Magnetiske fænomener i fysik - historie, eksempler og interessante fakta
Magnetisme og elektricitet
Den første praktiske anvendelse af magneten var i form af et stykke magnetiseret stål, der svævede på en prop i vand eller olie. I dette tilfælde peger den ene ende af magneten altid mod nord og den anden mod syd. Det var det første kompas, der blev brugt af sømænd.
Lige så længe siden, flere århundreder før vores æra, vidste folk, at et harpiksholdigt stof - rav, hvis det gnides med uld, i et stykke tid modtog evnen til at tiltrække lette genstande: papirstykker, stykker tråd, fnug. Dette fænomen kaldes elektrisk ("elektron" betyder "rav" på græsk). Det blev senere bemærket elektrificeret ved friktion kan ikke kun rav, men også andre stoffer: glas, voksstift mv.
I lang tid så folk ikke nogen forbindelse mellem to usædvanlige naturfænomener - magnetisme og elektricitet. Kun et ydre tegn syntes at være almindeligt - egenskaben til at tiltrække: en magnet tiltrækker jern, og en glasstang gnides med uldrester af papir.Ganske vist virkede magneten konstant, og den elektrificerede genstand mister sine egenskaber efter et stykke tid, men begge "tiltrækker".
Men nu i slutningen af 1600-tallet blev det bemærket, at lyn — et elektrisk fænomen — at slå i nærheden af stålgenstande kan magnetisere dem. Således viste det sig, at en gang stålknive, der lå i en trækasse, blev magnetiseret til ejerens ubeskrivelige overraskelse, efter at lynet slog ned i kassen og knækkede den.
Over tid observeres flere og flere sådanne tilfælde. Dette giver dog stadig ikke grund til at tro, at der er en stærk sammenhæng mellem elektricitet og magnetisme. En sådan forbindelse blev etableret for kun omkring 180 år siden. Det blev da observeret, at kompassets magnetiske nål afviger, så snart en ledning er placeret i nærheden af det, langs hvilken en elektrisk strøm løber.
Næsten på samme tid opdagede forskere et andet, ikke mindre slående fænomen. Det viste sig, at den ledning, som den elektriske strøm løber igennem, er i stand til at tiltrække små jernspåner til sig selv. Det var dog værd at stoppe strømmen i ledningen, fordi savsmuldet straks faldt fra hinanden, og ledningen mistede sine magnetiske egenskaber.
Endelig blev en anden egenskab ved elektrisk strøm opdaget, som endelig bekræftede sammenhængen mellem elektricitet og magnetisme. Det viste sig, at en stålnål placeret i midten af en trådspole, hvorigennem en elektrisk strøm løber (sådan en spole kaldes solenoide) magnetiseres på samme måde, som hvis den gnides med en naturlig magnet.
Elektromagneter og deres anvendelse
Af erfaring med en stålnål og blev født elektromagnet… Ved at placere en blød jernstang i midten af trådspolen i stedet for en nål, var forskerne overbevist om, at når en strøm passerer gennem spolen, får jernet egenskaben som en magnet, og når strømmen stopper, mister det denne egenskab . Samtidig blev det bemærket, at jo flere vindinger af ledningen i solenoiden, jo stærkere er elektromagneten.
Under påvirkning af en bevægelig magnet genereres en elektrisk strøm i trådspolen
I starten virkede elektromagneten for mange bare som en sjov fysisk enhed. Folk havde ikke mistanke om, at det i den nærmeste fremtid ville finde den bredeste anvendelse, tjene som grundlag for mange enheder og maskiner (se - Praktisk anvendelse af fænomenet elektromagnetisk induktion).
Princippet om drift af det elektromagnetiske relæ
Efter at det blev fastslået, at en elektrisk strøm giver en ledning magnetiske egenskaber, stillede forskere spørgsmålet: er der et omvendt forhold mellem elektricitet og magnetisme? For eksempel, ville en stærk magnet placeret inde i en trådspole få en elektrisk strøm til at strømme gennem den spole?
Faktisk, hvis en elektrisk strøm dukkede op i en ledning under påvirkning af en stationær magnet, ville dette være fuldstændig modstridende lov om energibevarelse… Ifølge denne lov, for at opnå en elektrisk strøm, er det nødvendigt at bruge anden energi, som ville blive omdannet til elektrisk energi. Når en elektrisk strøm produceres ved hjælp af en magnet, omdannes den energi, der bruges i magnetens bevægelse, til elektrisk energi.
Undersøgelse af magnetiske fænomener
Tilbage i midten af XIII århundreder bemærkede nysgerrige iagttagere, at kompassets magnetiske hænder interagerer med hinanden: enderne, der peger i samme retning, frastøder hinanden, og de, der peger på en anden måde, tiltrækker.
Denne kendsgerning hjalp forskerne med at forklare kompassets handling. Det antages, at kloden er en enorm magnet, og enderne af kompasnålene vender stædigt i den rigtige retning, fordi de frastødes af en magnetisk pol på Jorden og tiltrækkes af en anden. Denne antagelse viste sig at være sand.
I studiet af magnetiske fænomener har små jernspåner, der klæber til en magnet af enhver kraft, været til stor hjælp. Først og fremmest blev det bemærket, at det meste savsmuld klæber to bestemte steder på magneten eller, som det kaldes, magnetens poler. Det viste sig, at hver magnet altid har mindst to poler, hvoraf den ene kom til at hedde nord (C) og den anden syd (S).
Jernspånene viser placeringen af magnetfeltlinjerne i rummet omkring magneten
I en stanglignende magnet er dens poler oftest placeret i enderne af stangen. Et særligt levende billede viste sig for iagttageres øjne, når de antog at drysse jernspåner på glas eller papir, hvorunder der lå en magnet. Spånerne er tæt placeret i magnetens poler. Derefter, i form af tynde linjer - jernpartikler bundet sammen - strakte de sig fra den ene pol til den anden.
Yderligere undersøgelse af magnetiske fænomener viste, at specielle magnetiske kræfter virker i rummet omkring magneten, eller, som man siger, magnetfelt… Retningen og intensiteten af de magnetiske kræfter er angivet af jernspånerne placeret over magneten.
Forsøg med savsmuld har lært meget. For eksempel nærmer et stykke jern sig polen på en magnet. Hvis papiret, som savsmuldet ligger på, samtidig rystes lidt, begynder savsmuldsmønsteret at ændre sig. De magnetiske linjer bliver som om de er synlige. De passerer fra magnetens pol til jernstykket og bliver tykkere, når jernet nærmer sig polen. Samtidig øges den kraft, hvormed magneten trækker jernstykket mod sig selv.
I hvilken ende af elektromagnetens jernstang dannes nordpolen, når en strøm passerer gennem spolen, og ved hvilken er sydpolen? Det er let at bestemme ved retningen af den elektriske strøm i spolen. Strøm (strøm af negative ladninger) er kendt for at flyde fra den negative pol af kilden til den positive.
Når man ved dette og ser på elektromagnetens spole, kan man forestille sig, i hvilken retning strømmen vil løbe i elektromagnetens drejninger. For enden af elektromagneten, hvor strømmen vil lave en cirkulær bevægelse i urets retning, dannes en nordpol, og i den anden ende af strimlen, hvor strømmen bevæger sig i retning mod uret, en sydpol. Hvis du ændrer retningen af strømmen i elektromagnetens spole, vil dens poler også ændre sig.
Det blev endvidere observeret, at både den permanente magnet og elektromagneten tiltrækker meget stærkere, hvis de ikke er i form af en lige stang, men er bøjet, så deres modsatte poler er tæt sammen.I dette tilfælde tiltrækker ikke én pol, men to, og desuden er de magnetiske kraftlinjer mindre spredt i rummet - de er koncentreret mellem polerne.
Når den tiltrukket jerngenstand klæber til begge poler, stopper hesteskomagneten næsten med at sprede kraftlinjer ud i rummet. Dette er let at se med det samme savsmuld på papir. De magnetiske kraftlinjer, som tidligere strakte sig fra den ene pol til den anden, går nu gennem den tiltrukne jerngenstand, som om det var lettere for dem at passere gennem jern end gennem luft.
Forskning viser, at dette faktisk er tilfældet. Et nyt koncept er dukket op - magnetisk permeabilitet, som angiver en værdi, der angiver, hvor mange gange det er lettere for magnetiske linjer at passere gennem et stof end gennem luft. Jern og nogle af dets legeringer har den højeste magnetiske permeabilitet. Dette forklarer, hvorfor jern af metallerne er mest tiltrukket af en magnet.
Et andet metal, nikkel, viste sig at have lavere magnetisk permeabilitet. Og er mindre tiltrukket af en magnet. Visse andre stoffer har vist sig at have en magnetisk permeabilitet større end luft og tiltrækkes derfor af magneter.
Men de magnetiske egenskaber af disse stoffer er meget svagt udtrykt. Derfor kan alle elektriske apparater og maskiner, hvori elektromagneter fungerer på den ene eller anden måde, den dag i dag ikke undvære jern eller uden specielle legeringer, der indeholder jern.
Naturligvis har der været meget opmærksomhed på studiet af jern og dets magnetiske egenskaber næsten lige fra begyndelsen af elektroteknik.Sandt nok blev strengt videnskabelige beregninger på dette område først mulige efter studierne af den russiske videnskabsmand Alexander Grigorievich Stoletov, udført i 1872. Han opdagede, at den magnetiske permeabilitet af hvert stykke jern ikke er konstant. Hun er ved at ændre sig for graden af magnetisering af dette stykke.
Metoden til at teste jerns magnetiske egenskaber foreslået af Stoletov har stor værdi og bruges af videnskabsmænd og ingeniører i vores tid. En dybere undersøgelse af karakteren af magnetiske fænomener blev først mulig efter udviklingen af teorien om stoffets struktur.
Den moderne forståelse af magnetisme
Vi ved nu, at hvert kemisk element består af atomer — usædvanligt små komplekse partikler. I midten af atomet er en kerne ladet med positiv elektricitet. Elektroner, partikler, der bærer en negativ elektrisk ladning, kredser omkring det. Antallet af elektroner er ikke det samme for atomerne i forskellige kemiske grundstoffer. For eksempel har et brintatom kun én elektron, der kredser om sin kerne, mens et uranatom har tooghalvfems.
Ved omhyggeligt at observere forskellige elektriske fænomener kom forskerne til den konklusion, at den elektriske strøm i en ledning ikke er andet end elektronernes bevægelse. Husk nu, at der altid opstår et magnetfelt omkring en ledning, hvori der løber en elektrisk strøm, det vil sige elektroner bevæger sig.
Det følger heraf, at et magnetfelt altid opstår, hvor der er bevægelse af elektroner, med andre ord, eksistensen af et magnetfelt er en konsekvens af elektronernes bevægelse.
Spørgsmålet opstår: i ethvert stof roterer elektroner konstant omkring deres atomkerner, hvorfor danner hvert stof i dette tilfælde ikke et magnetfelt omkring sig selv?
Moderne videnskab giver følgende svar på dette. Hver elektron har mere end blot en elektrisk ladning. Det har også egenskaberne som en magnet, det er en lille elementær magnet.Således føjes det magnetiske felt, som elektronerne skaber, når de bevæger sig rundt i kernen, til deres eget magnetfelt.
I dette tilfælde er de magnetiske felter af de fleste atomer, foldning, fuldstændig ødelagt, absorberet. Og kun i nogle få atomer – jern, nikkel, kobolt og i meget mindre grad i andre – viser de magnetiske felter sig at være ubalancerede, og atomerne er små magneter. Disse stoffer kaldes ferromagnetisk ("Ferrum" betyder jern).
Hvis atomerne af ferromagnetiske stoffer er arrangeret tilfældigt, så ophæver magnetfelterne af forskellige atomer rettet i forskellige retninger hinanden til sidst. Men hvis du roterer dem, så magnetfelterne tæller sammen – og det er det, vi gør i magnetiseringen – vil magnetfelterne ikke længere udligne, men lægges op til hinanden.
Hele kroppen (et stykke jern) vil skabe et magnetfelt omkring sig selv, det bliver til en magnet. På samme måde, når elektroner bevæger sig i én retning, hvilket for eksempel opstår med en elektrisk strøm i en ledning, tilføjes de enkelte elektroners magnetfelt til et samlet magnetfelt.
Til gengæld bliver elektroner fanget i et eksternt magnetfelt altid udsat for sidstnævnte. Dette gør det muligt at styre elektronernes bevægelse ved hjælp af et magnetfelt.
Alt ovenstående er kun et omtrentligt og meget forenklet skema. I virkeligheden er de atomare fænomener, der opstår i ledninger og magnetiske materialer, mere komplekse.
Videnskaben om magneter og magnetiske fænomener - magnetologi - er meget vigtig for moderne elektroteknik.Et stort bidrag til udviklingen af denne videnskab blev ydet af magnetologen Nikolay Sergeevich Akulov, som opdagede en vigtig lov kendt over hele verden som "Akulovs lov". Denne lov gør det muligt på forhånd at bestemme, hvordan sådanne vigtige egenskaber ved metaller som elektrisk ledningsevne, termisk ledningsevne osv. ændres under magnetisering.
Generationer af videnskabsmænd har arbejdet på at trænge ind i mysteriet med magnetiske fænomener og stille disse fænomener til tjeneste for menneskeheden. I dag arbejder millioner af de mest forskelligartede magneter og elektromagneter til gavn for mennesket i forskellige elektriske maskiner og enheder. De frigør mennesker fra hårdt fysisk arbejde, og nogle gange er de uundværlige tjenere.
Se andre interessante og nyttige artikler om magneter og deres applikationer:
Magnetisme og elektromagnetisme
Naturlige magnetiske fænomener
Permanente magneter - typer, egenskaber, interaktion mellem magneter