Magnetiske fenomener i fysikk - historie, eksempler og interessante fakta
Magnetisme og elektrisitet
Den første praktiske anvendelsen av magneten var i form av et stykke magnetisert stål som fløt på en plugg i vann eller olje. I dette tilfellet peker den ene enden av magneten alltid nord og den andre sør. Det var det første kompasset som ble brukt av sjømenn.
Akkurat så lenge siden, flere århundrer før vår tidsregning, visste folk at et harpiksholdig stoff - rav, hvis det ble gnidd med ull, fikk en stund evnen til å tiltrekke seg lette gjenstander: papirbiter, trådstykker, lo. Dette fenomenet kalles elektrisk ("elektron" betyr "rav" på gresk). Senere ble det lagt merke til det elektrifisert av friksjon kan ikke bare rav, men også andre stoffer: glass, vokspinne, etc.
I lang tid så folk ingen sammenheng mellom to uvanlige naturfenomener - magnetisme og elektrisitet. Bare et ytre tegn så ut til å være vanlig - egenskapen til å tiltrekke seg: en magnet tiltrekker seg jern, og en glassstang gnidd med ullrester av papir.Riktignok virket magneten konstant og den elektrifiserte gjenstanden mister egenskapene etter en stund, men begge "tiltrekker".
Men nå, på slutten av 1600-tallet, ble det lagt merke til at lyn - et elektrisk fenomen - å slå i nærheten av stålobjekter kan magnetisere dem. Således, for eksempel, en gang stålkniver som lå i en trekasse viste seg å være magnetisert til eierens ubeskrivelige overraskelse, etter at lynet slo ned i boksen og knuste den.
Over tid observeres flere og flere slike tilfeller. Dette gir imidlertid fortsatt ikke grunn til å tro at det er en sterk sammenheng mellom elektrisitet og magnetisme. En slik forbindelse ble etablert for bare rundt 180 år siden. Det ble da observert at den magnetiske nålen til kompasset avviker så snart en ledning er plassert i nærheten av den, langs hvilken en elektrisk strøm flyter.
Nesten samtidig oppdaget forskere et annet, ikke mindre slående fenomen. Det viste seg at ledningen som den elektriske strømmen flyter gjennom er i stand til å tiltrekke seg små jernspon til seg selv. Det var imidlertid verdt å stoppe strømmen i ledningen, fordi sagfliset umiddelbart falt fra hverandre og ledningen mistet sine magnetiske egenskaper.
Til slutt ble en annen egenskap ved elektrisk strøm oppdaget, som til slutt bekreftet sammenhengen mellom elektrisitet og magnetisme. Det viste seg at en stålnål plassert i midten av en trådspole som en elektrisk strøm flyter gjennom (en slik spole kalles solenoid) magnetiseres på samme måte som om den ble gnidd med en naturlig magnet.
Elektromagneter og deres bruk
Av erfaring med en stålnål og ble født elektromagnet… Ved å plassere en myk jernstang i midten av trådspolen i stedet for en nål, ble forskerne overbevist om at når en strøm passerer gjennom spolen, får jernet egenskapen til en magnet, og når strømmen stopper, mister det denne egenskapen . Samtidig ble det lagt merke til at jo flere svinger på ledningen i solenoiden, desto sterkere er elektromagneten.
Under påvirkning av en bevegelig magnet genereres en elektrisk strøm i trådspolen
Til å begynne med virket elektromagneten for mange bare som en morsom fysisk enhet. Folk mistenkte ikke at den i nær fremtid ville finne den bredeste applikasjonen, tjene som grunnlag for mange enheter og maskiner (se - Praktisk anvendelse av fenomenet elektromagnetisk induksjon).
Prinsippet for drift av det elektromagnetiske reléet
Etter at det ble fastslått at en elektrisk strøm gir en ledning magnetiske egenskaper, stilte forskere spørsmålet: er det et omvendt forhold mellom elektrisitet og magnetisme? Vil for eksempel en sterk magnet plassert inne i en trådspole få en elektrisk strøm til å flyte gjennom den spolen?
Faktisk, hvis en elektrisk strøm dukket opp i en ledning under påvirkning av en stasjonær magnet, ville dette være helt motstridende loven om bevaring av energi… I henhold til denne loven, for å oppnå en elektrisk strøm, er det nødvendig å bruke annen energi som vil bli omdannet til elektrisk energi. Når en elektrisk strøm produseres ved hjelp av en magnet, omdannes energien som brukes i magnetens bevegelse til elektrisk energi.
Studie av magnetiske fenomener
Tilbake i midten av XIII århundrer la nysgjerrige observatører merke til at kompassets magnetiske hender samhandler med hverandre: endene som peker i samme retning frastøter hverandre, og de som peker på en annen måte tiltrekker seg.
Dette faktum hjalp forskere med å forklare kompassets handling. Det antas at kloden er en enorm magnet, og endene av kompassnålene snur hardnakket i riktig retning, fordi de blir frastøtt av en magnetisk pol på jorden og tiltrukket av en annen. Denne antagelsen viste seg å være sann.
I studiet av magnetiske fenomener har små jernspon, som fester seg til en magnet av enhver kraft, vært til stor hjelp. Først av alt ble det lagt merke til at mest sagflis fester seg til to spesifikke steder på magneten eller, som det kalles, polene til magneten. Det viste seg at hver magnet alltid har minst to poler, hvorav den ene ble kalt nord (C) og den andre sør (S).
Jernfilene viser plasseringen av magnetfeltlinjene i rommet rundt magneten
I en stanglignende magnet er polene oftest plassert i endene av stangen. Et spesielt levende bilde dukket opp foran øynene til observatører når de antok å strø jernspon på glass eller papir, under som lå en magnet. Sponene er tett plassert i polene på magneten. Så, i form av tynne linjer – jernpartikler bundet sammen – strakte de seg fra den ene polen til den andre.
Videre studier av magnetiske fenomener viste at spesielle magnetiske krefter virker i rommet rundt magneten, eller, som de sier, magnetfelt… Retningen og intensiteten til de magnetiske kreftene indikeres av jernspålene som er plassert over magneten.
Eksperimenter med sagflis har lært mye. For eksempel nærmer et jernstykke seg polen til en magnet. Hvis papiret som sagflisen ligger på samtidig ristes litt, begynner sagflismønsteret å endre seg. De magnetiske linjene blir som om de er synlige. De går fra polen til magneten til jernstykket og blir tykkere når jernet nærmer seg polen. Samtidig øker også kraften som magneten trekker jernbiten mot seg selv.
I hvilken ende av jernstangen til elektromagneten dannes nordpolen når en strøm går gjennom spolen, og ved hvilken er sørpolen? Det er lett å bestemme ut fra retningen til den elektriske strømmen i spolen. Strøm (strøm av negative ladninger) er kjent for å flyte fra den negative polen til kilden til den positive.
Når man vet dette og ser på spolen til elektromagneten, kan man forestille seg i hvilken retning strømmen vil flyte i elektromagnetens svinger. I enden av elektromagneten, hvor strømmen vil gjøre en sirkulær bevegelse med klokken, dannes en nordpol, og i den andre enden av stripen, hvor strømmen beveger seg mot klokken, en sydpol. Hvis du endrer retningen på strømmen i spolen til elektromagneten, vil polene også endre seg.
Det ble videre observert at både permanentmagneten og elektromagneten tiltrekker seg mye sterkere hvis de ikke er i form av en rett stang, men er bøyd slik at deres motsatte poler er tett sammen.I dette tilfellet tiltrekker ikke en pol, men to, og dessuten er de magnetiske kraftlinjene mindre spredt i rommet - de er konsentrert mellom polene.
Når den tiltrukket jerngjenstanden fester seg til begge polene, slutter hesteskomagneten nesten å spre kraftlinjer ut i rommet. Dette er lett å se med samme sagflis på papir. De magnetiske kraftlinjene, som tidligere strakte seg fra den ene polen til den andre, går nå gjennom den tiltrukket jerngjenstand, som om det var lettere for dem å passere gjennom jern enn gjennom luft.
Forskning viser at dette faktisk er tilfelle. Et nytt konsept har dukket opp - magnetisk permeabilitet, som angir en verdi som indikerer hvor mange ganger det er lettere for magnetiske linjer å passere gjennom et stoff enn gjennom luft. Jern og noen av dets legeringer har den høyeste magnetiske permeabiliteten. Dette forklarer hvorfor, av metallene, er jern mest tiltrukket av en magnet.
Et annet metall, nikkel, ble funnet å ha lavere magnetisk permeabilitet. Og er mindre tiltrukket av en magnet. Visse andre stoffer har vist seg å ha en magnetisk permeabilitet som er større enn luft og tiltrekkes derfor av magneter.
Men de magnetiske egenskapene til disse stoffene er veldig svakt uttrykt. Derfor kan alle elektriske enheter og maskiner, der elektromagneter fungerer på en eller annen måte, til i dag ikke klare seg uten jern eller uten spesielle legeringer som inkluderer jern.
Naturligvis har mye oppmerksomhet blitt viet til studiet av jern og dets magnetiske egenskaper nesten helt fra begynnelsen av elektroteknikken.Det er sant at strengt vitenskapelige beregninger i dette området ble mulig først etter studiene til den russiske forskeren Alexander Grigorievich Stoletov, utført i 1872. Han oppdaget at den magnetiske permeabiliteten til hvert jernstykke ikke er konstant. Hun forandrer seg for graden av magnetisering av dette stykket.
Metoden for å teste de magnetiske egenskapene til jern foreslått av Stoletov har stor verdi og brukes av forskere og ingeniører i vår tid. En dypere studie av naturen til magnetiske fenomener ble mulig først etter utviklingen av teorien om materiens struktur.
Den moderne forståelsen av magnetisme
Vi vet nå at hvert kjemisk element består av atomer — uvanlig små komplekse partikler. I sentrum av atomet er en kjerne ladet med positiv elektrisitet. Elektroner, partikler som bærer en negativ elektrisk ladning, kretser rundt den. Antall elektroner er ikke det samme for atomene til forskjellige kjemiske elementer. For eksempel har et hydrogenatom bare ett elektron i bane rundt kjernen, mens et uranatom har nittito.
Ved å observere forskjellige elektriske fenomener nøye, kom forskerne til den konklusjon at den elektriske strømmen i en ledning ikke er noe mer enn bevegelse av elektroner. Husk nå at det alltid oppstår et magnetfelt rundt en ledning der det går en elektrisk strøm, det vil si at elektroner beveger seg.
Det følger at et magnetfelt alltid vises der det er bevegelse av elektroner, med andre ord, eksistensen av et magnetfelt er en konsekvens av elektronenes bevegelse.
Spørsmålet oppstår: i ethvert stoff roterer elektroner konstant rundt atomkjernene deres, hvorfor i dette tilfellet danner ikke hvert stoff et magnetfelt rundt seg selv?
Moderne vitenskap gir følgende svar på dette. Hvert elektron har mer enn bare en elektrisk ladning. Den har også egenskapene til en magnet, det er en liten elementær magnet.Dermed blir magnetfeltet som skapes av elektronene når de beveger seg rundt i kjernen lagt til deres eget magnetfelt.
I dette tilfellet blir magnetfeltene til de fleste atomer, folding, fullstendig ødelagt, absorbert. Og i bare noen få atomer – jern, nikkel, kobolt og i mye mindre grad i andre – viser de magnetiske feltene seg å være ubalanserte, og atomene er små magneter. Disse stoffene kalles ferromagnetisk ("Ferrum" betyr jern).
Hvis atomene til ferromagnetiske stoffer er ordnet tilfeldig, vil magnetfeltene til forskjellige atomer rettet i forskjellige retninger til slutt oppheve hverandre. Men hvis du roterer dem slik at magnetfeltene summerer seg – og det er det vi gjør i magnetisering – vil magnetfeltene ikke lenger oppheve seg, men legge seg opp til hverandre.
Hele kroppen (et stykke jern) vil skape et magnetfelt rundt seg selv, det vil bli en magnet. På samme måte, når elektroner beveger seg i én retning, som for eksempel oppstår med en elektrisk strøm i en ledning, øker magnetfeltet til de enkelte elektronene et totalt magnetfelt.
I sin tur blir elektroner fanget i et eksternt magnetfelt alltid utsatt for sistnevnte. Dette gjør at bevegelsen av elektroner kan kontrolleres ved hjelp av et magnetfelt.
Alt det ovennevnte er bare et omtrentlig og svært forenklet opplegg. I virkeligheten er atomfenomenene som oppstår i ledninger og magnetiske materialer mer komplekse.
Vitenskapen om magneter og magnetiske fenomener - magnetologi - er svært viktig for moderne elektroteknikk.Et stort bidrag til utviklingen av denne vitenskapen ble gitt av magnetologen Nikolay Sergeevich Akulov, som oppdaget en viktig lov kjent over hele verden som "Akulovs lov". Denne loven gjør det mulig å bestemme på forhånd hvordan slike viktige egenskaper til metaller som elektrisk ledningsevne, termisk ledningsevne osv. endres under magnetisering.
Generasjoner av vitenskapsmenn har jobbet for å trenge inn i mysteriet med magnetiske fenomener og satt disse fenomenene til tjeneste for menneskeheten. I dag jobber millioner av de mest forskjellige magneter og elektromagneter til fordel for mennesket i forskjellige elektriske maskiner og enheter. De frigjør mennesker fra hardt fysisk arbeid, og noen ganger er de uunnværlige tjenere.
Sjekk ut andre interessante og nyttige artikler om magneter og deres applikasjoner:
Magnetisme og elektromagnetisme
Naturlige magnetiske fenomener
Permanente magneter - typer, egenskaper, interaksjon av magneter