Искусственные магниты. Лет полтораста назад трудно было достать хороший стальной магнит. В руководствах физики того времени приводилось много разных таинственных рецептов для изготовления магнитов.

Теперь мы можем получить отличный магнит очень легко с помощью электрического тока. Но не всякая сталь хороша для изготовления магнита. Очень мягкая теряет магнитные свойства через несколько дней, чересчур твердая легко ломается при неосторожном обращении.

Если вам удастся достать прутик хорошей стали толщиной примерно с мизинец, вы сможете сделать из нее очень хороший магнит. Но его нужно предварительно закалить. Нагрейте прут на угольях до темно-красного цвета и бросьте в холодную воду. Прут станет тогда очень твердым, но хрупким. Теперь нужно еще, как говорят техники, «отпустить» сталь. Очистите закаленный прут шкуркой, а затем возьмите щипцами и подержите над хорошо раздутыми углями. По мере нагревания цвет стали будет изменяться. За этим надо внимательно следить. Сначала она делается соломенного цвета, потом темно-желтого, бурого и наконец синеет. Когда она начнет становиться бурой, бросьте ее сновав холодную воду. Теперь сталь потеряла хрупкость, но сохранила твердость.

Если у вас есть хороший фабричный магнит, вы можете передать его магнитные свойства любому числу стальных прутьев.

Но сначала заметьте, что оба конца магнита имеют различные свойства. Один конец, или полюс, магнита условно называется северным, другой — южным.

Чтобы с помощью фабричного магнита намагнитить какой-нибудь прут, например вязальную спицу, положите ее на стол, ведите от середины северным полюсом к одному концу спицы, а потом южным — тоже от середины к другому концу. Не важно, если вы не знаете, какой из полюсов фабричного магнита северный и какой — южный: все равно одним концом ведите от середины в одну сторону, а другим — в другую. Через некоторое время спица намагнитится до предела, и дальнейшее натирание ее магнитом будет бесполезно.

Во время намагничивания хорошо время от времени ударять по спице маленькой деревянной палочкой. Если кто-нибудь будет следить за вашей работой, он подумает, что вы проделываете какие-то таинственные, непонятные действия: трете каким-то бруском, стучите деревянной палочкой, а по виду ничего не изменяется. На самом деле таким простым способом вы изготовили себе хороший магнит и можете проделать несколько интересных опытов. Попробуйте выяснить, какие вещества магнит притягивает. Вы скоро обнаружите, что магнит притягивает только железо и сталь, а другие вещества — дерево, стекло, бумагу — не притягивает.

На стеклянной подставке, вроде тех, которыми мы пользовались для первых опытов с электричеством, подвесьте привязанную за середину намагниченную спицу. На рис. 117 показано, как стальной прутик, продетый сквозь пробку, подвешивается с помощью проволочного крючка к подставке. Когда вы опустите магнит, он повернется несколько раз, потом опишет взад и вперед несколько дуг, как будто хочет остановиться в каком-то определенном положении, и наконец остановится. Теперь, как бы мы ни выводили магнит из этого положения, он постоянно возвращается к нему. Вы легко обнаружите, что концы прямого магнита всегда направлены на север и на юг.

Рис. 117

Повесьте два магнита на большом расстоянии друг от друга. Оба они покажут на север и на юг. Заметьте концы магнитов, обращенные к северу. Можно просто навесить на эти концы узенькие полоски бумаги. Теперь попробуйте осторожно сближать магниты, сдвигая подставки. Вы увидите, как магниты изменят положение и повернутся друг к другу один северным, а другой южным полюсом (рис. 117, справа). И сколько бы раз вы ни повторяли этот опыт, всегда северный полюс одного магнита притянется к южному полюсу другого.

Вы можете даже попробовать закрутить один из магнитов. Когда нитка, на которой он подвешен, раскрутится, магнит все равно остановится против полюса другого наименования соседнего магнита. Если насильно повернуть один из магнитов так, чтобы он расположился северным к северному и южным к южному полюсам другого магнита, то стоит лишь их отпустить, как они сейчас же начнут поворачиваться до тех пор, пока северный полюс одного из них не станет против южного полюса другого. Попробуйте снять один из магнитов с подставки и поднести его северным концом к северному концу висящего магнита. Вы увидите, что он оттолкнет висящий магнит. То же самое произойдет, если вы сблизите южные полюсы обоих магнитов. Но как только вы сблизите северный полюс с южным, висящие магниты быстро притянутся.

Из этих опытов можем вывести заключение, что одноименные полюсы всегда отталкиваются, а разноименные притягиваются.

Подержите под висящим на нитке магнитом горизонтально другой магнит. Вы увидите, что висящий магнит повернется и остановится в том же направлении, в каком вы держите другой. Только северный конец его окажется над южным, а южный — над северным. Если вы повернете нижний магнит в направлении с севера на юг, но так, чтобы к северу был направлен южный полюс магнита, верхний висящий магнит станет в том же направлении. Только, конечно, на север будет направлен северный конец свободно висящего магнита. Если вы теперь удалите нижний магнит, вы увидите, что висящий не изменит положения. Выходит, что Земля наша действует на висящий магнит так, как тот, который мы к нему подводили. Это значит, что Земля сама является магнитом.

Устройство компаса. Конечно, вы понимаете, что свободно подвешенный магнит может служить для определения сторон света даже тогда, когда все небо закрыто тучами и найти положение сторон света по солнцу или звездам нельзя.

Свободно подвешенная намагниченная стрелка и есть простейший компас.

Компас очень помог развитию мореплавания. Моряки стали спокойно уходить далеко от берегов и без страха пересекали открытое море, так как всякие отклонения от курса сейчас же обнаруживала компасная стрелка.

Однако, идя все время в направлении, указанном магнитной стрелкой, мы никогда не дошли бы до географического Северного полюса. Дело в том, что географический Северный полюс и магнитный полюс Земли не совпадают. Если мы говорим, что магнитная стрелка показывает на север, то это не совсем точно. Направление на географический Северный полюс можно определить точно только в том случае, если известно так называемое «склонение» стрелки, то есть угол между направлением на географический полюс и направлением на полюс магнитный.

Склонение магнитной стрелки компаса должно быть хорошо известно при кораблевождении.

Магнит, висящий на нитке, прикрепленной к его середине, — это очень хорошая стрелка компаса. Никакое другое приспособление не дает такого легкого вращения.

Если вы хотите сделать себе компас, вырежьте картонный кружок, обозначьте на нем стороны света и проденьте нитку сквозь отверстие в центре. Приклейте этот картонный кружок к магниту, и он будет вращаться вместе с ним, как в настоящем морском компасе. Если вы приклеите кружок к магниту так, что обозначения севера и юга на кружке совпадут с концами вашей стрелки, компас будет показывать магнитные, а не астрономические стороны света. Если же вы передвинете магнитную стрелку под кружком на величину склонения, кружок будет показывать астрономические стороны света.

Рис. 118

Склонение магнитной стрелки в разных местах земного шара различное. Оно может равняться нулю, может быть западным или восточным. Значит, мы можем верно установить наш компас только для той местности, где мы живем.

Станьте перед кружком так, чтобы север был перед вами; тогда справа будет восток, слева запад. Если склонение места, в котором вы устанавливаете компас, восточное, магнитная стрелка должна быть приклеена по правую сторону обозначения севера на кружке; если склонение места западное, стрелка должна быть приклеена по левую сторону. У нас на рис. 118 показано положение стрелки при довольно сильном западном склонении местности.

Умные рыбки. Вырежьте из дерева несколько маленьких рыбок. Обработайте их напильником, ножом и стеклом, затем просверлите отверстия сквозь каждую из рыбок по длине и воткните в эти отверстия кусочки сильно намагниченных спиц. Длина спиц должна быть немного меньше длины рыбок. Концы дырок залепите воском или сургучом и раскрасьте рыбок разными масляными красками. Если вы поместите спицы в нижних половинах рыбок, они будут плавать совершенно правильно, спинкой кверху. Когда будете вставлять спицы в рыбок, проследите за тем, чтобы, скажем, северные полюсы спиц у всех приходились к голове.

Еще одну длинную и сильно намагниченную спицу поместите в такую оболочку, чтобы никто не подумал, что в ней спрятан магнит. Можно взять какую-нибудь тоненькую трубочку, заложить в нее спицу и заделать оба конца трубки. На концах сделайте незаметные пометки, чтобы вы всегда знали, где северный и где южный полюс.

Прилепите к южному полюсу палочки кусочек хлеба и предложите кому-нибудь из присутствующих покормить рыбок. Едва он поднесет трубку к тазу, рыбки повернутся к ней головами и поплывут. Это всегда получается очень забавно.

Вы можете сказать, что рыбки слишком умны, чтобы их можно было обмануть. Не дайте им хлеба — быстро поверните трубочку пустым концом. Рыбки сейчас же отвернутся. В этот момент быстро уберите палочку, иначе ваша тайна тут же раскроется. Вы догадываетесь почему? Ведь к рыбкам был повернут уже не южный, а северный полюс, а на хвостах у них южный. Значит, они отвернутся, чтобы повернуться к палочке хвостами. Если бы они просто повернулись — это было бы не страшно, но ведь они станут сейчас же подплывать к палочке, пятясь задом. Что же скажут тогда присутствующие о таком поведении «умных» рыбок?

Геометрические фигуры из плавающих магнитов. Проткните 5–6 одинаковых пробок толстыми иголками, заранее хорошо намагниченными. Иголки выберите большие, все одинаковые. Ушки их всех должны быть намагничены одноименными полюсами. Иголки воткните в пробки так, чтобы сверху торчал только небольшой конец с ушком, и опустите их в блюдо с водой остриями вниз. Они так и будут плавать. Но тут вы увидите интересное зрелище: так как ушки всех иголок намагничены одноименно и острия тоже, иголки отталкиваются друг от друга. Но они не дойдут до краев блюда, потому что действуют силы притяжения разноименных полюсов по диагоналям — от ушка одной иглы к острию другой. На каком-то расстоянии наступает равновесие сил притяжения и отталкивания: иголки останавливаются.

Интересно, что иголки располагаются симметричной фигурой, форма которой зависит от их числа. Три иголки образуют треугольник, четыре — квадрат, пять — пятиугольник. У нас на рис. 119 показаны различные фигуры, образованные плавающими магнитами.

Рис. 119

Но это еще не все.

Попробуйте точно в центр фигуры опустить один из полюсов постоянного магнита. Все иголки равномерно отплывут или приплывут, сохраняя прежнее симметричное расположение. Понятно, что удаление и приближение иголок зависят от того, совпал ли полюс постоянного магнита с наименованием полюсов ушек иголок, или он другого наименования.

Если после того, как иголки отплыли, удалить магнит, они станут опять сближаться, будто соединены с магнитом какими-то нитями.

Много интересных опытов можно проделать с плавающими магнитами. Попробуйте, например, удалить из блюда одну из иголок, все остальные быстро перестроятся в новую симметричную фигуру. Попробуйте добавить иголку — снова все изменится.

Замечательные рисунки, сделанные магнитом. Удивительная все-таки вещь магнит! Лежит он на столе, а на некотором расстоянии от него магнитная стрелка обращается к нему, притягивается им. Кажется, будто невидимые эластичные резинки протянуты от одного из этих предметов к другому. Между ними ничего не видно, но, очевидно, в этом промежутке как-то должна проявляться магнитная сила.

Можно ли ее обнаружить?

Лет сто назад, еще на заре исследований электромагнитных явлений, знаменитый английский ученый Фарадей предложил для обнаружения магнитных сил пользоваться железными опилками. Если у вас есть хорошо намагниченный стальной прут, укрепите его на столе вертикально и приклейте к нему воском или сургучом квадратик картона или тонкого стекла. Попробуйте теперь сыпать сквозь крупное сито железные опилки. Насыпьте их немного, затем постучите по квадратику пальцем. Опилки начнут двигаться и лягут лучами, расходящимися от конца магнита во все стороны (рис. 120, А).

Только не насыпайте на квадратик много опилок — толстый слой ложится не так красиво.

Лучи, по которым располагаются опилки, Фарадей назвал магнитными силовыми линиями.

Если таким же образом вы исследуете свойства полюсов подковообразных магнитов, вы увидите, что силовые линии тянутся от полюса к полюсу На рис. 120, Б показано, какие дуги образуются из опилок между концами подковообразных магнитов, как эти дуги делаются все более выпуклыми, по мере того как они отходят к наружным сторонам магнита.

Рис. 120

Попробуйте исследовать магниты в разных положениях. Опыты с магнитами очень увлекательны, и вы, наверное, немало повозитесь с ними.

Если вы хотите, можете даже сохранить надолго свои магнитные рисунки.

Растопите кусочек стеарина, налейте его на картон и разотрите краем почтовой открытки быстро и ровно по всему картону. Если стеарин быстро остынет и не будет хорошо размазываться, положите картонку на что-нибудь теплое; тогда размазать стеарин будет легко. Затем дайте стеарину остыть.

Приготовьте несколько таких картонок и дайте им полежать в книге, под прессом. На картонках, покрытых тонким слоем стеарина, получите магнитные рисунки опилками так, как и в первом опыте. Только постарайтесь сделать их как можно лучше. Когда рисунки будут готовы, осторожно снимите картон с магнита и подержите его над свечой. Стеарин растает и при охлаждении прочно приклеит опилки к картону. Все эти опыты показали нам распространение магнитных силовых линий на плоскости. Но понятно, что магнит действует во всех направлениях пространства.

Если вы опустите конец магнита в коробку с опилками, целая горсть их повиснет на нем (рис. 120, В). Красивым ожерельем соединяются полюсы подковообразных магнитов при таком же опыте. И эти фигурки также можно сохранить.

Укрепите какой-нибудь сильный подковообразный магнит полюсами вниз. Под полюсами подклейте маленькую картонку, покрытую стеарином. Когда вы под нее осторожно подставите коробку с опилками, сейчас же опилки подскочат к картонке и образуют два пучка, между которыми останутся ворота, или пучки замкнутся, образуя беседку. Отнимите магнит — и эта постройка отпадет.

Если вы хотите сохранить ее, наскоблите мелко стеарин и смешайте его хорошенько с опилками. Если вы теперь поднесете коробку под магнит, вам покажется, что магнитная фигура не так красива, как раньше. Стеарин пристает к опилкам, утяжеляет их, и магниту трудно образовать такие тонкие рисунки, как в первом опыте с более легкими опилками. Но вы можете помочь магниту. Возьмите на деревянную лопаточку или на бумажку еще немного опилок и поднесите их к тому месту, в котором вы хотите дополнить фигуру. Теперь наступила самая замысловатая операция.

Рис. 121

Всю постройку вместе с магнитом нужно с величайшей осторожностью, не тряхнув, перенести в теплую печь. Тогда стеарин растопится, проберется между всеми опилками и склеит их. Через некоторое время осторожно выньте все из печи, дайте остыть и осторожно отнимите магнит от картона.

Теперь можно перевернуть картонку: у вас окажется такая фигура, как показано у нас на рис. 121. Это самое наглядное изображение направлений силовых линий магнита в пространстве, сделанное им самим.