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LABORATORIO SCIENTIFICO PER BAMBINI
Con bussola attraverso i campi magnetici. Laboratorio di scienze per bambini
Elenco / Laboratorio di scienze per bambini Ora non sono rimaste quasi più persone che ti stringeranno la mano con gratitudine per averti detto che la Terra è rotonda, dicendo: "Grazie, amico, sentirò sempre qualcosa di nuovo da te". Ma perché gira? Questa domanda sconcerta non solo gli scolari. Anche i loro padri eruditi diventano premurosi quando la rotazione eterna dà loro questo “perché”. “Probabilmente magnetismo”, dicono. Allora perché? Ma... prima del magnetismo in generale. Campo elettromagnetico prodotto da un chiodo e una lima Puoi utilizzare una lima o anche un semplice chiodo. ottenere campi magnetici chiaramente visibili. È sufficiente avvolgerli con un filo isolato e far passare la corrente attraverso di esso. La corrente elettrica, passando attraverso le spire, creerà un campo e il nucleo lo rafforzerà bruscamente. Il nucleo stesso di un solenoide così semplice, sia esso un chiodo o una lima, diventerà un magnete. Ma allo stesso tempo, un nucleo magnetico ricavato da un chiodo avrà una differenza fondamentale rispetto a un magnete ricavato da una lima. Cosa pensi che faccia questa differenza? Questo sarà discusso di seguito. Ma se vuoi trovare tu stesso la differenza, fai i seguenti esperimenti. Avvolgere un filo isolato di spessore 0,1-0,4 mm attorno a un chiodo normale. Attaccare un'estremità dell'avvolgimento alla batteria della torcia (Fig. 1). Metti piccoli garofani sul tavolo. Posiziona la testa del chiodo contro i piccoli perni, quindi collega l'altra estremità dell'avvolgimento alla batteria. I piccoli chiodi si attaccheranno immediatamente alla testa del chiodo centrale. Una volta spente, le batterie del garofano si scaricheranno immediatamente.
Ora creiamo un magnete artificiale da un file. Utilizzando una mola smerigliatrice, levigare la tacca dai piani della lima e tagliare da essa la striscia necessaria. Quindi la striscia deve essere strofinata dal centro verso le estremità, con i poli opposti dei magneti. Una striscia di acciaio rigida può essere magnetizzata artificialmente in un altro modo, utilizzando la corrente elettrica continua. Avvolgere un filo ben isolato su una piastra di acciaio, quindi accendere l'avvolgimento attraverso il reostato per alcuni secondi. Ora la differenza tra un chiodo magnetizzato e una lima diventerà evidente. Nel primo caso il nucleo ha proprietà magnetiche solo durante il passaggio della corrente (attraverso le spire); nel secondo caso si ottiene un magnete permanente. Una lima, a differenza di un chiodo, avrà un magnetismo residuo. Il motivo risiede nell'elevata durezza del materiale della lima. In una solida piastra di acciaio, gli atomi di cui è composta sono orientati in modo molto “forte”. Pertanto, mantengono meglio le loro proprietà magnetiche. Tagliando un magnete a metà otteniamo due magneti identici con poli diversi. Ripetendo questa operazione otteniamo nuovamente magneti con poli diversi. Se tagliassimo un magnete in particelle microscopiche, ciascuna di queste particelle avrebbe ancora due poli: nord (positivo) e sud (negativo). Questo fatto porta alla conclusione che i poli di un magnete non esistono separatamente, così come esistono particelle cariche elettricamente negative (elettroni) e positive (protoni). Tuttavia è possibile realizzare un magnete con poli uguali alle estremità. Basta strofinare la piastra d'acciaio con gli stessi poli, ad esempio quelli del nord, portandoli dal centro verso le estremità. Quindi gli atomi saranno disposti nella struttura della piastra in modo che i poli nord vadano in una direzione e i poli sud nell'altra. L'ago magnetico si trova lungo le linee di forza magnetiche. La configurazione delle linee del campo magnetico può essere facilmente catturata utilizzando limatura di ferro. Posizionare il vetro con la limatura di metallo sulla striscia magnetica e picchiettare leggermente il vetro. Ogni particella di ferro magnetizzato rappresenterà una piccola freccia magnetica. Distendendosi lungo le linee di forza del campo, ne riveleranno la configurazione. Durante lo scuotimento, la maggior parte della segatura si sposterà sui pali. La parte equatoriale del campo si diraderà. Ma le particelle elettricamente cariche si comportano in modo completamente diverso. Se le particelle cariche negativamente e positivamente potessero essere cosparse come segatura sul vetro, le particelle cariche verrebbero respinte dai poli e concentrate nella zona equatoriale del campo magnetico, sotto forma di un anello. Ma come puoi vedere tutto questo? Galassie fatte in casa Nei betatroni vengono prodotti fasci di particelle cariche, in particolare elettroni (particelle beta). In essi, gli elettroni vengono accelerati quasi alla velocità della luce e i dispositivi stessi pesano tonnellate, e talvolta centinaia di tonnellate. Eppure, quasi ognuno di noi è in grado di condurre un esperimento con un fascio di elettroni utilizzando i normali televisori. Dopotutto, nel tubo televisivo sono gli elettroni che colpiscono in linee lo schermo del cinescopio, provocando un bagliore. Prendi un magnete permanente più forte e avvicina il suo polo allo schermo. L'immagine sullo schermo si trasformerà in una spirale simile a una galassia. Se l'immagine ruota verso destra significa che sullo schermo viene avvicinato il polo nord del magnete. Il polo sud del magnete forma una spirale attorcigliata verso sinistra. Quando il magnete si avvicina allo schermo, di fronte ad esso apparirà un anello scuro (se il magnete è cilindrico), e proprio al centro ci sarà un punto luminoso attraverso il quale il flusso di elettroni continua a fluire verso il polo. La macchia scura mostra che i poli magnetici respingono gli elettroni, mandandoli verso l'equatore del campo magnetico e in orbita attorno al magnete. Gli elettroni vengono respinti dai poli nord e sud. Pertanto, sono concentrati nel piano equatoriale del campo magnetico sotto forma di un anello abbastanza piatto, come gli anelli del pianeta Saturno.
Prendendo il magnete all'estremità del polo nord con la mano destra, porta il suo intero piano orizzontalmente sullo schermo. L'immagine sullo schermo si piegherà in un arco, verso l'alto sopra l'equatore del campo magnetico. Capovolgi il magnete con il polo sud verso destra: l'immagine sullo schermo si piegherà verso il basso. Da questi esperimenti risulta chiaro che, guardando il magnete dal polo nord, gli elettroni ruotano in un campo magnetico in un'orbita antioraria. Se abbiamo a che fare con particelle caricate positivamente, allora, respingendosi dai poli del magnete, andrebbero nella direzione opposta alla direzione degli elettroni nell'orbita. Cosa succede se un magnete viene posizionato su un cuscinetto e irradiato con un flusso di elettroni abbastanza potente? Probabilmente il magnete inizierà a ruotare: nel flusso di elettroni - in senso orario, nel flusso di protoni - in senso antiorario. La direzione di rotazione del magnete sarà opposta alla direzione di torsione delle particelle cariche. Ora ricordiamoci che la nostra Terra è un enorme magnete e che un flusso di protoni cade su di essa dallo spazio. Ora è chiaro perché abbiamo parlato a lungo di magnetismo prima di passare alla spiegazione promessa della rotazione del nostro pianeta. In un girotondo Lo scienziato inglese W. Gelbert credeva che la Terra fosse costituita da pietra magnetica. Successivamente decisero che la Terra era magnetizzata dal Sole. I calcoli hanno confutato queste ipotesi. Hanno cercato di spiegare il magnetismo della Terra attraverso i flussi di massa nel suo nucleo di metallo liquido. Tuttavia, questa stessa ipotesi si basa sull'ipotesi del nucleo liquido della Terra. Molti scienziati ritengono che il nucleo sia solido e non sia affatto ferroso. Nel 1891, lo scienziato inglese Schuster, apparentemente per la prima volta, cercò di spiegare il magnetismo della Terra con la sua rotazione attorno al proprio asse. Il famoso fisico P. N. Lebedev ha dedicato molto lavoro a questa ipotesi. Egli ipotizzò che, sotto l'influenza della forza centrifuga, gli elettroni negli atomi venissero spostati verso la superficie terrestre. Ciò fa sì che la superficie sia caricata negativamente, causando magnetismo. Ma gli esperimenti con la rotazione dell'anello fino a 35mila giri al minuto non hanno confermato l'ipotesi: il magnetismo non appariva nell'anello. Nel 1947, P. Blacket (Inghilterra) suggerì che la presenza di un campo magnetico nei corpi rotanti è una legge della natura sconosciuta. Blackett ha cercato di stabilire la dipendenza del campo magnetico dalla velocità di rotazione del corpo. A quel tempo, erano noti dati sulla velocità di rotazione e sui campi magnetici di tre corpi celesti: la Terra, il Sole e la Nana Bianca - la stella E78 della costellazione della Vergine. Il campo magnetico di un corpo è caratterizzato dal suo momento magnetico, la rotazione del corpo è caratterizzata dal suo momento angolare (tenendo conto delle dimensioni e della massa del corpo). È noto da tempo che i momenti magnetici della Terra e del Sole sono correlati tra loro allo stesso modo dei loro momenti angolari. Star E78 ha rispettato questa proporzionalità! Da qui è diventato evidente che esiste una connessione diretta tra la rotazione dei corpi celesti e il loro campo magnetico.
Si ha l'impressione che sia la rotazione dei corpi a provocare il campo magnetico. Blacket ha cercato di dimostrare sperimentalmente l'esistenza della sua proposta di legge. Per l'esperimento è stato realizzato un cilindro d'oro del peso di 20 kg. Ma gli esperimenti più sottili con il cilindro menzionato non hanno prodotto nulla. Il cilindro dorato non magnetico non mostrava segni di campo magnetico. I momenti magnetici e angolari di Giove sono stati ormai stabiliti, così come provvisoriamente quello di Venere. Ancora una volta, i loro campi magnetici, divisi per i momenti angolari, risultano prossimi al numero di Blackett. Dopo una tale coincidenza di coefficienti, è difficile attribuire la questione al caso. Quindi la rotazione della Terra eccita un campo magnetico o è il campo magnetico della Terra a causare la sua rotazione? Per qualche ragione, gli scienziati hanno sempre creduto che la rotazione fosse inerente alla Terra sin dalla sua formazione. È così? O forse no! L’analogia con la nostra esperienza “televisiva” solleva la domanda: è perché la Terra ruota attorno al proprio asse che, come un grande magnete, si trova in un flusso di particelle cariche? Il flusso è costituito principalmente da nuclei di idrogeno (protoni) ed elio (particelle alfa). Gli elettroni non si osservano nel “vento solare”, probabilmente si formano in trappole magnetiche al momento delle collisioni dei corpuscoli e nascono a cascata in zone del campo magnetico terrestre. La Terra è un elettromagnete La connessione tra le proprietà magnetiche della Terra e il suo nucleo è ormai abbastanza ovvia. I calcoli degli scienziati mostrano che la Luna non ha un nucleo fluido e quindi non dovrebbe avere un campo magnetico. In effetti, le misurazioni effettuate con i razzi spaziali hanno dimostrato che la Luna non ha un campo magnetico attorno a sé. Dati interessanti sono stati ottenuti dalle osservazioni delle correnti terrestri nell'Artico e nell'Antartide. L'intensità delle correnti elettriche terrestri è molto elevata. È decine e centinaia di volte superiore all’intensità alle medie latitudini. Questo fatto indica che l’afflusso di elettroni dagli anelli delle trappole magnetiche terrestri entra intensamente nella Terra attraverso le calotte polari nelle zone dei poli magnetici, come nella nostra esperienza con la TV. Quando l'attività solare aumenta, aumentano anche le correnti elettriche terrestri. Ora, probabilmente, si può considerare stabilito che le correnti elettriche nella Terra sono causate dalle correnti delle masse del nucleo terrestre e dall'afflusso di elettroni nella Terra dallo spazio, principalmente dai suoi anelli di radiazione. Quindi, le correnti elettriche causano il campo magnetico terrestre e il campo magnetico terrestre, a sua volta, apparentemente fa ruotare la nostra Terra. Non è difficile indovinare che la velocità di rotazione della Terra dipenderà dal rapporto tra le particelle cariche negativamente e positivamente catturate dal suo campo magnetico dall'esterno, così come quelle nate all'interno del campo magnetico terrestre. Autore: I. Kirillov
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