Fysiikan magneettiset ilmiöt - historiaa, esimerkkejä ja mielenkiintoisia faktoja
Magnetismi ja sähkö
Magneetin ensimmäinen käytännön sovellus oli magnetoitu teräspala, joka kelluu vedessä tai öljyssä olevan tulpan päällä. Tässä tapauksessa magneetin toinen pää osoittaa aina pohjoiseen ja toinen etelään. Se oli ensimmäinen merimiesten käyttämä kompassi.
Aivan yhtä kauan sitten, useita vuosisatoja ennen aikakauttamme, ihmiset tiesivät, että hartsimainen aine - meripihka, jos sitä hierottiin villalla, se sai jonkin aikaa kyvyn houkutella kevyitä esineitä: paperinpaloja, lankapaloja, nukkaa. Tätä ilmiötä kutsutaan sähköiseksi ("elektroni" tarkoittaa "meripihkaa" kreikaksi). Myöhemmin se huomattiin sähköistetty kitkan vaikutuksesta ei voi vain meripihkaa, vaan myös muita aineita: lasia, vahapuikkoa jne.
Pitkään aikaan ihmiset eivät nähneet mitään yhteyttä kahden epätavallisen luonnonilmiön - magnetismin ja sähkön - välillä. Vain ulkoinen merkki näytti olevan yleinen – houkutteleva ominaisuus: magneetti vetää puoleensa rautaa ja lasisauva, jota hierotaan villapaperilla.Totta, magneetti toimi jatkuvasti ja sähköistetty esine menettää ominaisuutensa hetken kuluttua, mutta molemmat "vetävät puoleensa".
Mutta nyt, 1600-luvun lopulla, se huomattiin salama — sähköinen ilmiö — teräskappaleiden lähelle osuminen voi magnetoida ne. Näin esimerkiksi kerran puulaatikossa makaavat teräsveitset osoittautuivat magnetoituneiksi omistajan sanoinkuvaamattomaksi yllätykseksi salaman iskettyä laatikkoon ja rikkoen sen.
Ajan myötä tällaisia tapauksia havaitaan yhä enemmän. Tämä ei kuitenkaan vielä anna aihetta ajatella, että sähkön ja magnetismin välillä olisi vahva yhteys. Tällainen yhteys perustettiin vasta noin 180 vuotta sitten. Sitten havaittiin, että kompassin magneettinen neula poikkeaa heti, kun sen lähelle asetetaan lanka, jota pitkin virtaa sähkövirta.
Melkein samaan aikaan tiedemiehet löysivät toisen, ei vähemmän silmiinpistävän ilmiön. Kävi ilmi, että lanka, jonka läpi sähkövirta kulkee, pystyy houkuttelemaan pieniä rautalastuja. Kuitenkin kannatti pysäyttää johdossa oleva virta, koska sahanpuru hajosi välittömästi ja lanka menetti magneettisia ominaisuuksiaan.
Lopulta löydettiin toinen sähkövirran ominaisuus, joka lopulta vahvisti yhteyden sähkön ja magnetismin välillä. Kävi ilmi, että lankakelan keskelle asetettu teräsneula, jonka läpi virtaa sähkövirta (tällaista kelaa kutsutaan ns. solenoidi) magnetoidaan samalla tavalla kuin hierotaan luonnonmagneetilla.
Sähkömagneetit ja niiden käyttö
Kokemuksesta teräsneulasta ja syntyi sähkömagneetti… Asettamalla pehmeä rautatanko lankakelan keskelle neulan sijaan, tutkijat vakuuttuivat, että kun virta kulkee kelan läpi, rauta saa magneetin ominaisuuden, ja kun virta pysähtyy, se menettää tämän ominaisuuden. . Samalla havaittiin, että mitä enemmän lankaa solenoidissa käännetään, sitä vahvempi sähkömagneetti on.
Liikkuvan magneetin vaikutuksesta lankakelaan syntyy sähkövirtaa
Aluksi sähkömagneetti vaikutti monista vain hauskalta fyysiseltä laitteelta. Ihmiset eivät epäilleet, että se löytäisi lähitulevaisuudessa laajimman sovelluksen, toimisi perustana monille laitteille ja koneille (ks. Sähkömagneettisen induktion ilmiön käytännön sovellus).
Sähkömagneettisen releen toimintaperiaate
Sen jälkeen kun todettiin, että sähkövirta antaa langalle magneettisia ominaisuuksia, tutkijat kysyivät: onko sähkön ja magnetismin välillä käänteinen suhde? Voisiko esimerkiksi lankakelan sisään sijoitettu vahva magneetti saada sähkövirran kulkemaan tämän kelan läpi?
Itse asiassa, jos sähkövirta ilmestyisi johdossa kiinteän magneetin vaikutuksesta, tämä olisi täysin ristiriitaista energian säilymisen laki… Tämän lain mukaan sähkövirran saamiseksi on käytettävä muuta energiaa, joka muutetaan sähköenergiaksi. Kun sähkövirta tuotetaan magneetin avulla, magneetin liikkeeseen kuluva energia muunnetaan sähköenergiaksi.
Magneettisten ilmiöiden tutkimus
XIII vuosisadan puolivälissä uteliaat tarkkailijat huomasivat, että kompassin magneettiset kädet ovat vuorovaikutuksessa toistensa kanssa: samaan suuntaan osoittavat päät hylkivät toisiaan ja eri tavalla osoittavat vetävät puoleensa.
Tämä tosiasia auttoi tutkijoita selittämään kompassin toiminnan. Oletetaan, että maapallo on valtava magneetti, ja kompassin neulojen päät kääntyvät itsepäisesti oikeaan suuntaan, koska niitä hylkii yksi Maan magneettinapa ja toinen vetää puoleensa. Tämä oletus osoittautui todeksi.
Magneettisten ilmiöiden tutkimuksessa pienet rautaviilat, jotka tarttuvat minkä tahansa voiman magneettiin, ovat olleet suureksi avuksi. Ensinnäkin havaittiin, että suurin osa sahanpurusta tarttuu kahteen tiettyyn kohtaan magneetissa tai, kuten sitä kutsutaan, magneetin napoihin. Kävi ilmi, että jokaisessa magneetissa on aina vähintään kaksi napaa, joista toista alettiin kutsua pohjoiseksi (C) ja toista eteläksi (S).
Rautaviilat osoittavat magneettikenttälinjojen sijainnin magneetin ympärillä olevassa tilassa
Tankomaisessa magneetissa sen navat sijaitsevat useimmiten tangon päissä. Erityisen elävä kuva ilmestyi tarkkailijoiden silmiin, kun he olettavat ripottelevan lasille tai paperille rautaviilaa, joiden alla oli magneetti. Lastut ovat tiiviisti magneetin napoissa. Sitten ne venyivät ohuina viivoina – yhteen sidottuina rautahiukkasina – napasta toiseen.
Magneettisten ilmiöiden lisätutkimus osoitti, että magneetin ympärillä olevassa tilassa vaikuttavat erityiset magneettiset voimat, tai kuten sanotaan, magneettikenttä… Magneettivoimien suunnan ja voimakkuuden osoittavat magneetin yläpuolella olevat rautaviilat.
Kokeet sahanpurulla ovat opettaneet paljon. Esimerkiksi raudanpala lähestyy magneetin napaa. Jos samalla paperia, jolla sahanpuru on, ravistellaan hieman, sahanpurukuvio alkaa muuttua. Magneettiset viivat tulevat ikään kuin näkyviksi. Ne siirtyvät magneetin napasta raudanpalalle ja paksunevat, kun rauta lähestyy napaa. Samalla kasvaa myös voima, jolla magneetti vetää rautapalaa itseään kohti.
Mihin sähkömagneetin rautatangon päähän muodostuu pohjoisnapa, kun virta kulkee kelan läpi, ja missä etelänapa? Se on helppo määrittää kelassa olevan sähkövirran suunnan perusteella. Virran (negatiivisten varausten virtauksen) tiedetään virtaavan lähteen negatiivisesta navasta positiiviseen.
Kun tämä tiedetään ja sähkömagneetin käämiä katsotaan, voidaan kuvitella, mihin suuntaan virta kulkee sähkömagneetin käännöksissä. Sähkömagneetin päähän, jossa virta tekee ympyräliikkeen myötäpäivään, muodostuu pohjoisnapa ja nauhan toiseen päähän, jossa virta liikkuu vastapäivään, etelänapa. Jos muutat sähkömagneetin käämin virran suuntaa, myös sen navat muuttuvat.
Lisäksi havaittiin, että sekä kestomagneetti että sähkömagneetti vetävät puoleensa paljon voimakkaammin, jos ne eivät ole suoran tangon muodossa, vaan ovat taipuneet niin, että niiden vastakkaiset navat ovat lähellä toisiaan.Tässä tapauksessa ei yksi napa houkuttele, vaan kaksi, ja lisäksi magneettiset voimalinjat ovat vähemmän hajallaan avaruudessa - ne ovat keskittyneet napojen väliin.
Kun vedetty rautaesine kiinnittyy molempiin napoihin, hevosenkengän magneetti melkein lakkaa hajottamasta voimalinjoja avaruuteen. Tämä on helppo nähdä samalla sahanpurulla paperilla. Magneettiset voimalinjat, jotka aiemmin ulottuivat napasta toiseen, kulkevat nyt vetäytyneen rautakappaleen läpi, ikään kuin niiden olisi helpompi kulkea raudan kuin ilman läpi.
Tutkimukset osoittavat, että näin todellakin on. Uusi konsepti on syntynyt - magneettinen permeabiliteetti, joka tarkoittaa arvoa, joka osoittaa, kuinka monta kertaa magneettiviivat kulkevat helpommin minkä tahansa aineen läpi kuin ilman läpi. Raudalla ja joillakin sen seoksilla on korkein magneettinen läpäisevyys. Tämä selittää, miksi metalleista rauta vetää eniten puoleensa magneetti.
Toisella metallilla, nikkelillä, havaittiin olevan pienempi magneettinen läpäisevyys. Ja magneetti vetää vähemmän puoleensa. Tietyillä muilla aineilla on havaittu olevan ilmaa suurempi magneettinen permeabiliteetti, ja siksi magneetit houkuttelevat niitä.
Mutta näiden aineiden magneettiset ominaisuudet ovat hyvin heikosti ilmaistuja. Siksi kaikki sähkölaitteet ja koneet, joissa sähkömagneetit toimivat tavalla tai toisella, eivät tähän päivään mennessä voi pärjätä ilman rautaa tai ilman erityisiä rautaa sisältäviä seoksia.
Luonnollisesti raudan ja sen magneettisten ominaisuuksien tutkimukseen on kiinnitetty paljon huomiota lähes sähkötekniikan alusta lähtien.Totta, tiukasti tieteelliset laskelmat tällä alueella tulivat mahdollisiksi vasta venäläisen tiedemiehen Aleksanteri Grigorjevitš Stoletovin vuonna 1872 suorittamien tutkimusten jälkeen. Hän havaitsi, että jokaisen rautapalan magneettinen läpäisevyys ei ole vakio. Hän on muuttumassa tämän kappaleen magnetointiasteelle.
Stoletovin ehdottama menetelmä raudan magneettisten ominaisuuksien testaamiseksi on arvokas, ja sitä käyttävät tutkijat ja insinöörit meidän aikanamme. Magneettisten ilmiöiden luonteen syvemmälle tutkiminen tuli mahdolliseksi vasta aineen rakenneteorian kehittymisen jälkeen.
Nykyaikainen käsitys magnetismista
Tiedämme nyt, että jokainen kemiallinen alkuaine koostuu atomeista — epätavallisen pienet monimutkaiset hiukkaset. Atomin keskellä on positiivisella sähköllä varautunut ydin. Elektronit, negatiivisen sähkövarauksen kantavat hiukkaset, pyörivät sen ympärillä. Elektronien lukumäärä ei ole sama eri kemiallisten alkuaineiden atomeille. Esimerkiksi vetyatomilla on vain yksi elektroni, joka kiertää sen ydintä, kun taas uraaniatomilla on yhdeksänkymmentäkaksi.
Tarkkailemalla huolellisesti erilaisia sähköilmiöitä tutkijat tulivat siihen tulokseen, että johdossa oleva sähkövirta ei ole muuta kuin elektronien liikettä. Muista nyt, että magneettikenttä syntyy aina johdon ympärille, jossa virtaa sähkövirta eli elektronit liikkuvat.
Tästä seuraa, että magneettikenttä esiintyy aina siellä, missä elektronit liikkuvat, toisin sanoen magneettikentän olemassaolo on seurausta elektronien liikkeestä.
Herää kysymys: missä tahansa aineessa elektronit pyörivät jatkuvasti atomiytimensä ympärillä, miksi tässä tapauksessa jokainen aine ei muodosta magneettikenttää ympärilleen?
Nykytiede antaa tähän seuraavan vastauksen. Jokaisella elektronilla on enemmän kuin pelkkä sähkövaraus. Sillä on myös magneetin ominaisuuksia, se on pieni alkuainemagneetti, joten elektronien luoma magneettikenttä niiden liikkuessa ytimen ympäri lisätään niiden omaan magneettikenttään.
Tässä tapauksessa useimpien atomien magneettikentät, taittuvat, tuhoutuvat täysin, imeytyvät. Ja vain muutamissa atomeissa – raudassa, nikkelissä, koboltissa ja paljon vähemmässä määrin muissa – magneettikentät osoittautuvat epätasapainoisiksi ja atomit ovat pieniä magneetteja. Näitä aineita kutsutaan ferromagneettinen ("Ferrum" tarkoittaa rautaa).
Jos ferromagneettisten aineiden atomit on järjestetty satunnaisesti, niin eri suuntiin suunnatut eri atomien magneettikentät lopulta kumoavat toisensa. Mutta jos pyörität niitä niin, että magneettikentät summautuvat – ja niin me teemme magnetoinnissa – magneettikentät eivät enää kumoa, vaan summaavat toisiaan.
Koko keho (rautapala) luo magneettikentän ympärilleen, siitä tulee magneetti. Vastaavasti kun elektronit liikkuvat yhteen suuntaan, mikä tapahtuu esimerkiksi johdossa olevan sähkövirran kanssa, yksittäisten elektronien magneettikenttä lisää kokonaismagneettikenttää.
Ulkoiseen magneettikenttään loukkuun jääneet elektronit puolestaan ovat aina alttiina jälkimmäiselle. Tämä mahdollistaa elektronien liikkeen ohjaamisen magneettikentän avulla.
Kaikki yllä oleva on vain likimääräinen ja hyvin yksinkertaistettu kaavio. Todellisuudessa johdoissa ja magneettisissa materiaaleissa esiintyvät atomiilmiöt ovat monimutkaisempia.
Magneettien ja magneettisten ilmiöiden tiede – magnetologia – on erittäin tärkeä nykyajan sähkötekniikalle.Magnetologi Nikolai Sergeevich Akulov antoi suuren panoksen tämän tieteen kehitykseen, joka löysi tärkeän lain, joka tunnetaan kaikkialla maailmassa nimellä "Akulovin laki". Tämän lain avulla on mahdollista määrittää etukäteen, kuinka metallien tärkeät ominaisuudet, kuten sähkönjohtavuus, lämmönjohtavuus jne., muuttuvat magnetoinnin aikana.
Tiedemiesten sukupolvet ovat työskennelleet tunkeutuakseen magneettisten ilmiöiden mysteeriin ja asettaakseen nämä ilmiöt ihmiskunnan palvelukseen. Nykyään miljoonat mitä monipuolisimmat magneetit ja sähkömagneetit toimivat ihmisen hyödyksi erilaisissa sähkökoneissa ja laitteissa. He vapauttavat ihmiset kovasta fyysisestä työstä, ja joskus he ovat korvaamattomia palvelijoita.
Katso muita mielenkiintoisia ja hyödyllisiä artikkeleita magneeteista ja niiden sovelluksista:
Luonnolliset magneettiset ilmiöt
Kestomagneetit — magneettien tyypit, ominaisuudet, vuorovaikutus
Kestomagneettien käyttö sähkötekniikassa ja energiateollisuudessa