Zjawiska magnetyczne w fizyce - historia, przykłady i ciekawostki

Magnetyzm i elektryczność

Pierwszym praktycznym zastosowaniem magnesu był kawałek namagnesowanej stali unoszący się na korku w wodzie lub oleju. W tym przypadku jeden koniec magnesu zawsze wskazuje północ, a drugi południe. Był to pierwszy kompas używany przez żeglarzy.

Tak samo dawno temu, kilka wieków przed naszą erą, ludzie wiedzieli, że substancja żywiczna — bursztyn potarty wełną nabiera na chwilę zdolności przyciągania lekkich przedmiotów: kawałków papieru, kawałków nici, puchu. Zjawisko to nazywane jest elektrycznym ("elektron" oznacza po grecku "bursztyn"). Później to zauważono naelektryzowane przez tarcie może nie tylko bursztyn, ale także inne substancje: szkło, laska wosku itp.

Przez długi czas ludzie nie widzieli żadnego związku między dwoma niezwykłymi zjawiskami naturalnymi - magnetyzmem i elektrycznością. Powszechny wydawał się tylko znak zewnętrzny — właściwość przyciągania: magnes przyciąga żelazo, a szklany pręt pociera się wełnianymi skrawkami papieru.Co prawda magnes działał cały czas i naelektryzowany przedmiot po pewnym czasie traci swoje właściwości, ale jedno i drugie „przyciąga”.

Ale teraz, pod koniec XVII wieku, zauważono to Błyskawica — zjawisko elektryczne — uderzanie w pobliżu stalowych przedmiotów może je namagnesować. I tak np. kiedyś stalowe noże leżące w drewnianej skrzynce okazały się namagnesowane ku nieopisanemu zdziwieniu właściciela, po tym jak piorun uderzył w skrzynię i ją rozbił.

Z biegiem czasu obserwuje się coraz więcej takich przypadków. Jednak nadal nie daje to powodu, by sądzić, że istnieje silny związek między elektrycznością a magnetyzmem. Takie połączenie powstało dopiero około 180 lat temu. Zaobserwowano wówczas, że igła magnetyczna kompasu odchyla się, gdy tylko przyłoży się do niej drut, wzdłuż którego płynie prąd elektryczny.

Niemal w tym samym czasie naukowcy odkryli inne, nie mniej uderzające zjawisko. Okazało się, że drut, przez który przepływa prąd elektryczny, jest w stanie przyciągać do siebie małe opiłki żelaza. Warto było jednak zatrzymać prąd w drucie, bo trociny od razu się rozpadły, a drut stracił swoje właściwości magnetyczne.

W końcu odkryto inną właściwość prądu elektrycznego, która ostatecznie potwierdziła związek między elektrycznością a magnetyzmem. Okazało się, że stalowa igła umieszczona w środku cewki drutu, przez którą przepływa prąd elektryczny (taka cewka nazywa się Elektrozawór) jest namagnesowany w taki sam sposób, jak pocierany magnesem naturalnym.

Elektromagnesy i ich zastosowanie

Z doświadczenia ze stalową igłą i narodził się elektromagnes… Umieszczając miękki żelazny pręt w środku cewki drutu zamiast igły, naukowcy byli przekonani, że gdy prąd przepływa przez cewkę, żelazo nabywa właściwości magnesu, a gdy prąd ustanie, traci tę właściwość . Jednocześnie zauważono, że im więcej zwojów drutu w solenoidzie, tym silniejszy elektromagnes.

Pod wpływem poruszającego się magnesu w cewce drutu generowany jest prąd elektryczny

Początkowo elektromagnes wydawał się wielu po prostu zabawnym urządzeniem fizycznym. Ludzie nie podejrzewali, że w niedalekiej przyszłości znajdzie ona najszersze zastosowanie, stanie się podstawą wielu urządzeń i maszyn (zob. Praktyczne zastosowanie zjawiska indukcji elektromagnetycznej).

Zasada działania przekaźnika elektromagnetycznego

Po ustaleniu, że prąd elektryczny nadaje drutowi właściwości magnetyczne, naukowcy zadali pytanie: czy istnieje odwrotna zależność między elektrycznością a magnetyzmem? Na przykład, czy silny magnes umieszczony wewnątrz cewki z drutu spowodowałby przepływ prądu elektrycznego przez tę cewkę?

W rzeczywistości, gdyby prąd elektryczny pojawił się w drucie pod działaniem nieruchomego magnesu, byłoby to całkowicie sprzeczne prawo zachowania energii… Zgodnie z tym prawem, aby uzyskać prąd elektryczny, konieczne jest wydatkowanie innej energii, która zostałaby zamieniona na energię elektryczną. Kiedy prąd elektryczny jest wytwarzany za pomocą magnesu, energia zużywana na ruch magnesu jest przekształcana w energię elektryczną.

Badanie zjawisk magnetycznych

Już w połowie XIII wieku ciekawscy obserwatorzy zauważyli, że magnetyczne wskazówki kompasu oddziałują na siebie: końce skierowane w tym samym kierunku odpychają się, a skierowane w inny sposób przyciągają.

Fakt ten pomógł naukowcom wyjaśnić działanie kompasu. Przyjmuje się, że kula ziemska jest ogromnym magnesem, a końce igieł kompasu uparcie obracają się we właściwym kierunku, ponieważ są odpychane przez jeden biegun magnetyczny Ziemi, a przyciągane przez inny. Przypuszczenie to okazało się prawdziwe.

W badaniu zjawisk magnetycznych bardzo pomocne były małe opiłki żelaza, przylegające do magnesu o dowolnej sile. Przede wszystkim zauważono, że większość trocin przykleja się do dwóch określonych miejsc na magnesie lub, jak to się nazywa, biegunów magnesu. Okazało się, że każdy magnes ma zawsze co najmniej dwa bieguny, z których jeden zaczęto nazywać północnym (C), a drugi południowym (S).

Opiłki żelaza pokazują położenie linii pola magnetycznego w przestrzeni wokół magnesu

W magnesie prętowym jego bieguny najczęściej znajdują się na końcach pręta. Szczególnie wyrazisty obraz pojawiał się przed oczami obserwatorów, gdy zakładali posypywanie opiłkami żelaza szkła lub papieru, pod którymi znajdował się magnes. Wióry są ściśle rozmieszczone na biegunach magnesu. Następnie w postaci cienkich linii – połączonych ze sobą cząstek żelaza – rozciągały się od jednego bieguna do drugiego.

Dalsze badania zjawisk magnetycznych wykazały, że w przestrzeni wokół magnesu działają specjalne siły magnetyczne lub, jak mówią, pole magnetyczne… Kierunek i intensywność sił magnetycznych wskazują opiłki żelaza znajdujące się nad magnesem.

Eksperymenty z trocinami wiele nauczyły. Na przykład kawałek żelaza zbliża się do bieguna magnesu. Jeśli w tym samym czasie papier, na którym leżą trociny, zostanie lekko wstrząśnięty, wzór trocin zacznie się zmieniać. Linie magnetyczne stają się jakby widoczne. Przechodzą od bieguna magnesu do kawałka żelaza i stają się grubsze, gdy żelazo zbliża się do bieguna. Jednocześnie zwiększa się siła, z jaką magnes przyciąga kawałek żelaza do siebie.

Na którym końcu żelaznego pręta elektromagnesu powstaje biegun północny, gdy prąd przepływa przez cewkę, a na którym biegun południowy? Łatwo to określić na podstawie kierunku prądu elektrycznego w cewce. Wiadomo, że prąd (przepływ ładunków ujemnych) płynie od ujemnego bieguna źródła do dodatniego.

Wiedząc o tym i patrząc na cewkę elektromagnesu, można sobie wyobrazić, w jakim kierunku będzie płynął prąd w zwojach elektromagnesu. Na końcu elektromagnesu, gdzie prąd będzie wykonywał ruch okrężny w kierunku zgodnym z ruchem wskazówek zegara, tworzy się biegun północny, a na drugim końcu paska, gdzie prąd porusza się w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara, biegun południowy. Jeśli zmienisz kierunek prądu w cewce elektromagnesu, jego bieguny również się zmienią.

Zaobserwowano ponadto, że zarówno magnes trwały, jak i elektromagnes przyciągają znacznie silniej, jeśli nie mają postaci prostego pręta, ale są wygięte w taki sposób, że ich przeciwne bieguny są blisko siebie.W tym przypadku przyciąga nie jeden biegun, ale dwa, a poza tym linie sił magnetycznych są mniej rozproszone w przestrzeni — są skoncentrowane między biegunami.

Kiedy przyciągany żelazny przedmiot przylega do obu biegunów, magnes w kształcie podkowy prawie przestaje rozpraszać linie siły w przestrzeń. Łatwo to zauważyć z tymi samymi trocinami na papierze. Linie sił magnetycznych, które dawniej rozciągały się od jednego bieguna do drugiego, teraz przechodzą przez przyciągany obiekt żelazny, jak gdyby łatwiej było im przejść przez żelazo niż przez powietrze.

Badania pokazują, że tak rzeczywiście jest. Pojawiła się nowa koncepcja — przenikalność magnetyczna, co oznacza wartość wskazującą, ile razy linie magnetyczne łatwiej przechodzą przez dowolną substancję niż przez powietrze. Żelazo i niektóre jego stopy mają najwyższą przenikalność magnetyczną. To wyjaśnia, dlaczego spośród metali żelazo jest najbardziej przyciągane przez magnes.

Stwierdzono, że inny metal, nikiel, ma niższą przenikalność magnetyczną. I jest mniej przyciągany przez magnes. Stwierdzono, że niektóre inne substancje mają przepuszczalność magnetyczną większą niż powietrze i dlatego są przyciągane przez magnesy.

Ale właściwości magnetyczne tych substancji są bardzo słabo wyrażone. Dlatego wszystkie urządzenia i maszyny elektryczne, w których elektromagnesy działają w taki czy inny sposób, do dziś nie mogą obejść się bez żelaza lub bez specjalnych stopów zawierających żelazo.

Naturalnie, niemal od samego początku elektrotechniki wiele uwagi poświęcano badaniu żelaza i jego właściwości magnetycznych.To prawda, że ​​\u200b\u200bściśle naukowe obliczenia w tej dziedzinie stały się możliwe dopiero po badaniach rosyjskiego naukowca Aleksandra Grigoriewicza Stoletowa, przeprowadzonych w 1872 r. Odkrył on, że przenikalność magnetyczna każdego kawałka żelaza nie jest stała. Ona się zmienia dla stopnia namagnesowania tego kawałka.

Metoda testowania właściwości magnetycznych żelaza zaproponowana przez Stoletowa ma wielką wartość i jest stosowana przez naukowców i inżynierów w naszych czasach. Pogłębione badanie natury zjawisk magnetycznych stało się możliwe dopiero po opracowaniu teorii budowy materii.

Współczesne rozumienie magnetyzmu

Teraz wiemy, że każdy pierwiastek chemiczny składa się z atomów — niezwykle małe cząstki złożone. W centrum atomu znajduje się jądro naładowane elektrycznością dodatnią. Wokół niej krążą elektrony, czyli cząstki przenoszące ujemny ładunek elektryczny. Liczba elektronów nie jest taka sama dla atomów różnych pierwiastków chemicznych. Na przykład atom wodoru ma tylko jeden elektron krążący wokół jądra, podczas gdy atom uranu ma dziewięćdziesiąt dwa elektrony.

Uważnie obserwując różne zjawiska elektryczne, naukowcy doszli do wniosku, że prąd elektryczny w przewodzie to nic innego jak ruch elektronów. Teraz pamiętaj, że pole magnetyczne zawsze powstaje wokół drutu, w którym płynie prąd elektryczny, to znaczy poruszają się elektrony.

Wynika z tego, że pole magnetyczne pojawia się zawsze tam, gdzie jest ruch elektronów, czyli istnienie pola magnetycznego jest konsekwencją ruchu elektronów.

Powstaje pytanie: w każdej substancji elektrony nieustannie obracają się wokół swoich jąder atomowych, dlaczego w tym przypadku każda substancja nie tworzy wokół siebie pola magnetycznego?

Współczesna nauka daje na to następującą odpowiedź. Każdy elektron ma coś więcej niż tylko ładunek elektryczny. Ma też właściwości magnesu, jest małym magnesem elementarnym, więc pole magnetyczne wytwarzane przez elektrony poruszające się wokół jądra jest dodawane do ich własnego pola magnetycznego.

W tym przypadku pola magnetyczne większości atomów, składane, są całkowicie zniszczone, wchłonięte. A tylko w kilku atomach — żelaza, niklu, kobaltu iw znacznie mniejszym stopniu w innych — pola magnetyczne okazują się niezrównoważone, a atomy są małymi magnesami. Substancje te to tzw ferromagnetyczny („Ferrum” oznacza żelazo).

Jeśli atomy substancji ferromagnetycznych są ułożone losowo, to pola magnetyczne różnych atomów skierowane w różnych kierunkach ostatecznie znoszą się nawzajem. Ale jeśli obrócisz je tak, że pola magnetyczne się zsumują - a to właśnie robimy w magnetyzacji - pola magnetyczne nie będą się już znosić, ale sumują się.

Całe ciało (kawałek żelaza) stworzy wokół siebie pole magnetyczne, stanie się magnesem. Podobnie, gdy elektrony poruszają się w jednym kierunku, co na przykład ma miejsce w przypadku prądu elektrycznego w przewodzie, pole magnetyczne poszczególnych elektronów sumuje się do całkowitego pola magnetycznego.

Z kolei elektrony uwięzione w zewnętrznym polu magnetycznym są zawsze narażone na jego działanie. Pozwala to na sterowanie ruchem elektronów za pomocą pola magnetycznego.

Wszystko to jest tylko przybliżonym i bardzo uproszczonym schematem. W rzeczywistości zjawiska atomowe zachodzące w przewodach i materiałach magnetycznych są bardziej złożone.

Nauka o magnesach i zjawiskach magnetycznych — magnetologia — jest bardzo ważna dla współczesnej elektrotechniki.Wielki wkład w rozwój tej nauki wniósł magnetolog Nikołaj Siergiejewicz Akułow, który odkrył ważne prawo znane na całym świecie jako „prawo Akułowa”. Prawo to pozwala z góry określić, jak zmieniają się tak ważne właściwości metali, jak przewodność elektryczna, przewodność cieplna itp. Podczas namagnesowania.

Pokolenia naukowców pracowały nad zgłębieniem tajemnic zjawisk magnetycznych i oddaniem tych zjawisk w służbę ludzkości. Dziś miliony najróżniejszych magnesów i elektromagnesów pracują na korzyść człowieka w różnych maszynach i urządzeniach elektrycznych. Uwalniają ludzi od ciężkiej pracy fizycznej, a czasem są niezastąpionymi sługami.

Sprawdź inne ciekawe i przydatne artykuły o magnesach i ich zastosowaniach:

Magnetyzm i elektromagnetyzm

Naturalne zjawiska magnetyczne

Magnesy trwałe — rodzaje, właściwości, oddziaływanie magnesów

Zastosowanie magnesów trwałych w elektrotechnice i energetyce