Magnetiska fenomen i fysiken - historia, exempel och intressanta fakta
Magnetism och elektricitet
Den första praktiska tillämpningen av magneten var i form av en bit magnetiserat stål som flyter på en plugg i vatten eller olja. I det här fallet pekar ena änden av magneten alltid norrut och den andra söderut. Det var den första kompassen som sjömän använde.
Precis så länge sedan, flera århundraden före vår tideräkning, visste folk att en hartsartad substans - bärnsten, om den gnuggades med ull, fick ett tag förmågan att attrahera lätta föremål: pappersbitar, trådbitar, ludd. Detta fenomen kallas elektrisk ("elektron" betyder "bärnsten" på grekiska). Senare märktes det elektrifierad genom friktion kan inte bara bärnsten, utan också andra ämnen: glas, vaxstick, etc.
Under lång tid såg människor inte något samband mellan två ovanliga naturfenomen - magnetism och elektricitet. Endast ett yttre tecken tycktes vara vanligt - egenskapen att locka: en magnet attraherar järn och en glasstav gnids med ulllappar.Visserligen verkade magneten konstant och det elektrifierade föremålet förlorar sina egenskaper efter ett tag, men båda "attraherar".
Men nu i slutet av 1600-talet märktes det blixt — ett elektriskt fenomen — träffande nära stålföremål kan magnetisera dem. Så till exempel, när stålknivar som låg i en trälåda visade sig vara magnetiserade till ägarens obeskrivliga förvåning, efter att blixten slog ner i lådan och bröt den.
Med tiden observeras fler och fler sådana fall. Detta ger dock fortfarande inte anledning att tro att det finns ett starkt samband mellan elektricitet och magnetism. Ett sådant samband upprättades för bara cirka 180 år sedan. Det observerades då att kompassens magnetiska nål avviker så snart en tråd placeras nära den, längs vilken en elektrisk ström flyter.
Nästan samtidigt upptäckte forskare ett annat, inte mindre slående fenomen. Det visade sig att tråden genom vilken den elektriska strömmen flyter kan locka till sig små järnspån. Det var dock värt att stoppa strömmen i tråden, eftersom sågspånet omedelbart föll isär och tråden förlorade sina magnetiska egenskaper.
Slutligen upptäcktes en annan egenskap hos elektrisk ström, som slutligen bekräftade sambandet mellan elektricitet och magnetism. Det visade sig att en stålnål placerad i mitten av en trådspole genom vilken en elektrisk ström flyter (en sådan spole kallas solenoid) magnetiseras på samma sätt som om den gnides med en naturlig magnet.
Elektromagneter och deras användning
Av erfarenhet med en stålnål och föddes elektromagnet… Genom att placera en mjuk järnstav i mitten av trådspolen istället för en nål, var forskarna övertygade om att när en ström passerar genom spolen, får järnet egenskapen hos en magnet, och när strömmen stannar förlorar det denna egenskap . Samtidigt märktes det att ju fler varv av tråden i solenoiden, desto starkare är elektromagneten.
Under påverkan av en rörlig magnet genereras en elektrisk ström i trådspolen
Till en början verkade elektromagneten för många bara vara en rolig fysisk enhet. Människor misstänkte inte att den inom en snar framtid skulle hitta den bredaste applikationen, tjäna som grund för många enheter och maskiner (se — Praktisk tillämpning av fenomenet elektromagnetisk induktion).
Principen för drift av det elektromagnetiska reläet
Efter att det konstaterats att en elektrisk ström ger en tråd magnetiska egenskaper, ställde forskare frågan: finns det ett omvänt förhållande mellan elektricitet och magnetism? Skulle till exempel en stark magnet placerad inuti en trådspole få en elektrisk ström att flyta genom den spolen?
Faktum är att om en elektrisk ström uppträdde i en tråd under verkan av en stationär magnet, skulle detta vara helt motsägelsefullt lagen om energibevarande… Enligt denna lag, för att få en elektrisk ström, är det nödvändigt att förbruka annan energi som skulle omvandlas till elektrisk energi. När en elektrisk ström produceras med hjälp av en magnet omvandlas energin som går åt i magnetens rörelse till elektrisk energi.
Studie av magnetiska fenomen
Tillbaka i mitten av XIII århundraden märkte nyfikna observatörer att kompassens magnetiska händer interagerar med varandra: ändarna som pekar i samma riktning stöter bort varandra, och de som pekar på ett annat sätt attraherar.
Detta faktum hjälpte forskare att förklara kompassens verkan. Det antas att jordklotet är en enorm magnet, och ändarna på kompassnålarna vänder sig envist åt rätt håll, eftersom de stöts bort av en magnetisk pol på jorden och attraheras av en annan. Detta antagande visade sig vara sant.
Vid studiet av magnetiska fenomen har små järnspån, som fäster vid en magnet av vilken kraft som helst, varit till stor hjälp. Först och främst märktes det att det mesta sågspån fastnar på två specifika ställen på magneten eller, som det kallas, magnetens poler. Det visade sig att varje magnet alltid har minst två poler, varav den ena kom att kallas nord (C) och den andra söder (S).
Järnspån visar placeringen av magnetfältslinjerna i utrymmet runt magneten
I en stångliknande magnet är dess poler oftast placerade i ändarna av stången. En särskilt levande bild dök upp inför observatörernas ögon när de antog att strö järnspån på glas eller papper, under vilket låg en magnet. Spånen är tätt placerade i magnetens poler. Sedan, i form av tunna linjer – järnpartiklar bundna samman – sträckte de sig från den ena polen till den andra.
Ytterligare studier av magnetiska fenomen visade att speciella magnetiska krafter verkar i utrymmet runt magneten, eller, som de säger, magnetiskt fält… Riktningen och intensiteten av de magnetiska krafterna indikeras av järnspånen ovanför magneten.
Experiment med sågspån har lärt mycket. Till exempel närmar sig en bit järn en magnets pol. Om samtidigt pappret som sågspånet ligger på skakas lite så börjar sågspånsmönstret förändras. De magnetiska linjerna blir som om de syns. De passerar från magnetens pol till järnbiten och blir tjockare när järnet närmar sig polen. Samtidigt ökar också kraften med vilken magneten drar järnbiten mot sig.
I vilken ände av elektromagnetens järnstång bildas nordpolen när en ström passerar genom spolen, och vid vilken är sydpolen? Det är lätt att avgöra genom riktningen av den elektriska strömmen i spolen. Ström (flöde av negativa laddningar) är känd för att flyta från källans negativa pol till den positiva.
Genom att veta detta och titta på elektromagnetens spole kan man föreställa sig i vilken riktning strömmen kommer att flyta i elektromagnetens varv. I änden av elektromagneten, där strömmen kommer att göra en cirkulär rörelse i medurs riktning, bildas en nordpol och i andra änden av remsan, där strömmen rör sig moturs, en sydpol. Om du ändrar riktningen på strömmen i elektromagnetens spole kommer dess poler också att ändras.
Det observerades vidare att både permanentmagneten och elektromagneten attraherar mycket starkare om de inte är i form av en rak stång, utan är böjda så att deras motsatta poler ligger nära varandra.I det här fallet lockar inte en pol, utan två, och dessutom är de magnetiska kraftlinjerna mindre spridda i rymden - de är koncentrerade mellan polerna.
När det attraherade järnföremålet fäster vid båda polerna, slutar hästskomagneten nästan att sprida kraftlinjer ut i rymden. Detta är lätt att se med samma sågspån på papper. De magnetiska kraftlinjerna, som förut sträckte sig från den ena polen till den andra, gå nu genom det attraherade järnföremålet, som om det vore lättare för dem att passera genom järn än genom luft.
Forskning visar att så är fallet. Ett nytt koncept har dykt upp - magnetisk permeabilitet, som anger ett värde som anger hur många gånger det är lättare för magnetiska linjer att passera genom något ämne än genom luft. Järn och några av dess legeringar har den högsta magnetiska permeabiliteten. Detta förklarar varför, av metallerna, järn är mest attraherad av en magnet.
En annan metall, nickel, visade sig ha lägre magnetisk permeabilitet. Och är mindre attraherad av en magnet. Vissa andra ämnen har visat sig ha en magnetisk permeabilitet som är större än luft och attraheras därför av magneter.
Men de magnetiska egenskaperna hos dessa ämnen är mycket svagt uttryckta. Därför kan alla elektriska apparater och maskiner, i vilka elektromagneter fungerar på ett eller annat sätt, till denna dag inte klara sig utan järn eller utan speciella legeringar som innehåller järn.
Naturligtvis har mycket uppmärksamhet ägnats studiet av järn och dess magnetiska egenskaper nästan från början av elektrotekniken.Det är sant att strikt vetenskapliga beräkningar på detta område blev möjliga först efter studierna av den ryska forskaren Alexander Grigorievich Stoletov, utförda 1872. Han upptäckte att den magnetiska permeabiliteten för varje järnbit inte är konstant. Hon förändras för graden av magnetisering av detta stycke.
Metoden för att testa de magnetiska egenskaperna hos järn som föreslagits av Stoletov har stort värde och används av forskare och ingenjörer i vår tid. En djupare studie av magnetiska fenomens natur blev möjlig först efter utvecklingen av teorin om materiens struktur.
Den moderna förståelsen av magnetism
Vi vet nu att varje kemiskt element består av atomer — ovanligt små komplexa partiklar. I mitten av atomen finns en kärna laddad med positiv elektricitet. Elektroner, partiklar som bär en negativ elektrisk laddning, kretsar runt den. Antalet elektroner är inte detsamma för atomerna i olika kemiska grundämnen. Till exempel har en väteatom bara en elektron som kretsar kring sin kärna, medan en uranatom har nittiotvå.
Genom att noggrant observera olika elektriska fenomen kom forskare till slutsatsen att den elektriska strömmen i en tråd inte är något annat än elektronernas rörelse. Kom nu ihåg att ett magnetfält alltid uppstår runt en tråd i vilken en elektrisk ström flyter, det vill säga elektroner rör sig.
Därav följer att ett magnetfält alltid uppträder där det finns elektroners rörelse, med andra ord är förekomsten av ett magnetfält en konsekvens av elektronernas rörelse.
Frågan uppstår: i vilket ämne som helst roterar elektroner ständigt runt sina atomkärnor, varför bildar inte varje ämne i detta fall ett magnetfält runt sig själv?
Modern vetenskap ger följande svar på detta. Varje elektron har mer än bara en elektrisk laddning. Den har också egenskaperna hos en magnet, det är en liten elementarmagnet, så det magnetiska fältet som skapas av elektronerna när de rör sig runt kärnan läggs till deras eget magnetfält.
I det här fallet är magnetfälten hos de flesta atomer, vikning, helt förstörda, absorberade. Och i bara ett fåtal atomer – järn, nickel, kobolt och i mycket mindre utsträckning i andra – visar sig magnetfälten vara obalanserade, och atomerna är små magneter. Dessa ämnen kallas ferromagnetiska ("Ferrum" betyder järn).
Om atomerna i ferromagnetiska ämnen är ordnade slumpmässigt, så eliminerar magnetfälten hos olika atomer som är riktade i olika riktningar varandra så småningom. Men om du roterar dem så att magnetfälten läggs ihop – och det är vad vi gör i magnetiseringen – kommer magnetfälten inte längre att ta ut, utan läggas till varandra.
Hela kroppen (en bit järn) kommer att skapa ett magnetfält runt sig, det kommer att bli en magnet. På liknande sätt, när elektroner rör sig i en riktning, vilket till exempel sker med en elektrisk ström i en tråd, ökar magnetfältet hos de enskilda elektronerna till ett totalt magnetfält.
I sin tur utsätts elektroner som är fångade i ett externt magnetfält alltid för det senare. Detta gör att elektronernas rörelse kan kontrolleras med hjälp av ett magnetfält.
Allt ovanstående är bara ett ungefärligt och mycket förenklat schema. I verkligheten är de atomära fenomenen som uppstår i ledningar och magnetiska material mer komplexa.
Vetenskapen om magneter och magnetiska fenomen - magnetologi - är mycket viktig för modern elektroteknik.Ett stort bidrag till utvecklingen av denna vetenskap gjordes av magnetologen Nikolay Sergeevich Akulov, som upptäckte en viktig lag känd över hela världen som "Akulovs lag". Denna lag gör det möjligt att i förväg bestämma hur så viktiga egenskaper hos metaller som elektrisk ledningsförmåga, värmeledningsförmåga etc. förändras under magnetisering.
Generationer av vetenskapsmän har arbetat för att penetrera mysteriet med magnetiska fenomen och ställt dessa fenomen i mänsklighetens tjänst. Idag arbetar miljontals av de mest olika magneterna och elektromagneterna till gagn för människan i olika elektriska maskiner och apparater. De befriar människor från hårt fysiskt arbete, och ibland är de oumbärliga tjänare.
Kolla in andra intressanta och användbara artiklar om magneter och deras applikationer:
Magnetism och elektromagnetism
Permanenta magneter — typer, egenskaper, interaktion mellan magneter
Användningen av permanentmagneter inom elektroteknik och energi