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WISSENSCHAFTLICHES LABOR FÜR KINDER
Mit Kompass durch Magnetfelder. Wissenschaftliches Kinderlabor
Verzeichnis / Wissenschaftliches Kinderlabor Mittlerweile gibt es fast keine Menschen mehr, die Ihnen für die Geschichte, dass die Erde rund ist, dankbar die Hand schütteln und sagen: „Danke, Freund, Sie werden immer etwas Neues hören.“ Aber warum dreht sie sich? Diese Frage verwirrt nicht nur den Studenten. Auch ihre gelehrten Väter werden nachdenklich, wenn die ewige Rotation sie nach dem „Warum“ fragt. „Wahrscheinlich Magnetismus“, sagen sie. Warum also? Aber ... zuerst zum Magnetismus im Allgemeinen. Elektromagnetisches Feld von einem Nagel und einer Feile Mit einer Feile oder sogar einem einfachen Nagel ist das möglich. um gut ausgeprägte Magnetfelder zu erhalten. Es reicht aus, sie mit einem isolierten Draht zu umwickeln und Strom durch ihn fließen zu lassen. Der durch die Spulen fließende elektrische Strom erzeugt ein Feld und der Kern erhöht es stark. Der eigentliche Kern eines so einfachen Magneten, sei es ein Nagel oder eine Feile, wird zum Magneten. Gleichzeitig unterscheidet sich ein aus einem Nagel hergestellter Kernmagnet jedoch grundlegend von einem aus einer Feile hergestellten Magneten. Was ist Ihrer Meinung nach dieser Unterschied? Dies wird weiter unten besprochen. Wenn Sie den Unterschied jedoch selbst herausfinden möchten, führen Sie die folgenden Experimente durch. Wickeln Sie einen isolierten Draht mit einer Dicke von 0,1 bis 0,4 mm um einen gewöhnlichen Nagel. Verbinden Sie ein Ende der Wicklung mit der Taschenlampenbatterie (Abb. 1). Streuen Sie kleine Nelken auf den Tisch. Bringen Sie den Kopf des Nagels zu den kleinen Bolzen und befestigen Sie dann das andere Ende der Wicklung an der Batterie. Kleine Nägel haften sofort am Kopf des Kernnagels. Im ausgeschalteten Zustand entladen sich die Nelkenbatterien sofort.
Jetzt machen wir aus einer Feile einen künstlichen Magneten. Schleifen Sie auf der Schmirgelscheibe die Kerbe von den Ebenen der Feile ab und schneiden Sie den erforderlichen Streifen davon ab. Anschließend muss der Streifen von der Mitte bis zu den Enden gerieben werden – mit den entgegengesetzten Polen der Magnete. Ein starres Stahlband kann auf andere Weise künstlich magnetisiert werden – mit elektrischem Gleichstrom. Wickeln Sie einen gut isolierten Draht auf eine Stahlplatte und schalten Sie dann die Wicklung durch den Rheostat einige Sekunden lang ein. Jetzt wird der Unterschied zwischen einem magnetisierten Nagel und einer Feile deutlich. Im ersten Fall weist der Kern nur während des Stromdurchgangs (entlang der Windungen) magnetische Eigenschaften auf, im zweiten Fall entsteht ein Permanentmagnet. Im Gegensatz zu einem Nagel weist eine Feile einen Restmagnetismus auf. Der Grund liegt in der hohen Härte des Feilenmaterials. In einer massiven Stahlplatte sind die Atome, aus denen sie besteht, sehr „stark“ ausgerichtet. Daher behalten sie ihre magnetischen Eigenschaften besser. Indem wir den Magneten halbieren, erhalten wir zwei identische Magnete mit unterschiedlichen Polen. Durch die Wiederholung dieses Vorgangs erhalten wir wieder Magnete mit unterschiedlichen Polen. Wenn wir einen Magneten in mikroskopisch kleine Partikel zerschneiden würden, hätte jedes dieser Partikel immer noch zwei Pole: Nord (positiv) und Süd (negativ). Diese Tatsache lässt den Schluss zu, dass die Pole eines Magneten nicht getrennt existieren, ebenso wie es negativ (Elektronen) und positiv (Protonen) elektrisch geladene Teilchen gibt. Es ist jedoch möglich, einen Magneten mit gleichen Polen an den Enden herzustellen. Es ist lediglich erforderlich, die Stahlplatte mit den gleichen Polen, beispielsweise den Nordpolen, zu reiben und sie von der Mitte zu den Enden zu führen. Dann werden die Atome in der Struktur der Platte so angeordnet, dass die Nordpole in die eine und die Südpole in die andere Richtung zeigen. Die Magnetnadel befindet sich entlang der magnetischen Kraftlinien. Mit Eisenspänen lässt sich die Konfiguration magnetischer Feldlinien leicht erfassen. Nachdem Sie das Glas mit den Metallspänen auf den Stabmagneten gelegt haben, klopfen Sie leicht auf das Glas. Jedes magnetisierte Eisenteilchen ist eine kleine magnetische Nadel. Sie dehnen sich entlang der Kraftlinien des Feldes aus und offenbaren dessen Konfiguration. Beim Schütteln wandert der größte Teil des Sägemehls zu den Stangen. Der äquatoriale Teil des Feldes wird dünner. Doch elektrisch geladene Teilchen verhalten sich ganz anders. Könnte man negativ und positiv geladene Teilchen wie Sägemehl auf Glas schütten, dann würden sich die geladenen Teilchen von den Polen abstoßen und sich in der äquatorialen Zone des Magnetfeldes konzentrieren – in Form eines Rings. Aber wie kann man das alles sehen? Hausgemachte Galaxien In Betatronen werden Strahlen geladener Teilchen, insbesondere Elektronen (Betateilchen), erzeugt. In ihnen werden Elektronen auf nahezu Lichtgeschwindigkeit beschleunigt, und die Geräte selbst wiegen Tonnen, manchmal Hunderte Tonnen. Und doch ist fast jeder von uns in der Lage, mit gewöhnlichen Fernsehern ein Experiment mit einem Elektronenstrahl durchzuführen. Tatsächlich sind es in der Fernsehröhre die Elektronen, die reihenweise auf den Bildröhrenbildschirm treffen und ein Leuchten verursachen. Nehmen Sie einen stärkeren Permanentmagneten und bringen Sie seinen Pol zum Bildschirm. Das Bild auf dem Bildschirm verwandelt sich in eine Spirale, die einer Galaxie ähnelt. Ist das Bild nach rechts verdreht, bedeutet dies, dass der Nordpol des Magneten auf den Bildschirm gebracht wird. Der Südpol des Magneten bildet eine nach links gedrehte Spirale. Wenn sich der Magnet dem Bildschirm nähert, erscheint ein dunkler Ring davor (wenn der Magnet zylindrisch ist) und ein heller Punkt bleibt in der Mitte, durch den der Elektronenfluss weiter zum Pol fließt. Der dunkle Fleck zeigt, dass die Magnetpole Elektronen abstoßen, sie zum Äquator des Magnetfelds lenken und den Magneten umkreisen. Die Elektronen werden vom Nord- und Südpol abgestoßen. Daher sind sie in der Äquatorialebene des Magnetfelds in Form eines ziemlich flachen Rings konzentriert, wie die Ringe des Planeten Saturn.
Fassen Sie den Magneten mit der rechten Hand am Ende des Nordpols und bringen Sie ihn mit seiner gesamten Ebene horizontal zum Bildschirm. Das Bild auf dem Bildschirm wird bogenförmig nach oben über den Äquator des Magnetfeldes gebogen. Drehen Sie den Magneten mit dem Südpol nach rechts – das Bild auf dem Bildschirm beugt sich nach unten. Aus diesen Experimenten lässt sich erkennen, dass Elektronen in einem Magnetfeld gegen den Uhrzeigersinn kreisen, wenn man den Magneten vom Nordpol aus betrachtet. Wenn wir es mit positiv geladenen Teilchen zu tun haben, würden sie sich ausgehend von den Polen des Magneten in die entgegengesetzte Richtung zur Richtung der Elektronen auf der Umlaufbahn bewegen. Und was passiert, wenn der Magnet gelagert und mit einem ziemlich starken Elektronenstrahl bestrahlt wird? Wahrscheinlich beginnt sich der Magnet zu drehen: im Elektronenfluss – im Uhrzeigersinn, im Protonenfluss – gegen den Uhrzeigersinn. Die Drehrichtung des Magneten ist der Drehrichtung der geladenen Teilchen entgegengesetzt. Und jetzt erinnern wir uns daran, dass unsere Erde ein riesiger Magnet ist und dass ein Protonenstrom aus dem Weltraum auf sie fällt. Jetzt ist klar, warum wir lange über Magnetismus gesprochen haben, bevor wir zur versprochenen Erklärung der Rotation unseres Planeten übergegangen sind. In einem Rundtanz Der englische Wissenschaftler W. Gelbert glaubte, dass die Erde aus einem magnetischen Stein besteht. Später wurde entschieden, dass die Erde von der Sonne magnetisiert wurde. Berechnungen widerlegten diese Hypothesen. Sie versuchten, den Magnetismus der Erde durch Massenflüsse in ihrem flüssigen Metallkern zu erklären. Diese Hypothese selbst beruht jedoch auf der Hypothese des flüssigen Kerns der Erde. Viele Wissenschaftler glauben, dass der Kern fest und überhaupt nicht aus Eisen ist. Im Jahr 1891 versuchte der englische Wissenschaftler Schuster offenbar zum ersten Mal, den Magnetismus der Erde durch ihre Rotation um ihre Achse zu erklären. Der bekannte Physiker P. N. Lebedev hat dieser Hypothese viel Arbeit gewidmet. Er ging davon aus, dass unter dem Einfluss der Zentrifugalkraft die Elektronen in Atomen in Richtung Erdoberfläche verschoben werden. Dadurch muss die Oberfläche negativ aufgeladen werden, dadurch entsteht Magnetismus. Aber Experimente mit einer Ringrotation von bis zu 35 Umdrehungen pro Minute bestätigten die Hypothese nicht – Magnetismus trat im Ring nicht auf. Im Jahr 1947 schlug P. Bleket (England) vor, dass das Vorhandensein eines Magnetfelds in rotierenden Körpern ein unbekanntes Naturgesetz sei. Blackett versuchte die Abhängigkeit des Magnetfeldes von der Rotationsgeschwindigkeit des Körpers festzustellen. Zu dieser Zeit waren Daten über die Rotationsgeschwindigkeit und die Magnetfelder von drei Himmelskörpern bekannt – der Erde, der Sonne und dem Weißen Zwerg – dem Stern E78 aus dem Sternbild Jungfrau. Das Magnetfeld des Körpers wird durch sein magnetisches Moment, die Rotation des Körpers – durch den Drehimpuls (unter Berücksichtigung der Größe und Masse des Körpers) charakterisiert. Es ist seit langem bekannt, dass die magnetischen Momente der Erde und der Sonne in derselben Beziehung zueinander stehen wie ihre Drehimpulse. Der E78-Stern hat diese Verhältnismäßigkeit beachtet! Dadurch wurde klar, dass ein direkter Zusammenhang zwischen der Rotation der Himmelskörper und ihrem Magnetfeld besteht.
Man hatte den Eindruck, dass es die Rotation der Körper war, die das Magnetfeld verursachte. Blacket versuchte, die Existenz des von ihm vorgeschlagenen Gesetzes experimentell zu beweisen. Für das Experiment wurde ein goldener Zylinder mit einem Gewicht von 20 kg hergestellt. Aber die subtilsten Experimente mit dem genannten Zylinder brachten nichts. Der nichtmagnetische goldene Zylinder zeigte keine Anzeichen eines Magnetfelds. Jetzt sind die magnetischen und Drehimpulse für Jupiter ermittelt und auch vorläufig für Venus. Und wiederum liegen ihre Magnetfelder, dividiert durch den Drehimpuls, nahe an der Blacket-Zahl. Nach einem solchen Zusammentreffen der Koeffizienten ist es schwierig, die Angelegenheit dem Zufall zuzuschreiben. Was also – die Rotation der Erde regt ein Magnetfeld an, oder das Magnetfeld der Erde verursacht ihre Rotation? Aus irgendeinem Grund haben Wissenschaftler immer geglaubt, dass der Erde seit ihrer Entstehung Rotation innewohnt. Ist es so? Oder vielleicht nicht! Eine Analogie zu unserem „Fernseherlebnis“ wirft die Frage auf: Befindet sich die Erde, weil sie sich um ihre Achse dreht, wie ein großer Magnet in einem Strom geladener Teilchen? Die Strömung besteht hauptsächlich aus Wasserstoffkernen (Protonen) und Helium (Alphateilchen). Elektronen werden im „Sonnenwind“ nicht beobachtet, sie werden wahrscheinlich in magnetischen Fallen zum Zeitpunkt der Kollision von Teilchen gebildet und in Kaskaden in den Zonen des Erdmagnetfelds erzeugt. Erde - Elektromagnet Der Zusammenhang zwischen den magnetischen Eigenschaften der Erde und ihrem Kern ist mittlerweile ganz offensichtlich. Berechnungen von Wissenschaftlern zeigen, dass der Mond keinen flüssigen Kern hat und daher auch kein Magnetfeld haben sollte. Tatsächlich haben Messungen mit Weltraumraketen gezeigt, dass der Mond kein nennenswertes Magnetfeld um sich herum aufweist. Durch Beobachtungen terrestrischer Strömungen in der Arktis und Antarktis wurden interessante Daten gewonnen. Die Intensität der terrestrischen elektrischen Ströme ist dort sehr hoch. Sie ist zehn- und hundertmal höher als die Intensität in den mittleren Breiten. Diese Tatsache weist darauf hin, dass der Zufluss von Elektronen aus den Ringen der Erdmagnetfallen intensiv durch die Polkappen in den Zonen der Magnetpole in die Erde eindringt, wie in unserem Experiment mit dem Fernseher. Im Moment erhöhter Sonnenaktivität nehmen auch die elektrischen Ströme auf der Erde zu. Nun kann es wahrscheinlich als erwiesen angesehen werden, dass elektrische Ströme in der Erde durch die Massenströme des Erdkerns und den Zufluss von Elektronen aus dem Weltraum, hauptsächlich aus ihren Strahlungsringen, in die Erde verursacht werden. Elektrische Ströme verursachen also das Erdmagnetfeld, und das Erdmagnetfeld wiederum sorgt offensichtlich dafür, dass sich unsere Erde dreht. Es ist leicht zu erraten, dass die Geschwindigkeit der Erdrotation vom Verhältnis der negativ und positiv geladenen Teilchen abhängt, die von ihrem Magnetfeld von außen eingefangen und auch im Erdmagnetfeld geboren werden. Autor: I.Kirillov
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