Fenomene magnetice în fizică - istorie, exemple și fapte interesante
Magnetism și electricitate
Prima aplicare practică a magnetului a fost sub forma unei bucăți de oțel magnetizat care plutea pe un dop în apă sau ulei. În acest caz, un capăt al magnetului este întotdeauna îndreptat spre nord, iar celălalt spre sud. A fost prima busolă folosită de marinari.
La fel de mult timp în urmă, cu câteva secole înaintea erei noastre, oamenii știau că o substanță rășinoasă - chihlimbarul, dacă este frecat cu lână, a primit pentru un timp capacitatea de a atrage obiecte ușoare: bucăți de hârtie, bucăți de fir, puf. Acest fenomen se numește electric („electron” înseamnă „chihlimbar” în greacă). Ulterior s-a observat că electrizat prin frecare poate nu numai chihlimbar, ci și alte substanțe: sticlă, baton de ceară etc.
Multă vreme, oamenii nu au văzut nicio legătură între două fenomene naturale neobișnuite - magnetismul și electricitatea. Doar un semn exterior părea să fie obișnuit – proprietatea de a atrage: un magnet atrage fierul, iar o baghetă de sticlă frecată cu bucăți de hârtie de lână.Adevărat, magnetul a acționat constant și obiectul electrificat își pierde proprietățile după un timp, dar ambele „se atrag”.
Dar acum, la sfârșitul secolului al XVII-lea, s-a observat că fulger — un fenomen electric — lovirea în apropierea obiectelor de oțel le poate magnetiza. Astfel, de exemplu, odată ce cuțitele de oțel aflate într-o cutie de lemn s-au dovedit a fi magnetizate spre surprinderea de nedescris a proprietarului, după ce fulgerul a lovit cutia și a spart-o.
În timp, se observă tot mai multe astfel de cazuri. Cu toate acestea, acest lucru încă nu dă motive să credem că există o legătură puternică între electricitate și magnetism. O astfel de conexiune a fost stabilită în urmă cu aproximativ 180 de ani. S-a observat apoi că acul magnetic al busolei deviază de îndată ce este plasat un fir lângă el, de-a lungul căruia curge un curent electric.
Aproape în același timp, oamenii de știință au descoperit un alt fenomen, nu mai puțin frapant. S-a dovedit că firul prin care curge curentul electric este capabil să atragă la sine așchii mici de fier. Cu toate acestea, a meritat oprirea curentului în fir, deoarece rumegușul s-a destrămat imediat și firul și-a pierdut proprietățile magnetice.
În cele din urmă, a fost descoperită o altă proprietate a curentului electric, care a confirmat în cele din urmă legătura dintre electricitate și magnetism. S-a dovedit că un ac de oțel plasat în mijlocul unei bobine de sârmă prin care trece un curent electric (o astfel de bobină se numește solenoid) este magnetizată în același mod ca și când ar fi frecat cu un magnet natural.
Electromagneții și utilizarea lor
Din experiență cu un ac de oțel și sa născut electromagnet… Prin plasarea unei tije de fier moale în mijlocul bobinei de sârmă în loc de un ac, oamenii de știință s-au convins că atunci când un curent trece prin bobină, fierul de călcat capătă proprietatea unui magnet, iar atunci când curentul se oprește, își pierde această proprietate. . În același timp, s-a observat că cu cât firul se învârte mai mult în solenoid, cu atât electromagnetul este mai puternic.
Sub influența unui magnet în mișcare, în bobina de sârmă este generat un curent electric
La început, electromagnetul părea multora doar un dispozitiv fizic amuzant. Oamenii nu bănuiau că în viitorul apropiat va găsi cea mai largă aplicație, va servi drept bază pentru multe dispozitive și mașini (vezi - Aplicarea practică a fenomenului de inducție electromagnetică).
Principiul de funcționare al releului electromagnetic
După ce s-a stabilit că un curent electric dă unui fir proprietăți magnetice, oamenii de știință au pus întrebarea: există o relație inversă între electricitate și magnetism? De exemplu, un magnet puternic plasat în interiorul unei bobine de sârmă ar face ca un curent electric să circule prin acea bobină?
De fapt, dacă într-un fir ar apărea un curent electric sub acțiunea unui magnet staționar, acest lucru ar fi complet contradictoriu legea conservării energiei… Conform acestei legi, pentru a obține un curent electric, este necesar să se cheltuiască altă energie care ar fi transformată în energie electrică. Atunci când un curent electric este produs cu ajutorul unui magnet, energia cheltuită în mișcarea magnetului este transformată în energie electrică.
Studiul fenomenelor magnetice
La mijlocul secolului al XIII-lea, observatorii curioși au observat că mâinile magnetice ale busolei interacționează între ele: capetele îndreptate în aceeași direcție se resping unele pe altele, iar cele îndreptate într-un mod diferit se atrag.
Acest fapt a ajutat oamenii de știință să explice acțiunea busolei. Se presupune că globul este un magnet imens, iar capetele acelor busolei se întorc cu încăpățânare în direcția corectă, deoarece sunt respinse de un pol magnetic al Pământului și atrase de altul. Această presupunere s-a dovedit a fi adevărată.
În studiul fenomenelor magnetice, micile pilituri de fier, care aderă la un magnet de orice forță, au fost de mare ajutor. În primul rând, s-a observat că majoritatea rumegușului se lipește în două locuri specifice de pe magnet sau, așa cum se numește, polii magnetului. S-a dovedit că fiecare magnet are întotdeauna cel puțin doi poli, dintre care unul a ajuns să fie numit nord (C) și celălalt sud (S).
Pilitura de fier arată locația liniilor de câmp magnetic în spațiul din jurul magnetului
Într-un magnet asemănător barei, polii săi sunt localizați cel mai adesea la capetele barei. O imagine deosebit de vie a apărut în fața ochilor observatorilor când au presupus că presără pilitură de fier pe sticlă sau hârtie, sub care stătea un magnet. Așchii sunt distanțați strâns în polii magnetului. Apoi, sub formă de linii subțiri – particule de fier legate între ele – s-au întins de la un pol la altul.
Studii ulterioare ale fenomenelor magnetice au arătat că forțe magnetice speciale acționează în spațiul din jurul magnetului sau, după cum se spune, camp magnetic… Direcția și intensitatea forțelor magnetice sunt indicate de pilitura de fier situată deasupra magnetului.
Experimentele cu rumeguș au învățat multe. De exemplu, o bucată de fier se apropie de polul unui magnet. Dacă în același timp hârtia pe care se află rumegușul este scuturată puțin, modelul de rumeguș începe să se schimbe. Liniile magnetice devin parcă vizibile. Ele trec de la polul magnetului la bucata de fier și devin mai groase pe măsură ce fierul se apropie de pol. În același timp, crește și forța cu care magnetul trage bucata de fier spre sine.
La ce capăt al tijei de fier a electromagnetului se formează polul nord când trece un curent prin bobină și la care se află polul sud? Este ușor de determinat după direcția curentului electric din bobină. Se știe că curentul (fluxul sarcinilor negative) curge de la polul negativ al sursei către cel pozitiv.
Știind acest lucru și uitându-ne la bobina electromagnetului, ne putem imagina în ce direcție va curge curentul în spirele electromagnetului. La capătul electromagnetului, unde curentul va face o mișcare circulară în sensul acelor de ceasornic, se formează un pol nord, iar la celălalt capăt al benzii, unde curentul se mișcă în sens invers acelor de ceasornic, un pol sud. Dacă schimbați direcția curentului în bobina electromagnetului, se vor schimba și polii acestuia.
S-a observat în continuare că atât magnetul permanent, cât și electromagnetul se atrag mult mai puternic dacă nu sunt sub forma unei bare drepte, ci sunt îndoiți astfel încât polii lor opuși să fie apropiați.În acest caz, nu un pol atrage, ci doi și, în plus, liniile de forță magnetică sunt mai puțin împrăștiate în spațiu - sunt concentrate între poli.
Când obiectul de fier atras aderă la ambii poli, magnetul potcoavă aproape că încetează să disipeze liniile de forță în spațiu. Acest lucru este ușor de văzut cu același rumeguș pe hârtie. Liniile magnetice de forță, care se întindeau înainte de la un pol la altul, trec acum prin obiectul de fier atras, de parcă le-ar fi mai ușor să treacă prin fier decât prin aer.
Cercetările arată că acesta este într-adevăr cazul. A apărut un nou concept - permeabilitatea magnetică, care denotă o valoare care indică de câte ori este mai ușor ca liniile magnetice să treacă prin orice substanță decât prin aer. Fierul și unele dintre aliajele sale au cea mai mare permeabilitate magnetică. Aceasta explică de ce, dintre metale, fierul este cel mai atras de un magnet.
Un alt metal, nichelul, s-a dovedit a avea o permeabilitate magnetică mai mică. Și este mai puțin atras de un magnet. S-a descoperit că anumite alte substanțe au o permeabilitate magnetică mai mare decât aerul și, prin urmare, sunt atrase de magneți.
Dar proprietățile magnetice ale acestor substanțe sunt foarte slab exprimate. Prin urmare, toate dispozitivele și mașinile electrice, în care electromagneții funcționează într-un fel sau altul, până în prezent nu se pot descurca fără fier sau fără aliaje speciale care includ fierul.
Desigur, multă atenție a fost acordată studiului fierului și proprietăților sale magnetice aproape de la începutul ingineriei electrice.Adevărat, calculele strict științifice în acest domeniu au devenit posibile numai după studiile omului de știință rus Alexander Grigorievich Stoletov, efectuate în 1872. El a descoperit că permeabilitatea magnetică a fiecărei piese de fier nu este constantă. Ea se schimbă pentru gradul de magnetizare al acestei piese.
Metoda de testare a proprietăților magnetice ale fierului propusă de Stoletov are o mare valoare și este folosită de oamenii de știință și ingineri din timpul nostru. Un studiu mai profund al naturii fenomenelor magnetice a devenit posibil abia după dezvoltarea teoriei structurii materiei.
Înțelegerea modernă a magnetismului
Acum știm că fiecare element chimic este format din atomi — particule complexe neobișnuit de mici. În centrul atomului se află un nucleu încărcat cu electricitate pozitivă. Electronii, particulele care poartă o sarcină electrică negativă, se învârt în jurul lui. Numărul de electroni nu este același pentru atomii diferitelor elemente chimice. De exemplu, un atom de hidrogen are un singur electron care orbitează în jurul nucleului său, în timp ce un atom de uraniu are nouăzeci și doi.
Observând cu atenție diverse fenomene electrice, oamenii de știință au ajuns la concluzia că curentul electric dintr-un fir nu este altceva decât mișcarea electronilor. Acum amintiți-vă că un câmp magnetic apare întotdeauna în jurul unui fir în care curge un curent electric, adică electronii se mișcă.
Rezultă că un câmp magnetic apare întotdeauna acolo unde există mișcare a electronilor, cu alte cuvinte, existența unui câmp magnetic este o consecință a mișcării electronilor.
Se pune întrebarea: în orice substanță, electronii se rotesc constant în jurul nucleelor lor atomice, de ce în acest caz fiecare substanță nu formează un câmp magnetic în jurul ei?
Știința modernă oferă următorul răspuns la aceasta. Fiecare electron are mai mult decât o sarcină electrică. Are și proprietăți de magnet, este un mic magnet elementar.Astfel, câmpului magnetic creat de electroni pe măsură ce se mișcă în jurul nucleului se adaugă propriului lor câmp magnetic.
În acest caz, câmpurile magnetice ale majorității atomilor, pliante, sunt complet distruse, absorbite. Și în doar câțiva atomi - fier, nichel, cobalt și într-o măsură mult mai mică în alții - câmpurile magnetice se dovedesc a fi dezechilibrate, iar atomii sunt magneți mici. Aceste substanțe sunt numite feromagnetic ("Ferrum" înseamnă fier).
Dacă atomii substanțelor feromagnetice sunt aranjați aleatoriu, atunci câmpurile magnetice ale diferiților atomi direcționați în direcții diferite se anulează în cele din urmă reciproc. Dar dacă le rotiți astfel încât câmpurile magnetice să se adună - și asta facem noi în magnetizare - câmpurile magnetice nu se vor mai anula, ci se vor aduna unele cu altele.
Întregul corp (o bucată de fier) va crea un câmp magnetic în jurul său, va deveni un magnet. În mod similar, atunci când electronii se mișcă într-o direcție, ceea ce de exemplu are loc cu un curent electric într-un fir, câmpul magnetic al electronilor individuali se adaugă la un câmp magnetic total.
La rândul lor, electronii prinși într-un câmp magnetic extern sunt întotdeauna expuși la acesta din urmă. Acest lucru permite mișcarea electronilor să fie controlată folosind un câmp magnetic.
Toate cele de mai sus sunt doar o schemă aproximativă și foarte simplificată. În realitate, fenomenele atomice care apar în fire și materiale magnetice sunt mai complexe.
Știința magneților și a fenomenelor magnetice - magnetologia - este foarte importantă pentru ingineria electrică modernă.O mare contribuție la dezvoltarea acestei științe a avut-o magnetologul Nikolay Sergeevich Akulov, care a descoperit o lege importantă cunoscută în întreaga lume drept „legea lui Akulov”. Această lege face posibilă determinarea în avans a modului în care proprietățile atât de importante ale metalelor, cum ar fi conductivitatea electrică, conductibilitatea termică etc., se modifică în timpul magnetizării.
Generații de oameni de știință au lucrat pentru a pătrunde în misterul fenomenelor magnetice și a pune aceste fenomene în slujba umanității. Astăzi, milioane dintre cei mai diverși magneți și electromagneți lucrează în beneficiul omului în diferite mașini și dispozitive electrice. Ei eliberează oamenii de munca fizică grea și uneori sunt slujitori indispensabili.
Consultați alte articole interesante și utile despre magneți și aplicațiile acestora:
Magneți permanenți — tipuri, proprietăți, interacțiunea magneților
Utilizarea magneților permanenți în inginerie electrică și energie