте произвольные свойства в программном редакторе, а потом за несколько минут печатаете нужный магнит. Свойства магнита выбираются из каталога заранее запрограммированных полимагнитов или задаются произвольно.

Полимагниты примерно в 5 раз мощнее обычных магнитов, поскольку у них энергия поля сконцентрирована возле поверхности. Южные и северные полюса в произвольном количестве могут быть на одной стороне полимагнита.

Автоматическое выравнивание

Магнит-защёлка

Магнит-пружина

Магнит-пружину можно запрограммировать так, например, что магниты сближаются друг с другом, но не соприкасаются, пока один из них не повернуть на 180º. После защёлкивания магниты уже трудно оторвать друг от друга, если опять не повернуть один из них на 180º. Такую конструкцию можно использовать, например, в магнитных замках.

Две части магнитного замка

Намагниченный слой наносится на металл с помощью мощной намагничивающей катушки специального принтера вроде MagPrinter. Он чем-то напоминает 3D-принтер, только «печатает» не пластиком или металлом, а магнитным полем. Но здесь тоже произвольная форма задаётся в компьютерном редакторе.

Необычные свойства полимагнитов демонстрируют инженеры компании Polymagnet в передаче Smarter Every Day.

Можно представить разные области применения полимагнитов: замки и защёлки в дверях и мебели, точно спозиционированное присоединение друг к другу гаджетов и другой электроники, магнитные муфты, крепёж в автомобильном транспорте и велосипедах, крепёж полок и других элементов мебели друг к другу (вместо шурупов), разнообразные игрушки, конструкторы и многое другое.

Устройство и классификация МР-томографов


Устройство МР-томографа

Любой МР-томографа состоит из:

  • магнита, создающего постоянное магнитное поле, в которое помещают пациента;
  • градиентных катушек, создающих слабое переменное магнитное поле в центральной части основного магнита. Это поле называют градиентным. Оно позволяет выбрать область исследования части тела пациента;
  • передающих и принимающих радиочастотных катушек; передающие, используются для создания возбуждения в теле пациента, приемные — для регистрации ответа возбужденных участков;
  • компьютера, управляющего работой катушек, регистрирацией, обработкой измеренных сигналов, реконструкцией МР-изображений.


Радиочастотные катушки для различных отделов тела необходимы для получения качественного изображения.

Магнитное поле характеризуется индукцией магнитного поля, единицей измерения является Тл (тесла) по имени сербского учёного Николы Теслы.

Различают несколько типов томографов (зависит от величины постоянного магнитного поля):

  • 0,01 Тл — 0,1 Тл → со сверхслабым полем;
  • 0,1 — 0,5 Тл → со слабым полем;
  • 0,5 — 1.0 Тл → со средним полем;
  • 1.0 — 2,0 Тл → с сильным полем;
  • >2,0 Тл → со сверхсильным полем.

Существует три вида магнитов для мр-томографа: резистивные, постоянные и сверхпроводящие.

Томографы с полем до 0,3 Тл чаще всего имеют резистивные или постоянные магниты, выше 3,0 Тл — сверхпроводящие.

Оптимальная напряженность магнитного поля является постоянным предметом дискуссий среди специалистов.

Более 90% магнитно-резонансных томографов составляют модели со сверхпроводящими магнитами (0,5 — 1,5 Тл). Томографы со сверхсильным полем (выше 3,0 Тл) очень дороги в эксплуатации. Постоянные магниты напротив, дёшевы и просты в эксплуатации.


Открытый и закрытый тип МР-томографа.

Резистивные магниты

Магнитное поле создается с помощью электрического тока, который проходит через катушку. МР-томографы с резистивными магнитами требуют большого количества электроэнергии, которая сильно нагревает магнит, что необходимо для получения сильных магнитных полей. Такая система вырабатывает поле с напряженностью до 0,3 Тесла.

Резистивные магниты были первыми применены в клинической практике. Они просты в изготовлении, стоят дешевле сверхпроводящих или постоянных. При этом они требуют мощного и стабильного источника питания, системы водоохлаждения с качественной очисткой воды. Уровень магнитного поля в них ограничен величиной 0.3Т, при котором отношение сигнал/шум еще не достаточно высоко. По качеству и времени сканирования они уступают томографам с более сильными полями. В настоящее время этот тип магнита практически не используется, и весь современный парк томографов состоит из приборов с постоянными и сверхпроводящими магнитами.

Постоянные магниты

Магнитное поле этого типа не требует высоких эксплуатационных расходов на электроэнергию и криогенные материалы. Главным недостатком постоянных магнитов являет то, что они генерируют слабое поле с напряженностью до 0,3 Тесла. Кроме того, такие томографы обладают большой массой, так же у них отсутствует функция аварийного снижения магнитного поля. Часто томографы с постоянными магнитами имеют «открытый» тип конструкции, постоянными магнитами обычно комплектуются небольшие приборы для специализированных исследований отдельных частей тела, например, суставов конечностей.

Сверхпроводящие магниты

В таких магнитах используется свойство сверхпроводимости, которое присуще некоторым материалам при очень низких температурах, близких к абсолютному нулю. Сверхпроводящий материал не требует энергетических затрат, потому что практически не имеет электрического сопротивления. Однако для создания температуры, близкой к абсолютному нулю, необходимы криогенные материалы (жидкий гелий). Сверхпроводящие магниты создают магнитные поля высокой напряженности 1,0-3,0 Тесла и более. Они являются наиболее дорогими, но, благодаря высокому уровню поля и наилучшему соотношению сигнал/шум, обеспечивают наилучшее качество изображения. Не случайно наибольший прогресс в совершенствовании магнитных томографов наблюдается в области сверхпроводящих магнитов. Сегодня они покрывают более 80% рынка МР-томографов. Относительно низкий расход жидкого гелия у современных моделей, высокая скорость исследования и качество изображения делают их максимально привлекательными для потребителя.

В настоящее время изготавливаются магнитно-резонансные томографы двух типов: закрытого и открытого типа. Открытый тип томографа удобен для проведения различных манипуляций, поскольку обеспечивает более свободный доступ к пациенту. Преимуществом таких томографов является отсутствие замкнутого пространства, что актуально для пациентов страдающих клаустрофобией. Нужно учитывать, что при всех удобствах, отрытую конструкцию чаще имеют аппараты с низкой и средней напряжённостью магнитного поля, а большая часть томографов с мощными полями и наилучшим качеством изображения имеют туннельный тип.

Что такое магнитные поля. Магнитное поле. Свойства магнитного поля

Уже давно магнитное поле вызывает множество вопросов у человека, но и сейчас остается малоизвестным явлением. Его характеристики и свойства пытались исследовать многие ученые, ведь польза и потенциал от применения поля были неоспоримыми фактами.

Давайте будем разбирать все по порядку. Итак, как действует и образуется любое магнитное поле? Правильно, от электрического тока. А ток, если верить учебникам по физике, – это имеющий направление поток заряженных частиц, не так ли? Так вот, когда ток проходит по любому проводнику, около него начинает действовать некая разновидность материи – магнитное поле. Магнитное поле может создаваться током заряженных частиц или магнитными моментами электронов в атомах. Теперь это поле и материя имеют энергию, ее мы видим в электромагнитных силах, которые могут влиять на ток и его заряды. Магнитное поле начинает воздействовать на поток заряженных частиц, и они меняют начальное направление движения перпендикулярно самому полю.

Еще магнитное поле можно назвать электродинамичным, ведь оно образуется около движущихся и воздействует только на движущиеся частицы. Ну а динамичным оно является из-за того, что имеет особое строение во вращающихся бионах на области пространства. Заставить их вращаться и двигаться может обыкновенный электрический движущийся заряд. Бионы передают любые возможные взаимодействия в этой области пространства. Поэтому движущийся заряд притягивает один полюс всех бионов и заставляет их вращаться. Только он может вывести их из состояния покоя, больше ничего, ведь другие силы не смогут влиять на них.

В электрическом поле находятся заряженные частицы, которые очень быстро двигаются и могут преодолеть 300 000 км всего за секунду. Такую же скорость имеет и свет. Магнитное поле не бывает без электрического заряда. Это значит, что частицы невероятно близко связаны друг с другом и существуют в общем электромагнитном поле. То есть, если будут любые изменения в магнитном поле, то изменения будут и в электрическом. Этот закон также обратен.

Мы тут много говорим про магнитное поле, но как же его можно представить? Мы не можем увидеть его нашим человеческим невооруженным глазом. Мало того, из-за невероятно быстрого распространения поля, мы не успеваем его зафиксировать при помощи различных устройств. Но чтобы что-то изучать, надо иметь хоть какое-нибудь представление о нем. Еще часто приходится изображать магнитное поле на схемах. Для того чтобы было проще понять его, проводят условные силовые линии поля. Откуда же их взяли? Их придумали неспроста.

Попробуем увидеть магнитное поле при помощи мелких металлических опилок и обыкновенного магнита. Насыплем на ровную поверхность эти опилки и введем их в действие магнитного поля. Затем увидим, что они будут двигаться, вращаться и выстраиваться в рисунок или схему. Полученное изображение будет показывать примерное действие сил в магнитном поле. Все силы и, соответственно, силовые линии непрерывны и замкнуты в этом месте.

Магнитная стрелка имеет сходные характеристики и свойства с компасом, и ее применяют, чтобы определить направление силовых линий. Если она попадет в зону действия магнитного поля, по ее северному полюсу мы видим направление действия сил. Тогда выделим отсюда несколько выводов: верх обычного постоянного магнита, из которого исходят силовые линии, обозначают северным полюсом магнита. Тогда как южным полюсом обозначают ту точку, где силы замыкаются. Ну а силовые линии внутри магнита на схеме не выделяются.

Магнитное поле, его свойства и характеристики имеют довольно большое применение, потому что во многих задачах его приходится учитывать и исследовать. Это важнейшее явление в науке физике. С ним неразрывно связаны более сложные вещи, такие как магнитная проницаемость и индукция. Чтобы разъяснить все причины появления магнитного поля, надо опираться на реальные научные факты и подтверждения. Иначе в более сложных задачах неправильный подход может нарушить целостность теории.

А сейчас приведем примеры. Все мы знаем нашу планету. Вы скажете, что она не имеет магнитного поля? Может, вы и правы, но ученые говорят, что процессы и взаимодействия внутри ядра Земли рождают огромное магнитное поле, которое тянется на тысячи километров. Но в любом магнитном поле должны быть его полюса. И они существуют, просто расположены немного в стороне от географического полюса. Как же мы его чувствуем? Например, у птиц развиты способности навигации, и они ориентируются, в частности, по магнитному полю. Так, при его помощи гуси благополучно прибывают в Лапландию. Специальные навигационные устройства также используют это явление.

Чтобы понять происхождение поля и его характеристики, необходимо иметь представление о многих природных явлениях. Если по-простому, то это явление — специальная форма материи, создаваемая магнитами. Причем источниками магнитного поля могут быть реле, генераторы тока, электродвигатели и др.

Немного истории

Прежде чем уходить вглубь истории, стоит узнать определение магнитного поля: МП — это силовое поле, которое воздействует на движущиеся электрические заряды и тела. Что касается явления магнетизма, то оно уходит корнями в глубокое прошлое, к временам расцвета цивилизаций Малой Азии. Именно на их территории, в Магнезии, были найдены горные породы, которые притягивались друг к другу. Их назвали в честь местности, откуда они произошли.

Однозначно сложно сказать, кто открыл понятие магнитного поля . Однако в начале XIX века Х. Эрстэд проводил эксперимент и выявил, что если магнитную стрелку расположить возле проводника и пустить по нему ток, то стрела начнет отклоняться. Если же берется рамка с током, то на ее поле воздействует внешнее поле.

Касательно современных вариантов, магниты, которые используют при производстве различных товаров, могут оказывать влияние на работу электронных сердечных стимуляторов и других устройств в кардиологии.

Стандартные железные и ферритовые магниты почти не вызывают проблем, так как характеризуются небольшой силой. Однако относительно недавно появились более сильные магниты — сплавы неодима, бора и железа. Они ярко-серебристые и их поле очень сильно. Их применяют в таких сферах промышленности:

  • Швейная.
  • Пищевая.
  • Станкостроительная.
  • Космическая и т. д.

Определение понятия и графическое отображение

Магниты, которые представлены в виде подковы, имеют два конца — два полюса. Именно в этих местах проявляются наиболее выраженные притягивающие свойства. Если магнит подвесить на веревочке, то один конец всегда будет тянуться к северу. На этом принципе основана работа компаса.

Магнитные полюса могут взаимодействовать друг с другом: одноименные отталкиваются, разноименные притягиваются. Вокруг этих магнитов возникает соответствующее поле, которое похоже на электрическое. Стоит упомянуть, что определить магнитное поле органами чувств человека невозможно.

Магнитное поле и его характеристики нередко отображают в виде графиков, при помощи индукционных линий. Термин означает, что существуют линии, касательные которых сходятся с вектором магнитной индукции. Этот параметр состоит в свойствах МП и служит определяющим фактором его мощности и направления.

Если поле сверхинтенсивное, то линий будет гораздо больше.

Понятие магнитного поля в виде изображения:

У прямых проводников с электрическим током существуют линии в виде концентрической окружности. Их центральная часть будет размещена на осевой линии проводника. Магнитные линии направляются согласно правилу буравчика: режущий элемент ввинчивают таким образом, чтобы он был указан в сторону тока, а ручка бы указывала на направление линий.

Поле, которое создается одним источником, может иметь разную мощность в различных средах. Все благодаря магнитным параметрам среды, а конкретнее, абсолютной магнитопроницаемости, которую измеряют в Генри на метр (г/м). Другие параметры полей — это магнитная постоянная — полная вакуумная проницаемость, и относительная постоянная.

Проницаемость, напряженность и индукция

Проницаемость — безразмерное значение. Среды, которые имеют проницаемость меньше единицы, именуются диамагнитными. В них поле не мощнее, чем в вакууме. К таким элементам относят воду, поваренную соль, висмут, водород. Вещества с проницаемостью выше единицы называют парамагнитными. К ним можно отнести:

  • Воздух.
  • Литий.
  • Магний.
  • Натрий.

Показатель магнитной проницаемости диамагнетиков и парамагнетиков не зависит от такого фактора, как напряжение наружного поля. Проще говоря, эта величина постоянна для конкретной среды.

К отдельной группе причисляют ферромагнетики. Их магнитопроницаемость может быть равна отметке в несколько тысяч. Такие вещества способны активно намагничиваться и увеличивать поле. Ферромагнетики широко распространены в электротехнике.

Специалисты изображают взаимосвязанность напряженности наружного поля и магнитной индукции ферромагнитов при помощи кривой намагничивания, т. е. графиков. Там, где изгибается график кривой, уменьшается скорость увеличения индукции. После изгиба, при достижении определенного показателя, появляется насыщение и кривая немного приподнимается, приближаясь к значениям прямой. В этом месте происходит рост индукции, но довольно-таки небольшой. Подводя итог, можно сказать, что график отношений напряженности с индукцией — предмет непостоянный, и что проницаемость элемента зависит от внешнего поля.

Напряженность полей

Еще одной немаловажной характеристикой МП называют напряженность, которая используется наряду с вектором индукции. Это определение — векторный параметр. Он определяет интенсивность внешнего поля. Объяснить мощные поля у ферромагнетиков можно наличием в них небольших элементов, которые представляются малыми магнитами.

Если ферромагнитный компонент не имеет магнитного поля, то у него могут отсутствовать магнитные свойства, потому что поля доменов будут иметь различную ориентацию. Рассматривая характеристики, можно поместить ферромагнетик во внешнее МП, например, в катушку с током, в это время домены изменят свое положение по направлению поля. А вот если наружное МП слишком слабое, то переворачивается лишь небольшое количество доменов, которое близко к нему.

По мере того как внешнее поле будет наращивать свои силы, все большее число доменов начнет поворачиваться по его направлению. Как только все домены повернутся, появится новое определение — магнитное насыщение.

Перемены поля

Кривая намагничивания не сходится с кривой размагничивания в тот момент, когда сила тока возрастает до своего насыщения в катушке с ферромагнетиком. Иное происходит с нулевой напряженностью, т. е. магнитная индукция будет содержать другие показатели, которые именуются остаточной индукцией. Если индукция отстает от намагничивающей силы, то это называют гистерезисом.

Чтобы добиться абсолютного размагничивания сердечника ферромагнетика в катушке, необходимо дать ток обратного направления, создавая тем самым нужную напряженность.

Различные ферромагнитные элементы нуждаются в разных отрезках. Чем он больше такой отрезок, тем больше энергии необходимо для размагничивания. Когда компонент полностью размагнитится, он достигнет состояния, которое называют коэрцитивной силой.

Если и дальше увеличивать ток в катушке, то в один момент индукция опять достигнет состояния насыщения, но уже с другим положением линий. При размагничивании в другую сторону появляется остаточная индукция. Это может пригодиться при производстве постоянного магнита. Детали, которые имеют хорошую способность к перемагничиванию, применяются в машиностроении.

Правила Ленца, левой и правой руки

По закону левой руки можно без проблем узнать направление тока. Так, при установке руки, когда в ладонь впускаются магнитные линии и 4 пальца показывают на направление тока в проводнике, большой палец покажет направленность силы. Такая сила будет направлена перпендикулярно току и вектору индукции.

Проводник, перемещающийся в МП, называется прообразом электрического двигателя, когда электроэнергия превращается в механическую. Когда проводник движется в МП, внутри него вызывается электродвижущая сила, имеющая показатели, пропорциональные индукции, используемой длине и скорости передвижения. Это соотношение именуется электромагнитной индукцией.

Для определения направления ЭДС используют правило правой руки: ее тоже располагают таким образом, чтобы в ладошку проникали линии, при этом пальцы покажут, куда направлена индуктированная ЭДС, а большой палец направит на перемещение проводника. Проводник, который двигается в МП под воздействием механической силы, считается упрощенным вариантом электрогенератора, где механическая энергия превращается в электрическую.

Когда магнит вводится в катушку, происходит повышение магнитного потока в контуре, а МП, которое создается индуцируемым током, направляется против увеличения роста магнитного потока. Чтобы определить направление, нужно смотреть на магнит со стороны северного поля.

Если проводник способен создавать сцепление потоков при прохождении через него электричества, то это называется индуктивностью проводника. Такая характеристика относится к основным, когда упоминают электрические цепи.

Поле Земли

Сама планета Земля представляет собой один большой магнит. Ее окружает сфера, где преобладают магнитные силы. Немалая часть научных исследователей утверждает, что магнитное поле Земли возникло из-за ядра. Оно имеет жидкостную оболочку и твердый внутренний состав. Так как планета вращается, то в жидкой части появляются бесконечные течения, а движение электрозарядов создает вокруг планеты поле, которое служит защитным барьером от вредных космических частиц, например, от солнечного ветра. Поле изменяет направление частиц, отправляя их вдоль линий.

Землю называют магнитным диполем . Южный полюс располагается на географическом Северном, а Северный МП, наоборот, на Южном географическом. В действительности полюса не совпадают не только по месторасположению. Дело в том, что магнитная ось наклоняется по отношению к вращательной оси планеты на 11,6 градуса. Из-за такой небольшой разницы появляется возможность использовать компас. Стрелка прибора в точности укажет на Южный магнитный полюс и немного с искажением — на Северный географический. Если бы компас существовал 730 тысяч лет назад, он бы направлял и на магнитный, и на обычный Северный полюс.

Тема: Магнитное поле

Подготовил: Байгарашев Д.М.

Проверила: Габдуллина А.Т.

Магнитное Поле

Если два параллельно расположенных проводника подсоединить к источнику тока так, чтобы по ним прошел электрический ток, то в зависимости от направления тока в них проводники либо отталкиваются, либо притягиваются.

Объяснение этого явления возможно с позиции возникновения вокруг проводников особого вида материи — магнитного поля.

Силы, с которыми взаимодействуют проводники с током, называются магнитными .

Магнитное поле — это особый вид материи, специфической особенностью которой является действие на движущийся электрический заряд, проводники с током, тела, обладающие магнитным моментом, с силой, зависящей от вектора скорости заряда, направления силы тока в проводнике и от направления магнитного момента тела.

История магнетизма уходит корнями в глубокую древность, к античным цивилизациям Малой Азии. Именно на территории Малой Азии, в Магнезии, находили горную породу, образцы которой притягивались друг к другу. По названию местности такие образцы и стали называть «магнетиками». Любой магнит в форме стержня или подковы имеет два торца, которые называются полюсами; именно в этом месте сильнее всего и проявляются его магнитные свойства. Если подвесить магнит на нитке, один полюс всегда будет указывать на север. На этом принципе основан компас. Обращенный на север полюс свободно висящего магнита называется северным полюсом магнита (N). Противоположный полюс называется южным полюсом (S).

Магнитные полюсы взаимодействуют друг с другом: одноименные полюсы отталкиваются, а разноименные — притягиваются. Аналогично концепции электрического поля, окружающего электрический заряд, вводят представление о магнитном поле вокруг магнита.

В 1820 г. Эрстед (1777-1851) обнаружил, что магнитная стрелка, расположенная рядом с электрическим проводником, отклоняется, когда по проводнику течет ток, т. е. вокруг проводника с током создается магнитное поле. Если взять рамку с током, то внешнее магнитное поле взаимодействует с магнитным полем рамки и оказывает на нее ориентирующее действие, т. е. существует такое положение рамки, при котором внешнее магнитное поле оказывает на нее максимальное вращающее действие, и существует положение, когда вращающий момент сил равен нулю.

Магнитное поле в любой точке можно охарактеризовать вектором В, который называетсявектором магнитной индукции или магнитной индукцией в точке.

Магнитная индукция В — это векторная физическая величина, являющаяся силовой характеристикой магнитного поля в точке. Она равна отношению максимального механического момента сил, действующих на рамку с током, помещенную в однородное поле, к произведению силы тока в рамке на ее площадь:

За направление вектора магнитной индукции В принимается направление положительной нормали к рамке, которое связано с током в рамке правилом правого винта, при механическом моменте, равном нулю.

Точно так же, как изображали линии напряженности электрического поля, изображают линии индукции магнитного поля. Линия индукции магнитного поля — воображаемая линия, касательная к которой совпадает с направлением В в точке.

Направления магнитного поля в данной точке можно определить еще как направление, которое указывает

северный полюс стрелки компаса, помещенный в эту точку. Считают, что линии индукции магнитного поля направлены от северного полюса к южному.

Направление линий магнитной индукции магнитного поля, созданного электрическим током, который течет по прямолинейному проводнику, определяется правилом буравчика или правого винта. За направление линий магнитной индукции принимается направление вращения головки винта, которое обеспечивало бы поступательное его движение по направлению электрического тока (рис. 59).

где n 01 = 4Пи 10 -7 В с/(А м). — магнитная постоянная, R — расстояние, I — сила тока в проводнике.

В отличие от линий напряженности электростатического поля, которые начинаются на положительном заряде и оканчиваются на отрицательном, линии индукции магнитного поля всегда замкнуты. Магнитного заряда аналогично электрическому заряду не обнаружено.

За единицу индукции принимается одна тесла (1 Тл) — индукция такого однородного магнитного поля, в котором на рамку площадью 1 м 2 , по которой течет ток в 1 А, действует максимальный вращающий механический момент сил, равный 1 Н м.

Индукцию магнитного поля можно определить и по силе, действующей на проводник с током в магнитном поле.

На проводник с током, помещенный в магнитное поле, действует сила Ампера, величина которой определяется следующим выражением:

где I — сила тока в проводнике, l — длина проводника, В — модуль вектора магнитной индукции, а — угол между вектором и направлением тока.

Направление силы Ампера можно определить по правилу левой руки: ладонь левой руки располагаем так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, четыре пальца располагаем по направлению тока в проводнике, то отогнутый большой палец показывает направление силы Ампера.

Учитывая, что I = q 0 nSv, и подставляя это выражение в (3.21), получим F = q 0 nSh/B sin a . Число частиц (N) в заданном объеме проводника равно N = nSl, тогда F = q 0 NvB sin a .

Определим силу, действующую со стороны магнитного поля на отдельную заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле:

Эту силу называют силой Лоренца (1853-1928). Направление силы Лоренца можно определить по правилу левой руки: ладонь левой руки располагаем так, чтобы линии магнитной индукции входили в ладонь, четыре пальца показывали направление движения положительного заряда, большой отогнутый палец покажет направление силы Лоренца.

Сила взаимодействия между двумя параллельными проводниками, по которым текут токи I 1 и I 2 равна:

где l — часть проводника, находящаяся в магнитном поле. Если токи одного направления, то проводники притягиваются (рис. 60), если противоположного направления — отталкиваются. Силы, действующие на каждый проводник, равны по модулю, противоположны по направлению. Формула (3.22) является основной для определения единицы силы тока 1 ампер (1 А).

Магнитные свойства вещества характеризует скалярная физическая величина — магнитная проницаемость, показывающая во сколько раз индукция В магнитного поля в веществе, полностью заполняющем поле, отличается по модулю от индукции В 0 магнитного поля в вакууме:

По своим магнитным свойствам все вещества делятся на диамагнитные, парамагнитные иферромагнитные .

Рассмотрим природу магнитных свойств веществ.

Электроны в оболочке атомов вещества движутся по различным орбитам. Для упрощения считаем эти орбиты круговыми, и каждый электрон, обращающийся вокруг атомного ядра, можно рассматривать как круговой электрический ток. Каждый электрон, как круговой ток, создает магнитное поле, которое назовем орбитальным. Кроме того, у электрона в атоме есть собственное магнитное поле, называемое спиновым.

Если при внесении во внешнее магнитное поле с индукцией В 0 внутри вещества создается индукция В (n 1).

В диамагнитных материалах при отсутствии внешнего магнитного поля магнитные поля электронов скомпенсированы, и при внесении их в магнитное поле индукция магнитного поля атома становится направленной против внешнего поля. Диамагнетик выталкивается из внешнего магнитного поля.

У парамагнитных материалов магнитная индукция электронов в атомах полностью не скомпенсирована, и атом в целом оказывается подобен маленькому постоянному магниту. Обычно в веществе все эти маленькие магниты ориентированы произвольно, и суммарная магнитная индукция всех их полей равна нулю. Если поместить парамагнетик во внешнее магнитное поле, то все маленькие магниты — атомы повернутся во внешнем магнитном поле подобно стрелкам компаса и магнитное поле в веществе усиливается (n >= 1).

Ферромагнитными называются такие материалы, в которых n » 1. В ферромагнитных материалах создаются так называемые домены, макроскопические области самопроизвольного намагничивания.

В разных доменах индукции магнитных полей имеют различные направления (рис. 61) и в большом кристалле

взаимно компенсируют друг друга. При внесении ферромагнитного образца во внешнее магнитное поле происходит смещение границ отдельных доменов так, что объем доменов, ориентированных по внешнему полю, увеличивается.

С увеличением индукции внешнего поля В 0 возрастает магнитная индукция намагниченного вещества. При некоторых значениях В 0 индукция прекращает резкий рост. Это явление называется магнитным насыщением.

Характерная особенность ферромагнитных материалов — явление гистерезиса, которое заключается в неоднозначной зависимости индукции в материале от индукции внешнего магнитного поля при его изменении.

Петля магнитного гистерезиса — замкнутая кривая (cdc`d`c), выражающая зависимость индукции в материале от амплитуды индукции внешнего поля при периодическом достаточно медленном изменении последнего (рис. 62).

Петля гистерезиса характеризуется следующими величинами B s , B r , B c . B s — максимальное значение индукции материала при В 0s ; В r — остаточная индукция, равная значению индукции в материале при уменьшении индукции внешнего магнитного поля от B 0s до нуля; -В с и В с — коэрцитивная сила — величина, равная индукции внешнего магнитного поля, необходимого для изменения индукции в материале от остаточной до нуля.

Для каждого ферромагнетика существует такая температура (точка Кюри (Ж. Кюри, 1859-1906), выше которой ферромагнетик утрачивает свои ферромагнитные свойства.

Существует два способа приведения намагниченного ферромагнетика в размагниченное состояние: а) нагреть выше точки Кюри и охладить; б) намагничивать материал переменным магнитным полем с медленно убывающей амплитудой.

Ферромагнетики, обладающие малой остаточной индукцией и коэрцитивной силой, называются магнитомягкими. Они находят применение в устройствах, где ферромагнетику приходится часто перемагничиваться (сердечники трансформаторов, генераторов и др. ).

Магнитожесткие ферромагнетики, обладающие большой коэрцитивной силой, применяются для изготовления постоянных магнитов.

Магнитным полем называется особый, отличный от вещества, вид материи через которую передается действие магнита на другие тела.

Магнитное поле возникает в пространстве, окружающем движущиеся электрические заряды и постоянные магниты. Оно воздействует только на движущиеся заряды. Под влиянием электромагнитных сил движущиеся заряженные частицы отклоняются

От своего первоначального пути в направлении, перпендикулярном полю.

Магнитное и электрические поля неразрывны и образуют совместно единое электромагнитное поле. Всякое изменение электрического поля приводит к появлению магнитного поля, и, наоборот, всякое изменение магнитного поля сопровождается возникновением электрического поля. Электромагнитное поле распространяется со скоростью света, т. е. 300 ООО км/с.

Общеизвестно действие постоянных магнитов и электромагнитов на ферромагнитные тела, существование и неразрывное единство полюсов магнитов и их взаимодействие (разноименные полюсы притягиваются, одноименные отталкиваются). По аналогии

с магнитными полюсами Земли полюсы магнитов называют северным и южным.

Магнитное поле наглядно изображается магнитными силовыми линиями, которые задают направление магнитного поля в пространстве (рис..1). Эти линии не имеют ни начала, ни конца, т.е. являются замкнутыми.

Силовые линии магнитного поля прямолинейного проводника представляют собой концентрические окружности, охватывающие провод. Чем сильнее ток, тем сильнее магнитное поле вокруг провода. При удалении от провода с током магнитное поле ослабевает.

В пространстве, окружающем магнит или электромагнит, за положительное направление магнитных силовых линий условно принято направление от северного полюса к южному. Чем интенсивнее магнитное поле, тем выше плотность силовых линий.

Направление магнитных силовых линий определяется правилом буравчика :.

Рис. 1. Магнитное поле магнитов:

а — прямого; б — подковообразного

Рис. 2. Магнитное поле:

а — прямого провода; б — индуктивной катушки

Если ввинчивать винт по направлению тока, то магнитные магнитные силовые линии будут направлены по ходу винта (рис.2 а)

Для получения более сильного магнитного поля применяют индуктивные катушки с обмоткой из проволоки. В этом случае магнитные поля отдельных витков индуктивной катушки складываются и их силовые линии сливаются в общий магнитный поток.

Магнитные силовые линии выходят из индуктивной катушки

на том конце, где ток направлен против хода часовой стрелки, т. е. этот конец является северным магнитным полюсом (рис.2, б).

При изменении направления тока в индуктивной катушке изменится и направление магнитного поля.

Хорошо известно широкое применение магнитного поля в быту, на производстве и в научных исследованиях. Достаточно назвать такие устройства, как генераторы переменного тока, электродвигатели, реле, ускорители элементарных частиц и различные датчики. Рассмотрим подробнее, что собой представляет магнитное поле и как оно образуется.

Что такое магнитное поле — определение

Магнитное поле — это силовое поле, действующее на движущиеся заряженные частицы. Размер магнитного поля завит от скорости его изменения. Согласно этому признаку выделяют два типа магнитного поля: динамическое и гравитационное.

Гравитационное магнитное поле возникает только вблизи элементарных частиц и формируется в зависимости от особенностей их строения. Источниками динамического магнитного поля являются движущиеся электрические заряды или заряженные тела, проводники с током, а также намагниченные вещества.

Свойства магнитного поля

Великому французскому ученому Андре Амперу удалось выяснить два основополагающих свойства магнитного поля:

  1. Основное отличие магнитного поля от электрического и его основное свойство состоит в том, что оно носит относительный характер. Если вы возьмете заряженное тело, оставите его неподвижным в какой-либо системе отсчета и поместите рядом магнитную стрелку, то она будет, как обычно, указывать на север. То есть она не обнаружит никакого поля, кроме земного. Если же вы начнете перемещать это заряженное тело относительно стрелки, то она начнет поворачиваться — это говорит о том, что при движении заряженного тела возникает еще и магнитное поле, кроме электрического. Таким образом, магнитное поле появляется тогда и только тогда, когда есть движущийся заряд.
  2. Магнитное поле действует на другой электрический ток. Так, обнаружить его можно, проследив движение заряженных частиц, — в магнитном поле они будут отклоняться, проводники с током будут двигаться, рамка с током поворачиваться, намагниченные вещества смещаться. Здесь следует вспомнить магнитную стрелку компаса, обычно окрашенную в синий цвет, — ведь это просто кусочек намагниченного железа. Он всегда ориентируется на север, потому что Земля обладает магнитным полем. Вся наша планета является огромным магнитом: на Северном полюсе находится южный магнитный пояс, а на Южном географическом полюсе находится северный магнитный полюс.

Кроме этого, к свойствам магнитного поля относят следующие характеристики:

  1. Сила магнитного поля описывается магнитной индукцией — это векторная величина, определяющая, с какой силой магнитное поле влияет на движущиеся заряды.
  2. Магнитное поле может быть постоянного и переменного типа. Первое порождается не изменяющимся во времени электрическим полем, индукция такого поля также неизменна. Второе чаще всего генерируется при помощи индукторов, питающихся переменным током.
  3. Магнитное поле не может быть воспринято органами чувств человека и фиксируется только специальными датчиками.

Перечислите четыре свойства силовых линий магнитного поля.

Нокаут NEET 2024

Персонализированный репетитор ИИ и адаптивное расписание, Материал для самообучения, Неограниченное количество пробных тестов и персонализированных аналитических отчетов, Круглосуточная поддержка в чате сомнений.

40000р/-

Купить сейчас
Нокаут NEET 2025

Персонализированный репетитор ИИ и адаптивное расписание, Материал для самообучения, Неограниченное количество пробных тестов и персонализированных аналитических отчетов, Круглосуточная поддержка в чате сомнений.

₹ 45000/-

Купить сейчас
Фонд NEET + Нокаут NEET 2024

Персонализированный репетитор ИИ и адаптивное расписание, Материал для самообучения, Неограниченное количество пробных тестов и персонализированных аналитических отчетов, Круглосуточная поддержка в чате сомнений.

₹ 54999/- ₹ 42499/-

Купить сейчас
NEET Foundation + Knockout NEET 2024 (простой платеж)

Персонализированный репетитор ИИ и адаптивное расписание, Материал для самообучения, Неограниченное количество пробных тестов и персонализированных аналитических отчетов, Круглосуточная поддержка в чате сомнений.

₹ 3999/-

Купить сейчас
NEET Foundation + Knockout NEET 2025 (простой платеж)

Персонализированный репетитор ИИ и адаптивное расписание, Материал для самообучения, Неограниченное количество пробных тестов и персонализированных аналитических отчетов, Круглосуточная поддержка в чате сомнений.

₹ 3999/-

Купить сейчас

Магнитные свойства — Химия LibreTexts

Магнитный момент системы измеряет силу и направление ее магнетизма.Сам термин обычно относится к магнитному дипольному моменту. Все, что является магнитным, например, стержневой магнит или петля электрического тока, имеет магнитный момент. Магнитный момент является векторной величиной, имеющей величину и направление. Электрон обладает магнитным дипольным моментом электрона, создаваемым собственным свойством вращения электрона, что делает его движущимся электрическим зарядом. Есть много различных магнитных свойств, включая парамагнетизм, диамагнетизм и ферромагнетизм.

Интересной характеристикой переходных металлов является их способность образовывать магниты. Комплексы металлов с неспаренными электронами являются магнитными. Поскольку последние электроны находятся на d-орбиталях, этот магнетизм должен быть связан с наличием неспаренных d-электронов. Спин отдельного электрона обозначается квантовым числом \(m_s\) как +(1/2) или –(1/2). Этот спин отрицается, когда электрон соединяется с другим, но создает слабое магнитное поле, когда электрон не спарен. Более неспаренные электроны усиливают парамагнитные эффекты. Электронная конфигурация переходного металла (d-блок) изменяется в координационном соединении; это происходит из-за сил отталкивания между электронами в лигандах и электронами в соединении.В зависимости от силы лиганда соединение может быть парамагнитным или диамагнитным.

Ферромагнетизм (постоянный магнит)

Ферромагнетизм является основным механизмом, с помощью которого некоторые материалы (например, железо) образуют постоянные магниты . Это означает, что соединение проявляет постоянные магнитные свойства, а не только в присутствии внешнего магнитного поля (рис. \(\PageIndex{1}\)). В ферромагнитном элементе электроны атомов сгруппированы в домены, в которых каждый домен имеет одинаковый заряд.В присутствии магнитного поля эти домены выстраиваются так, что заряды во всем соединении параллельны. Может ли соединение быть ферромагнитным или нет, зависит от количества неспаренных электронов и размера его атома.

Рисунок \(\PageIndex{1}\): Ферромагнетизм (a) ненамагниченный материал и (2) намагниченный материал с соответствующими магнитными полями.

Ферромагнетизм, постоянный магнетизм, связанный с никелем, кобальтом и железом, является обычным явлением в повседневной жизни.Примеры знания и применения ферромагнетизма включают дискуссию Аристотеля в 625 г. до н.э., использование компаса в 1187 г. и современный холодильник. Эйнштейн продемонстрировал, что электричество и магнетизм неразрывно связаны в его специальной теории относительности.

Парамагнетизм (притяжение к магнитному полю)

Парамагнетизм относится к магнитному состоянию атома с одним или несколькими неспаренными электронами. Неспаренные электроны притягиваются магнитным полем из-за магнитных дипольных моментов электронов.Правило Хунда гласит, что электроны должны занимать каждую орбиталь по отдельности, прежде чем любая орбиталь будет занята дважды. Это может оставить атом со многими неспаренными электронами. Поскольку неспаренные электроны могут вращаться в любом направлении, они проявляют магнитные моменты в любом направлении. Эта способность позволяет парамагнитным атомам притягиваться к магнитным полям. Двухатомный кислород \(O_2\) является хорошим примером парамагнетизма (описанного с помощью теории молекулярных орбиталей). На следующем видео показан жидкий кислород, притягиваемый магнитным полем, создаваемым сильным магнитом:

Видео \(\PageIndex{1}\): Парамагнетизм жидкого кислорода

Диамагнетизм (отталкиваемый магнитным полем)

Как показано на видео, молекулярный кислород (\(\ce{O2}\)) является парамагнитным и притягивается к магниту.Напротив, молекулярный азот (\(\ce{N_2}\)) не имеет неспаренных электронов и является диамагнитным; на него не действует магнит. Диамагнетики характеризуются наличием спаренных электронов, например, отсутствием неспаренных электронов. Согласно принципу запрета Паули, согласно которому никакие два электрона не могут одновременно находиться в одном и том же квантовом состоянии, спины электронов ориентированы в противоположных направлениях. Это заставляет магнитные поля электронов уравновешиваться; таким образом, нет чистого магнитного момента, и атом не может быть притянут магнитным полем.На самом деле диамагнитные вещества слабо отталкиваются магнитным полем, как показано на примере пироуглеродного листа на рисунке \(\PageIndex{2}\).

Рисунок \(\PageIndex{2}\): Парящий в воздухе пиролитический углерод: небольшой (~ 6 мм) кусочек пиролитического графита, парящий над массивом постоянных неодимовых магнитов (кубики 5 мм на стальном листе). Обратите внимание, что полюса магнитов выровнены вертикально и чередуются (два с северной стороной вверх и два с южной стороной вверх по диагонали). (Общественное достояние; Sparka через Википедию).

Как определить, является ли вещество парамагнитным или диамагнитным

Магнитные свойства вещества можно определить, изучив его электронную конфигурацию: если в нем есть неспаренные электроны, то вещество парамагнитно, а если все электроны спарены, то вещество диамагнитно. Этот процесс можно разбить на три этапа:

  1. Запишите электронную конфигурацию
  2. Нарисуйте валентные орбитали
  3. Определите, существуют ли неспаренные электроны
  4. Определите, является ли вещество парамагнитным или диамагнитным

    Пример \(\PageIndex{1}\): атомы хлора

    Шаг 1: Найдите электронную конфигурацию

    Для атомов Cl электронная конфигурация 3s 2 3p 5

    Шаг 2. Нарисуйте валентные орбитали

    Игнорируйте основные электроны и сосредоточьтесь только на валентных электронах.

    Шаг 3: Найдите неспаренные электроны

    Имеется один неспаренный электрон.

    Этап 4. Определите, является ли вещество парамагнитным или диамагнитным

    Поскольку имеется неспаренный электрон, атомы \(\ce{Cl}\) парамагнитны (хотя и слабо).

    Пример \(\PageIndex{2}\): атомы цинка

    Шаг 1: Найдите электронную конфигурацию

    Для атомов Zn электронная конфигурация 4s 2 3d 10

    Шаг 2. Нарисуйте валентные орбитали

    Шаг 3: Найдите неспаренные электроны

    Неспаренных электронов нет.

    Этап 4. Определите, является ли вещество парамагнитным или диамагнитным

    Поскольку неспаренных электронов нет, атомы \(\ce{Zn}\) диамагнитны.

    Упражнение \(\PageIndex{1}\)

    1. Сколько неспаренных электронов содержится в атомах кислорода?
    2. Сколько неспаренных электронов содержится в атомах брома?
    3. Укажите, являются ли атомы бора парамагнитными или диамагнитными. {-}}\) парамагнитными или диамагнитными.{2+}}\) ионы бывают парамагнитными или диамагнитными.
    Ответить на
    Атом O имеет электронную конфигурацию 2s 2 2p 4 . Следовательно, O имеет 2 неспаренных электрона.
     
    Ответ б
    Атом Br имеет электронную конфигурацию 4s 2 3d 10 4p 5 . Следовательно, Br имеет 1 неспаренный электрон.
     
    Ответ c
    Атом B имеет электронную конфигурацию 2s 2 2p 1 .{2+}}\) ион имеет электронную конфигурацию 3d 6 . Поскольку у него 4 неспаренных электрона, он парамагнетик.

      Эксперимент месяца | Университет Миллерсвилля

      Магнитные поля, изменяющиеся как обратный куб

      Магнитные поля обычно создаются магнитными диполями, использующими либо постоянные магниты, либо проволочные петли с током. Это отличается от обычного метода создания электрического поля с использованием электрических зарядов (или «монополей»). Как для монополей, так и для диполей напряженность поля уменьшается по мере увеличения расстояния от источника.

      Для точечных электрических зарядов напряженность электрического поля подчиняется закону Кулона: она пропорциональна R -2 , то есть , часто называемая законом обратных квадратов.

      Для электрических диполей напряженность поля уменьшается быстрее с расстоянием; как R -3 .

      Магнитные монополи никогда не наблюдались. Вместо этого основной источник магнитного поля, по-видимому, обладает свойствами магнитного диполя. Это утверждение исследуется в лаборатории этого месяца

      .

      Мы представляем две версии; простая демонстрация, которая игнорирует важные детали и делается быстро, и полное упражнение, включающее детали реальной катушки, создающей поле. Полное упражнение показывает в микромире, как работает физика: измерения анализируются с использованием теории, и анализ используется для прогнозирования результатов новых измерений.

      Демонстрация

      Более полный эксперимент проводится в наших физических 232 лабораториях. В качестве источника используется большая катушка, а магнитное поле в центре катушки рассчитывается исходя из размеров катушки и силы тока. Детектор снова представляет собой катушку 25 мГн, но в этом упражнении ее ось лежит на оси большой катушки. R теперь измеряется вдоль этой оси по мере удаления детектора от центра катушки.

      ЭДС, индуцируемая в катушке детектора 25 мГн, определяется производной магнитного поля по времени. Это магнитное поле рассчитывается на основе тока через большую катушку и геометрии большой катушки.Наконец, ЭДС индукции в детекторе рассчитывается как функция тока в большой катушке.

      Ток в катушке источника соответствует исходному измерению. Анализ с использованием электромагнитной теории предсказывает характер второго измерения; ЭДС на катушке детектора 25 мГн. Этот эксперимент фокусируется на зависимости этого отношения от расстояния.


      Чтобы сохранить этот фокус, погрешности, связанные с измерениями геометрии катушки, корректируются с помощью промежуточного «калибровочного» измерения. ЭДС детектора измеряется при R=0 как функция управляющего тока через большую катушку. График (справа) зависимости ЭДС от тока возбуждения представляет собой прямую линию, наклон которой K является калибровочной константой. Эта константа K используется в формуле для ЭДС индукции, чтобы уменьшить погрешности, связанные с геометрией как детектора, так и катушки источника. Для показанного графика значение K составило 253 мВ/мА со стандартным отклонением 5.

      Ожидаемый сигнал детектора равен

      Где среднеквадратичное значение тока в катушке источника, среднее значение внутреннего и внешнего радиусов катушки источника, 2 l длина катушки, измеренная постоянная калибровки и размах наведенного тока. ЭДС в катушке детектора.

      Результаты измерений учащихся показаны на двух графиках справа. В этом упражнении частота составляла 1 кГц, а детектор перемещался вдоль оси большой катушки источника. На прямом графике линия представляет собой предсказанный сигнал детектора, основанный на приведенной выше формуле. Согласие с точками данных удивительно хорошее.

      На графике «логарифм-логарифм» для больших расстояний видно, что данные приближаются к нарисованной линии R -3 . (Эта линия предназначена только для справки.Его уравнение: y=-3x+11,3.)

      При подгонке к прямой линии последние 10 точек данных на логарифмическом графике имеют наклон 2,88 со стандартным отклонением 0,05. Оба наблюдения почти согласуются с зависимостью R -3 от расстояния (в пределе, когда R становится большим), которая предсказывается формулой

      .

      Фильтр нижних частот улучшает отношение сигнал/шум

      Из-за сильного высокочастотного шума в физических лабораториях Миллерсвилля было полезно использовать фильтр нижних частот при сборе данных. Это позволяет нам с уверенностью проводить измерения при больших значениях R, когда сигнал значительно снижается. Эскиз фильтра, подключенного к детекторной катушке и осциллографу, показан справа. Этот фильтр использовался для получения демонстрационных данных с двумя катушками по 25 мГн.

      Учение о магнитах и ​​магнетизме

      Задание 1. Какие объекты притягиваются к магниту — I?

      Материалы, необходимые в Группу:

      бар магнит

      Сумка мешка с ассортиментом

      1.Вам дадут сумку с надписью «А» с ассортиментом предметов. Напишите название или описание каждого объекта в таблице ниже: Влечение 1.68

      Название объекта Не Привлеченные

      2.

      3.

      4.

      5.

      8.

      9,

      10.

      11.

      12.

      2.Используйте стержневой магнит, чтобы проверить каждый из объектов в пакете A. Поставьте галочку в таблице выше, чтобы показать, притягивается ли объект к магниту или нет.

      3. Чем похожи все объекты, которые притягиваются к магниту?4. Что вы можете сказать о том, какие объекты притягиваются к магниту?

      Задание 1: Какие объекты притягиваются к магниту — I? ( Заметки учителя)

      ИДЕЯ:

      Предметы, которые притягиваются к магниту, сделаны из металла.

      ПРОЦЕССНЫЕ НАВЫКИ:

      Наблюдение

      Классификация

      Выводы

      БИОГРАФИЯ СТУДЕНТА:

      не требуется

      ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ПОДГОТОВКА: Убедитесь, что магнит намагничивается. Если нет, то можно намагнитить их намагничивателем. (См. Sargent-Welch WLS44385 High-Strength Magnetizer или Google, «Как намагнитить отвертку».)

      Пакет с маркировкой «A» с различными предметами (например):

      8 8 9027 3

      Пузырьковый уровень

      Шплинт

      ногтей

      Пластиковый / фарфор ручка

      Прозрачная пластиковая пластина

      Красный дюбель

      Резиновый колпачок

      Винт

      Винт глаз

      Шайба

      Барашковая гайка

      Деревянная пуговица

      Пункты, перечисленные выше, являются только рекомендациями. Можно использовать любые доступные объекты.

      Однако убедитесь, что все металлические предметы, предназначенные для тестирования, притягиваются к магниту.

      Также, если возможно, убедитесь, что все используемые «серебряные» предметы притягиваются к магниту.

      Не забудьте включить некоторые неметаллические предметы.

      СОВЕТЫ ДЛЯ МЕНЕДЖМЕНТА:

      Не разговаривайте с учащимися во время выполнения задания. Лучше всего позволить им провести собственные тесты и сделать собственные выводы.

      ОТВЕТЫ НА НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ:

      3. Все предметы, которые притягиваются к магниту, изготовлены или содержат металла .

      4. Ожидается, что учащиеся могут сделать (ошибочный) вывод из этого упражнения, что все металлы притягиваются к магниту; однако некоторые опытные студенты могут знать иное. Упражнение 2 направлено на устранение этого заблуждения .

      ВОПРОСЫ, НА КОТОРЫЕ НУЖНО ОТМЕЧАТЬ В ОБСУЖДЕНИИ ИТОГОВ:

      Позвольте учащимся поделиться своими выводами, но в остальном ограничьте последующее обсуждение. Крайне важно немедленно выполнить это задание с помощью Задания 2 , которое показывает, что только некоторые металлы притягиваются к магниту.

      ВОЗМОЖНЫЕ ДОПОЛНЕНИЯ:

      В качестве дополнительного задания учащиеся должны выполнить Задание 2: Какие объекты притягиваются к магниту — II?

      Вы можете попросить учащихся найти в классе несколько дополнительных предметов. Предскажите, а затем классифицируйте их как привлекаемых или не привлекаемых.

      Имя(а): __________ Дата: __________ Период: __________

      Мероприятие 2.Какие объекты притягиваются к магниту — II?

      Материалы, необходимые в Группу:

      бар Magnet

      мешок с надписью «B» с сортированными объектами

      Neodymium Magnet (опция)

      Бумажные деньги США (по желанию)

      1. Вам выдадут пакет с надписью «B» с ассортиментом предметов.Напишите название или описание каждого объекта в таблице ниже: Влечение 1. 68
      Название объекта Не Привлеченные

      2.

      3

      4.

      5.

      6.

      9,

      10.

      11.

      12.

      2. Используйте барный магнит для тестирования каждого из объектов в сумке B.Поставьте галочку, чтобы показать, притягивается объект к магниту или нет.

      3. Чем похожи все объекты, которые притягиваются к магниту?4. Что вы можете сказать о видах объектов, которые притягиваются к магниту? Сравните свой ответ с ответом в предыдущем задании.5. ДОПОЛНИТЕЛЬНО: Если у вас есть сильный магнит (например, неодимовый), свободно повесьте купюру в 1 доллар и проверьте ее магнитом. Опишите, что вы наблюдаете и что можете сделать вывод.

      Задание 2: Какие объекты притягиваются к магниту — II? ( Заметки учителя )

      ИДЕЯ:

      Предметы, которые притягиваются к магниту, сделаны из ферромагнитного металла.

      ПРОЦЕССНЫЕ НАВЫКИ:

      Наблюдение

      Классификация

      Выводы

      ПРЕДПОСЫЛКИ УЧАЩИХСЯ:

      Перед выполнением этого задания учащиеся должны выполнить задание 1.

      ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ПОДГОТОВКА:

      Убедитесь, что стержневые магниты намагничены. Если нет, то можно намагнитить их намагничивателем. (См. Sargent-Welch WLS44385 High-Strength Magnetizer или Google, «Как намагнитить отвертку».)

      Сумка с маркировкой «B» с различными предметами (например,):

      Алюминиевый ногтей

      Медная труба

      Dime монета

      Железный гвоздь

      Утюг машина

      Мшистые цинка шт

      Никель металл

      Penny монета

      Английская булавка

      Небольшой кусочек алюминиевой фольги

      Перечисленные выше позиции являются лишь рекомендациями. Можно использовать любые доступные объекты. Однако убедитесь, что все объекты, включенные для тестирования, являются металлическими и что включены некоторые ферромагнитные материалы, такие как железо, кобальт и никель. Убедитесь, что , а не включают любые неметаллические предметы. ПРИМЕЧАНИЕ: Если включены предметы из никеля или кобальта, убедитесь, что они притягиваются к магниту, который используют ваши ученики. Некоторые магниты недостаточно сильны, чтобы притягивать предметы из никеля и кобальта. Если возможно, используйте неодимовый магнит.

      СОВЕТЫ ДЛЯ МЕНЕДЖМЕНТА:

      Не разговаривайте с учащимися во время выполнения задания.Лучше всего позволить им провести собственные тесты и сделать собственные выводы.

      ОТВЕТЫ НА НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ:

      3. Все объекты, которые притягиваются к магниту, сделаны из ферромагнитных металлов или содержат их .

      4. Ожидается, что все учащиеся сделают (правильный) вывод из этого упражнения, что только определенные металлы притягиваются к магниту; некоторые опытные студенты, возможно, знали об этом .

      5. Если магнитное поле сильное, учащийся может заметить, что купюра притягивается магнитом.Из этого учащийся может сделать вывод, что купюра имеет некоторый магнитный компонент. Это чернила .

      ВОПРОСЫ, НА КОТОРЫЕ НУЖНО ОТМЕЧАТЬ В ОБСУЖДЕНИИ ИТОГОВ:

      Позвольте учащимся поделиться своими выводами, но в остальном ограничьте последующее обсуждение. Поделитесь с учащимися названиями материалов, обладающих магнитными свойствами. Это отличается от магнитов. Обсудите тот факт, что только ферромагнитные материалы (материалы, содержащие железо, кобальт, никель и некоторые редкоземельные элементы) проявляют магнитное притяжение.Большинство металлов (алюминий, медь, золото, свинец, серебро, цинк и т. д.) НЕ притягиваются к магниту. Приставка «ферро» происходит от латинского слова «железо». Таким образом, ферромагнитный материал — это материал, обладающий магнитными свойствами, как и железо. Железо является наиболее часто встречающимся магнитным элементом из-за его распространенности и наличия пяти неспаренных электронов на d-орбиталях атома железа. Если ваши ученики изучали химию в средней школе, это может их заинтересовать. В противном случае его не нужно поднимать. Вы можете указать, что материалы, которые притягиваются к магниту (ферромагнитные материалы ), сами могут быть превращены в магнит (т.д., быть намагниченным).

      ПРИМЕЧАНИЕ. Является ли нержавеющая сталь магнитной?

      Существует несколько семейств нержавеющих сталей с различными физическими свойствами. Некоторые виды нержавеющей стали обладают магнитными свойствами. Эта форма сплавляется за счет добавления хрома и может быть закалена за счет добавления углерода и часто используется в столовых приборах. Однако наиболее распространенные сплавы нержавеющей стали содержат никель, а также более высокое содержание хрома. Именно никель изменяет физическую структуру стали и делает ее немагнитной.Таким образом, ответ зависит от того, магнитные свойства нержавеющей стали очень зависят от элементов, добавленных в сплав, и, в частности, добавление никеля может изменить структуру с магнитной на немагнитную. Нержавеющая сталь типа 304 является аустенитной. Он содержит не менее 18% хрома и 8% никеля в сочетании с максимальным содержанием углерода 0,08%. Он определяется как хромоникелевый аустенитный сплав.

      Мартенситная нержавеющая сталь содержит хром (12–14 %), молибден (0,2–1 %), никель (менее 2 %) и углерод (около 0,5 %).1-1%). Этот состав увеличивает твердость, но делает материал немного более хрупким. Он закаленный и магнитный.

      Немагнитный нержавеющий сплав можно превратить в магнитный путем его резания. Срезанные края имеют измененную кристаллическую структуру, которая делает их магнитными.

      Изменение магнитного отклика связано с деформацией атомной решетки и образованием мартенсита.

      ВОЗМОЖНЫЕ РАСШИРЕНИЯ:

      Вы можете попросить учащихся найти несколько дополнительных предметов в классе и предсказать, будут ли они притягиваться к магниту или нет.

      Интересно проверить бумажные деньги. Бумажные деньги США печатаются магнитными чернилами. Это помогает механическим устройствам обмена банкнот обнаруживать поддельные купюры, а узоры магнитных чернил используются для обозначения банкноты номиналом 1 доллар, 5 долларов, 10 долларов и т. д. Поскольку фотокопировальные машины не печатают магнитными чернилами, это мешает людям «зарабатывать деньги» с помощью обычный копировальный аппарат.

      Состав канадских никелей

      Дата

      Композиция

      1964-1981

      99.9% Nickel

      75% Медь и 25% Никель

      2000 — Настоящее

      94,5% Сталь, 3,5% Медь и 2% Никелированный

      Имя(а): __________ Дата: __________ Период: __________

      Задание 3. Как можно сравнить силу магнитов?

      Необходимые материалы на группу:

      Небольшие стальные скрепки (№1 размер около 1-3 / 8 в)

      бар Magnet

      подковообразные магниты

      Небольшая резинка, чтобы содержать магнитный мрамор

      Малый неодимийный магнит

      Графическая бумага или тонко управляемая линейная бумага

      String (E.г., воздушный змей)

      1. Рассмотрите три магнита, данные вашей группе. Какой из них вы считаете самым сильным? Почему вы так думаете? 2. Вставьте один конец каждого магнита в стопку скрепок на столе. Посмотрите, сколько скрепок вы можете собрать с помощью каждого из ваших магнитов. Опишите свои результаты. Постройте гистограмму ваших результатов.

      Как вы думаете, это хороший научный способ проверить силу магнитов? Почему или почему нет.

      3. Попробуйте проверить силу магнитов, поместив скрепку на конец магнита и образовав цепочку, коснувшись другой скрепки в нижней части первого.Постройте столбчатую диаграмму, чтобы показать количество скрепок, поддерживаемых каждым магнитом. Опишите ваши результаты.4. Другой способ проверить силу магнита — проверить расстояние, на которое магнит притянет скрепку. Поместите магнит на лист миллиметровой бумаги. Поместите скрепку на одну или несколько линий от конца магнита. Определите максимальное количество линий на миллиметровке, через которые магнит может притянуть скрепку. Запишите и нарисуйте расстояние для каждого магнита.

      Проранжируйте свои магниты от самого слабого до самого сильного.

      5. Какую единицу измерения вы использовали для определения силы магнита?6. Как ваши результаты для метода в #2 сравниваются с результатами в #3 и #4?7. После обсуждения результатов с другими группами обсудите вопрос: «Все ли получили одинаковые ответы?» Объясните почему или почему нет?8. Что случилось бы с результатами, если бы вы использовали более тяжелые скрепки?9. Разработайте свой собственный метод измерения силы магнита. Опишите вашу процедуру. Если есть достаточно времени и расходных материалов, проведите эксперимент и запишите свои результаты.10. Если у вас есть неодимовый сферический магнит, прокатите его по распечатанной странице, проведите эксперимент и запишите свои результаты.11. Какой из трех магнитов сильнее? Откуда вы знаете?

      Задание 3: Как можно сравнить силу магнитов? ( Заметки учителя)

      ИДЕЯ:

      Магниты бывают разных форм, размеров и прочности.

      ПРОЦЕССНЫЕ НАВЫКИ:

      Наблюдение

      Экспериментирование

      Вывод

      Измерение

      Гипотеза

      Проектирование

      ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ПОДГОТОВКА:

      Предоставьте для сравнения различные размеры и формы магнитов.

      СОВЕТЫ ПО УПРАВЛЕНИЮ:

      В ходе этого задания учащиеся ищут надежный метод измерения силы двух разных магнитов. Постарайтесь укрепить концепцию поиска последовательного метода измерения. Единицы могут включать скрепки, строки страницы и другие. Единицей магнитной силы в СИ является тесла, но ее лучше оставить на потом. Дайте учащимся время поделиться многообещающими идеями и поощряйте положительную оценку.

      Неодимовые магниты очень сильные; вы должны предостеречь студентов, чтобы они не держали пальцы и так далее между двумя магнитами.

      ОТВЕТЫ НА НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ:

      5. Часть 2 и 3: Количество скрепок

      Часть 4: Количество строк.

      7. Маловероятно, что разные группы получат одинаковые результаты, потому что внешне похожие магниты могут иметь разную силу и разные точки крепления .

      8. Прочность та же .— Прочность не меняется даже при изменении единицы измерения. Количество клипов и расстояние могут быть меньше, но результат связи должен быть таким же .

      10. Если страница копируется, неодимовая сфера останавливается на линии печати. Это связано с тем, что в большинстве чернил для фотокопий содержится некоторое количество железа. Следите за печатью на обороте страницы .

      11. Какой из трех магнитов сильнее? Откуда вы знаете? Есть несколько методов, которые учащиеся могут использовать для сравнения силы магнитов.Некоторые из методов перечислены ниже:
      • Метод 1: Подсчитайте количество скрепок, которые магнит может поднять из стопки скрепок.

      • Метод 2: Сделайте цепочку из скрепок, подвесив их к полюсам магнита. Подсчитайте количество скрепок в цепочке.

      • Метод 3: Измерьте минимальное расстояние, на которое магнит может притянуть скрепку, лежащую на листе миллиметровой бумаги.

      • Метод 4: Измерьте частоту стрелки компаса для магнитов, находящихся на одинаковом расстоянии от компаса. Большая частота означает более сильный магнит.

      • Способ 5 1 : Сбалансируйте полотно ножовки, как показано на рис. 2. Поскольку полотно ножовки изготовлено из стали, оно будет притягиваться к магниту. Прикрепите магнит к концу лезвия и посмотрите, как далеко можно потянуть магнит, прежде чем он освободит лезвие. См. ПРИМЕЧАНИЕ на следующей странице для схемы прибора и предложения по калибровке шкалы в ньютонах.
      • Метод 6: Подвесьте датчик силы на опорной штанге. Подвесьте скрепку на веревке, прикрепленной к крючку датчика. Обнулите датчик. Проверьте каждый магнит, позволяя ему притягивать скрепку, а затем медленно раздвигайте их, записывая зависимость силы от времени. Показывая каждый набор данных или запуск на графике, вы можете сравнить силу магнитов.

      ВОПРОСЫ, НА КОТОРЫЕ НУЖНО ОТМЕЧАТЬ В ОБСУЖДЕНИИ ОБСУЖДЕНИЯ:

      1.

      Силу магнита можно измерить, используя стандартную единицу измерения.Например, для сравнения силы магнитов можно использовать грузоподъемность или максимальное расстояние, на которое перемещается объект.

      2.

      Обсудите, почему учащихся не интересовал размер или вес магнитов, когда они сравнивали силу магнитов. См. ответ 8 выше.

      3. На рис. 1 показан метод оценки силы магнита. (См. Метод № 2 на предыдущей странице.)
      На рис. 2 показан баланс ножовочного полотна, который можно использовать для сравнения силы магнитов. Прикрепите магнит к правому концу полотна ножовки и посмотрите, как далеко можно потянуть магнит, прежде чем он освободит полотно.

      ПРИМЕЧАНИЕ:

      Шкала баланса может быть откалибрована в ньютонах путем подвешивания гирь известного значения к концу полотна ножовки. Запишите измеренные значения на миллиметровой бумаге.

      Этот вид деятельности включает в себя «Инженерное проектирование.Ожидается, что учащийся разработает метод сравнения силы магнитов.

      Имя(а): __________ Дата: __________ Период: __________

      Занятие 4: Где магнит сильнее всего?

      Материалы, необходимые для Group:

      бар Магнит

      № 1 Размер Маленькие стальные скрепки (1-3 / 8 дюймов)

      Подковообразный магнит

      Маленький неодимовый магнит

      1.Поднесите каждый из магнитов к стопке скрепок. Что происходит? 2. Попробуйте разные места на магнитах. Где магнит собирает больше всего скрепок?

      Где же магнит сильнее всего?

      3. Закрепите цепочку из нескольких скрепок в разных точках на магнитах. Найдите, где на магните можно подвесить больше всего скрепок. Продолжайте отходить от концов, пока не будет достигнута точка, в которой нет притяжения. На картинке ниже запишите количество скрепок, которые можно удерживать в каждом месте, натянув соответствующее количество скрепок.

      4. Поставьте крестик на изображении магнитов, указав места, где магнит сильнее всего.

      5. Места, где магнит наиболее силен, называются полюсами. Каждый магнит имеет как минимум два полюса. Сколько крестиков вы поставили на каждый магнит? 6. Есть ли на магните места, куда не притягиваются скрепки? __________ Где?7. Если есть время, поэкспериментируйте с одной из других форм магнита, чтобы определить, где расположены его полюса. Сообщите о своих выводах. Занятие 4: Где магнит сильнее всего? 1 (Примечания учителя)

      ИДЕЯ:

      Места, в которых магнит наиболее силен, называются полюсами.Каждый магнит имеет по крайней мере два магнитных полюса.

      БИОГРАФИЯ СТУДЕНТА:

      Не требуется.

      ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ПОДГОТОВКА:

      За исключением распространения лабораторных материалов, никакой специальной предварительной подготовки не требуется.

      СОВЕТЫ ПО УПРАВЛЕНИЮ:

      Убедитесь, что учащиеся определяют максимальное количество скрепок, которые можно подвесить к любой точке магнита. Обязательно используйте стальные скрепки, а не пластиковые.

      ОТВЕТЫ НА НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ:

      2. Как стержневой магнит, так и подковообразный магнит имеют наибольшую силу на концах .

      3. На рисунках учащихся должно быть изображено наибольшее количество скрепок, подвешенных к концам. Скрепки не должны свисать с середины любого магнита .

      4. Учащиеся должны нарисовать X на каждом конце стержневого магнита и подковообразного магнита. Эти крестики показывают расположение полюсов магнита .

      6. Скрепки не притягиваются к середине магнита .

      7. Полюса находятся на плоских сторонах дисковых магнитов .

      ВОПРОСЫ, НА КОТОРЫЕ НУЖНО ОТМЕЧАТЬ В ИТОГОВОМ ОБСУЖДЕНИИ:

      1.

      В одних местах магнит сильнее, чем в других.

      2.

      Места, где магнит наиболее силен, называются полюсами.

      3.

      Каждый магнит имеет как минимум два полюса.

      4.

      Полюса стержневого магнита и подковообразного магнита расположены на концах магнита.

      5.

      Точка посередине между полюсами магнита не притягивает скрепки.

      ВОЗМОЖНЫЕ РАСШИРЕНИЯ:

      Всегда ли полюса расположены на концах магнита? Попробуйте поэкспериментировать с магнитами в форме диска, пончика или цилиндра, чтобы определить, где расположены полюса. Кроме того, попробуйте кусок магнитной зачистки (похожий на тот, который часто используется для магнитов холодильника).Попробуйте найти полюса магнитного шарика. Они будут похожи на магнитные полюса Земли.

      Большинство магнитов имеют разные северный и южный полюса; однако плоские магниты на холодильник изготавливаются с чередующимися северным и южным полюсами на одной поверхности. Вы можете проверить это, сдвинув два магнита холодильника мимо друг друга так, чтобы намагниченные стороны были обращены друг к другу. Магниты будут попеременно отталкиваться и притягиваться при перемещении на несколько миллиметров. Такое расположение отвечает за то, что передняя часть магнита (сторона с изображением) почти немагнитна.Такое расположение называется массивом Хальбаха.

      Подвесьте стержневой магнит, как показано выше, и спросите учащихся:

      •. Почему в некоторых местах больше скрепок?

      ( Ответ: Магнит сильнее на полюсах. )

      •. Почему средние скрепки наклонены друг к другу?

      ( Ответ: Концы средних скрепок имеют противоположные полюса и, таким образом, притягиваются друг к другу.

      Горячее приклеивание небольшого прозрачного компаса 2 на конец штифта дает хороший магнитный зонд. 3 Медленное перемещение магнитного щупа при приближении к стержневому или подковообразному магниту позволит учащимся найти самую сильную часть магнита. Стрелка компаса указывает на магнитный полюс, который является самой сильной частью магнита. Этот зонд компаса также позволит вам определить положение северного или южного полюса на немаркированном магните.

      Имя(а): __________ Дата: __________ Период: __________

      Задание 5. Где север?

      Материалы, необходимые:

      • •

      2 бар магнитов

      Строка или тема

      8-1 / 2 на 11 белой бумаги

      Строка (т.G., KITE)

      Большой скрепки (Jumbo)

      Направленные Компас

      Подкова Magnet

      • •

      Кольцевая стойка с Cross Bar

      Rululed Line Paper

      1.Приклейте лист бумаги к столу. На бумаге укажите направления север, юг, восток и запад.

      2. Согнув большую скрепку (Jumbo — 2 дюйма), сделайте держатель для стержневого магнита, как показано справа.

      3. Привяжите или привяжите кусок лески или нити к держателю скрепки.

      4. Повесьте леску так, чтобы магнит висел прямо над центром листа бумаги. (Магнит должен быть горизонтально сбалансирован и свободно качаться по горизонтали).

      5.Покрутите магнит на пару оборотов. Отпустите его, и когда он перестанет раскачиваться, отметьте направление, в котором указывает северный полюс магнита. В каком направлении указывает северный полюс магнита? __________ южный полюс? __________

      6. Сравните ориентацию вашего магнита с другими, висящими в комнате. Как они соотносятся?7. Теперь уберите магнит и поместите компас в центр листа бумаги. Убедитесь, что стержневой магнит не находится рядом с компасом. В каком направлении указывает стрелка компаса? 8.Попробуйте несколько раз повернуть компас. Всегда ли стрелка указывает в одном и том же направлении?9. Чем стрелка компаса похожа на свободно подвешенный стержневой магнит? 10. Предположим, у вас есть стержневой магнит, а маркировка N и S на концах стерлась. Как вы могли сказать, какой конец был северным полюсом, а какой южным полюсом? 11. Как вы думаете, почему полюса магнита называются северным и южным? 12. Проверьте оба конца подвесного магнита, поднеся к нему неодимовый магнит. Опишите и объясните свои наблюдения.

      Задание 5: Где север? ( Заметки учителя )

      ИДЕЯ:

      Конец магнита, указывающий на север, называется северным полюсом магнита и обычно обозначается буквой «N».

      БИОГРАФИЯ СТУДЕНТА:

      Учащиеся должны быть знакомы с терминами северный полюс и южный полюс, а также с обозначениями N и S на стержневом магните.

      ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ПОДГОТОВКА:

      Помогите учащимся приклеить листы бумаги, указывающие направление, к их рабочим столам.Используйте циркуль, чтобы убедиться, что бумага выровнена правильно.

      СОВЕТЫ ПО УПРАВЛЕНИЮ:

      Учащимся может понадобиться скотч, чтобы убедиться, что магнит прикреплен к держателю скрепки. Во время выполнения упражнения пройдитесь вокруг, чтобы убедиться, что учащиеся правильно подвешивают свои магниты так, чтобы они располагались горизонтально. Если у ваших учеников скоро перерыв, хорошо настроить его, а затем предложить им заняться другим делом, пока они ждут.

      Часто стрелки компаса имеют противоположные полюса, и поэтому конец компаса с буквой «N» указывает на южный географический полюс.Чтобы исправить это:
      1.

      Медленно поднесите компас к полюсу стержневого магнита.

      2.

      Остановитесь на мгновение и дайте стрелке компаса успокоиться.

      3.

      Очень быстро переместите компас на другой конец магнита. Если вы сделаете это быстро, стрелка не успеет повернуться, и вы перевернете полюса стрелки компаса. Чем меньше и сильнее магнит, тем проще это сделать.

      ОТВЕТЫ НА НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ:

      5. Северный полюс магнита всегда должен указывать на север, когда он останавливается. Южный полюс, конечно же, будет обращен к югу .

      9. Оба могут свободно качаться и имеют северные полюса, которые всегда указывают на север .

      10. Подвесьте магнит и поверните его. Когда дело доходит до покоя, конец, который указывает на север, является северным полюсом .

      12. Неодимовый магнит настолько силен, что притягивает как северную, так и южную стороны обычного стержневого магнита. Таким образом, притяжение не является тестом на то, что материал является магнитом. Отталкивание — это проверка того, что материал является магнитом .

      ВОПРОСЫ, НА КОТОРЫЕ НУЖНО ОТМЕЧАТЬ ПРИ ИТОГОВОМ ОБСУЖДЕНИИ:

      1.

      Конец свободно подвешенного магнита, направленный на север, обозначен северным полюсом. Этот полюс называют полюсом «Северного поиска».Конец, указывающий на юг, помечен как «южный полюс».

      2.

      Стрелка компаса представляет собой свободно подвешенный магнит.

      3.

      Очень сильный магнит (например, неодимовый) будет притягивать обе стороны типичного магнитного стержня.

      ВОЗМОЖНЫЕ РАСШИРЕНИЯ:

      Если доступен стержневой магнит без маркировки, попросите учащихся повторить эксперимент, чтобы определить и обозначить полюса N и S.Если нет немаркированного стержневого магнита, переверните или заклейте скотчем один из отмеченных стержней.

      Имя(а): __________ Дата: __________ Период: __________

      Задание 6. Влияют ли магниты друг на друга?

      Требуются материалы:

      2 бар магнитов

      Строка (например, kite String)

      Большой PaperClip (Jumbo, 2 дюйма) для удержания магнита

      Карандаш #2 с магнитами-пончиками для демонстрации

      1.Подвесил стержневой магнит горизонтально, аналогично . Задание 5. Дайте магниту достичь равновесия.

      2. Поднесите северный полюс второго стержневого магнита к северному полюсу подвесного стержневого магнита. Опишите, что вы наблюдаете.3. Предскажите, что, по вашему мнению, произойдет, если вы приблизите южный полюс второго магнита к северному полюсу висящего магнита.

      Попробуйте. Что вы заметили? Был ли ваш прогноз верным?

      4. Предскажите, что, по вашему мнению, произойдет, если вы приблизите северный полюс второго магнита к южному полюсу висящего магнита?

      Попробуйте.Что вы заметили? Был ли ваш прогноз верным?

      5. Теперь поднесите южный полюс второго стержневого магнита к южному полюсу висящего магнита. Опишите, что вы наблюдаете.6. Что вы узнали из этого эксперимента, если сблизить одинаковые полюса двух магнитов?

      Что произойдет, если соединить разноименные полюса двух магнитов?

      7. То, что вы открыли, иногда называют законом магнитных полюсов. Попробуйте написать краткое изложение этого закона ниже.8.Предположим, что у вас есть стержневой магнит, на котором не обозначены полюса N и S. Как можно было бы использовать другой стержневой магнит с отмеченными полюсами N и S, чтобы найти и пометить полюса немаркированного магнита?

      Задание 6: Влияют ли магниты друг на друга? (заметки учителя)

      ИДЕЯ:

      Разные полюса магнитов притягиваются, а разноименные полюса отталкиваются.

      БИОГРАФИЯ СТУДЕНТА:

      Учащиеся должны знать, что магниты имеют как северный, так и южный полюс.

      ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ПОДГОТОВКА:

      Убедитесь, что полюса N и S на стержневых магнитах правильно помечены.

      СОВЕТЫ ДЛЯ МЕНЕДЖМЕНТА И ОТВЕТЫ НА НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ:

      1. Сохраните подвесные магниты от предыдущей деятельности .

      2. Магниты раздвигаются. Северные полюса отталкиваются друг от друга .

      3. Магниты собираются вместе. Южный полюс одного магнита притягивает северный полюс другого магнита .

      4. Полюса будут притягиваться друг к другу .

      5. Полюса будут отталкиваться друг от друга .

      6. Подобные полюса отталкиваются. В отличие от полюсов притягивают .

      7. Ответы будут разными, но по существу следует сказать, что одинаковые полюса магнитов отталкиваются, а разные полюса притягиваются .

      8. Ответы будут разными. Возможный правильный ответ: Поднесите северный полюс отмеченного стержневого магнита к одному концу непомеченного магнита.Если он притягивается, то непомеченный конец является южным полюсом, потому что противоположные полюса притягиваются друг к другу. Если он отталкивается, то непомеченный конец является северным полюсом, потому что одноименные полюса отталкиваются друг от друга. Сделайте то же самое на другом немаркированном конце. На самом деле, поскольку магнитные материалы притягиваются к магнитам, притяжение не является настоящим испытанием. Отталкивать могут только магниты. Ищите отталкивание, чтобы быть уверенным .

      « Привлечение не доказывает, а отталкивание принуждает». — Bill Reitz, PTRA, Огайо

      ВОПРОСЫ, НА КОТОРЫЕ СЛЕДУЕТ ОТМЕЧАТЬ В ИТОГОВОМ ОБСУЖДЕНИИ:

      1.

      Одинаковые полюса отталкиваются, а разные полюса притягиваются. Это утверждение закона магнитных полюсов.

      2.

      Разноименные полюса часто называют противоположными полюсами.

      ВОЗМОЖНЫЕ РАСШИРЕНИЯ:

      Когда ваши студенты закончат лабораторную работу и поделятся своими результатами, на следующей странице наступит время спеть «Песню о магнетизме».

      Традиционные песни с физикой Слова: «Magnetism» Джейн и Джима Нельсон

      Исполняется на мотив «Ты спишь?»

      Магнетизм, Магнетизм Север и Юг, Север и Юг Противоположности притягиваются, Противоположности притягиваются Нравится отталкивается, Нравится отталкивается

      Занятие 6: Где полюса? (Демонстрация)

      Разместите три магнита-пончика на карандаше или дюбеле так, чтобы они были отделены друг от друга, как показано на рисунке.Покажите, что если их сдвинуть вместе, три магнита отскочат друг от друга.

      Задайте следующие вопросы:

      1. Что вы можете сказать о расположении полюсов трех магнитов? (Полюса должны быть обращены друг к другу.)

      2. Одинаково ли исходное расстояние между магнитами?

      (Два нижних магнита будут прижаты друг к другу больше из-за магнитного толчка от верхнего магнита из-за магнитной силы, равной весу верхнего магнита.)

      3. Предсказать, что произойдет, если средний магнит перевернуть вверх ногами.

      (три магнита будут притягиваться друг к другу и соединяться).

      Этот аппарат был доставлен в космос на космическом челноке, а затем магниты были равномерно распределены. Вы можете аппроксимировать это состояние, удерживая карандаш (шкал) горизонтально.

      4. В качестве обзора диаграмм свободного тела учащимся старших классов можно поручить построить диаграммы свободного тела для верхнего магнита в стопке из двух кольцевых магнитов.

      Рассмотрим стопку из двух кольцевых магнитов и сил на верхнем магните, как показано на рис. 1:

      Поскольку кольцевые магниты имеют одинаковую толщину, тогда

      (Сила севера Низ на севере Верх ) > (Сила севера Низ на юге Верх )

      = (Сила севера Верх ) На юге дна )> (сила юга года на юг на юг TOP )

      1 1 1 1
      A) A) Предположим, что (север дна — север TOP ) = 8 единиц вверх 1
      B) B)

      (север дна — Юг Топ ) = 4 единицы вниз

      C) C)

      (North Top — юг дна ) = 4 единицы вниз

      D) D)

      (Юг дна — Юг — Юг Топ ) = 2 единицы вверх

      E)

      Таким образом, гравитационные силы на верхнем магните должны = 2 единицы на

      902 68

      Танцующая кукла Экспонат

      Сделайте выставку танцующей куклы, повесив вырезанную бумажную куклу из картона на тонкую веревку, как показано на рисунке.Прикрепите к ее ногам горизонтальный «пол» и «спрячьте» в пол магнит-пончик. Под спрятанным магнитом куклы, на подставке, отличной от железной, спрячьте еще один магнит-пончик, чтобы полюса магнитов-пончиков отталкивались. Убедитесь, что ни подставка, ни вешалка, на которой подвешена кукла, не могут перемещаться друг относительно друга, а расстояние между спрятанным в полу магнитом, прикрепленным к кукле, и магнитом, спрятанным в подставке, достаточно близко для взаимодействия, но не так близко, что соприкасаются, когда кукла пролетает мимо.

      Пусть учащиеся увидят, что произойдет, если они осторожно проведут куклу мимо ее подставки. Студенты могут написать свое объяснение того, как работает выставка. Если они понимают, как отталкиваются одинаковые полюса и где находятся полюса магнита-пончика, они должны быть в состоянии создать правильное объяснение.

      Имя(а): __________ Дата: __________ Период: __________

      Задание 7. Для чего можно использовать компас?

      Требуются материалы:

      Направленные Компас

      Подкова Магнит (по желанию)

      Железный ноготь 4-в длинные (# 6, 20 Пенни) 1

      Стержневой магнит

      1.Вы уже узнали, что стрелка компаса — это магнит. Обычно цветной или заостренный конец стрелки компаса является северным полюсом компаса. Другой конец стрелки компаса – южный полюс. Ваш учитель скажет вам, какая сторона классной комнаты находится на севере, чтобы вы могли проверить, не перепутаны ли магнитные полюса вашего компаса. Ваш учитель расскажет вам, что делать, если ваш компас перевернулся. (Обратные полюса будут обсуждаться позже.)

      2. Поднесите северный полюс стрелки компаса к шляпке гвоздя и посмотрите, что произойдет.Затем поднесите южный полюс стрелки компаса к головке гвоздя. Запишите все свои наблюдения ниже.3. Основываясь на ваших наблюдениях, вы думаете, что железный гвоздь действует как магнит? Почему или почему бы и нет?4. Как вы думаете, что произойдет, если поднести концы стрелки компаса к острому концу гвоздя?

      Попробуйте и опишите, что получится.

      5. Как вы думаете, будет ли стрелка компаса вести себя так же, если ее поднести к концам стержневого магнита? Почему? 6. Предскажите, что произойдет, если северный полюс стрелки компаса поместить рядом с южным полюсом стержневого магнита.

      Попробуйте и опишите, что на самом деле происходит.

      7. Предскажите, что произойдет, если северный полюс стрелки компаса приблизить к северному полюсу стержневого магнита.

      Попробуйте и запишите, что происходит на самом деле.

      8. Чем компас по-разному ведет себя по отношению к гвоздю и брусковому магниту?9. Объясните простой способ использования компаса, чтобы определить, является ли объект магнитом.10. На диаграмме справа показан компас, помещенный рядом с одним концом немаркированного стержневого магнита. Этикетка на концах магнита.

      Является ли конец магнита, ближайший к компасу, северным или южным полюсом?

      На картинке выше попробуйте показать положение стрелки компаса, если она находится рядом с другим концом того же стержневого магнита без маркировки.

      11. Попробуйте расположить компас прямо над серединой магнитного стержня. Нарисуйте положение стрелки компаса на схеме справа. Обязательно покажите, какой конец стрелки компаса соответствует северному полюсу, а какой — южному.

      Попробуйте объяснить, почему стрелка компаса расположена именно так.

      12. ДОПОЛНИТЕЛЬНО: Попробуйте поднести стрелку компаса к концам подковообразного магнита. Одинаково ли ведет себя игла на каждом конце? Почему или почему нет?

      Задание 7. Для чего можно использовать компас? (Примечания учителя)

      ИДЕЯ:

      Одинаковые полюса отталкиваются, а разные полюса притягиваются.

      ПРОЦЕССНЫЕ НАВЫКИ:

      Наблюдение

      Предсказание

      Выводы

      БИОГРАФИЯ СТУДЕНТА:

      Студенты уже должны быть ознакомлены с законом магнитных полюсов.Учащиеся также должны знать, что стрелка компаса является магнитом, и уметь определять северный и южный полюсы стрелки компаса.

      ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ПОДГОТОВКА:

      Убедитесь, что используемые гвозди не намагничены. Убедитесь, что поблизости нет магнитов или магнитных материалов, которые могут повлиять на результаты эксперимента. Убедитесь, что цветные концы стрелок компаса действительно соответствуют северным полюсам. (Иногда полюса стрелок компаса меняются местами, особенно если они хранятся рядом с сильными постоянными магнитами.Если это произошло, погладьте компас одним концом сильного стержневого магнита, чтобы стрелка компаса изменила свое направление.) Пусть ваши ученики время от времени перепроверяют компас во время занятия. Они могут легко изменить полярность.

      Если компас намагничивается в обратном направлении, см. указания в примечаниях учителя к Упражнению 5 для изменения полюсов стержневого магнита.

      СОВЕТЫ ПО УПРАВЛЕНИЮ:

      Когда учащиеся изучают поведение компаса возле гвоздя в первой части задания, убедитесь, что стержневой магнит нигде не находится поблизости, иначе он может повлиять на стрелку компаса.На самом деле, хорошей идеей будет подождать с раздачей стержневых магнитов, пока учащиеся не выполнят первую часть задания.

      ОТВЕТЫ НА НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ:

      2. Оба конца стрелки компаса притягиваются (или, по крайней мере, не отталкиваются) к шляпке гвоздя .

      3. Нет, если бы гвоздь был магнитом, конец гвоздя отталкивал бы один конец стрелки компаса .

      4. Опять же, оба конца стрелки компаса притягиваются к кончику гвоздя .

      5. Нет, стрелка компаса будет отталкиваться или притягиваться одним полюсом магнита .

      6. Северный полюс стрелки компаса будет притягиваться к южному полюсу магнита. Это потому, что одинаковые полюса отталкиваются, а разные полюса притягивают .

      7. Северный полюс стрелки компаса отталкивается от северного полюса магнита .

      8. Оба конца гвоздя притягивают северный (и южный) полюса стрелки компаса.Только один конец стержневого магнита (южный полюс) притягивает северный полюс стрелки компаса; другой конец стержневого магнита (северный полюс) отталкивает северный полюс стрелки компаса .

      9. Если один конец объекта отталкивает северный полюс стрелки компаса, то объект является магнитом .

      10. Конец является южным полюсом, потому что он притягивает северный полюс стрелки компаса. В отличие от полюсов притягивают .

      а. Северный полюс магнита притянет южный полюс компаса .

      11. Стрелка компаса будет выровнена горизонтально (параллельно магниту). Северный полюс стрелки компаса будет указывать в направлении южного полюса стержневого магнита. Южный полюс стрелки будет указывать в направлении северного полюса стержневого магнита. Поскольку компас равноудален от двух полюсов стержневого магнита, оба полюса магнита одинаково притягивают противоположные полюса стрелки компаса .

      12. ДОПОЛНИТЕЛЬНО: один конец подковообразного магнита (южный полюс) притягивает северный полюс стрелки компаса, а другой конец подковообразного магнита (северный полюс) отталкивает северный полюс стрелки компаса .

      ВОПРОСЫ, НА КОТОРЫЕ НУЖНО ОТМЕЧАТЬ В ИТОГОВОМ ОБСУЖДЕНИИ:

      1.

      С помощью компаса можно определить, является ли объект магнитом или нет. Если любой конец объекта отталкивает северный полюс компаса, то объект является магнитом. Отвращение является окончательным. Магнитные материалы могут притягиваться, не будучи магнитами.

      2.

      Компас можно использовать для определения полюсов магнита. Полюс, который отталкивает южный конец стрелки компаса, является южным полюсом.Полюс, который отталкивает северный полюс стрелки компаса, является северным полюсом.

      ВОЗМОЖНОЕ РАСШИРЕНИЕ:

      Учащиеся могут просматривать и сообщать об истории компаса.

      Имя(а): __________ Дата: __________ Период: __________

      Занятие 8: Где находятся магнитные полюса Земли?

      Материалы необходимы:

      бар Магнит

      Глобус — около 12 дюймов в диаметре

      66

      Малый компас (диаметром около 16 мм)

      Компас

      Этот магнитный компас позволяет ученикам эффективно «обнаружить магнитный полюс» Земли, расположенной в Северном полушарии, на самом деле является магнитным южным полюсом, а магнитный полюс Земли в Южном полушарии является магнитным северным полюсом.

      1. Перед выполнением задания проверьте каждый компас, чтобы убедиться, что его полюса не поменялись местами. Цветной конец стрелки компаса должен указывать на южный полюс стержневого магнита.

      2. Раздайте каждой группе учащихся схему Земли, стержневой магнит и небольшой компас (диаметром около 16 мм). Убедитесь, что учащиеся понимают, что цветной конец стрелки компаса указывает на север. Обсудите идею о том, что Земля ведет себя как гигантский магнит.Укажите, что магнитные полюса «земного магнита» расположены близко, но не в том же месте, что и географические полюса Земли, и поэтому контур магнита на их земной диаграмме перекошен.

      3. Попросите каждую группу разместить стержневой магнит и его компас в местах, обозначенных для них на диаграмме Земли. Попросите каждую группу проверить стрелку компаса, чтобы увидеть, указывает ли цветной конец в основном на магнитный полюс Земли в Северном полушарии.(Большинство обнаружит, что это не так; вместо этого цветная стрелка указывает на южное полушарие Земли. Это потому, что они сориентировали стержневой магнит так, что его северный полюс находится рядом с географическим северным полюсом Земли.)

      4. Стресс для студенты, что мы ЗНАЕМ, что цветной конец стрелки компаса указывает на север. Попросите их найти способ заставить стрелку компаса вести себя так, как мы знаем. Большинство студентов вскоре обнаружат, что это можно сделать, поменяв положение стержневого магнита на противоположное, чтобы северный полюс стержневого магнита находился в Южном полушарии Земли!

      5.Обсудите представление о том, что магнитный Северный полюс Земли на самом деле расположен в Южном полушарии (на Земле Уилкса в Антарктике) примерно в 1400 милях от географического Южного полюса. И наоборот, магнитный Южный полюс Земли расположен недалеко от острова Батерст на севере Канады, примерно в 1400 милях от географического Северного полюса.

      Задание 8. Где находятся магнитные полюса Земли? ( Заметки учителя)

      Задание 8. Стрелка компаса указывает на магнитный север (демонстрация и обсуждение)

      В этой демонстрации с помощью прозрачных пленок показано, что северный полюс стрелки компаса указывает на магнитный, а не географический полюс Земной шар.Его также можно использовать, чтобы помочь учащимся научиться правильно читать по компасу. (Вы были бы удивлены количеством людей, которые не знают, что вы должны вращать основание компаса до тех пор, пока метка N не окажется под цветной половиной стрелки!) Обычно северный полюс компаса отмечен или цветной.

      Мореплаватели используют термин «магнитный север», когда говорят о расположении магнитного полюса в северном полушарии. Помните, что магнитный полюс, расположенный в северном полушарии, на самом деле является магнитным южным полюсом.

      Стрелка компаса указывает на магнитный север 3

      Пример:

      Если вы находитесь в Нью-Йорке, то магнитный север находится в 10° к западу от географического севера.

      Перепечатано/адаптировано с разрешения The Science Teacher , журнала для преподавателей естественных наук, издаваемого Национальной ассоциацией преподавателей естественных наук (www.nsta.org)

      MAGNETIC BACTERIA

      наука

      Джейн Брей Нельсон и Джим Нельсон

      Все организмы реагируют на окружающую среду.Мы классифицируем каждую реакцию (таксис) по типу стимулов, которые ее вызывают. Например, хемотаксис — это реакция на химические вещества, фототаксис — реакция на свет, а тигмотаксис — реакция на давление или прикосновение.

      Редкий, но увлекательный таксис — это реакция некоторых организмов на магнетизм или, в частности, на магнитное поле Земли. Способность следовать за линиями магнитного поля была обнаружена сравнительно недавно у таких разнообразных организмов, как птицы, пчелы, дельфины и бабочки.Одной из магнитотаксических групп, которая идеально подходит для изучения в средних классах, являются магнитные бактерии.

      Хотя бактерии относятся к простейшим организмам, их генетика и способность развиваться в различных условиях делают их идеальными объектами для изучения канцерогенов и мутагенов. В контролируемых условиях в классе эти организмы могут быть ценным дополнением к вашему классу.

      На фото ниже слева показаны магнитные бактерии в обычной среде, а на фото справа они показаны в магнитном поле.

      ЗЕМЛЯ КАК МАГНИТ

      С древних времен было известно, что некоторые материалы могут выравниваться с магнитными полями, когда они свободно подвешены. Магнит направлял исследователей задолго до того, как Уильям Гилберт объяснил магнетизм в 1600 году.

      Стрелки компаса подвешены, чтобы они могли свободно вращаться. Если вы внимательно посмотрите, то заметите, что игла наклонена так, что один ее конец указывает ниже другого. Эта конструктивная особенность компенсирует угол между магнитным полем Земли и земной поверхностью (впервые измеренный в 1590 году Робертом Норманом, который изобрел «компас с погружной стрелкой»).На рисунке 1 показан угол наклона компаса, который увеличивается с широтой (от 0° на экваторе до 90° на магнитном полюсе Земли). Направление магнитного поля произвольно определяется как направление, в котором магнитный полюс ищет север. точек компаса. Таким образом, ядру Земли соответствует магнит с магнитным «южным» полюсом вблизи Северного географического полюса планеты (см. рис. 2).

      ПРИВЛЕКАТЕЛЬНЫЕ БАКТЕРИИ

      В 1975 году Ричард Блейкмор (аспирант кафедры микробиологии Массачусетского университета в Амхерсте) изучал бактерии в иле солоноватых болот.Он отметил, что бактерии, казалось, мигрировали в одном конкретном направлении и скапливались вдоль одного края культуры висячей капли. Он использовал освещение темного поля (метод, который заставляет прозрачные организмы мерцать и преломлять свет), чтобы сделать живые бактерии видимыми в культуре. Сначала он думал, что явление, которое он наблюдал, было фототаксисом, и что организмы реагировали на свет микроскопа или комнаты. Но когда он накрывал микроскоп или двигал его, происходила та же преимущественная миграция.Было очевидно, что бактерии реагируют на географическое положение, а не на лабораторную среду.

      В конце концов, Блейкмор поднес стержневой магнит к капле культуры, содержащей бактерии. Он был рад отметить, что они всегда плыли к южному полюсу магнитного поля (конец, который притягивает «северный» конец компаса). Если бы магнит был перевернут, бактерии мигрировали в противоположном направлении.

      Адрианус Калмийн присоединился к изучению магнитных бактерий, исследуя поведение организмов в полях, которые приближаются к силе поля Земли — приблизительно один гаусс или 10 -4 тесла.Калмейн добился этого, используя катушки Гельмгольца для создания однородного магнитного поля вокруг микроскопа, пока он наблюдал за организмами (см. рис. 3). Катушки Гельмгольца представляют собой две электрические катушки, разделенные расстоянием, равным радиусу одной из катушек, что создает почти однородное магнитное поле в области между катушками. Напряжённость в катушке регулируют, варьируя величину и направление электрического тока, а полное поле определяют путём вычисления векторной суммы магнитного поля катушки и магнитного поля Земли.

      Калмийн обнаружил, что если магнитное поле, создаваемое катушкой Гельмгольца, превышает горизонтальную составляющую поля планеты, бактерии плывут в направлении поля, создаваемого катушкой. Однако, если поле катушки было изменено на противоположное, миграция бактерий также обратилась. Организмы фактически смогли развернуться и следовать за внешним магнитным полем, что является исключительно сильным ответом, учитывая, что движения бактерий контролируются жгутиками и в значительной степени случайны.Даже когда магнитотаксические бактерии были убиты, их клетки оставались выровненными с магнитным полем, и их направление менялось на противоположное, когда поле было изменено на противоположное, что позволяет предположить, что ответ был пассивной функцией структуры их клеток или капсул.

      Со времени открытия Блейкмора было обнаружено более 12 морфологически различных типов магнитных бактерий: кокки, бациллы и спириллы как в пресной, так и в соленой воде. Чтобы определить механизм, вызвавший реакцию, Блейкмор и исследователь из Университета Иллинойса Ральф Вулф выделили и культивировали вид под названием Aqnaspirillum magnetotacticum .Эта бактерия имеет жгутик на каждом конце и непрозрачную цепочку, идущую параллельно оси клетки. После их работы было обнаружено, что все магнитотаксические бактерии содержат такую ​​цепочку в своей цитоплазме. Звенья цепи называются магнитосомами и, по-видимому, инкапсулированы оболочкой, примыкающей к клеточной мембране. Оболочка, по-видимому, удерживает магнитосомы в постоянной ориентации относительно клеточной стенки бактерии. Рентгеноэмиссионные исследования показали, что магнитосомы содержат железо.

      Чтобы определить, имеет ли железо решающее значение для реакции организма, Блейкмор и Вулф вырастили бактерии в культуре без железа. Ответ исчез. Дальнейшие эксперименты показали, что для создания магнитосом бактериям необходима среда, содержащая примерно 1,0 мг железа на литр раствора в легкодоступной форме (растворимый органический комплекс). Мессбауэровская спектроскопия показывает, что большая часть железа, обнаруженного в органеллах, находится в форме, похожей на магнетит, Fe 3 O 4 .

      ПОЧЕМУ МАГНИТНЫЙ ОТКЛИК?

      Биологи ищут эволюционные преимущества в строении живых организмов. Почему магнитные бактерии эволюционировали? Одна подсказка, по-видимому, исходит из наблюдения, что все виды, обнаруженные до сих пор, были анаэробами; они не нуждаются в кислороде и обычно процветают в его отсутствие. Если это правда, то у бактерий, мигрирующих вниз, больше шансов выжить в болотах, трясинах или илистых отмелях. Это объяснение кажется верным в северных районах, но поскольку «угол наклона» магнитного поля планеты уменьшается по мере приближения к экватору, взаимосвязь между глубиной и доступностью кислорода становится менее ясной.Магнитные бактерии, собранные в Бразилии недалеко от экватора, кажутся случайно (50:50) ориентированными на север и юг.

      Если теория верна, то магнитные бактерии, развившиеся в южном полушарии, должны мигрировать в противоположном направлении по сравнению с теми, которые эволюционировали в северном полушарии. Чтобы проверить эту теорию, Блейкмор и Калмейн в 1981 году отправились в Новую Зеландию и Тасманию для сбора бактерий. Эти места были выбраны потому, что они находятся на равном расстоянии от экватора, как и Массачусетс, и имеют похожий климат.Они обнаружили, что бактерии, собранные там, действительно мигрировали против силовых линий магнитного поля, чтобы создать более анаэробную среду. Кажется очевидным, что магнитотаксис предотвращает «случайную» миграцию анаэробных почвенных бактерий вверх к ядовитому кислороду.

      Эксперименты также показали, что бактерии, ищущие север и юг, могут менять свою магнитную ориентацию при воздействии сильных обратных полей. Было замечено, что при приложении сильных импульсов магнетизма бактерии постоянно меняют свою ориентацию.Также стало возможным размагнитить бактерии в полях, которые постепенно увеличиваются примерно до 1000 Гс. В этой среде новые бактерии становятся примерно на 50 процентов ориентированными на север и на 50 процентов на юг. Эти результаты свидетельствуют о том, что таксомоторная реакция на самом деле не является поведенческой, а связана со структурой и ориентацией железа в магнитосомах.

      Поскольку бактерии размножаются очень быстро, легко продемонстрировать влияние естественного отбора на магнитотаксические реакции.В эксперименте с магнитными бактериями, ищущими север, полюс был обратным. За шесть дней популяция бактерий, ищущих юг, увеличилась. И за восемь недель полярность населения полностью изменилась. Способность эволюционировать в ответ на изменение полей могла быть преимуществом в прошлом, поскольку полярность Земли периодически менялась.

      ИССЛЕДОВАНИЯ В КЛАССЕ

      В классах биологии или физики, где учащиеся обучены надлежащим асептическим методам изучения бактерий, эксперименты с магнитными бактериями могут обеспечить захватывающую связь между двумя науками, которые часто преподаются отдельно в средних школах.С помощью фазово-контрастного микроскопа или микроскопа с темнопольным освещением можно наблюдать миграцию магнитных бактерий. (Если в вашей школе нет такого оборудования, вы можете взять кредит в университете или в местной лаборатории.)

      В качестве альтернативы учащиеся могут взять образцы прудовой воды, отложений и ила из разных участков водно-болотных угодий. и проба на магнитные бактерии в разных районах пруда. Лабораторная культура также может быть отобрана, чтобы определить, произошла ли миграция бактерий различных видов.

      Магнитотаксис предотвращает «случайную» миграцию анаэробных почвенных бактерий вверх к ядовитому кислороду .

      При сборе воды из пруда учащиеся должны брать и осадок, и воду. Для просмотра образцов, собранных в северном полушарии, студенты должны сфокусировать фазово-контрастный микроскоп на северном крае капли, так как там будут собираться магнитные бактерии. Капли образца могут содержаться в уплотнительном кольце, приклеенном к предметному стеклу и покровному стеклу вазелином (см. рис. 4).Если количество бактерий слишком мало для идентификации, культуры можно хранить в теплом темном месте в течение нескольких дней. Как только магнитотаксические бактерии будут идентифицированы, небольшой стержневой магнит можно поместить так, чтобы южный полюс (полюс, который притягивает стрелки компаса, ищущие север) находился близко к южному краю образца. Если магнитные бактерии присутствуют, они будут мигрировать к магниту. Студенты, прошедшие некоторую подготовку по асептическим методам и методам работы с микроскопом, а также по выборке населения, могут попытаться исследовать следующие проблемы, используя культуры магнитотаксических организмов:
      1)

      Может ли культура бактерий, стремящихся на север, стать ориентированной на юг? Направьте южный полюс магнита на дно неглубокой культуры (лучшая среда для анаэробных почвенных бактерий) и каждые несколько дней отбирайте образцы культуры.

      2)

      Измерьте скорость движения бактерий по отношению к силе магнитного поля. Это пассивная или активная миграция? (Могут ли бактерии двигаться в определенном направлении с помощью жгутиков?)

      3)

      Может ли магнитотаксис со временем исчезнуть? Нейтрализуйте полярность Земли вокруг культуры, ориентируя катушку Гельмгольца с полем в один гаусс так, чтобы сумма ее вектора и вектора планеты была равна нулю.

      4)

      Могут ли магнитобактерии использовать железо в различных формах (ионах)? Изменяется ли минимальная концентрация, необходимая для образования магнитосом, в зависимости от формы минерала?

      5)

      Связана ли реакция бактерии с температурой?

      СВЯЗЫВАЯ ЭТО ВМЕСТЕ

      Хотя наука часто преподается как отдельные дисциплины (например, биология, химия и физика), изоляционизм профессиональных ученых становится все более невозможным.Загадка магнитных бактерий иллюстрирует не только научный метод, но и важную идею о многодисциплинарности современной науки. Хотя Блейкмор интересовался микробиологией, его исследования привели его в области, чаще всего связанные с химией и физикой. Возможно, учебная программа по естественным наукам, которую мы используем сегодня, должна включать больше междисциплинарных проблем.

      Джейн Брэй Нельсон — преподаватель в средней школе университета, 11501 Eastwood Dr., Orlando, FL 32817. Джим Нельсон — преподаватель вспомогательного обучения в государственных школах округа Ориндж, 445 W.Амелия-стрит, Орландо, Флорида 32801 .

      ПРИМЕЧАНИЕ

      Эта статья основана на презентации Ричарда Б. Франкеля из Калифорнийского политехнического государственного университета, Сан-Луис-Обиспо, Калифорния, 93407, во время физического института Национального фонда стипендий Вудро Вильсона в Принстонском университете в июле 1988 г.

      Название (s): __________ Дата: __________ Период: __________

      Занятие 11: Как сделать магнит? (Примечания учителя)

      ИДЕЯ:

      Стальную иглу можно превратить в магнит, если погладить сталь постоянным магнитом.Поглаживание приводит к тому, что домены имеют одинаковую магнитную ориентацию. Намагниченная стрелка может быть использована для изготовления компаса.

      ПРОЦЕССНЫЕ НАВЫКИ:

      Наблюдение

      Вывод

      Прогнозирование

      Идентификация и контроль переменных

      ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ПОДГОТОВКА:

      Нагрев их на горячей плите рандомизирует домены. Иглы для штопки (или любая длинная игла) хорошо подходят.

      СОВЕТЫ ПО УПРАВЛЕНИЮ:

      Предупредите учащихся об иглах.Иглу можно заменить расправленной скрепкой или отделочным гвоздем. Пластмассовую покерную фишку можно использовать для плавания иглы. Ребристость по краю предотвращает скатывание иглы. Имейте в виду, что у учащихся могут возникнуть предубеждения, связанные с выполнением аналогичного задания. Диаметр емкости с водой должен быть больше 10 см, чтобы игла не ударялась о стенки емкости. Пластиковая крышка для кофейной чашки прекрасно работает.

      ОТВЕТЫ НА НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ:

      2. Игла останавливается в одном направлении — выстраивается в направлении север-юг. Глаз указывает на юг .

      8. Чтобы игла могла свободно двигаться .

      9. Это заставляет магнитные домены в игле выстраиваться и указывать в одном направлении. Это заставляет иглу вести себя как магнит .

      10. Протирание иглы сильным стержневым магнитом приводит к выравниванию магнитных доменов в игле. Конец иглы, где удален магнит, становится противоположным полюсом.Например, если вы проведете иглу от острия до ушка северным полюсом, ушко станет южным концом иглы.

      11. Глаз. Северный полюс магнита должен создать южный полюс в игле в точке.

      ВОПРОС, НА КОТОРОМ ОБРАЩАЕТСЯ В ИТОГОВОМ ОБСУЖДЕНИИ:

      Стальная игла состоит из «крошечных магнитов» или магнитных доменов.

      ОБСУЖДЕНИЕ:

      Каждый домен имеет северный и южный полюса. Но полюса не выстроены каким-либо упорядоченным образом, и поэтому игла не действует как магнит.

      В этом упражнении, поглаживая объект северным полюсом магнита, магнит притягивает противоположные полюса магнитных доменов в игле и заставляет их выровняться с их полюсами в одном направлении.

      Если северный полюс магнита отрывается от иглы в ушке иглы, этот конец иглы будет южным магнитным полюсом. Острие стрелки будет северным магнитным полюсом и будет указывать на географический северный полюс, поскольку это южный магнитный конец Земли.

      ВОЗМОЖНЫЕ РАСШИРЕНИЯ:

      1.

      Предложите учащимся определить объект в том направлении, куда указывает стрелка. Попробуйте отклонить иглу и посмотрите, вернется ли игла к объекту. Затем возьмите контейнер и медленно повернитесь. Посмотрите, продолжает ли стрелка указывать в том же направлении.

      2.

      Это упражнение можно выполнять с помощью различных предметов, таких как скрепки, гвозди, старые металлические пильные полотна, части часовой пружины, вязальные спицы и другие.Студенты могут попробовать их в расширении. Вместо того, чтобы плавать металл в воде, проверьте магнит с помощью компаса или взяв железные опилки или скрепки.

      3.

      После этого задания предложите учащимся сделать трехполюсный магнит. Некоторые промышленные магниты имеют несколько полюсов. Например, некоторые бензиновые насосы имеют диск с 50 полюсами на краю диска. Бензиновый насос делает 20 оборотов, чтобы выдать один галлон бензина. Двадцать оборотов с 50 полюсами на оборот означают 1000 проходов датчика и позволяют отображать точность до тысячной доли галлона.

      Имя(а): __________ Дата: __________ Период: __________

      Занятие 12: Как можно «разрушить» магнит? [Примечания учителя)

      ИДЕЯ:

      Нагревание или удары молотком заставят магнит потерять свой магнетизм.

      ПРОЦЕССНЫЕ НАВЫКИ:

      Наблюдение

      Общение

      Вывод

      Выдвижение гипотез

      ПРЕДПОСЫЛКИ УЧАЩИХСЯ:

      Учащиеся должны быть знакомы с концепцией магнитных доменов.

      ПРЕДВАРИТЕЛЬНАЯ ПОДГОТОВКА:

      Практика перед демонстрацией в классе.

      СОВЕТЫ ПО УПРАВЛЕНИЮ:

      Источник тепла должен быть очень горячим. Свеча не даст достаточно тепла. Поскольку атомы твердых тел обычно не меняют своего положения, для разрушения магнетизма постоянного магнита требуется высокая температура. Некоторые конфорки будут работать, если они достаточно нагреются. Для железного магнита необходима температура более 770°C (1043°F). При нагревании докрасна железо не будет притягиваться к сильному магниту.

      Внимание! Обязательно используйте горячую подушку для удержания плоскогубцев .

      Попробуйте нагреть магнит при разных температурах в печи и протестировать магнит как в горячем, так и в остывшем состоянии. Возможно, действительно удастся увеличить магнетизм (перестройку молекул) при этих низких температурах.

      В целях безопасности это упражнение можно проводить как демонстрацию для учителей или учащихся.

      ОТВЕТЫ НА НЕКОТОРЫЕ ВОПРОСЫ:

      8. Толкание перестраивает выровненные молекулы так, что магнетизм уменьшается .

      9. Не ронять, не ударять друг о друга и т. д. .

      ВОПРОСЫ, НА КОТОРЫЕ НУЖНО ОТМЕЧАТЬ В ОБСУЖДЕНИИ ОБСУЖДЕНИЯ:

      Нагрев вызывает повышенное движение магнитных доменов в ногте. Полюса доменов внутри гвоздя рассеиваются, и гвоздь теряет свой магнетизм. Удары молотком толкают домены таким образом, что они не выстраиваются в линию, и гвоздь теряет свой магнетизм.

      ВОЗМОЖНЫЕ РАСШИРЕНИЯ:

      Попробуйте нагреть и/или потрясти постоянный стержневой магнит, чтобы увидеть, уменьшился или разрушился его магнетизм.

      Попросите учащихся сравнить этот результат с тем, что они обнаружили, когда встряхивали пробирку с железными опилками на шаге 9, Задание 10. активировал некоторые мины, размещенные под водой. Когда корабли строились в сухом доке, клепки постоянно сотрясали стальной корпус корабля, и магнитные домены стремились выровняться с магнитным полем Земли.Когда корабль проходил над миной, магнитный переключатель активировал мину и повреждал корабль. Чтобы предотвратить это, корабли «размагничивались». Обмотка корабля проводом, по которому течет уменьшающийся переменный ток, была методом, используемым для размагничивания кораблей. Ток изначально был большим, но постепенно уменьшался, что приводило к скрещиванию магнитных доменов в стальном корпусе корабля. Корабль по-прежнему был сделан из магнитного материала, но это был уже не магнит.

      Это можно продемонстрировать, поместив намагниченный гвоздь внутрь соленоида с воздушным сердечником.Подключите соленоид к переменному источнику питания переменного тока (например, Variac). Убедитесь, что соленоид имеет достаточное количество обмоток, чтобы выдерживать 120 В в течение как минимум нескольких секунд без перегрева. Увеличьте напряжение примерно до 20 вольт или до тех пор, пока гвоздь в соленоиде не начнет стучать, а затем очень постепенно уменьшайте ток. Гвоздь будет размагничен.

      Информация:

      1. канадские никели, сделанные до 1981 года больше никеля, чем в новых монетах, поэтому они сильнее притягиваются к магниту.

      1. Рисунок 2 и метод, предложенный Дэвидом Тейлором, PTRA, Кентукки.

      1. Это задание было рассмотрено Дэйвом МакКахреном, PTRA, PA

      2. См. Sargent-Welch WLS1762-46 Двусторонний прозрачный компас

      3. Предложено Дейлом Фриландом, PTRA, MI

      1. Значения этих сил зависят от размера и расстояния между кольцевыми магнитами. . Приведенные значения являются произвольными.

      1. Гвоздь необходимо размагнитить. Инструкции по размагничиванию см. в Мероприятии 12.

      1. Дата обращения 18.07.2012

      2. Дата обращения 18.07.2012

      3. Карта из руководства Operation Physics по магнетизму

      1. Примечание : Чтобы быть уверенным, какой конец изначально является северным полюсом; мы предлагаем, чтобы один ученик держал провод за оба конца, а другой ученик перерезал провод.

      1. Дно стаканчика из пенополистирола отлично плавает.

      1. Схема из руководства Operation Physics по магнетизму.

      2. Схема из руководства Operation Physics по магнетизму.

      Основные свойства магнитов | Научные факты

      Магниты — увлекательные предметы для всех, от ребенка до инженера. Они могут быть источником удовольствия, и мы также можем изучить и количественно оценить их любопытные свойства

      .

      Все видели, как магниты притягивают железные предметы, и знают, что магнитные поля — это невидимые силовые поля. Когда используются железные опилки, магниты воздействуют на опилки, обнажая силовые линии (рис. 1). Что менее известно, так это источник магнетизма.

      Общие свойства магнитов

      Особенностью магнитов является то, что концы действуют по-разному. В то время как один конец притягивает, другой конец отталкивает. Таким образом, концы магнита называются «полюсами», и, в частности, сам магнит называется «диполем».

      Интересным аспектом магнитов является то, что когда они подвешены на веревке, они всегда выравниваются в направлении север-юг. По этой причине полюса магнита соответственно обозначены северным и южным.Силовые линии исходят от Северного полюса и возвращаются к Южному полюсу.

      Источник магнетизма

      Если бы кто-то был любознательным, было бы заманчиво посмотреть, что произойдет, если магнит разрубить на куски. Удивительно, но каждая деталь сохраняет свои магнитные свойства, какой бы маленькой она ни была. Это наводит на мысль, что на микроскопическом уровне должен существовать какой-то фундаментальный магнитный домен (рис. 2).

      • Когда железный объект не намагничен, домены, состоящие из N-S диполей, лежат в случайных направлениях
      • Когда объект помещается в магнитное поле, внутренние домены выравниваются друг с другом, создавая суммарное магнитное поле

      Это магнитное поле называется индуцированным внешним полем магнита.Как только внешний магнит удаляется, объект теряет свой магнетизм: домены возвращаются в свои случайные состояния, а индуцированное поле исчезает. Объект только делает временный магнит.

      Так как же создаются постоянные магниты? Постоянные магниты или магниты существуют в природе, или постоянные магниты производятся в процессе закалки черных металлов, таких как железо, сплавы железа, никель и кобальт.

      Внешние магнитные поля

      Для подвешенного магнита, расположенного в Южном полушарии Земли, северный полюс магнита направлен на север и немного вверх; и наоборот, если магнит расположен в северном полушарии, северный полюс магнита все равно будет указывать на север, но вниз.Это явление связано с силовыми линиями во внешнем магнитном поле; что из земли.

      Для определения направления внешнего магнитного поля, исходящего от земли или другого магнитного поля, можно использовать «испытательный» магнит (например, компас). Когда тестовый магнит помещается под некоторым углом к ​​полю, наблюдается крутящий момент на магните, который выравнивает его в направлении внешнего поля. По соглашению направление внешнего поля совпадает с направлением, на которое указывает северный полюс пробного магнита.

      Магниты в науке и повседневной жизни

      Изучение магнитов и магнитных полей представляет большой интерес не только для ученых и инженеров, но и для всех, от простого человека до энтузиаста электроники.

      Электромагнитное поле

      Электрический ток создает вращающееся магнитное поле. При помещении во внешнее поле на проволоку действует сила. Эта магнитная сила приводит в действие электродвигатель.

      Когда основные свойства магнитов стали известны, первые экспериментаторы стали искать новые способы создания магнитного поля, помимо использования природных магнитов.В 1820 году датский физик Ганс Христиан Эрстед первым обнаружил существование магнитного поля вокруг провода с током. Взаимодействие поля провода с внешним магнитным полем создавало силу на проводе, что в конечном итоге привело к изобретению электродвигателя.

      Нравится:

      Нравится Загрузка…

      Frontiers | Влияние магнитного поля на каталитические свойства частиц типа ядро-оболочка

      Графический реферат .Путем модификации вращающегося дискового электрода постоянные магниты можно было расположить очень близко к поверхности электрода.

      Введение

      Наша цель — изучить, как можно изменить каталитическое поведение конкретного электрохимического процесса и, следовательно, лучше понять его. Здесь мы рассматриваем магнитные поля как средство воздействия на электрохимические процессы. Субатомные частицы, такие как электроны, имеют массу, спин и заряд. Справедливо предположить, что по крайней мере одно из этих свойств — спин — может быть нарушено наличием магнитного поля.Спин внутренне присущ и порождает магнитный момент, которым можно манипулировать.

      Штайнер и др. впервые составили обзор влияния магнитного поля на химические реакции с высоты птичьего полета, включая такие примеры, как тушение магнитной флуоресценции, фотоприсоединение SO 2 к пентану, термическое разложение органических пероксидов, реакции алкилов щелочных металлов с алкилгалогенидами. и т. д. (Штайнер и Ульрих, 1989). Кроме того, в обзоре упоминаются различные отчеты о влиянии магнитного поля на фотофизические явления в (органических) молекулярных кристаллах, такие как люминесценция и фотопроводимость.Даже примеры простых экспериментов, проводимых между двумя лабораторными магнитами, в которых измерялась скорость реакции между органическими радикалами, показали заметное увеличение скорости реакции (Turro and Kraeutler, 1980). Как описано Steiner et al. большинство эффектов магнитного поля в химических процессах имеют место в жидких растворах, в основном за счет парного радикального механизма (Okazaki, Shiga, 1986; Steiner, Ulrich, 1989). С другой стороны, в реакциях в газовой фазе повторная встреча близнецов радикалов маловероятна, а в реакциях в твердой фазе пары радикалов не разделяются легко.Шовковы и др. представили обзор теоретического подхода к влиянию магнитного поля на химические реакции (Шовковый, 2013). Торун и др. описать, как наличие локального магнитного момента на поверхности катализатора RuO 2 сохраняет угловой момент и позволяет производить магнитный кислород из немагнитной воды (Torun et al., 2013).

      Отчеты о реакциях переноса электрона более скудны. Один из первых примеров был представлен Periasamy et al. изучение реакции переноса электрона между диазабициклооктаном (DABCO) и триплетом флуоренона в пропиленкарбонате (Periasamy and Lindschitz, 1979).Об эффектах магнитного поля в электрокатализе сообщений еще меньше. Насколько нам известно, Ледди и его коллеги были первой группой, работавшей над магнитно-модифицированными электродами с целью улучшения кинетики переноса электронов. Они изучили влияние магнитного поля на реакцию выделения водорода (HER) на некаталитических поверхностях. Кроме того, они изучали окисление СО 2 на магнитомодифицированном платиновом электроде. Электроды были изготовлены с магнитными микрочастицами, прикрепленными к поверхности электрода, чтобы он мог поддерживать постоянное магнитное поле.Их исследования показывают, что окисление моноксида углерода на таких модифицированных поверхностях платиновых электродов значительно изменяется по сравнению с электродами без магнитных микрочастиц благодаря спиновой поляризации (Dunwoody et al., 2005). Окисление монооксида углерода происходило при более низком перенапряжении на 600 мВ. Утверждается, что увеличение скорости переноса электрона происходит из-за подавления энтропии спина электрона и, следовательно, из-за снижения барьера активации.

      Йонссон и др. изучал влияние магнитных состояний на реакционную способность поверхности железа с использованием расчетов теории функционала плотности (DFT).Их результаты показывают, что на перенос заряда между поверхностью катализатора и адсорбатом сильно влияет спиновая структура. В их исследовании H 2 и адсорбция и диссоциация CO модифицировались изменениями спиновой структуры (Melander et al., 2014).

      Недавно Galán-Mascarós et al. показали, что сильномагнитные электрокатализаторы, такие как смешанные оксиды на основе Ni-Fe-Zn, проявляют более высокую активность в реакции выделения кислорода (OER) при приложении магнитного поля к аноду (Garcés-Pineda et al., 2019). Также исследование Peng et al. о влиянии магнитного поля на электрокатализатор из оксида кобальта подтверждает, что OER можно улучшить, поместив электролизную ячейку между постоянными магнитами с умеренным полем (Li et al., 2019). Кроме того, они добавляют влияние направленности магнитного поля на перенапряжение и наклон Тафеля. Тот же материал был дополнительно исследован Wei et al. для возможного улучшения каталитической активности по отношению к реакции восстановления кислорода (ORR) (Zeng et al., 2018). Небольшое улучшение селективности в отношении 4-электронного пути достигается за счет приложения внешнего магнитного поля. Эти недавние исследования показывают влияние спиновой поляризации магнитным полем на каталитические свойства оксидов переходных металлов.

      В этой статье мы представляем наше исследование влияния внешнего магнитного поля на электрокаталитические процессы, происходящие на четырех электрокатализаторах на основе платины. Насколько нам известно, это первое исследование взаимодействия Pt и водорода во внешнем магнитном поле.Для этого мы встроили сильные магниты в стержень вращающегося дискового электрода и записали электрохимические процессы на Pt в Ar- или O 2 насыщенном кислом электролите в присутствии и в отсутствие магнитного поля. Из-за неспаренных спиновых состояний в водороде, как и в кислороде, эти частицы в определенной степени реагируют на магнитное поле.

      Адсорбция и десорбция водорода

      Основными электрохимическими процессами, происходящими в этих условиях, являются, во-первых, если присутствует кислород, реакция выделения кислорода (OER) и реакция восстановления кислорода (ORR) с термодинамическим равновесным потенциалом 1.23 В по сравнению с SHE, см. рис. 1. Эти реакции происходят при адсорбции и десорбции кислорода. ORR и OER более подробно описаны в (Norskov, 2000; Koper, 2008; Zhang, 2008; Diaz-Morales et al., 2018). Область между областью образования/восстановления поверхностного оксида и областью адсорбции/десорбции водорода обычно называют «областью двойного слоя». В этой области не происходят фарадеевские процессы, а только емкостные процессы (Lukaszewski et al., 2016). Во-вторых, реакция выделения водорода (HER) и реакция окисления водорода (HOR) имеют термодинамический равновесный потенциал 0 В по сравнению с 0 В.SHE и характеризуют особенности циклической вольтамперограммы около 0 В. Когда потенциал поддерживается > 0 В (по сравнению с SHE), происходит только адсорбция и десорбция водорода, что часто называют отложением H при недостаточном потенциале (H upd ).

      Рисунок 1 . Характерные черты циклической вольтамперометрии на платиновых катализаторах в кислом электролите. Пики десорбции водорода далее обозначаются как «пик 1» и «пик 2». Рисунок основан на концепциях Лукашевского и др.(2016).

      Адсорбцию можно разделить на: (1) молекулярно-хемосорбированную, (2) атомарно-хемосорбированную и (3) молекулярно-физисорбированную (Oudenhuijzen et al., 2001; Roduner, 2014; Kulkarni et al., 2018). Молекулярная физическая сорбция относится к электростатическим взаимодействиям между Pt и молекулами H 2 , при которых электроны не разделяются и диссоциация не происходит. Как описано в другом месте (Oudenhuijzen et al., 2001), молекулярно-хемосорбированный H 2 крайне маловероятен. H 2 немедленно диссоциирует, подразумевая, что хемосорбция H 2 на Pt атомарна по большей части.

      Механизм адсорбции и выделения водорода на платине широко изучался (Kreuer, 2013; Zheng et al., 2014; Murthy et al., 2018). Этот процесс является быстрым и электрохимически обратимым, а равновесное покрытие поверхности зависит от потенциала электрода. Циклические вольтамперограммы, зарегистрированные для платины в кислом электролите, показывают отчетливые пики при 0–0,4 В по сравнению с RHE. Кажется, существует общее мнение относительно происхождения наиболее заметных пиков (Oudenhuijzen et al., 2001; Кройер, 2013; Саркар и др., 2013 г.; Лукашевский и др., 2016; Diaz-Morales et al., 2018), расположенные около 0,125 и 0,27 В, представляющие ступенчатые участки (110) и (100) на Pt, следующим образом, подробно описанном Diaz-Morales et al. (2018):

      , где * hkl указывает на свободный участок на поверхности Pt с индексами Миллера hkl.

      Материалы и методы

      Для этого исследования были изготовлены три электрокатализатора в соответствии с нашим двухнепрерывным синтезом ядро-оболочка на основе микроэмульсии, описанным в Westsson and Koper (2014) и Westsson et al.(2019): наночастицы [email protected], наночастицы [email protected] и наночастицы чистой Pt, нанесенные на углерод, полученные в бинепрерывной микроэмульсии. Кроме того, использовалась коммерческая Pt на углероде (60 мас. % Pt на Vulcan XC-72R, Johnson Matthey, Великобритания) (далее обозначается как «чистая Pt»).

      Настройка

      Чтобы получить магнитное поле как можно сильнее и как можно ближе к слою катализатора, вращающийся дисковый электрод был модифицирован и усовершенствован в несколько этапов. Электрод Pine Instrument RDE со съемным диском из стеклоуглерода диаметром 5 мм был использован в качестве исходного материала для создания электрода, который может быть как магнитным, так и немагнитным.Чтобы разместить магниты прямо между диском из стеклоуглерода и подпружиненным валом, размер диска и вала пришлось уменьшить. Длина диска из стеклоуглерода была уменьшена с 5 мм до 2 мм за счет сверхтонкой полировки благодаря Лаборатория подготовки поверхности , Заандам, Нидерланды. Был изготовлен новый, более короткий стержень с подпружиненным наконечником для обеспечения хорошего электрического контакта с магнитами. «Полость» внутри модифицированного электрода RDE была сделана таким образом, чтобы в нее можно было вместить либо только магниты, либо только немагнитный латунный цилиндр, либо половинные магниты/латунь в качестве грубого способа изменения напряженности магнитного поля.Схематичное изображение см. на рис. 2.

      Рисунок 2 . Схематическое изображение модифицированного вала RDE.

      Магниты ( Supermagnets , Дрезден, Германия) представляют собой неодимовые магниты размером 5 мм в диаметре и цилиндры длиной 2, 3 и 5 мм, покрытые никелем. Магниты марки N52 соответствуют напряженности магнитного поля ~0,4 Тл в непосредственной близости от слоя катализатора.

      Экспериментальный

      Образцы катализатора, [email protected], [email protected] и чистая Pt (далее обозначаемые как «микроэмульсия Pt»), были приготовлены и охарактеризованы в соответствии с нашим микроэмульсионным синтезом частиц ядро-оболочка, описанным в Westsson and Koper. (2014) и Westsson et al.(2019), в котором металлическое ядро ​​размером 3 нм сначала синтезируется внутри водных каналов плотной микроэмульсии. Оболочка впоследствии добавляется путем гальванической замены поверхностных атомов ядра в пользу металла оболочки. На третьем этапе добавляется углеродная подложка (Vulcan XC-72R), а на четвертом этапе нанесенные на носитель частицы ядро-оболочка промываются. Чтобы получить наиболее точное сравнение между измерениями активности, выполненными с конфигурацией магнитного электрода, по сравнению с немагнитной конфигурацией, последовательность измерений оказалась решающей.Два последовательных измерения — с магнитным полем и без него — должны были быть выполнены либо на двух разных слоях краски, что могло привести к различиям между слоями, либо на одном единственном слое, в котором оба измерения с магнитами и латунным цилиндром были выполнены на точном тот же слой. В последнем случае существует риск легкого повреждения слоя при переключении внутренней части электрода, поскольку при этом происходит перемещение стеклоуглеродного диска. Кроме того, существует риск того, что потенциальное циклирование навсегда изменит катализатор через наборы измерений, другими словами, «эффект памяти».” Игла используется для вдавливания диска из стеклоуглерода, покрытого катализатором, в держатель из ПТФЭ после извлечения/вставки магнитов в вал. «m» представляет собой магнитную конфигурацию, а «b» представляет собой латунный цилиндр, т. е. немагнитную конфигурацию на фигурах. Таблица 1 объясняет, как измерения были помечены в соответствии с магнитной конфигурацией и порядком.

      Таблица 1 . Иллюстрирует пример того, как были выполнены измерения и как они были соответствующим образом помечены.

      Оптический микроскоп использовали для оценки потери катализатора из стеклоуглеродного электрода из-за повторного введения стеклоуглерода в наконечник RDE.Микроскопическую линейку использовали для измерения длины и ширины царапин, и можно было оценить процент от общей площади электрода, предполагая гомогенно осажденный слой катализатора.

      Измерения каталитической активности проводились в кислых условиях в соответствии со стандартной процедурой RDE (Garsany et al., 2014). В качестве электролита использовали раствор 0,1 М HClO 4 . Электродом сравнения служил электрод RHE — по сути, Pt-проволока со свежеприготовленным газом H 2 , а противоэлектродом служила платиновая проволока, намотанная в виде спирали.Для всех электрохимических измерений использовали потенциостат Autolab PGSTAT 20, а также трехэлектродную ячейку и вращающийся дисковый электрод (RDE) от Pine Instruments с диском из стеклоуглерода диаметром 5 мм и, следовательно, площадью электрода 0,198 см 2 . Рабочий электрод готовили путем тщательной полировки стеклоуглеродного диска полировальными суспензиями частиц оксида алюминия размером 1,0, 0,3 и 0,05 мкм с промывкой между каждым этапом. Любые остатки полирующей среды удалялись в ультразвуковой ванне.Чернила получали путем смешивания 6,0 мг порошка катализатора (т.е. углерод + частицы ядро-оболочка) с 4,56 мкл суспензии нафиона (5 мас.%) и 12 мл изопропанола. Краска смешивалась с использованием ультразвуковой ванны. Для нанесения слоев каталитической краски на электрод на диск каплями наносили 13 мкл каталитической краски. Все эксперименты проводились в электролите, насыщенном Ar для циклической вольтамперометрии и O 2 для гидродинамической вольтамперометрии с использованием скоростей вращения 400, 900, 1600 и 2500 об/мин в соответствии с общепринятыми процедурами оценки, как описано у Gasteiger et al.(2005) и Garsany et al. (2014). Циклические вольтамперограммы, записанные в электролите, насыщенном аргоном, измеряли при скоростях сканирования либо 50 мВ/с, либо 100 мВ/с. Скорость сканирования для гидродинамической вольтамперометрии составляла 5 мВ/с. На первом этапе электрохимической очистки использовали циклирование потенциала со скоростью 100 мВ/с в течение 50 циклов. ECSA и потери ECSA рассчитывались в соответствии с общепринятой методикой, впервые описанной Trasatti (1991). Используемая скорость сканирования составляла 50 мВ/с.

      Результаты

      Подготовка проб

      Каждый раз, когда стеклоуглерод проталкивается иглой в держатель из ПТФЭ, потеря геометрической площади, оцененная с помощью оптической микроскопии, составляет ~1–5% при каждом переключении конфигурации, см. пример на Рисунке 3.Эта потеря неизбежна, если полностью не изменить архитектуру электродной установки.

      Рисунок 3 . Фотография с использованием оптического микроскопа царапин, сделанных в слое катализатора при повторной установке диска из стеклоуглерода, покрытого катализатором, в держатель из ПТФЭ после переключения конфигурации. Черный кружок представляет относительный размер стеклоуглеродного диска.

      Циклическая вольтамперометрия

      На циклических вольтамперограммах на рис. 4А наблюдается потеря площади поверхности катализатора, оцененная по площадям пиков адсорбции и десорбции водорода, при переключении конфигурации.Это происходит, по крайней мере частично, из-за небольшого повреждения слоя катализатора, возникающего при вдавливании стеклоуглерода в держатель из ПТФЭ. Например, при измерении образца «[email protected]» (рисунок S1) ECSA составляет: m1 = 70 м 2 /г, b2 = 62 м 2 /г и m3 = 53 м 2 /г. На основе этих значений производится расчет удельной активности. Потеря, оцененная с помощью ECSA, больше, чем потеря площади, оцененная с помощью оптической микроскопии.

      Рисунок 4 .Циклические вольтамперограммы для Ar-насыщенного электролита для (A) коммерческой Pt при 100 мВ/с с крупным планом области десорбции водорода и (B) коммерческой Pt, измеренной при 50 мВ/с. Пик 1 соответствует десорбции водорода из центров Pt (110), а пик 2 — десорбции из Pt (100). Легенда относится к последовательности измерений (1–4) и магнитной (m) или немагнитной (b) конфигурации измерения, как описано в таблице 1.

      Циклические вольтамперограммы для [email protected], [email protected] и чистой Pt, полученные в бинепрерывной микроэмульсии, представлены на рисунках S1, S2, единственным заметным результатом является уменьшение плотности тока при переключении между двумя конфигурациями.Графики иллюстрируют сходные характеристики пиков как в магнитной, так и в немагнитной конфигурации.

      Напротив, на циклических вольтамперограммах с использованием в качестве катализатора технической чистой Pt пики адсорбции и десорбции водорода более выражены, так как частицы лучше диспергированы на углеродном носителе. Они не только выше в относительном выражении, но и проявляется поведенческая разница между магнитной конфигурацией «m» и немагнитной конфигурацией «b» (для латуни). Хотя число различных слоев чернил, проанализированных с помощью последовательности магнитных и немагнитных измерений, ограничено примерно 10, каждая вольтамперограмма вносит свой вклад в структуру пиков, смещающихся в сторону более высоких потенциалов при сканировании в сторону более окислительных потенциалов, и наоборот, когда магнитное поле присутствует независимо от последовательности измерений.На рис. 4 показаны вольтамперограммы для образцов, измеренные как при скорости сканирования 100 мВ/с, так и при скорости сканирования 50 мВ/с с использованием различных последовательностей измерений. На рис. 4А показана значительная разница в положении пика десорбции водорода между измерениями, выполненными в присутствии магнитного поля и без него. На рис. 4B порядок измерения магнитный-немагнитный-немагнитный, чтобы исключить влияние самого переключателя конфигурации. Позиции пиков остаются одинаковыми между «b2» и «b3». В некоторых измерениях виден небольшой сдвиг положения десорбции кислорода.Однако в этом первоначальном исследовании основное внимание уделялось водородной области.

      Гидродинамическая вольтамперометрия

      После каждого измерения в Ar-насыщенном электролите проводили гидродинамическую вольтамперометрию в O 2 -насыщенном электролите с анализом массовой активности и удельной активности каждой конфигурации для каждого слоя катализатора.

      Очевидный и ожидаемый эффект потери катализатора отражается в потере массовой активности между измерениями, как показано на Рисунке 5 в качестве примера и в SI (Рисунок S5).Если учитывать общую электрохимически активную поверхность слоя, измерения — магнитные и немагнитные — в значительной степени перекрываются. Как показывают результаты, существенной разницы в каталитической активности между магнитными и немагнитными измерениями обнаружено не было.

      Рисунок 5 . Гидродинамические вольтамперограммы для коммерческой Pt, иллюстрирующие каталитическую активность в отношении восстановления кислорода в двух различных конфигурациях электродов; магнитное поле и отсутствие магнитного поля, рассчитанные как массовая активность (A) , так и удельная активность (B) .

      Обсуждение

      Наибольший вклад в погрешность измерений вносит контактное сопротивление при переключении между магнитной и немагнитной конфигурацией для одного слоя. Однако крайне важно выполнять оба типа измерений на одном слое, поскольку нельзя игнорировать влияние изготовления и постоянного изменения катализатора во время измерений.

      Потеря ECSA в процентах между измерениями непропорционально велика по сравнению с наблюдаемой потерей слоя катализатора, наблюдаемой под микроскопом.Однако потери ECSA на протяжении всей последовательности измерений существенно не различаются между слоями катализатора. Как обсуждалось в Westsson et al. (2019) проблематично использовать ECSA в качестве оценки площади поверхности на нестандартизированных поверхностях. Однако он может служить для оценки — в пределах одного катализатора — относительной площади поверхности. Потери катализатора, рассчитанные с использованием ECSA, возможно, более надежны, чем потери, оцененные с помощью микроскопии, поскольку графики удельной активности, по-видимому, перекрываются.

      Коммерческая Pt имеет самый высокий показатель ECSA, что означает, что любой эффект будет наиболее заметен в этом образце.Хотя положения пиков в других образцах не демонстрируют явного сдвига, они не противоречат результату для коммерческой платины. В качестве попытки количественной оценки сдвига пика в коммерческих образцах Pt была проведена деконволюция пика с использованием двух кривых Гаусса, подогнанных к данным, см. пример на Рисунке S6. Поскольку пики десорбции водорода дают более заметные пики, они составляют основу для такого анализа. Хотя пики адсорбции, по-видимому, следуют той же тенденции, статистическая оценка с использованием этого набора данных не проводилась.

      Положения двух пиков в зависимости от порядка измерения показаны на рис. 6. Обычно положения пиков смещаются в сторону более высоких потенциалов при наличии магнитного поля. Когда конфигурация «переключается» с магнитной на магнитную (т. е. стеклоуглерод, включая слой катализатора, удаляется и снова устанавливается без замены магнитов на немагнитный цилиндр) или с немагнитной на немагнитную, положения пиков не отображаются. столько же пикового сдвига. Такие измерения дают представление об ошибке с точки зрения положений пиков при отсутствии и наличии магнитного поля в пределах одного слоя катализатора .Однако этих точек данных слишком мало, чтобы определить надежную стандартную ошибку. Другой источник ошибки возникает из-за воспроизводимости между различными слоями катализатора . Ожидается, что эта ошибка будет относительно большой. Например, два измерения с именем m1 (где «1» обозначает порядковый номер) для разных слоев катализатора в идеале должны перекрываться, но, как показано на рисунке 6, это не так. Тем не менее, относительное смещение положения пика при переключении конфигурации наиболее значимо по сравнению с измерением того же слоя .

      Рис. 6. (A) Положение пика в зависимости от порядка измерения пика 1 десорбции водорода для коммерческих образцов Pt, измеренное при 100 мВ/с. Стрелки соединяют измерения, сделанные на одном и том же слое. (B) Положения пика 1 для образцов, измеренных при 50 мВ/с. Пиковые положения пика 2 см. на рисунке S3.

      В качестве сводки всех измерений высоты и положения пика 1 показаны на рисунке 7. Магнитные и немагнитные измерения ясно образуют два отдельных облака, где положение пиков различает их.С другой стороны, высоты пиков не разделяют эти две конфигурации. См. рис. S4 для получения дополнительной информации.

      Рисунок 7 . Положение пика и высота пика для пика десорбции 1, где синий квадрат = магнитная конфигурация, а красный кружок = немагнитная конфигурация. Звездочки представляют собой средние значения (b: 0,146 ± 0,008; 84,86 ± 33,38 и m: 0,186 ± 0,024; 112,04 ± 62,76). Овалы служат ориентиром для глаз.

      При выполнении двухвыборочного теста t , где порог статистической значимости α = 0.05, в наборе данных положений пиков (как пик 1, так и пик 2) для «m» и «b» средние значения и дисперсии совокупности значительно различаются между m и b. Среднее значение положения пика для пика 1 в магнитной конфигурации составляет 0,186 В ± 0,024 и 0,146 В ± 0,008 для немагнитной конфигурации, показанной звездочкой на рисунке 7. Это оставляет сдвиг ~ 0,04 В. Относительные расстояния между два пика представлены на рис. 8. Средние значения и дисперсии существенно не различаются в тесте с двумя образцами t .Очевидно, что из-за небольшой выборки статистика имеет ограниченное качество. Однако это попытка распутать влияние магнитного поля на ограниченный набор данных.

      Рисунок 8 . Пиковое расщепление. Небольшая разница между двумя конфигурациями видна, но не является статистически значимой.

      Сдвиг положения пиков, предположительно вызванный наличием магнитного поля, невелик, но, тем не менее, присутствует во всех (коммерческих Pt) образцах при различных скоростях сканирования.Наше ограниченное исследование электрокаталитического поведения в присутствии магнитного поля и без него позволяет предположить, что десорбция H с поверхности Pt замедляется в присутствии магнитного поля.

      В этих экспериментах поверхность намагничивается или не намагничивается. Любое магнитное воздействие на потенциал должно быть связано со спинами некоторых активных частиц, взаимодействующих с полем. Адсорбция и десорбция водорода на Pt — это два процесса в нашей системе. Сам H 2 имеет два магнитных спина, один для электрона и один для протона, тогда как H + имеет только спин ± 12.В H 2 состояние спина + 1 и -1 будет реагировать на магнитное поле, тогда как состояние антипараллельного спина не взаимодействует с магнитным полем. Это означает, что 50 % водорода поляризовано по спину, а 50 % — нет. Также платина намагничивается из-за неспаренных спинов, и магнитное поле будет влиять на ее зонную структуру (Гречнев, 2009). В результате изменяется энергия связи водорода с поверхностью платины, что и наблюдается в данном исследовании. Изменение зеемановской энергии из-за наличия магнитного поля может влиять на энергию активации положительно или отрицательно, изменяя результирующую энтальпию активационного барьера и тем самым изменяя скорость окислительно-восстановительной реакции (Озероваб и Воробьев, 2007; Zeng et al., 2018). Однако если энергетические уровни в атомах или молекулах изменить путем приложения магнитного поля через эффект Зеемана, картина может измениться, и пики кривой ВАХ больше не будут представлять то, что было бы в случае без магнитного поля. Однако подробный анализ механизма выходит за рамки данного исследования. Тем не менее, насколько нам известно, это первое экспериментальное исследование, в котором обсуждается влияние внешнего магнитного поля на адсорбцию водорода на Pt — одном из наших важнейших электрокатализаторов.Наши результаты указывают в том же направлении, что и прогнозы расчетов, представленных в Melander et al. (2014).

      При текущей настройке и напряженности магнитного поля явное и значительное влияние магнитного поля на каталитическую активность по отношению к реакции восстановления кислорода, либо потенциал начала, либо кинетически ограниченный ток, не было обнаружено или просто не существует для изученных здесь каталитических материалов. .

      В заключение мы предполагаем, что изменения в электрохимическом поведении, наблюдаемые в этом исследовании, связаны с взаимодействием магнитных состояний водорода с катализатором и что это вызывает сдвиг потенциалов адсорбции и десорбции водорода.По крайней мере, некоторые состояния водорода являются магнитными, поэтому мы предполагаем, что на электрохимические процессы влияют магнитные состояния водорода. Помня о наблюдениях этого исследования, мы подчеркиваем влияние внешнего магнитного поля как на катализатор, так и на реагенты, а также на важность их спиновых состояний, которые ранее редко обсуждались.

      В частности, при катализе малых симметричных молекул, таких как H 2 и O 2 , активация этих молекул зависит от нарушения их симметрии.Введение внешнего магнитного поля потенциально может служить ручкой для контроля нарушения симметрии и, следовательно, снижения барьеров активации. Это обеспечило бы скромное дополнение к традиционным подходам к катализу.

      Заявление о доступности данных

      Все наборы данных, созданные для этого исследования, включены в статью/дополнительный материал.

      Вклад авторов

      РЭБ провел опыты и написал текст. GK руководил и участвовал в обсуждениях и рекомендациях вместе с SP.

      Финансирование

      Авторы заявляют, что это исследование получило финансирование от NanoNextNL (B2.02). Спонсор не участвовал в разработке исследования, сборе, анализе, интерпретации данных, написании этой статьи или решении представить ее для публикации. NanoNextNL был инновационным консорциумом правительства Нидерландов и 130 партнеров в научных кругах и промышленности.

      Конфликт интересов

      Авторы заявляют, что исследование проводилось при отсутствии каких-либо коммерческих или финансовых отношений, которые могли бы быть истолкованы как потенциальный конфликт интересов.

      Благодарности

      Части этой статьи появляются в следующей диссертации: Westsson (2019).

      Дополнительный материал

      Дополнительный материал к этой статье можно найти в Интернете по адресу: https://www.frontiersin.org/articles/10.3389/fchem.2020.00163/full#supplementary-material

      .

      Ссылки

      Диас-Моралес, О., Херсбах, Т.Дж.П., Бадан, К., Гарсия, А.С., и Копер, М.Т.М. (2018). Адсорбция водорода на наноструктурированных платиновых электродах. Фарадей Обсудить 210, 301–315. дои: 10.1039/c8fd00062j

      Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

      Данвуди, округ Колумбия, Унлю, М., Вольф, А.К.Х., Геллетт, В., и Ледди, Дж. (2005). Углеродные электроды с включением магнитов: методы создания и демонстрации повышенного электрохимического потока. Электроанализ 17, 1487–1494. doi: 10.1002/elan.200503297

      Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

      Гарсес-Пинеда, Ф.А., Бласко М., Кастро Д. Н., Лопес Н. и Галан-Маскарос Дж. Р. (2019). Прямое магнитное усиление электрокаталитического окисления воды в щелочных средах. Нац. Энергия 4, 519–525. doi: 10.1038/s41560-019-0404-4

      Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

      Garsany, Y., Ge, J., St-Pierre, J., Rocheleau, R., and Swider-Lyons, K.E. (2014). Аналитическая процедура для точного сравнения результатов вращающегося дискового электрода по активности восстановления кислорода Pt/C. Дж. Электрохим. соц. 161, F628–F640. дои: 10.1149/2.036405jes

      Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

      Гастайгер, Х.А., Коча, С., Сомпалли, Б., и Вагнер, Ф.Т. (2005). Контрольные показатели активности и требования к Pt, Pt-сплавам и не-Pt катализаторам восстановления кислорода для ПОМТЭ. Заяв. Катал. Б Окружающая среда. 56, 9–35. doi: 10.1016/j.apcatb.2004.06.021

      Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

      Гречнёв Г.Е. (2009). Индуцированные магнитным полем эффекты в электронной структуре коллективизированных систем d- и f-металлов. Низкотемпературная физика. 35, 638–651. дои: 10.1063/1.3224723

      Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

      Копер, МТМ (2008). Катализ на топливных элементах: подход к науке о поверхности. Хобокен, Нью-Джерси: Wiley.

      Академия Google

      Кулкарни, А., Сиахростами, С., Патель, А., и Норсков, Дж. К. (2018). Понимание тенденций каталитической активности в реакции восстановления кислорода. Хим. Ред. 118, 2302–2312. doi: 10.1021/acs.chemrev.7b00488

      Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

      Ли Ю., Чжан Л., Пэн Дж., Чжан В. и Пэн К. (2019). Электрокатализ Co3O4/NF, усиливающий магнитное поле, для реакции выделения кислорода. Дж. Пауэр Сауэр. 433:226704. doi: 10.1016/j.jpowsour.2019.226704

      Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

      Лукашевский, М., Сошко, М., и Червински, А. (2016). Электрохимические методы определения реальной площади поверхности электродов из благородных металлов – обзор. Междунар. Дж. Электрохим. науч. 11, 4442–4469. дои: 10.20964/2016.06.71

      Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

      Меландер, М., Лаасонен, К., и Йонссон, Х. (2014). Влияние магнитных состояний на реакционную способность поверхности железа ГЦК(111). J. Phys. хим. С 118, 15863–15873. дои: 10.1021/jp504709d

      Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

      Мурти, А. П., Мадхаван, Дж., и Муруган, К. (2018). Последние достижения в области катализаторов реакции выделения водорода на углерод/углеродных носителях в кислой среде. Дж. Пауэр Сауэр. 398, 9–26. doi: 10.1016/j.jpowsour.2018.07.040

      Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

      Норсков, BHJK (2000). Теоретическая наука о поверхности и катализ — расчеты и концепции. Доп. Катал. 45, 71–129. doi: 10.1016/S0360-0564(02)45013-4

      Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

      Окадзаки, М., и Шига, Т. (1986). Выход продукта зависящей от магнитного поля фотохимической реакции, модулируемой электронным спиновым резонансом. Природа 323, 240–243. дои: 10.1038/323240a0

      Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

      Oudenhuijzen, M.K., Bitter, JH, and Koningsberger, D.C. (2001). Природа связи Pt-H для сильно и слабо связанного водорода на платине A XAFS-спектроскопическое исследование формы резонанса состояния антисвязывания Pt-H и EXAFS Pt-H. J. Phys. хим. В 105, 4616–4622. дои: 10.1021/jp0108014

      Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

      Озероваб Р.П. и Воробьев А.А. (2007). Физика для химиков. Амстердам: Эльзевир.

      Периасами, Н., и Линдшиц, Х. (1979). Побег из клетки и перефазировка спина триплетных ион-радикальных пар: эффекты температуры, вязкости и магнитного поля при фотовосстановлении флуоренона с помощью DABCO. Хим. физ. лат. 64, 281–285. дои: 10.1016/0009-2614(79)80513-8

      Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

      Саркар, А., Керр, Дж. Б., и Кэрнс, Э. Дж. (2013). Электрокатализ в топливных элементах — подход без платины и с низким содержанием платины. Лондон: Спрингер. дои: 10.1007/978-1-4471-4911-8

      Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

      Шовковый И. А. (2013). «Магнитный катализ: обзор», в Strongly Interacting Matter in Magnetic Fields , eds D. Kharzeev, K. Landsteiner, A. Schmitt, and H.-U. Йи (Берлин: Springer) 13–49. дои: 10.1007/978-3-642-37305-3_2

      Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

      Штайнер, У. Э., и Ульрих, Т. (1989). Эффекты магнитного поля в химической кинетике и родственных явлениях. Хим. Ред. 89, 51–147. DOI: 10.1021/cr00091a003

      Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

      Торун, Э., Фанг, К., де Вийс, Г. А., и де Гроот, Р. А. (2013). Роль магнетизма в катализе: поверхность RuO2(110). J. Phys. хим. С 117, 6353–6357. дои: 10.1021/jp4020367

      Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

      Трасатти, П. (1991). Измерение реальной площади поверхности в электрохимии. Чистое приложение. хим. 63, 711–734. дои: 10.1351/pac19

      50711

      Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

      Турро, Нью-Джерси, и Кройтлер, Б. (1980). Магнитное поле и магнитные изотопные эффекты в органических фотохимических реакциях. новое исследование механизмов реакции и метод обогащения магнитных изотопов. Согл. хим. Рез. 13, 369–377. дои: 10.1021/ar50154a005

      Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

      Вестссон, Э. (2019). Катализаторы с низким содержанием благородных металлов для технологии водородного топлива. (кандидатская диссертация). Делфт: Технологический университет Нидерландов.

      Академия Google

      Вестссон, Э., и Копер, Г. (2014). Как определить природу ядра-оболочки в частицах биметаллического катализатора? Катализаторы 4, 375–396. doi: 10.3390/catal4040375

      Полнотекстовая перекрестная ссылка | Академия Google

      Цзэн З., Чжан Т., Лю Ю., Чжан В., Инь З., Цзи З. и др. (2018). 4-электронный путь, усиленный магнитным полем, для хорошо выровненных Co3 O4 / электропряденных углеродных нановолокон в реакции восстановления кислорода. ChemSusChem 11, 580–588. doi: 10.1002/cssc.201701947

      Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

      Zheng, Y., Jiao, Y., Li, L.H., Xing, T., Chen, Y., Jaroniec, M., et al. (2014). К разработке синергетически активных катализаторов на основе углерода для электрокаталитического выделения водорода. ACS Nano 8, 5290–5296. doi: 10.1021/nn501434a

      Реферат PubMed | Полный текст перекрестной ссылки | Академия Google

      Свойства и применение магнитных наночастиц

      Введение

      Магнитные наночастицы представляют собой наноматериалы, состоящие из магнитных элементов, таких как железо, никель, кобальт, хром, марганец, гадолиний и их химические соединения.Магнитные наночастицы являются суперпарамагнитными из-за их наноразмера, предлагая большой потенциал в различных приложениях в их чистом виде или с поверхностным покрытием и функциональными группами, выбранными для конкретных целей. В частности, наночастицы феррита являются наиболее изученными магнитными наночастицами, которые могут быть значительно увеличены путем кластеризации ряда отдельных суперпарамагнитных наночастиц в кластеры с образованием магнитных шариков.

      Магнитные наночастицы могут избирательно присоединяться к функциональным молекулам и обеспечивать транспортировку в целевое место под действием внешнего магнитного поля от электромагнита или постоянного магнита.Для предотвращения агрегации и сведения к минимуму взаимодействия частиц с окружающей средой может потребоваться поверхностное покрытие. Поверхность наночастиц феррита часто модифицируют поверхностно-активными веществами, диоксидом кремния, силиконами или производными фосфорной кислоты для повышения их стабильности в растворе. В общем, магнитные наночастицы с покрытием широко используются в нескольких медицинских приложениях, таких как выделение клеток, иммуноанализ, диагностическое тестирование и доставка лекарств.

      Просмотреть все Магнитные частицы Продукты:
      Основные магнитные частицы
      аффинности магнитные частицы
      Гидрофбиные магнитные частицы
      Ионообменные магнитные частицы
      активные магнитные частицы
      Магнитные частицы сопряжения наборы
      диоксид кремния магнитные частицы

      1

      1 .Магнитные свойства

      Свойства магнитных наночастиц зависят от метода синтеза и химической структуры. В большинстве случаев магнитные наночастицы имеют размер от 1 до 100 нм и могут проявлять суперпарамагнетизм. Суперпарамагнетизм вызван тепловыми эффектами, при которых тепловые флуктуации достаточно сильны, чтобы спонтанно размагнитить ранее насыщенную сборку; следовательно, эти частицы имеют нулевую коэрцитивную силу и не имеют гистерезиса. В этом состоянии внешнее магнитное поле способно намагничивать наночастицы с гораздо большей магнитной восприимчивостью.Когда поле снято, магнитные наночастицы не проявляют намагниченности. Это свойство может быть полезно для контролируемой терапии и адресной доставки лекарств.

      2. Магнитокалорический эффект

      Некоторые магнитные материалы нагреваются, когда их помещают в магнитное поле, и остывают, когда их удаляют из магнитного поля, что определяется как магнитокалорический эффект (МКЭ). Магнитные наночастицы представляют собой многообещающую альтернативу обычным объемным материалам из-за их суперпарамагнитных свойств, зависящих от размера частиц.Кроме того, большая площадь поверхности магнитных наночастиц может обеспечить лучший теплообмен с окружающей средой. Благодаря тщательному проектированию структур ядро-оболочка можно было бы контролировать теплообмен между магнитными наночастицами и окружающей матрицей, что дает возможность улучшить терапевтические технологии, такие как гипертермия.

      Области применения

      1. Магнитное разделение

      В биомедицинских исследованиях выделение и разделение конкретных молекул, включая ДНК, белки и клетки, является необходимым условием в большинстве областей биологических наук и биотехнологий.Среди различных методов биоразделения биоразделение на основе магнитных наночастиц в основном задокументировано и широко используется из-за его уникального свойства магнитного разделения и многообещающей эффективности. При этом биологические молекулы метят коллоидами магнитных наночастиц, а затем подвергают разделению с помощью внешнего магнитного поля, что может применяться для выделения клеток, очистки белков, выделения РНК/ДНК и иммунопреципитации.

      Частицы магнитных наночастиц, такие как шарики, широко используются для разделения и очистки клеток и биомолекул из-за их небольшого размера, многообещающей способности к разделению и хорошей диспергируемости.Одной из тенденций в этой предметной области является магнитное разделение с использованием антител, конъюгированных с шариками, для получения высокоточных антител, которые могут специфически связываться с соответствующими им антигенами на поверхности целевых участков.

      2. Диагностика

      Были разработаны неинвазивные методы визуализации путем мечения стволовых клеток с помощью магнитных наночастиц. Среди них магнитно-резонансная томография (МРТ) широко используется в качестве диагностического инструмента для представления высокого пространственного разрешения и больших анатомических деталей для визуализации структуры и функции тканей.Несколько видов магнитных наночастиц были разработаны для улучшения контрастных веществ при МРТ-изображениях со значительными преимуществами повышенной чувствительности, хорошей биосовместимости и легкого обнаружения при умеренных концентрациях.

      3. Сенсоры

      Многие типы биосенсоров на основе магнитных наночастиц были функционализированы на поверхности для распознавания конкретных молекулярных мишеней благодаря их уникальным магнитным свойствам, которых нет в биологических системах. Благодаря различному составу, размеру и магнитным свойствам магнитные наночастицы могут использоваться в различных инструментах и ​​форматах для биосенсоров с повышением чувствительности и стабильности.

      4. Доставка лекарств

      Магнитные наночастицы были разработаны и применены для локализованной доставки лекарств к опухолям. Магнитные наночастицы сначала выступают в роли носителя лекарственного средства, которые прикрепляются к его внешней поверхности или растворяются в оболочке. Как только частицы, покрытые лекарственным средством, попадают в кровоток пациента, с помощью сильного постоянного магнита создается градиент магнитного поля, удерживающий частицы в целевой области. Более того, магнитные наночастицы, покрытые лекарством, можно вводить внутривенно, транспортировать и удерживать в целевых местах, что делает их весьма перспективной системой доставки лекарств.

      Магнитные наночастицы с различными оболочками

      5. Терапия

      Магнитные наночастицы в настоящее время исследуются как метод направленного терапевтического нагревания опухолей, который называется гипертермией. Различные типы суперпарамагнитных наночастиц с различными покрытиями и нацеливающими агентами используются для определенных участков опухоли. Нагрев магнитными частицами может осуществляться на глубинах, необходимых для лечения опухолей, расположенных практически в любом месте тела человека.Кроме того, гипертермия с использованием магнитных наночастиц также может использоваться в качестве адъюванта к традиционной химиотерапии и лучевой терапии, что демонстрирует большой потенциал.

      Ссылки

      1. C. Buzea, I. Blandino, K. Robbie, Biointerphases , 2007, 4, 17-172.
      2. Р. Риккен, Р. Нольте, Дж. Маан, Д. Уилсон, П. Кристианен, Мягкая материя , 2014, 10, 1295-1308.
      3. А.

        Добавить комментарий

        Ваш адрес email не будет опубликован.

        2022 © Все права защищены.

      Curie Tempery для Iron = 770 CELISIUS

      *

      Curie Cureie для Cobalt = 1100 Celsius

      Curie Температура для никеля = 360 Цельсия

      Метан (например,g., в Bunsen горел) температура жжения = около 1 950 CELSIUS

      пропан (например, пропановая горелка) температура горения = около 2000 CELSIUS