Магнитни явления във физиката — история, примери и интересни факти
Магнетизъм и електричество
Първото практическо приложение на магнита беше под формата на парче намагнетизирана стомана, плаващо върху тапа във вода или масло. В този случай единият край на магнита винаги сочи на север, а другият на юг. Това беше първият компас, използван от моряците.
Точно толкова отдавна, няколко века преди нашата ера, хората знаеха, че смолисто вещество — кехлибар, ако се натрие с вълна, получава за известно време способността да привлича леки предмети: парчета хартия, парчета конци, пух. Това явление е наречено електрическо («електрон» — на гръцки означава «кехлибар»). По -късно беше забелязано, че електрифициран от триене може не само кехлибар, но и други вещества: стъкло, восъчна пръчка и др.
Дълго време хората не виждаха никаква връзка между два необичайни природни феномена — магнетизъм и електричество. Само външен знак изглеждаше общ — свойството да привлича: магнит привлича желязо, а стъклена пръчка, натрита с вълна — парчета хартия. Вярно, магнитът е действал постоянно и наелектризираният обект губи свойствата си след известно време, но и двете се „привличат“.
Но сега, в края на 17 -ти век, беше забелязано, че мълния — електрическо явление, — удрянето в близост до стоманени предмети може да ги намагнетизира. Така например веднъж стоманени ножове, лежащи в дървена кутия, се оказаха намагнети за неописуема изненада на собственика, след като мълния удари кутията и я счупи.
С течение на времето се наблюдават все повече и повече подобни случаи. Това обаче все още не дава основание да се мисли, че има силна връзка между електричеството и магнетизма. Такава връзка е установена едва преди около 180 години. Тогава беше забелязано, че магнитната игла на компаса се отклонява веднага щом до нея се намира проводник, по който тече електрически ток.
Почти по същото време учените откриха друго, не по -малко поразително явление. Оказа се, че проводникът, през който протича електрическият ток, е в състояние да привлече малки железни стружки към себе си. Струваше си обаче да спре тока в проводника, тъй като дървените стърготини веднага се разпаднаха и проводникът загуби магнитните си свойства.
Накрая беше открито друго свойство на електрическия ток, което окончателно потвърди връзката между електричеството и магнетизма. Оказа се, че стоманена игла, поставена в средата на телена намотка, през която протича електрически ток (такава намотка се нарича соленоид) се намагнетизира по същия начин, сякаш е разтрит с естествен магнит.
Електромагнити и тяхното използване
От опит със стоманена игла и се роди електромагнит… Поставяйки мека желязна пръчка в средата на телената намотка вместо игла, учените бяха убедени, че при преминаване на ток през намотката желязото придобива свойството на магнит и след като токът спре, той губи това свойство . В същото време беше забелязано, че колкото повече завъртания на проводника в соленоида, толкова по -силен е електромагнитът.
Под въздействието на движещ се магнит в телената бобина се генерира електрически ток
Отначало електромагнитът изглеждаше на мнозина просто смешно физическо устройство. Хората не подозираха, че в близко бъдеще ще намери най -широко приложение, ще послужи като основа за много устройства и машини (виж — Практическо приложение на явлението електромагнитна индукция).
Принципът на действие на електромагнитното реле
След като беше установено, че електрическият ток дава на проводника магнитни свойства, учените зададоха въпроса: има ли обратна връзка между електричеството и магнетизма? Например, силен магнит, поставен вътре в телена намотка, би причинил електрически ток в тази намотка?
Всъщност, ако електрически ток се появи в проводник под действието на неподвижен магнит, това би било напълно в противоречие закон за съхранение на енергия… Според този закон, за да се получи електрически ток, е необходимо да се изразходва друга енергия, която би се преобразувала в електрическа енергия. Когато с помощта на магнит се получи електрически ток, енергията, изразходвана за движението на магнита, се превръща в електрическа енергия.
Изучаване на магнитни явления
Обратно в средата на XIII Векове наред любознателните наблюдатели забелязват, че магнитните стрелки на компаса взаимодействат помежду си: краищата, сочещи една и съща посока, се отблъскват, а посочващите по различен начин се привличат.
Този факт помогна на учените да обяснят действието на компаса. Предполага се, че земното кълбо е огромен магнит, а краищата на стрелките на компаса упорито се завъртат в правилната посока, тъй като те са отблъснати от един магнитен полюс на Земята и привлечени от друг. Това предположение се оказа вярно.
При изучаването на магнитни явления малки железни стружки, прилепнали към магнит с всякаква сила, много помогнаха. На първо място, беше забелязано, че повечето дървени стърготини се залепват за две специфични места на магнита или, както се нарича, полюсите на магнита. Оказа се, че всеки магнит винаги има поне два полюса, от които единият започна да се нарича север (C), а другият — юг (S).
Железните стружки показват местоположението на магнитните силови линии в пространството около магнита
В магнит, подобен на лента, полюсите му най-често се намират в краищата на лентата. Особено ярка картина се появи пред очите на наблюдателите, когато те предположиха да поръсят железни стружки върху стъкло или хартия, под които лежеше магнит. Стърготините са плътно разположени в полюсите на магнита. След това под формата на тънки линии — железни частици, свързани заедно — те се простираха от единия полюс до другия.
По -нататъшното проучване на магнитните явления показа, че в пространството около магнита действат специални магнитни сили или, както се казва, магнитно поле… Посоката и интензитетът на магнитните сили се показват от железните стружки, разположени над магнита.
Експериментите с дървени стърготини научиха много. Например парче желязо се приближава до полюса на магнит. Ако в същото време хартията, върху която лежат дървени стърготини, се разклати малко, моделът на дървени стърготини започва да се променя. Магнитните линии стават сякаш видими. Те преминават от полюса на магнита към парчето желязо и стават все по -дебели с приближаването на желязото към полюса. В същото време силата, с която магнитът дърпа парчето желязо към себе си, също се увеличава.
В кой край на желязната пръчка на електромагнита се образува северният полюс при преминаване на ток през бобината и в кой е южният? Лесно е да се определи по посоката на електрическия ток в бобината. Известно е, че токът (поток от отрицателни заряди) тече от отрицателния полюс на източника към положителния.
Знаейки това и гледайки намотката на електромагнита, човек може да си представи в коя посока ще тече токът в завоите на електромагнита. В края на електромагнита, където токът ще направи кръгово движение по посока на часовниковата стрелка, се образува северен полюс, а в другия край на лентата, където движението на тока е противоположно на движението по часовниковата стрелка, южен полюс. Ако промените посоката на тока в намотката на електромагнита, полюсите му също ще се променят.
Освен това беше забелязано, че както постоянният магнит, така и електромагнитът се привличат много по -силно, ако не са под формата на права лента, а са огънати така, че противоположните им полюси да са близо един до друг. В този случай не един полюс привлича, а два, а освен това магнитните силови линии са по -малко разпръснати в пространството — те са концентрирани между полюсите.
Когато привлеченият железен предмет се придържа към двата полюса, магнитът на подковата почти спира да разсейва силовите линии в пространството. Това е лесно да се види със същите дървени стърготини на хартия. Магнитните силови линии, които преди това се простираха от единия полюс на другия, сега преминават през привлечения железен предмет, сякаш за тях е по -лесно да преминат през желязо, отколкото през въздуха.
Изследванията показват, че това наистина е така. Появи се нова концепция — магнитна пропускливост, която обозначава стойност, която показва колко пъти е по -лесно магнитните линии да преминават през всяко вещество, отколкото през въздуха. Желязото и някои от неговите сплави имат най -висока магнитна пропускливост. Това обяснява защо от металите желязото се привлича най -добре от магнит.
Друг метал, никел, се оказа с по -ниска магнитна пропускливост. И е по -малко привлечен от магнит. Установено е, че някои други вещества имат магнитна пропускливост по -голяма от въздуха и следователно се привличат от магнити.
Но магнитните свойства на тези вещества са много слабо изразени. Следователно, всички електрически устройства и машини, в които електромагнитите работят по един или друг начин, и до днес не могат без желязо или без специални сплави, които включват желязо.
Естествено, много внимание се обръща на изследването на желязото и неговите магнитни свойства почти от самото начало на електротехниката. Истинските, строго научни изчисления в тази област стават възможни едва след проучванията на руския учен Александър Григориевич Столетов, проведени през 1872 г. Той откри, че магнитната пропускливост на всяко парче желязо не е постоянна. Тя се променя за степента на намагнитване на това парче.
Методът за изпитване на магнитните свойства на желязото, предложен от Столетов, има голяма стойност и в наше време се използва от учени и инженери. По -задълбоченото изследване на природата на магнитните явления стана възможно едва след развитието на теорията за структурата на материята.
Съвременното разбиране за магнетизма
Сега знаем, че всеки химичен елемент се състои от атоми — необичайно малки сложни частици. В центъра на атома има ядро, заредено с положително електричество. Около него се въртят електрони, частици, които носят отрицателен електрически заряд. Броят на електроните не е еднакъв за атомите на различни химични елементи. Например, водородният атом има само един електрон, който се върти около ядрото си, докато атомът на уран има деветдесет и два.
Чрез внимателно наблюдение на различни електрически явления учените стигнаха до извода, че електрическият ток в проводник не е нищо повече от движението на електрони. Сега помнете, че около проводник, в който тече електрически ток, тоест електроните се движат, винаги възниква магнитно поле.
От това следва, че магнитно поле винаги се появява там, където има движение на електрони, с други думи, съществуването на магнитно поле е следствие от движението на електрони.
Възниква въпросът: във всяко вещество електроните постоянно се въртят около атомните си ядра, защо в този случай всяко вещество не образува магнитно поле около себе си?
Съвременната наука дава следния отговор на това. Всеки електрон има не само електрически заряд. Той също има свойствата на магнит, той е малък елементарен магнит.По този начин магнитното поле, създадено от електроните, докато се движат около ядрото, се добавя към тяхното собствено магнитно поле.
В този случай магнитните полета на повечето атоми, сгъвайки се, напълно се разрушават, поглъщат се. И само в няколко атома — желязо, никел, кобалт и в много по -малка степен в други, магнитните полета се оказват небалансирани, а атомите са малки магнити. Тези вещества се наричат феромагнитен («Ферум» означава желязо).
Ако атомите на феромагнитни вещества са подредени на случаен принцип, тогава магнитните полета на различни атоми, насочени в различни посоки, в крайна сметка се унищожават взаимно. Но ако ги завъртите така, че магнитните полета да се съберат — и това е, което правим при намагнитване — магнитните полета вече няма да се гасят, а се събират помежду си.
Цялото тяло (парче желязо) ще създаде магнитно поле около себе си, ще стане магнит. По същия начин, когато електроните се движат в една посока, което например възниква с електрически ток в проводник, магнитното поле на отделните електрони се добавя към общо магнитно поле.
На свой ред, електроните, уловени във външно магнитно поле, винаги са изложени на последното. Това позволява движението на електроните да се контролира с помощта на магнитно поле.
Всичко по -горе е само приблизителна и много опростена схема. В действителност атомните явления, които се случват в проводници и магнитни материали, са по -сложни.
Науката за магнитите и магнитните явления — магнитологията — е много важна за съвременната електротехника. Голям принос за развитието на тази наука има магнитологът Николай Сергеевич Акулов, който открива важен закон, известен в целия свят като «закон на Акулов». Този закон дава възможност предварително да се установи как такива важни свойства на металите като електрическа проводимост, топлопроводимост и т.н., се променят по време на намагнитването.
Цели поколения учени са работили, за да проникнат в мистерията на магнитните явления и да поставят тези явления в услуга на човечеството. В днешно време милиони от най -разнообразните магнити и електромагнити работят в полза на човека в различни електрически машини и устройства. Те освобождават хората от тежък физически труд, а понякога са незаменими слуги.
Вижте други интересни и полезни статии за магнитите и техните приложения:
Магнетизъм и електромагнетизъм
Постоянни магнити — видове, свойства, взаимодействие на магнити
Използването на постоянни магнити в електротехниката и енергетиката