Magnetski fenomeni u fizici - povijest, primjeri i zanimljivosti
Magnetizam i elektricitet
Prva praktična primjena magneta bila je u obliku komada magnetiziranog čelika koji je plutao na čepu u vodi ili ulju. U ovom slučaju, jedan kraj magneta uvijek pokazuje sjever, a drugi jug. Bio je to prvi kompas koji su mornari koristili.
Isto tako davno, nekoliko stoljeća prije naše ere, ljudi su znali da smolasta tvar - jantar, ako se protrlja vunom, na neko vrijeme dobiva sposobnost privlačenja lakih predmeta: komadića papira, komadića konca, dlake. Taj se fenomen naziva električnim ("elektron" na grčkom znači "jantar"). Kasnije se primijetilo da naelektrisan trenjem može ne samo jantar, već i druge tvari: staklo, voštani štapić itd.
Dugo vremena ljudi nisu vidjeli nikakvu vezu između dva neobična prirodna fenomena — magnetizma i elektriciteta. Samo se vanjski znak činio uobičajenim - svojstvo privlačenja: magnet privlači željezo, a staklena šipka natrljana vunenim komadićima papira.Istina, magnet je djelovao konstantno i naelektrizirani predmet nakon nekog vremena gubi svojstva, ali oboje se "privlače".
Ali sada, krajem 17. stoljeća, primijetilo se da munja — električni fenomen — udarci blizu čeličnih predmeta mogu ih magnetizirati. Tako su se, primjerice, jednom prilikom čelični noževi koji su ležali u drvenoj kutiji na neopisivo iznenađenje vlasnika pokazali magnetiziranim, nakon što je grom udario u kutiju i razbio je.
S vremenom se primjećuje sve više takvih slučajeva. Međutim, to još uvijek ne daje razloga za mišljenje da postoji jaka veza između elektriciteta i magnetizma. Takva je veza uspostavljena tek prije oko 180 godina. Tada je uočeno da magnetska igla kompasa skrene čim se blizu nje postavi žica duž koje teče električna struja.
Gotovo u isto vrijeme znanstvenici su otkrili još jedan, ništa manje upečatljiv fenomen. Ispostavilo se da je žica kroz koju teče električna struja sposobna privući sitne željezne strugotine na sebe. Ipak, vrijedilo je zaustaviti struju u žici, jer se piljevina odmah raspala i žica je izgubila magnetska svojstva.
Napokon je otkriveno još jedno svojstvo električne struje, čime je konačno potvrđena veza između elektriciteta i magnetizma. Ispostavilo se da je čelična igla postavljena u sredinu žičane zavojnice kroz koju teče električna struja (takva zavojnica se zove solenoid) se magnetizira na isti način kao da se trlja prirodnim magnetom.
Elektromagneti i njihova primjena
Iz iskustva s čeličnom iglom i rođen je elektromagnet… Postavljanjem meke željezne šipke u sredinu zavojnice žice umjesto igle, znanstvenici su bili uvjereni da kada struja prolazi kroz zavojnicu, željezo dobiva svojstvo magneta, a kada struja prestane gubi to svojstvo . Istodobno je uočeno da što je više zavoja žice u solenoidu, to je elektromagnet jači.
Pod utjecajem magneta koji se kreće, u zavojnici žice nastaje električna struja
Isprva se elektromagnet mnogima činio samo smiješna fizička naprava. Ljudi nisu slutili da će u bliskoj budućnosti pronaći najširu primjenu, poslužiti kao osnova za mnoge uređaje i strojeve (vidi - Praktična primjena fenomena elektromagnetske indukcije).
Princip rada elektromagnetskog releja
Nakon što je utvrđeno da električna struja daje žici magnetska svojstva, znanstvenici su postavili pitanje: postoji li obrnuti odnos između elektriciteta i magnetizma? Na primjer, bi li jak magnet postavljen unutar zavojnice žice uzrokovao strujanje električne struje kroz tu zavojnicu?
Zapravo, kad bi se električna struja pojavila u žici pod djelovanjem stacionarnog magneta, to bi bilo potpuno kontradiktorno zakon održanja energije… Prema ovom zakonu, da bi se dobila električna struja, potrebno je utrošiti drugu energiju koja bi se pretvorila u električnu energiju. Kada se uz pomoć magneta proizvodi električna struja, energija utrošena na kretanje magneta pretvara se u električnu energiju.
Proučavanje magnetskih pojava
Još sredinom XIII. stoljeća, znatiželjni promatrači primijetili su da magnetske kazaljke kompasa međusobno djeluju: krajevi koji pokazuju u istom smjeru se odbijaju, a oni koji pokazuju u drugom smjeru se privlače.
Ova je činjenica pomogla znanstvenicima da objasne djelovanje kompasa. Pretpostavlja se da je globus ogroman magnet, a krajevi igala kompasa tvrdoglavo se okreću u pravom smjeru, jer ih jedan magnetski pol Zemlje odbija, a drugi privlači. Ova se pretpostavka pokazala istinitom.
U proučavanju magnetskih fenomena, male željezne strugotine koje su prianjale na magnet bilo koje sile bile su od velike pomoći. Prije svega, primijećeno je da se većina piljevine lijepi za dva točno određena mjesta na magnetu ili, kako se to zove, polove magneta. Pokazalo se da svaki magnet uvijek ima najmanje dva pola, od kojih je jedan postao nazvan sjeverni (C), a drugi južni (S).
Željezne strugotine pokazuju položaj linija magnetskog polja u prostoru oko magneta
U šipkastom magnetu njegovi se polovi najčešće nalaze na krajevima šipke. Osobito živopisna slika pojavila se pred očima promatrača kada su pretpostavili posipati željezne strugotine na staklo ili papir, ispod kojih je ležao magnet. Strugotine su usko raspoređene u polovima magneta. Zatim su se u obliku tankih linija — čestica željeza povezanih zajedno — protezale od jednog pola do drugog.
Daljnje proučavanje magnetskih pojava pokazalo je da u prostoru oko magneta djeluju posebne magnetske sile ili, kako se kaže, magnetsko polje… Smjer i intenzitet magnetskih sila naznačeni su željeznim strugotinama iznad magneta.
Pokusi s piljevinom mnogo su nas naučili. Na primjer, komad željeza se približava polu magneta. Ako se pritom papir na kojem leži piljevina malo protrese, uzorak piljevine počinje se mijenjati. Magnetske linije postaju kao vidljive. Oni prelaze s pola magneta na komad željeza i postaju sve deblji kako se željezo približava polu. Istodobno se povećava i sila kojom magnet vuče komad željeza prema sebi.
Na kojem kraju željezne šipke elektromagneta nastaje sjeverni pol kada struja prolazi kroz zavojnicu, a na kojem je južni pol? Lako ga je odrediti prema smjeru električne struje u zavojnici. Poznato je da struja (tok negativnih naboja) teče od negativnog pola izvora prema pozitivnom.
Znajući to i gledajući zavojnicu elektromagneta, može se zamisliti u kojem će smjeru teći struja u zavojima elektromagneta. Na kraju elektromagneta, gdje će se struja kružno kretati u smjeru kazaljke na satu, formira se sjeverni pol, a na drugom kraju trake, gdje se struja kreće u smjeru suprotnom od kazaljke na satu, južni pol. Ako promijenite smjer struje u svitku elektromagneta, promijenit će se i njegovi polovi.
Dalje je uočeno da se i permanentni magnet i elektromagnet puno jače privlače ako nisu u obliku ravne šipke, već su savijeni tako da su im suprotni polovi blizu jedan drugome.U ovom slučaju, ne privlači jedan pol, već dva, a osim toga, linije magnetske sile manje su raspršene u prostoru - koncentrirane su između polova.
Kada privučeni željezni predmet prianja uz oba pola, potkovičasti magnet gotovo prestaje rasipati linije sile u svemir. To je lako vidjeti s istom piljevinom na papiru. Magnetske silnice, koje su se prije protezale od jednog do drugog pola, sada prolaze kroz privučeni željezni predmet, kao da im je lakše prolaziti kroz željezo nego kroz zrak.
Istraživanja pokazuju da je to doista tako. Pojavio se novi koncept - magnetska permeabilnost, što označava vrijednost koja pokazuje koliko puta je magnetskim linijama lakše proći kroz bilo koju tvar nego kroz zrak. Željezo i neke njegove legure imaju najveću magnetsku propusnost. To objašnjava zašto od metala željezo najviše privlači magnet.
Utvrđeno je da drugi metal, nikal, ima manju magnetsku propusnost. I manje ga privlači magnet. Utvrđeno je da neke druge tvari imaju magnetsku propusnost veću od zraka i stoga ih privlače magneti.
Ali magnetska svojstva ovih tvari vrlo su slabo izražena. Dakle, svi električni uređaji i strojevi, u kojima elektromagneti rade na ovaj ili onaj način, do danas ne mogu bez željeza ili bez posebnih legura koje sadrže željezo.
Proučavanju željeza i njegovih magnetskih svojstava posvećivala se, naravno, velika pažnja gotovo od samih početaka elektrotehnike.Istinski, strogo znanstveni proračuni u ovom području postali su mogući tek nakon studija ruskog znanstvenika Aleksandra Grigorjeviča Stoletova, provedenih 1872. godine. On je otkrio da magnetska propusnost svakog komada željeza nije konstantna. Ona se mijenja za stupanj magnetizacije ovog komada.
Metoda ispitivanja magnetskih svojstava željeza koju je predložio Stoletov ima veliku vrijednost i koriste je znanstvenici i inženjeri u naše vrijeme. Dublje proučavanje prirode magnetskih pojava postalo je moguće tek nakon razvoja teorije o strukturi materije.
Moderno shvaćanje magnetizma
Sada znamo da svaki kemijski element sastoji se od atoma — neobično male složene čestice. U središtu atoma nalazi se jezgra nabijena pozitivnim elektricitetom. Oko njega kruže elektroni, čestice koje nose negativan električni naboj. Broj elektrona nije isti za atome različitih kemijskih elemenata. Na primjer, atom vodika ima samo jedan elektron koji kruži oko njegove jezgre, dok atom urana ima devedeset dva.
Pažljivim promatranjem raznih električnih pojava znanstvenici su došli do zaključka da električna struja u žici nije ništa drugo doli kretanje elektrona. Sjetimo se da oko žice u kojoj teče električna struja uvijek nastaje magnetsko polje, odnosno gibaju se elektroni.
Iz toga slijedi da se magnetsko polje uvijek javlja tamo gdje postoji gibanje elektrona, odnosno postojanje magnetskog polja je posljedica gibanja elektrona.
Postavlja se pitanje: u bilo kojoj tvari elektroni neprestano rotiraju oko svojih atomskih jezgri, zašto u ovom slučaju svaka tvar ne formira magnetsko polje oko sebe?
Moderna znanost na to daje sljedeći odgovor. Svaki elektron ima više od pukog električnog naboja. Također ima svojstva magneta, mali je elementarni magnet. Dakle, magnetsko polje koje stvaraju elektroni dok se kreću oko jezgre dodaje se njihovom vlastitom magnetskom polju.
U ovom slučaju, magnetska polja većine atoma, preklapanje, potpuno su uništena, apsorbirana. A u samo nekoliko atoma - željeza, nikla, kobalta iu mnogo manjoj mjeri u drugih - pokazalo se da su magnetska polja neuravnotežena, a atomi su mali magneti. Te se tvari nazivaju feromagnetski ("Ferrum" znači željezo).
Ako su atomi feromagnetskih tvari raspoređeni nasumično, tada se magnetska polja različitih atoma usmjerena u različitim smjerovima na kraju međusobno poništavaju. Ali ako ih rotirate tako da se magnetska polja zbrajaju - a to je ono što radimo u magnetizaciji - magnetska polja se više neće poništavati, već se zbrajati jedno s drugim.
Cijelo tijelo (komad željeza) stvorit će oko sebe magnetsko polje, postat će magnet. Slično, kada se elektroni kreću u jednom smjeru, što se, na primjer, događa s električnom strujom u žici, magnetsko polje pojedinačnih elektrona dodaje se ukupnom magnetskom polju.
Zauzvrat, elektroni zarobljeni u vanjskom magnetskom polju uvijek su izloženi potonjem. To omogućuje kontrolu kretanja elektrona pomoću magnetskog polja.
Sve gore navedeno samo je približna i vrlo pojednostavljena shema. U stvarnosti su atomski fenomeni koji se događaju u žicama i magnetskim materijalima složeniji.
Znanost o magnetima i magnetskim fenomenima — magnetologija — vrlo je važna za modernu elektrotehniku.Veliki doprinos razvoju ove znanosti dao je magnetolog Nikolaj Sergejevič Akulov, koji je otkrio važan zakon poznat u cijelom svijetu kao "Akulovljev zakon". Ovaj zakon omogućuje unaprijed određivanje kako se tijekom magnetizacije mijenjaju tako važna svojstva metala kao što su električna vodljivost, toplinska vodljivost itd.
Generacije znanstvenika radile su na pronicanju u misterij magnetskih fenomena i stavljanju tih fenomena u službu čovječanstva. Danas milijuni najrazličitijih magneta i elektromagneta rade na dobrobit čovjeka u raznim električnim strojevima i uređajima. Oslobađaju ljude teškog fizičkog rada, a ponekad su neizostavne sluge.
Pogledajte i druge zanimljive i korisne članke o magnetima i njihovoj primjeni:
Magnetizam i elektromagnetizam
Permanentni magneti — vrste, svojstva, međudjelovanje magneta