Magnetiniai reiškiniai fizikoje – istorija, pavyzdžiai ir įdomūs faktai

Magnetizmas ir elektra

Pirmasis praktinis magneto panaudojimas buvo įmagnetinto plieno gabalas, plūduriuojantis ant kištuko vandenyje arba aliejuje. Šiuo atveju vienas magneto galas visada nukreiptas į šiaurę, o kitas į pietus. Tai buvo pirmasis jūreivių naudojamas kompasas.

Dar prieš kelis šimtmečius prieš mūsų erą žmonės žinojo, kad dervinga medžiaga – gintaras, patrynus su vilna, kurį laiką įgaudavo savybę pritraukti lengvus daiktus: popieriaus gabalėlius, siūlų gabalėlius, pūkus. Šis reiškinys vadinamas elektriniu („elektronas“ graikiškai reiškia „gintaras“). Vėliau pastebėta, kad elektrifikuotas dėl trinties gali ne tik gintaras, bet ir kitos medžiagos: stiklas, vaško lazdelė ir kt.

Ilgą laiką žmonės nematė jokio ryšio tarp dviejų neįprastų gamtos reiškinių – magnetizmo ir elektros. Atrodė, kad įprastas buvo tik išorinis ženklas – savybė traukti: magnetas traukia geležį, o stiklo strypas, nutrintas vilnos popieriaus atraižomis.Tiesa, magnetas veikė nuolat ir įelektrintas objektas po kurio laiko praranda savo savybes, tačiau abu „traukia“.

Tačiau dabar, XVII amžiaus pabaigoje, buvo pastebėta, kad žaibas — elektrinis reiškinys – atsitrenkimas į plieninius objektus gali juos įmagnetinti. Taip, pavyzdžiui, kartą medinėje dėžėje gulėję plieniniai peiliai neapsakomai šeimininko nuostabai pasirodė įmagnetinti, žaibui pataikius į dėžę ir ją sulaužius.

Laikui bėgant tokių atvejų pastebima vis daugiau. Tačiau tai vis dar neduoda pagrindo manyti, kad tarp elektros ir magnetizmo yra stiprus ryšys. Toks ryšys užsimezgė tik maždaug prieš 180 metų. Paskui buvo pastebėta, kad magnetinė kompaso adata nukrypsta, kai tik šalia jos uždedamas laidas, išilgai kurio teka elektros srovė.

Beveik tuo pačiu metu mokslininkai atrado kitą, ne mažiau ryškų reiškinį. Paaiškėjo, kad viela, kuria teka elektros srovė, gali pritraukti prie savęs mažas geležies drožles. Tačiau buvo verta sustabdyti srovę laide, nes pjuvenos iškart subyrėjo ir laidas prarado magnetines savybes.

Galiausiai buvo atrasta dar viena elektros srovės savybė, kuri galutinai patvirtino ryšį tarp elektros ir magnetizmo. Paaiškėjo, kad į vielos ritės vidurį įdėta plieninė adata, kuria teka elektros srovė (tokia ritė vadinama solenoidas) įmagnetinamas taip pat, kaip įtrintas natūraliu magnetu.

Elektromagnetai ir jų naudojimas

Iš patirties su plienine adata ir gimė elektromagnetas… Vietoj adatos vielos ritės viduryje įdėję minkštą geležinį strypą, mokslininkai įsitikino, kad srovei tekant per ritę, geležis įgyja magneto savybę, o srovei sustojus – praranda šią savybę. . Tuo pačiu buvo pastebėta, kad kuo daugiau vielos apsisukimų solenoide, tuo stipresnis elektromagnetas.

Judančio magneto įtakoje vielos ritėje susidaro elektros srovė

Iš pradžių elektromagnetas daugeliui atrodė tik juokingas fizinis prietaisas. Žmonės neįtarė, kad artimiausiu metu jis bus plačiausiai pritaikytas, taps daugelio prietaisų ir mašinų pagrindu (žr. Elektromagnetinės indukcijos reiškinio praktinis pritaikymas).

Elektromagnetinės relės veikimo principas

Nustačius, kad elektros srovė suteikia laidui magnetines savybes, mokslininkai uždavė klausimą: ar yra atvirkštinis ryšys tarp elektros ir magnetizmo? Pavyzdžiui, ar stiprus magnetas, įdėtas į vielos ritę, paskatins elektros srovę tekėti per tą ritę?

Tiesą sakant, jei elektros srovė laidoje atsirastų veikiant stacionariam magnetui, tai būtų visiškai prieštaringa energijos tvermės dėsnis<...> Pagal šį dėsnį, norint gauti elektros srovę, reikia išleisti kitą energiją, kuri būtų paversta elektros energija. Kai magneto pagalba sukuriama elektros srovė, magneto judėjimui sunaudota energija paverčiama elektros energija.

Magnetinių reiškinių tyrimas

Dar XIII amžiaus viduryje smalsūs stebėtojai pastebėjo, kad magnetinės kompaso rodyklės sąveikauja viena su kita: ta pačia kryptimi nukreipti galai vienas kitą atstumia, o kitaip – ​​traukia.

Šis faktas padėjo mokslininkams paaiškinti kompaso veikimą. Spėjama, kad Žemės rutulys yra didžiulis magnetas, o kompaso rodyklių galai atkakliai sukasi reikiama kryptimi, nes juos atstumia vienas Žemės magnetinis polius, o traukia kitas. Ši prielaida pasitvirtino.

Tiriant magnetinius reiškinius, labai padėjo mažos geležies drožlės, prilipusios prie bet kokios jėgos magneto. Visų pirma, buvo pastebėta, kad dauguma pjuvenų prilimpa prie dviejų specifinių magneto vietų arba, kaip vadinama, magneto polių. Paaiškėjo, kad kiekvienas magnetas visada turi bent du polius, iš kurių vienas pradėtas vadinti šiauriniu (C), o kitas – pietų (S).

Geležies drožlės rodo magnetinio lauko linijų vietą erdvėje aplink magnetą

Į strypą panašiame magnete jo poliai dažniausiai yra strypo galuose. Ypač ryškus vaizdas prieš akis išryškėjo, kai jie manė ant stiklo ar popieriaus pabarstyti geležies drožles, po kuriomis gulėjo magnetas. Drožlės yra glaudžiai išdėstytos magneto poliuose. Tada plonų linijų - geležies dalelių, sujungtų tarpusavyje, pavidalu, jie driekėsi nuo vieno poliaus iki kito.

Tolesnis magnetinių reiškinių tyrimas parodė, kad erdvėje aplink magnetą veikia ypatingos magnetinės jėgos arba, kaip sakoma, magnetinis laukas… Magnetinių jėgų kryptį ir intensyvumą rodo geležies drožlės, esančios virš magneto.

Eksperimentai su pjuvenomis daug ko išmokė. Pavyzdžiui, geležies gabalas artėja prie magneto poliaus. Jei tuo pačiu metu popierius, ant kurio guli pjuvenos, šiek tiek pakratomas, pjuvenų raštas pradeda keistis. Magnetinės linijos tampa tarsi matomos. Jie pereina nuo magneto poliaus į geležies gabalą ir tampa storesni, kai geležis artėja prie poliaus. Kartu didėja ir jėga, kuria magnetas traukia geležies gabalą link savęs.

Kuriame elektromagneto geležinio strypo gale susidaro šiaurinis ašigalis, kai srovė teka per ritę, o kuriame – pietinis ašigalis? Tai lengva nustatyti pagal elektros srovės kryptį ritėje. Yra žinoma, kad srovė (neigiamų krūvių srautas) teka iš neigiamo šaltinio poliaus į teigiamą.

Žinant tai ir pažvelgus į elektromagneto ritę, galima įsivaizduoti, kuria kryptimi tekės srovė elektromagneto posūkiuose. Elektromagneto gale, kur srovė darys apskritą judesį pagal laikrodžio rodyklę, susidaro šiaurinis ašigalis, o kitame juostos gale, kur srovė juda prieš laikrodžio rodyklę, pietų polius. Jei pakeisite srovės kryptį elektromagneto ritėje, pasikeis ir jo poliai.

Toliau buvo pastebėta, kad tiek nuolatinis magnetas, tiek elektromagnetas traukia daug stipriau, jei jie nėra tiesios juostos formos, o sulenkti taip, kad jų priešingi poliai būtų arti vienas kito.Tokiu atveju traukia ne vienas polius, o du, be to, magnetinės jėgos linijos yra mažiau išsibarsčiusios erdvėje — jos sutelktos tarp polių.

Kai pritrauktas geležinis objektas prilimpa prie abiejų polių, pasagos magnetas beveik nustoja išsklaidyti jėgos linijas į erdvę. Tai lengva pamatyti naudojant tas pačias pjuvenas ant popieriaus. Magnetinės jėgos linijos, kurios anksčiau tęsėsi nuo vieno poliaus iki kito, dabar eina per pritrauktą geležies objektą, tarsi joms būtų lengviau pereiti per geležį nei per orą.

Tyrimai rodo, kad taip tikrai yra. Atsirado nauja koncepcija - magnetinis pralaidumas, kuris žymi reikšmę, nurodančią, kiek kartų magnetinėms linijoms lengviau pereiti bet kokią medžiagą nei per orą. Geležis ir kai kurie jos lydiniai turi didžiausią magnetinį laidumą. Tai paaiškina, kodėl iš metalų magnetas labiausiai traukia geležį.

Nustatyta, kad kito metalo – nikelio – magnetinis pralaidumas mažesnis. Ir mažiau traukia magnetas. Nustatyta, kad tam tikrų kitų medžiagų magnetinis laidumas yra didesnis nei oro, todėl jas traukia magnetai.

Tačiau šių medžiagų magnetinės savybės yra labai silpnai išreikštos. Todėl visi elektros prietaisai ir mašinos, kuriose vienaip ar kitaip veikia elektromagnetai, iki šiol neapsieina be geležies ar be specialių lydinių, kuriuose yra geležies.

Natūralu, kad beveik nuo pat elektrotechnikos pradžios geležies ir jos magnetinių savybių tyrimams buvo skiriamas didelis dėmesys.Tiesa, griežtai moksliniai skaičiavimai šioje srityje tapo įmanomi tik po rusų mokslininko Aleksandro Grigorjevičiaus Stoletovo tyrimų, atliktų 1872 m. Jis atrado, kad kiekvieno geležies gabalo magnetinis pralaidumas nėra pastovus. Ji keičiasi šio kūrinio įmagnetinimo laipsniui.

Stoletovo pasiūlytas geležies magnetinių savybių tyrimo metodas turi didelę vertę ir yra naudojamas mūsų laikais mokslininkų ir inžinierių. Giliau tirti magnetinių reiškinių prigimtį tapo įmanoma tik sukūrus materijos sandaros teoriją.

Šiuolaikinis magnetizmo supratimas

Dabar mes žinome, kad kiekvienas cheminis elementas yra sudarytas iš atomų - neįprastai mažos sudėtingos dalelės. Atomo centre yra teigiama elektra įkrautas branduolys. Aplink jį sukasi elektronai, dalelės, turinčios neigiamą elektros krūvį. Elektronų skaičius skirtingų cheminių elementų atomams nėra vienodas. Pavyzdžiui, vandenilio atomas turi tik vieną elektroną, skriejantį aplink savo branduolį, o urano atomas turi devyniasdešimt du.

Atidžiai stebėdami įvairius elektros reiškinius, mokslininkai padarė išvadą, kad elektros srovė laidoje yra ne kas kita, kaip elektronų judėjimas. Dabar atminkite, kad magnetinis laukas visada atsiranda aplink laidą, kuriame teka elektros srovė, tai yra, juda elektronai.

Iš to išplaukia, kad magnetinis laukas visada atsiranda ten, kur juda elektronai, kitaip tariant, magnetinio lauko buvimas yra elektronų judėjimo pasekmė.

Kyla klausimas: bet kurioje medžiagoje elektronai nuolat sukasi aplink savo atomų branduolius, kodėl šiuo atveju kiekviena medžiaga nesudaro aplink save magnetinio lauko?

Šiuolaikinis mokslas pateikia tokį atsakymą. Kiekvienas elektronas turi daugiau nei tik elektros krūvį. Jis taip pat turi magneto savybių, tai yra mažas elementinis magnetas.Taigi magnetinis laukas, kurį sukuria elektronai judant aplink branduolį, pridedamas prie jų pačių magnetinio lauko.

Šiuo atveju daugumos atomų magnetiniai laukai, susilankstantys, visiškai suardomi, sugeriami. Ir tik keliuose atomuose – geležies, nikelio, kobalto ir daug mažesniu mastu kituose – magnetiniai laukai pasirodo nesubalansuoti, o atomai yra maži magnetai. Šios medžiagos vadinamos feromagnetinis („Ferrum“ reiškia geležį).

Jei feromagnetinių medžiagų atomai išsidėstę atsitiktinai, tai skirtingų atomų magnetiniai laukai, nukreipti skirtingomis kryptimis, ilgainiui vienas kitą panaikina. Bet jei pasukate juos taip, kad magnetiniai laukai susidėtų – o mes tai darome įmagnetindami – magnetiniai laukai nebeišnyks, o sudės vienas kitą.

Visas kūnas (geležies gabalas) sukurs aplink save magnetinį lauką, jis taps magnetu. Panašiai, kai elektronai juda viena kryptimi, o tai, pavyzdžiui, vyksta esant elektros srovei laidoje, atskirų elektronų magnetinis laukas pridedamas prie bendro magnetinio lauko.

Savo ruožtu išoriniame magnetiniame lauke įstrigę elektronai visada yra veikiami pastarojo. Tai leidžia valdyti elektronų judėjimą naudojant magnetinį lauką.

Visa tai, kas išdėstyta aukščiau, yra tik apytikslė ir labai supaprastinta schema. Tiesą sakant, laiduose ir magnetinėse medžiagose vykstantys atominiai reiškiniai yra sudėtingesni.

Magnetų ir magnetinių reiškinių mokslas – magnetologija – yra labai svarbus šiuolaikinei elektrotechnikai.Didelį indėlį į šio mokslo plėtrą įnešė magnetologas Nikolajus Sergejevičius Akulovas, atradęs svarbų dėsnį, visame pasaulyje žinomą kaip „Akulovo dėsnis“. Šis dėsnis leidžia iš anksto nustatyti, kaip įmagnetinant kinta tokios svarbios metalų savybės kaip elektros laidumas, šilumos laidumas ir kt.

Mokslininkų kartos dirbo siekdamos įsiskverbti į magnetinių reiškinių paslaptį ir panaudoti šiuos reiškinius žmonijai. Šiandien milijonai pačių įvairiausių magnetų ir elektromagnetų veikia žmogaus labui įvairiose elektros mašinose ir įrenginiuose. Jie išlaisvina žmones nuo sunkaus fizinio darbo, o kartais yra nepakeičiami tarnai.

Peržiūrėkite kitus įdomius ir naudingus straipsnius apie magnetus ir jų pritaikymą:

Magnetizmas ir elektromagnetizmas

Gamtiniai magnetiniai reiškiniai

Nuolatiniai magnetai — magnetų tipai, savybės, sąveika

Nuolatinių magnetų naudojimas elektros inžinerijoje ir energetikoje