Μαγνητικά φαινόμενα στη φυσική - ιστορία, παραδείγματα και ενδιαφέροντα γεγονότα

Μαγνητισμός και ηλεκτρισμός

Η πρώτη πρακτική εφαρμογή του μαγνήτη ήταν με τη μορφή ενός κομματιού μαγνητισμένου χάλυβα που επιπλέει σε ένα βύσμα σε νερό ή λάδι. Σε αυτή την περίπτωση, το ένα άκρο του μαγνήτη δείχνει πάντα βόρεια και το άλλο νότια. Ήταν η πρώτη πυξίδα που χρησιμοποιούσαν οι ναυτικοί.

Ακριβώς πριν από πολύ καιρό, αρκετούς αιώνες πριν από την εποχή μας, οι άνθρωποι γνώριζαν ότι μια ρητινώδης ουσία - το κεχριμπάρι, αν τρίβονταν με μαλλί, έλαβε για λίγο την ικανότητα να προσελκύει ελαφριά αντικείμενα: κομμάτια χαρτιού, κομμάτια νήματος, χνούδι. Αυτό το φαινόμενο ονομάζεται ηλεκτρικό («ηλεκτρόνιο» σημαίνει «κεχριμπαρένιο» στα ελληνικά). Αργότερα διαπιστώθηκε ότι ηλεκτρισμένο από την τριβή μπορεί όχι μόνο το κεχριμπάρι, αλλά και άλλες ουσίες: γυαλί, ραβδί κεριού κ.λπ.

Για πολύ καιρό, οι άνθρωποι δεν έβλεπαν καμία σχέση μεταξύ δύο ασυνήθιστων φυσικών φαινομένων - του μαγνητισμού και του ηλεκτρισμού. Μόνο ένα εξωτερικό σημάδι φαινόταν να είναι κοινό - η ιδιότητα της έλξης: ένας μαγνήτης έλκει το σίδερο και μια γυάλινη ράβδος τρίβεται με μάλλινα κομμάτια χαρτιού.Είναι αλήθεια ότι ο μαγνήτης δρούσε συνεχώς και το ηλεκτρισμένο αντικείμενο χάνει τις ιδιότητές του μετά από λίγο, αλλά και τα δύο «έλκουν».

Τώρα όμως, στα τέλη του 17ου αιώνα, έγινε αντιληπτό ότι αστραπή — ένα ηλεκτρικό φαινόμενο — το χτύπημα κοντά σε ατσάλινα αντικείμενα μπορεί να τα μαγνητίσει. Έτσι, για παράδειγμα, μια φορά ατσάλινα μαχαίρια που βρίσκονταν σε ένα ξύλινο κουτί αποδείχτηκε ότι μαγνητίστηκαν προς απερίγραπτη έκπληξη του ιδιοκτήτη, αφού κεραυνός χτύπησε το κουτί και το έσπασε.

Με τον καιρό παρατηρούνται όλο και περισσότερες τέτοιες περιπτώσεις. Ωστόσο, αυτό εξακολουθεί να μην δίνει λόγο να πιστεύουμε ότι υπάρχει ισχυρή σύνδεση μεταξύ του ηλεκτρισμού και του μαγνητισμού. Μια τέτοια σύνδεση δημιουργήθηκε μόλις πριν από περίπου 180 χρόνια. Στη συνέχεια παρατηρήθηκε ότι η μαγνητική βελόνα της πυξίδας αποκλίνει μόλις τοποθετηθεί κοντά της ένα σύρμα, κατά μήκος του οποίου ρέει ηλεκτρικό ρεύμα.

Σχεδόν ταυτόχρονα, οι επιστήμονες ανακάλυψαν ένα άλλο, όχι λιγότερο εντυπωσιακό φαινόμενο. Αποδείχθηκε ότι το σύρμα μέσω του οποίου ρέει το ηλεκτρικό ρεύμα είναι σε θέση να προσελκύει μικρά ρινίσματα σιδήρου στον εαυτό του. Ωστόσο, άξιζε να σταματήσει το ρεύμα στο σύρμα, γιατί το πριονίδι διαλύθηκε αμέσως και το σύρμα έχασε τις μαγνητικές του ιδιότητες.

Τέλος, ανακαλύφθηκε μια άλλη ιδιότητα του ηλεκτρικού ρεύματος, η οποία τελικά επιβεβαίωσε τη σύνδεση μεταξύ ηλεκτρισμού και μαγνητισμού. Αποδείχθηκε ότι μια χαλύβδινη βελόνα τοποθετημένη στη μέση ενός συρμάτινου πηνίου μέσω του οποίου ρέει ηλεκτρικό ρεύμα (ένα τέτοιο πηνίο ονομάζεται ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα) μαγνητίζεται με τον ίδιο τρόπο σαν να τρίβεται με φυσικό μαγνήτη.

Οι ηλεκτρομαγνήτες και η χρήση τους

Από εμπειρία με ατσάλινο βελόνα και γεννήθηκε ηλεκτρομαγνήτης… Τοποθετώντας μια μαλακή σιδερένια ράβδο στη μέση του συρμάτινου πηνίου αντί για βελόνα, οι επιστήμονες ήταν πεπεισμένοι ότι όταν ένα ρεύμα διέρχεται από το πηνίο, το σίδερο αποκτά την ιδιότητα του μαγνήτη και όταν σταματήσει το ρεύμα, χάνει αυτή την ιδιότητα . Ταυτόχρονα, παρατηρήθηκε ότι όσο περισσότερες στροφές του σύρματος στην ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα, τόσο ισχυρότερος είναι ο ηλεκτρομαγνήτης.

Υπό την επίδραση ενός κινούμενου μαγνήτη, δημιουργείται ηλεκτρικό ρεύμα στο πηνίο του σύρματος

Στην αρχή, ο ηλεκτρομαγνήτης φαινόταν σε πολλούς απλώς μια αστεία φυσική συσκευή. Οι άνθρωποι δεν υποψιάζονταν ότι στο εγγύς μέλλον θα έβρισκε την ευρύτερη εφαρμογή, θα χρησιμεύσει ως βάση για πολλές συσκευές και μηχανές (βλ. Πρακτική εφαρμογή του φαινομένου της ηλεκτρομαγνητικής επαγωγής).

Η αρχή λειτουργίας του ηλεκτρομαγνητικού ηλεκτρονόμου

Αφού διαπιστώθηκε ότι ένα ηλεκτρικό ρεύμα δίνει σε ένα σύρμα μαγνητικές ιδιότητες, οι επιστήμονες έθεσαν το ερώτημα: υπάρχει αντίστροφη σχέση μεταξύ του ηλεκτρισμού και του μαγνητισμού; Για παράδειγμα, ένας ισχυρός μαγνήτης τοποθετημένος μέσα σε ένα πηνίο σύρματος θα προκαλούσε τη ροή ηλεκτρικού ρεύματος μέσα από αυτό το πηνίο;

Στην πραγματικότητα, εάν ένα ηλεκτρικό ρεύμα εμφανιζόταν σε ένα καλώδιο υπό τη δράση ενός σταθερού μαγνήτη, αυτό θα ήταν εντελώς αντιφατικό νόμος διατήρησης της ενέργειας… Σύμφωνα με αυτόν τον νόμο, για να ληφθεί ηλεκτρικό ρεύμα, είναι απαραίτητο να δαπανηθεί άλλη ενέργεια που θα μετατρεπόταν σε ηλεκτρική ενέργεια. Όταν παράγεται ηλεκτρικό ρεύμα με τη βοήθεια ενός μαγνήτη, η ενέργεια που δαπανάται στην κίνηση του μαγνήτη μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια.

Μελέτη μαγνητικών φαινομένων

Στα μέσα του XIII αιώνα, οι περίεργοι παρατηρητές παρατήρησαν ότι τα μαγνητικά χέρια της πυξίδας αλληλεπιδρούν μεταξύ τους: τα άκρα που δείχνουν προς την ίδια κατεύθυνση απωθούνται μεταξύ τους και αυτά που δείχνουν με διαφορετικό τρόπο έλκονται.

Αυτό το γεγονός βοήθησε τους επιστήμονες να εξηγήσουν τη δράση της πυξίδας. Υποτίθεται ότι η υδρόγειος είναι ένας τεράστιος μαγνήτης και τα άκρα των βελόνων της πυξίδας στρέφονται πεισματικά προς τη σωστή κατεύθυνση, επειδή απωθούνται από έναν μαγνητικό πόλο της Γης και έλκονται από έναν άλλο. Αυτή η υπόθεση αποδείχθηκε αληθινή.

Στη μελέτη των μαγνητικών φαινομένων, τα μικρά ρινίσματα σιδήρου, που προσκολλώνται σε μαγνήτη οποιασδήποτε δύναμης, έχουν βοηθήσει πολύ. Πρώτα απ 'όλα, παρατηρήθηκε ότι τα περισσότερα πριονίδια κολλάνε σε δύο συγκεκριμένα σημεία του μαγνήτη ή, όπως λέγεται, στους πόλους του μαγνήτη. Αποδείχθηκε ότι κάθε μαγνήτης έχει πάντα τουλάχιστον δύο πόλους, ο ένας από τους οποίους ονομάστηκε βόρεια (C) και ο άλλος νότιος (S).

Τα ρινίσματα σιδήρου δείχνουν τη θέση των γραμμών του μαγνητικού πεδίου στον χώρο γύρω από τον μαγνήτη

Σε έναν μαγνήτη που μοιάζει με ράβδο, οι πόλοι του βρίσκονται πιο συχνά στα άκρα της ράβδου. Μια ιδιαίτερα ζωντανή εικόνα εμφανίστηκε μπροστά στα μάτια των παρατηρητών όταν υπέθεσαν να πασπαλίσουν ρινίσματα σιδήρου σε γυαλί ή χαρτί, κάτω από τα οποία βρισκόταν ένας μαγνήτης. Τα ρινίσματα βρίσκονται σε στενή απόσταση στους πόλους του μαγνήτη. Στη συνέχεια, με τη μορφή λεπτών γραμμών —σωματίδια σιδήρου δεμένα μεταξύ τους— τεντώθηκαν από τον έναν πόλο στον άλλο.

Περαιτέρω μελέτη των μαγνητικών φαινομένων έδειξε ότι ειδικές μαγνητικές δυνάμεις δρουν στον χώρο γύρω από τον μαγνήτη ή, όπως λένε, μαγνητικό πεδίο… Η κατεύθυνση και η ένταση των μαγνητικών δυνάμεων υποδεικνύονται από τα ρινίσματα σιδήρου που βρίσκονται πάνω από τον μαγνήτη.

Τα πειράματα με το πριονίδι έχουν διδάξει πολλά. Για παράδειγμα, ένα κομμάτι σιδήρου πλησιάζει τον πόλο ενός μαγνήτη. Εάν ταυτόχρονα το χαρτί στο οποίο βρίσκεται το πριονίδι ανακινηθεί λίγο, το σχέδιο του πριονιδιού αρχίζει να αλλάζει. Οι μαγνητικές γραμμές γίνονται σαν ορατές. Περνούν από τον πόλο του μαγνήτη στο κομμάτι σιδήρου και γίνονται παχύτεροι καθώς το σίδερο πλησιάζει στον πόλο. Ταυτόχρονα, αυξάνεται και η δύναμη με την οποία ο μαγνήτης έλκει το κομμάτι σιδήρου προς τον εαυτό του.

Σε ποιο άκρο της σιδερένιας ράβδου του ηλεκτρομαγνήτη σχηματίζεται ο βόρειος πόλος όταν περνάει ρεύμα από το πηνίο και σε ποιο είναι ο νότιος πόλος; Είναι εύκολο να προσδιοριστεί από την κατεύθυνση του ηλεκτρικού ρεύματος στο πηνίο. Το ρεύμα (ροή αρνητικών φορτίων) είναι γνωστό ότι ρέει από τον αρνητικό πόλο της πηγής στον θετικό.

Γνωρίζοντας αυτό και κοιτάζοντας το πηνίο του ηλεκτρομαγνήτη, μπορεί κανείς να φανταστεί σε ποια κατεύθυνση θα ρέει το ρεύμα στις στροφές του ηλεκτρομαγνήτη. Στο άκρο του ηλεκτρομαγνήτη, όπου το ρεύμα θα κάνει κυκλική κίνηση προς τη φορά των δεικτών του ρολογιού, σχηματίζεται ένας βόρειος πόλος και στο άλλο άκρο της λωρίδας, όπου το ρεύμα κινείται αριστερόστροφα, ένας νότιος πόλος. Αν αλλάξετε την κατεύθυνση του ρεύματος στο πηνίο του ηλεκτρομαγνήτη, θα αλλάξουν και οι πόλοι του.

Παρατηρήθηκε περαιτέρω ότι τόσο ο μόνιμος μαγνήτης όσο και ο ηλεκτρομαγνήτης έλκονται πολύ πιο έντονα εάν δεν έχουν τη μορφή ευθύγραμμης ράβδου, αλλά είναι λυγισμένοι έτσι ώστε οι αντίθετοι πόλοι τους να είναι κοντά μεταξύ τους.Σε αυτή την περίπτωση, δεν έλκει ένας πόλος, αλλά δύο, και επιπλέον, οι γραμμές μαγνητικής δύναμης είναι λιγότερο διάσπαρτες στο χώρο - συγκεντρώνονται μεταξύ των πόλων.

Όταν το ελκόμενο σιδερένιο αντικείμενο προσκολλάται και στους δύο πόλους, ο μαγνήτης πετάλου σχεδόν σταματά να διαχέει γραμμές δύναμης στο διάστημα. Αυτό είναι εύκολο να το δει κανείς με το ίδιο πριονίδι στο χαρτί. Οι μαγνητικές γραμμές δύναμης, που προηγουμένως εκτείνονταν από τον έναν πόλο στον άλλο, τώρα περνούν μέσα από το έλκιμο σιδερένιο αντικείμενο, σαν να ήταν ευκολότερο για αυτές να περάσουν από το σίδηρο παρά από τον αέρα.

Η έρευνα δείχνει ότι αυτό είναι πράγματι έτσι. Μια νέα ιδέα έχει προκύψει - μαγνητική διαπερατότητα, που υποδηλώνει μια τιμή που υποδεικνύει πόσες φορές είναι ευκολότερο για τις μαγνητικές γραμμές να περάσουν από οποιαδήποτε ουσία παρά από τον αέρα. Ο σίδηρος και ορισμένα από τα κράματά του έχουν την υψηλότερη μαγνητική διαπερατότητα. Αυτό εξηγεί γιατί, από τα μέταλλα, ο σίδηρος έλκεται περισσότερο από έναν μαγνήτη.

Ένα άλλο μέταλλο, το νικέλιο, βρέθηκε να έχει χαμηλότερη μαγνητική διαπερατότητα. Και έλκεται λιγότερο από έναν μαγνήτη. Ορισμένες άλλες ουσίες έχουν βρεθεί ότι έχουν μαγνητική διαπερατότητα μεγαλύτερη από τον αέρα και επομένως έλκονται από μαγνήτες.

Αλλά οι μαγνητικές ιδιότητες αυτών των ουσιών εκφράζονται πολύ ασθενώς. Επομένως, όλες οι ηλεκτρικές συσκευές και μηχανές, στις οποίες λειτουργούν οι ηλεκτρομαγνήτες με τον ένα ή τον άλλο τρόπο, μέχρι σήμερα δεν μπορούν να κάνουν χωρίς σίδηρο ή χωρίς ειδικά κράματα που περιλαμβάνουν σίδηρο.

Φυσικά, έχει δοθεί μεγάλη προσοχή στη μελέτη του σιδήρου και των μαγνητικών του ιδιοτήτων σχεδόν από την αρχή της ηλεκτροτεχνικής.Είναι αλήθεια ότι οι αυστηρά επιστημονικοί υπολογισμοί σε αυτόν τον τομέα έγιναν δυνατοί μόνο μετά τις μελέτες του Ρώσου επιστήμονα Alexander Grigorievich Stoletov, που διεξήχθησαν το 1872. Ανακάλυψε ότι η μαγνητική διαπερατότητα κάθε κομματιού σιδήρου δεν είναι σταθερή. Αυτή αλλάζει για το βαθμό μαγνήτισης αυτού του κομματιού.

Η μέθοδος δοκιμής των μαγνητικών ιδιοτήτων του σιδήρου που προτείνει ο Stoletov έχει μεγάλη αξία και χρησιμοποιείται από επιστήμονες και μηχανικούς στην εποχή μας. Μια βαθύτερη μελέτη της φύσης των μαγνητικών φαινομένων κατέστη δυνατή μόνο μετά την ανάπτυξη της θεωρίας της δομής της ύλης.

Η σύγχρονη κατανόηση του μαγνητισμού

Γνωρίζουμε πλέον ότι κάθε χημικό στοιχείο αποτελείται από άτομα — ασυνήθιστα μικρά πολύπλοκα σωματίδια. Στο κέντρο του ατόμου βρίσκεται ένας πυρήνας φορτισμένος με θετικό ηλεκτρισμό. Γύρω του περιστρέφονται ηλεκτρόνια, σωματίδια που φέρουν αρνητικό ηλεκτρικό φορτίο. Ο αριθμός των ηλεκτρονίων δεν είναι ίδιος για τα άτομα διαφορετικών χημικών στοιχείων. Για παράδειγμα, ένα άτομο υδρογόνου έχει μόνο ένα ηλεκτρόνιο σε τροχιά γύρω από τον πυρήνα του, ενώ ένα άτομο ουρανίου έχει ενενήντα δύο.

Παρατηρώντας προσεκτικά διάφορα ηλεκτρικά φαινόμενα, οι επιστήμονες κατέληξαν στο συμπέρασμα ότι το ηλεκτρικό ρεύμα σε ένα σύρμα δεν είναι τίποτα άλλο από την κίνηση των ηλεκτρονίων. Τώρα θυμηθείτε ότι ένα μαγνητικό πεδίο αναδύεται πάντα γύρω από ένα σύρμα στο οποίο ρέει ηλεκτρικό ρεύμα, δηλαδή κινούνται ηλεκτρόνια.

Από αυτό προκύπτει ότι ένα μαγνητικό πεδίο εμφανίζεται πάντα όπου υπάρχει κίνηση ηλεκτρονίων, με άλλα λόγια, η ύπαρξη μαγνητικού πεδίου είναι συνέπεια της κίνησης των ηλεκτρονίων.

Τίθεται το ερώτημα: σε οποιαδήποτε ουσία, τα ηλεκτρόνια περιστρέφονται συνεχώς γύρω από τους ατομικούς τους πυρήνες, γιατί σε αυτή την περίπτωση κάθε ουσία δεν σχηματίζει ένα μαγνητικό πεδίο γύρω από τον εαυτό της;

Η σύγχρονη επιστήμη δίνει την εξής απάντηση σε αυτό. Κάθε ηλεκτρόνιο δεν έχει απλώς ένα ηλεκτρικό φορτίο. Έχει επίσης τις ιδιότητες του μαγνήτη, είναι ένας μικρός στοιχειώδης μαγνήτης.Έτσι, το μαγνητικό πεδίο που δημιουργούν τα ηλεκτρόνια καθώς κινούνται γύρω από τον πυρήνα προστίθεται στο δικό τους μαγνητικό πεδίο.

Σε αυτή την περίπτωση, τα μαγνητικά πεδία των περισσότερων ατόμων, αναδιπλούμενα, καταστρέφονται πλήρως, απορροφώνται. Και σε λίγα μόνο άτομα -σίδηρος, νικέλιο, κοβάλτιο και σε πολύ μικρότερο βαθμό σε άλλα- τα μαγνητικά πεδία αποδεικνύονται μη ισορροπημένα και τα άτομα είναι μικροί μαγνήτες. Αυτές οι ουσίες ονομάζονται σιδηρομαγνητικό («Ferrum» σημαίνει σίδηρος).

Εάν τα άτομα των σιδηρομαγνητικών ουσιών είναι διατεταγμένα τυχαία, τότε τα μαγνητικά πεδία διαφορετικών ατόμων που κατευθύνονται σε διαφορετικές κατευθύνσεις τελικά αλληλοεξουδετερώνονται. Αλλά αν τα περιστρέψετε έτσι ώστε τα μαγνητικά πεδία να αθροιστούν - και αυτό κάνουμε στη μαγνήτιση - τα μαγνητικά πεδία δεν θα ακυρωθούν πλέον, αλλά θα αθροίζονται μεταξύ τους.

Όλο το σώμα (ένα κομμάτι σίδηρο) θα δημιουργήσει ένα μαγνητικό πεδίο γύρω του, θα γίνει μαγνήτης. Ομοίως, όταν τα ηλεκτρόνια κινούνται προς μία κατεύθυνση, η οποία για παράδειγμα συμβαίνει με ηλεκτρικό ρεύμα σε ένα καλώδιο, το μαγνητικό πεδίο των μεμονωμένων ηλεκτρονίων προστίθεται σε ένα συνολικό μαγνητικό πεδίο.

Με τη σειρά τους, τα ηλεκτρόνια που παγιδεύονται σε ένα εξωτερικό μαγνητικό πεδίο είναι πάντα εκτεθειμένα στο τελευταίο. Αυτό επιτρέπει τον έλεγχο της κίνησης των ηλεκτρονίων χρησιμοποιώντας μαγνητικό πεδίο.

Όλα τα παραπάνω είναι μόνο ένα κατά προσέγγιση και πολύ απλοποιημένο σχήμα. Στην πραγματικότητα, τα ατομικά φαινόμενα που συμβαίνουν στα σύρματα και τα μαγνητικά υλικά είναι πιο πολύπλοκα.

Η επιστήμη των μαγνητών και των μαγνητικών φαινομένων - μαγνητολογία - είναι πολύ σημαντική για τη σύγχρονη ηλεκτρική μηχανική.Μεγάλη συνεισφορά στην ανάπτυξη αυτής της επιστήμης είχε ο μαγνητολόγος Nikolay Sergeevich Akulov, ο οποίος ανακάλυψε έναν σημαντικό νόμο γνωστό σε όλο τον κόσμο ως «νόμος του Akulov». Αυτός ο νόμος καθιστά δυνατό να προσδιοριστεί εκ των προτέρων πώς αλλάζουν τέτοιες σημαντικές ιδιότητες των μετάλλων όπως η ηλεκτρική αγωγιμότητα, η θερμική αγωγιμότητα κ.λπ., κατά τη μαγνήτιση.

Γενιές επιστημόνων έχουν εργαστεί για να διεισδύσουν στο μυστήριο των μαγνητικών φαινομένων και να θέσουν αυτά τα φαινόμενα στην υπηρεσία της ανθρωπότητας. Σήμερα, εκατομμύρια από τους πιο διαφορετικούς μαγνήτες και ηλεκτρομαγνήτες λειτουργούν προς όφελος του ανθρώπου σε διάφορες ηλεκτρικές μηχανές και συσκευές. Απελευθερώνουν τους ανθρώπους από τη σκληρή σωματική εργασία και μερικές φορές είναι απαραίτητοι υπηρέτες.

Δείτε άλλα ενδιαφέροντα και χρήσιμα άρθρα σχετικά με τους μαγνήτες και τις εφαρμογές τους:

Μαγνητισμός και Ηλεκτρομαγνητισμός

Φυσικά μαγνητικά φαινόμενα

Μόνιμοι μαγνήτες — τύποι, ιδιότητες, αλληλεπίδραση μαγνητών

Η χρήση μόνιμων μαγνητών στην ηλεκτρική μηχανική και την ενέργεια