Magnetické javy vo fyzike - história, príklady a zaujímavosti
Magnetizmus a elektrina
Prvá praktická aplikácia magnetu bola vo forme kusu magnetizovanej ocele plávajúcej na zátke vo vode alebo oleji. V tomto prípade jeden koniec magnetu vždy smeruje na sever a druhý na juh. Bol to prvý kompas, ktorý používali námorníci.
Rovnako dávno, niekoľko storočí pred naším letopočtom, ľudia vedeli, že živicová látka - jantár, ak sa potrela vlnou, získala na chvíľu schopnosť priťahovať ľahké predmety: kúsky papiera, kúsky nití, páperie. Tento jav sa nazýva elektrický ("elektrón" znamená v gréčtine "jantárový"). Neskôr sa to zistilo elektrifikovaný trením môže nielen jantár, ale aj iné látky: sklo, vosková tyčinka atď.
Ľudia dlho nevideli žiadne spojenie medzi dvoma nezvyčajnými prírodnými javmi — magnetizmom a elektrinou. Zdalo sa, že bežné je len vonkajšie znamenie – vlastnosť priťahovania: magnet priťahuje železo a sklenená tyč potretá útržkami papiera.Pravda, magnet pôsobil neustále a elektrifikovaný objekt po chvíli stráca svoje vlastnosti, no oboje „priťahuje“.
Ale teraz, na konci 17. storočia, si to všimli blesk — elektrický jav — náraz do blízkosti oceľových predmetov ich môže zmagnetizovať. Tak sa napríklad raz ukázalo, že oceľové nože ležiace v drevenej škatuli boli na neopísateľné prekvapenie majiteľa zmagnetizované, keď do škatule zasiahol blesk a rozbil ju.
Postupom času je takýchto prípadov pozorovaných čoraz viac. To však stále nedáva dôvod myslieť si, že medzi elektrinou a magnetizmom existuje silné spojenie. Takéto spojenie vzniklo len asi pred 180 rokmi. Potom sa pozorovalo, že magnetická strelka kompasu sa odchýli, len čo sa v jej blízkosti umiestni drôt, pozdĺž ktorého tečie elektrický prúd.
Takmer v rovnakom čase vedci objavili ďalší, nemenej nápadný jav. Ukázalo sa, že drôt, ktorým preteká elektrický prúd, dokáže k sebe pritiahnuť drobné železné hobliny. Stálo však za to zastaviť prúd v drôte, pretože piliny sa okamžite rozpadli a drôt stratil svoje magnetické vlastnosti.
Nakoniec bola objavená ďalšia vlastnosť elektrického prúdu, ktorá konečne potvrdila súvislosť medzi elektrinou a magnetizmom. Ukázalo sa, že oceľová ihla umiestnená v strede drôtenej cievky, cez ktorú preteká elektrický prúd (takejto cievke tzv. solenoid) sa zmagnetizuje rovnakým spôsobom, ako keby sa trela prírodným magnetom.
Elektromagnety a ich použitie
Zo skúsenosti s oceľovou ihlou a bol na svete elektromagnet… Umiestnením mäkkej železnej tyče do stredu cievky namiesto ihly boli vedci presvedčení, že keď cievkou prechádza prúd, železo získa vlastnosť magnetu a keď sa prúd zastaví, túto vlastnosť stratí. . Zároveň sa zistilo, že čím viac závitov drôtu v solenoide, tým silnejší je elektromagnet.
Vplyvom pohybujúceho sa magnetu vzniká v cievke drôtu elektrický prúd
Mnohým sa spočiatku elektromagnet zdal len ako vtipné fyzické zariadenie. Ľudia netušili, že v blízkej budúcnosti nájde najširšie uplatnenie, poslúži ako základ pre mnohé zariadenia a stroje (pozri — Praktická aplikácia javu elektromagnetickej indukcie).
Princíp činnosti elektromagnetického relé
Potom, čo sa zistilo, že elektrický prúd dáva drôtu magnetické vlastnosti, vedci položili otázku: existuje inverzný vzťah medzi elektrinou a magnetizmom? Napríklad, spôsobil by silný magnet umiestnený vo vnútri cievky drôtu prúdenie elektrického prúdu cez túto cievku?
V skutočnosti, ak by sa elektrický prúd objavil v drôte pôsobením stacionárneho magnetu, bolo by to úplne protichodné zákon zachovania energie… Podľa tohto zákona je na získanie elektrického prúdu potrebné vynaložiť inú energiu, ktorá by sa premenila na elektrickú energiu. Keď sa pomocou magnetu vytvorí elektrický prúd, energia vynaložená na pohyb magnetu sa premení na elektrickú energiu.
Štúdium magnetických javov
V polovici XIII. storočia si zvedaví pozorovatelia všimli, že magnetické ručičky kompasu sa navzájom ovplyvňujú: konce smerujúce rovnakým smerom sa odpudzujú a tie, ktoré ukazujú iným spôsobom, sa priťahujú.
Táto skutočnosť pomohla vedcom vysvetliť činnosť kompasu. Predpokladá sa, že zemeguľa je obrovský magnet a konce ihiel kompasu sa tvrdohlavo otáčajú správnym smerom, pretože sú odpudzované jedným magnetickým pólom Zeme a priťahované iným. Tento predpoklad sa ukázal ako pravdivý.
Pri štúdiu magnetických javov veľmi pomohli malé železné piliny, priľnuté k magnetu akejkoľvek sily. V prvom rade sa zistilo, že väčšina pilín sa drží na dvoch konkrétnych miestach na magnete alebo, ako sa to nazýva, na póloch magnetu. Ukázalo sa, že každý magnet má vždy aspoň dva póly, z ktorých jeden sa začal nazývať severný (C) a druhý južný (S).
Železné piliny ukazujú umiestnenie magnetických siločiar v priestore okolo magnetu
V tyčovitom magnete sú jeho póly najčastejšie umiestnené na koncoch tyče. Obzvlášť živý obraz sa objavil pred očami pozorovateľov, keď predpokladali posypať sklo alebo papier železnými pilinami, pod ktorými ležal magnet. Hobliny sú tesne rozmiestnené v póloch magnetu. Potom sa vo forme tenkých čiar - železných častíc spojených dohromady - natiahli od jedného pólu k druhému.
Ďalšie štúdium magnetických javov ukázalo, že v priestore okolo magnetu pôsobia špeciálne magnetické sily, alebo, ako sa hovorí, magnetické pole… Smer a intenzitu magnetických síl udávajú železné piliny umiestnené nad magnetom.
Experimenty s pilinami veľa naučili. Kus železa sa napríklad priblíži k pólu magnetu. Ak sa zároveň trochu zatrasie papier, na ktorom piliny ležia, vzor pilín sa začne meniť. Magnetické čiary sú akoby viditeľné. Prechádzajú z pólu magnetu na kus železa a hrubnú, keď sa železo blíži k pólu. Zároveň sa zvyšuje aj sila, ktorou magnet ťahá kus železa k sebe.
Na ktorom konci železnej tyče elektromagnetu sa pri prechode prúdu cievkou vytvorí severný pól a na ktorom južný pól? Dá sa ľahko určiť podľa smeru elektrického prúdu v cievke. Je známe, že prúd (tok záporných nábojov) tečie zo záporného pólu zdroja na kladný.
Keď to vieme a pozrieme sa na cievku elektromagnetu, dokážeme si predstaviť, ktorým smerom bude prúdiť prúd v závitoch elektromagnetu. Na konci elektromagnetu, kde bude prúd vykonávať kruhový pohyb v smere hodinových ručičiek, sa vytvorí severný pól a na druhom konci pásu, kde sa prúd pohybuje proti smeru hodinových ručičiek, južný pól. Ak zmeníte smer prúdu v cievke elektromagnetu, zmenia sa aj jeho póly.
Ďalej bolo pozorované, že permanentný magnet aj elektromagnet sa priťahujú oveľa silnejšie, ak nemajú tvar rovnej tyče, ale sú ohnuté tak, že ich opačné póly sú blízko seba.V tomto prípade nepriťahuje jeden pól, ale dva a okrem toho sú magnetické siločiary menej rozptýlené v priestore - sú sústredené medzi pólmi.
Keď priťahovaný železný predmet priľne k obom pólom, podkovovitý magnet takmer prestane rozptyľovať siločiary do priestoru. To je ľahko vidieť s rovnakými pilinami na papieri. Magnetické siločiary, ktoré sa predtým rozprestierali od jedného pólu k druhému, teraz prechádzajú cez priťahovaný železný predmet, akoby bolo pre nich ľahšie prejsť železom ako vzduchom.
Výskum ukazuje, že je to skutočne tak. Objavil sa nový koncept – magnetická permeabilita, čo označuje hodnotu, ktorá udáva, koľkokrát je pre magnetické čiary ľahšie prejsť akoukoľvek látkou ako vzduchom. Najvyššiu magnetickú permeabilitu má železo a niektoré jeho zliatiny. To vysvetľuje, prečo je z kovov k magnetu najviac priťahované železo.
Zistilo sa, že ďalší kov, nikel, má nižšiu magnetickú permeabilitu. A je menej priťahovaný magnetom. Zistilo sa, že určité iné látky majú magnetickú permeabilitu väčšiu ako vzduch, a preto sú magnety priťahované.
Magnetické vlastnosti týchto látok sú však vyjadrené veľmi slabo. Preto sa všetky elektrické prístroje a stroje, v ktorých tak či onak fungujú elektromagnety, dodnes nezaobídu bez železa alebo bez špeciálnych zliatin, medzi ktoré patrí železo.
Prirodzene, veľká pozornosť bola venovaná štúdiu železa a jeho magnetických vlastností takmer od samého začiatku elektrotechniky.Je pravda, že prísne vedecké výpočty v tejto oblasti boli možné až po štúdiách ruského vedca Alexandra Grigorieviča Stoletova uskutočnených v roku 1872. Zistil, že magnetická permeabilita každého kusu železa nie je konštantná. Ona sa mení pre stupeň magnetizácie tohto kusu.
Metóda testovania magnetických vlastností železa, ktorú navrhol Stoletov, má veľkú hodnotu a v súčasnosti ju používajú vedci a inžinieri. Hlbšie štúdium povahy magnetických javov bolo možné až po rozvoji teórie štruktúry hmoty.
Moderné chápanie magnetizmu
Teraz vieme, že každý chemický prvok sa skladá z atómov — nezvyčajne malé komplexné častice. V strede atómu je jadro nabité kladnou elektrinou. Okolo nej sa točia elektróny, častice, ktoré nesú záporný elektrický náboj. Počet elektrónov nie je rovnaký pre atómy rôznych chemických prvkov. Napríklad atóm vodíka má okolo jeho jadra len jeden elektrón, zatiaľ čo atóm uránu ich má deväťdesiatdva.
Pozorným pozorovaním rôznych elektrických javov vedci dospeli k záveru, že elektrický prúd v drôte nie je nič iné ako pohyb elektrónov. Teraz si pamätajte, že magnetické pole vždy vzniká okolo drôtu, v ktorom preteká elektrický prúd, teda pohyb elektrónov.
Z toho vyplýva, že magnetické pole sa objavuje vždy tam, kde dochádza k pohybu elektrónov, inými slovami, existencia magnetického poľa je dôsledkom pohybu elektrónov.
Vynára sa otázka: v akejkoľvek látke elektróny neustále rotujú okolo svojich atómových jadier, prečo v tomto prípade každá látka nevytvára okolo seba magnetické pole?
Moderná veda na to dáva nasledujúcu odpoveď. Každý elektrón má viac než len elektrický náboj. Má tiež vlastnosti magnetu, je to malý elementárny magnet.Takže magnetické pole vytvárané elektrónmi pri pohybe okolo jadra sa pridáva k ich vlastnému magnetickému poľu.
V tomto prípade sú magnetické polia väčšiny atómov, skladanie, úplne zničené, absorbované. A len v niekoľkých atómoch – v železe, nikle, kobalte a v oveľa menšej miere v iných – sa ukázalo, že magnetické polia sú nevyvážené a atómy sú malé magnety. Tieto látky sú tzv feromagnetické („Ferrum“ znamená železo).
Ak sú atómy feromagnetických látok usporiadané náhodne, potom sa magnetické polia rôznych atómov smerované rôznymi smermi nakoniec navzájom rušia. Ale ak ich otočíte tak, aby sa magnetické polia sčítali – a to je to, čo robíme pri magnetizácii – magnetické polia sa už nebudú rušiť, ale budú sa navzájom sčítavať.
Celé telo (kúsok železa) vytvorí okolo seba magnetické pole, stane sa magnetom. Podobne, keď sa elektróny pohybujú jedným smerom, čo sa napríklad deje s elektrickým prúdom vo vodiči, magnetické pole jednotlivých elektrónov sa pridáva k celkovému magnetickému poľu.
Na druhej strane, elektróny zachytené vo vonkajšom magnetickom poli sú vždy vystavené pôsobeniu vonkajšieho magnetického poľa. To umožňuje ovládať pohyb elektrónov pomocou magnetického poľa.
Všetko vyššie uvedené je len približná a veľmi zjednodušená schéma. V skutočnosti sú atómové javy, ktoré sa vyskytujú v drôtoch a magnetických materiáloch, zložitejšie.
Veda o magnetoch a magnetických javoch — magnetológia — je veľmi dôležitá pre modernú elektrotechniku.Veľkým prínosom pre rozvoj tejto vedy bol magnetológ Nikolaj Sergejevič Akulov, ktorý objavil dôležitý zákon známy na celom svete ako „Akulovov zákon“. Tento zákon umožňuje vopred určiť, ako sa pri magnetizácii menia také dôležité vlastnosti kovov ako elektrická vodivosť, tepelná vodivosť atď.
Celé generácie vedcov sa snažili preniknúť do tajomstva magnetických javov a dať tieto javy do služieb ľudstva. Dnes milióny najrozmanitejších magnetov a elektromagnetov pracujú v prospech človeka v rôznych elektrických strojoch a zariadeniach. Oslobodzujú ľudí od ťažkej fyzickej práce a niekedy sú nepostrádateľnými služobníkmi.
Pozrite si ďalšie zaujímavé a užitočné články o magnetoch a ich aplikáciách:
Magnetizmus a elektromagnetizmus
Permanentné magnety — druhy, vlastnosti, interakcia magnetov
Využitie permanentných magnetov v elektrotechnike a energetike