Magnētiskās parādības fizikā - vēsture, piemēri un interesanti fakti
Magnētisms un elektrība
Pirmais praktiskais magnēta pielietojums bija magnetizēta tērauda gabala veidā, kas peldēja uz spraudņa ūdenī vai eļļā. Šajā gadījumā viens magnēta gals vienmēr ir vērsts uz ziemeļiem, bet otrs uz dienvidiem. Tas bija pirmais kompass, ko izmantoja jūrnieki.
Tikpat sen, vairākus gadsimtus pirms mūsu ēras, cilvēki zināja, ka sveķaina viela — dzintars, ja to ierīvē ar vilnu, kādu laiku saņēma spēju piesaistīt vieglus priekšmetus: papīra gabaliņus, diegu gabaliņus, pūkas. Šo parādību sauc par elektrisku ("elektrons" grieķu valodā nozīmē "dzintars"). Vēlāk tas tika pamanīts elektrificēts ar berzi var ne tikai dzintars, bet arī citas vielas: stikls, vaska kociņš u.c.
Ilgu laiku cilvēki nesaskatīja saistību starp divām neparastām dabas parādībām — magnētismu un elektrību. Šķita, ka ir izplatīta tikai ārēja zīme — pievilcības īpašība: magnēts pievelk dzelzi un stikla stienis, kas noberzts ar vilnas papīra lūžņiem.Tiesa, magnēts darbojās nepārtraukti un elektrificētais objekts pēc kāda laika zaudē savas īpašības, taču abi "pievelk".
Taču tagad, 17. gadsimta beigās, tika pamanīts, ka zibens — elektriskā parādība — trieciens pie tērauda priekšmetiem var tos magnetizēt. Tā, piemēram, reiz koka kastē gulējuši tērauda naži par neaprakstāmu saimnieka pārsteigumu izrādījās magnetizēti pēc tam, kad kastē iespēra zibens un to salauza.
Laika gaitā šādi gadījumi tiek novēroti arvien vairāk. Tomēr tas joprojām nedod iemeslu domāt, ka starp elektrību un magnētismu pastāv cieša saikne. Šāds savienojums tika izveidots tikai pirms aptuveni 180 gadiem. Pēc tam tika novērots, ka kompasa magnētiskā adata novirzās, tiklīdz tai tiek novietots vads, pa kuru plūst elektriskā strāva.
Gandrīz tajā pašā laikā zinātnieki atklāja vēl vienu, ne mazāk pārsteidzošu parādību. Izrādījās, ka vads, pa kuru plūst elektriskā strāva, spēj pievilkt sev nelielas dzelzs skaidas. Tomēr bija vērts apturēt strāvu vadā, jo zāģskaidas uzreiz sabruka un vads zaudēja magnētiskās īpašības.
Visbeidzot tika atklāta vēl viena elektriskās strāvas īpašība, kas beidzot apstiprināja saikni starp elektrību un magnētismu. Izrādījās, ka stieples spoles vidū ievietota tērauda adata, caur kuru plūst elektriskā strāva (tādu spoli sauc solenoīds) tiek magnetizēts tādā pašā veidā, it kā berzētu ar dabisko magnētu.
Elektromagnēti un to izmantošana
No pieredzes ar tērauda adatu un piedzima elektromagnēts… Adatas vietā ievietojot stieples spoles vidū mīkstu dzelzs stieni, zinātnieki pārliecinājās, ka, strāvai ejot cauri spolii, dzelzs iegūst magnēta īpašību, un, strāvai apstājas, tas zaudē šo īpašību. . Tajā pašā laikā tika novērots, ka jo vairāk stieples pagriezienu solenoīdā, jo spēcīgāks ir elektromagnēts.
Kustīga magnēta ietekmē stieples spolē tiek ģenerēta elektriskā strāva
Sākumā elektromagnēts daudziem šķita tikai smieklīga fiziska ierīce. Cilvēkiem nebija aizdomas, ka tuvākajā nākotnē tas atradīs visplašāko pielietojumu, kalpos par pamatu daudzām ierīcēm un mašīnām (sk. Elektromagnētiskās indukcijas fenomena praktiskais pielietojums).
Elektromagnētiskā releja darbības princips
Pēc tam, kad tika noskaidrots, ka elektriskā strāva dod stieples magnētiskās īpašības, zinātnieki uzdeva jautājumu: vai pastāv apgriezta saikne starp elektrību un magnētismu? Piemēram, vai spēcīgs magnēts, kas ievietots stieples spolē, izraisītu elektriskās strāvas plūsmu caur šo spoli?
Faktiski, ja stacionāra magnēta iedarbībā vadā parādītos elektriskā strāva, tas būtu pilnīgi pretrunīgi. enerģijas nezūdamības likums… Saskaņā ar šo likumu, lai iegūtu elektrisko strāvu, ir jāiztērē cita enerģija, kas tiktu pārvērsta elektroenerģijā. Kad ar magnēta palīdzību tiek ražota elektriskā strāva, magnēta kustībā iztērētā enerģija tiek pārvērsta elektroenerģijā.
Magnētisko parādību izpēte
XIII gadsimta vidū ziņkārīgie novērotāji pamanīja, ka kompasa magnētiskās rokas mijiedarbojas viena ar otru: gali, kas vērsti vienā virzienā, atgrūž viens otru, un tie, kas vērsti citā veidā, piesaista.
Šis fakts palīdzēja zinātniekiem izskaidrot kompasa darbību. Tiek pieņemts, ka globuss ir milzīgs magnēts, un kompasa adatu gali spītīgi griežas pareizajā virzienā, jo tos atgrūž viens Zemes magnētiskais pols un pievelk cits. Šis pieņēmums izrādījās patiess.
Magnētisko parādību izpētē ļoti palīdzējušas nelielas dzelzs vīles, kas pielīp pie jebkura spēka magnēta. Pirmkārt, tika pamanīts, ka lielākā daļa zāģu skaidu pielīp divās konkrētās vietās uz magnēta jeb, kā to sauc, magnēta poliem. Izrādījās, ka katram magnētam vienmēr ir vismaz divi stabi, no kuriem vienu sāka saukt par ziemeļiem (C), bet otru - par dienvidiem (S).
Dzelzs vīles parāda magnētiskā lauka līniju atrašanās vietu telpā ap magnētu
Stieņiem līdzīgā magnētā tā stabi visbiežāk atrodas stieņa galos. Īpaši spilgta aina parādījās novērotāju acu priekšā, kad viņi pieņēma, ka uz stikla vai papīra uzkaisa dzelzs vīles, zem kurām atradās magnēts. Skaidras ir cieši izvietotas magnēta polios. Pēc tam tievu līniju veidā — kopā savienotu dzelzs daļiņu — tie stiepās no viena pola līdz otram.
Turpmāka magnētisko parādību izpēte parādīja, ka telpā ap magnētu iedarbojas īpaši magnētiski spēki jeb, kā saka, magnētiskais lauks… Magnētisko spēku virzienu un intensitāti norāda dzelzs vīles, kas atrodas virs magnēta.
Eksperimenti ar zāģu skaidām ir daudz iemācījuši. Piemēram, dzelzs gabals tuvojas magnēta polam. Ja tajā pašā laikā papīrs, uz kura atrodas zāģu skaidas, nedaudz sakrata, zāģu skaidu raksts sāk mainīties. Magnētiskās līnijas kļūst it kā redzamas. Tie pāriet no magnēta pola uz dzelzs gabalu un kļūst biezāki, kad dzelzs tuvojas polam. Tajā pašā laikā palielinās arī spēks, ar kādu magnēts velk dzelzs gabalu pret sevi.
Kurā elektromagnēta dzelzs stieņa galā veidojas ziemeļpols, kad strāva iet caur spoli, un kurā ir dienvidu pols? To ir viegli noteikt pēc elektriskās strāvas virziena spolē. Ir zināms, ka strāva (negatīvo lādiņu plūsma) plūst no avota negatīvā pola uz pozitīvo.
To zinot un skatoties uz elektromagnēta spoli, var iedomāties, kurā virzienā plūdīs strāva elektromagnēta pagriezienos. Elektromagnēta galā, kur strāva veiks apļveida kustību pulksteņrādītāja virzienā, veidojas ziemeļpols, bet otrā joslas galā, kur strāva virzās pretēji pulksteņrādītāja virzienam, dienvidu pols. Ja mainīsit strāvas virzienu elektromagnēta spolē, mainīsies arī tā poli.
Tālāk tika novērots, ka gan pastāvīgais magnēts, gan elektromagnēts piesaista daudz spēcīgāk, ja tie nav taisna stieņa formā, bet ir saliekti tā, ka to pretējie poli atrodas tuvu viens otram.Šajā gadījumā piesaista nevis viens pols, bet divi, turklāt magnētiskās spēka līnijas ir mazāk izkliedētas telpā - tās ir koncentrētas starp poliem.
Kad piesaistītais dzelzs priekšmets pielīp pie abiem poliem, pakava magnēts gandrīz pārstāj izkliedēt spēka līnijas kosmosā. To ir viegli redzēt ar tām pašām zāģu skaidām uz papīra. Magnētiskās spēka līnijas, kas agrāk sniedzās no viena pola uz otru, tagad iet cauri piesaistītajam dzelzs priekšmetam, it kā tām būtu vieglāk iziet cauri dzelzi nekā caur gaisu.
Pētījumi liecina, ka tas tā patiešām ir. Ir parādījusies jauna koncepcija - magnētiskā caurlaidība, kas apzīmē vērtību, kas norāda, cik reižu magnētiskajām līnijām ir vieglāk iziet cauri jebkurai vielai nekā caur gaisu. Dzelzs un daži no tā sakausējumiem ir ar visaugstāko magnētisko caurlaidību. Tas izskaidro, kāpēc no metāliem magnēts visvairāk piesaista dzelzi.
Tika konstatēts, ka citam metālam, niķelim, ir zemāka magnētiskā caurlaidība. Un to mazāk piesaista magnēts. Ir konstatēts, ka dažām citām vielām ir lielāka magnētiskā caurlaidība nekā gaisam, un tāpēc tās pievelk magnēti.
Bet šo vielu magnētiskās īpašības ir ļoti vāji izteiktas. Tāpēc visas elektriskās ierīces un mašīnas, kurās tā vai citādi darbojas elektromagnēti, līdz mūsdienām nevar iztikt bez dzelzs vai bez īpašiem sakausējumiem, kas ietver dzelzi.
Dzelzs un tās magnētisko īpašību izpētei, protams, liela uzmanība ir pievērsta gandrīz jau no pašiem elektrotehnikas pirmsākumiem.Tiesa, stingri zinātniski aprēķini šajā jomā kļuva iespējami tikai pēc krievu zinātnieka Aleksandra Grigorjeviča Stoletova pētījumiem, kas veikti 1872. gadā. Viņš atklāja, ka katra dzelzs gabala magnētiskā caurlaidība nav nemainīga. Viņa mainās šī gabala magnetizācijas pakāpei.
Stoletova piedāvātajai dzelzs magnētisko īpašību pārbaudes metodei ir liela vērtība, un to mūsdienās izmanto zinātnieki un inženieri. Magnētisko parādību būtības dziļāka izpēte kļuva iespējama tikai pēc matērijas uzbūves teorijas izstrādes.
Mūsdienu izpratne par magnētismu
Tagad mēs zinām, ka katrs ķīmiskais elements sastāv no atomiem — neparasti mazas kompleksās daļiņas. Atoma centrā atrodas kodols, kas uzlādēts ar pozitīvu elektrību. Ap to griežas elektroni, daļiņas, kas nes negatīvu elektrisko lādiņu. Elektronu skaits dažādu ķīmisko elementu atomiem nav vienāds. Piemēram, ūdeņraža atomam ap kodolu riņķo tikai viens elektrons, bet urāna atomam — deviņdesmit divi.
Rūpīgi novērojot dažādas elektriskās parādības, zinātnieki nonāca pie secinājuma, ka elektriskā strāva vadā nav nekas vairāk kā elektronu kustība. Tagad atcerieties, ka magnētiskais lauks vienmēr rodas ap vadu, kurā plūst elektriskā strāva, tas ir, elektroni pārvietojas.
No tā izriet, ka magnētiskais lauks vienmēr parādās tur, kur notiek elektronu kustība, citiem vārdiem sakot, magnētiskā lauka esamība ir elektronu kustības sekas.
Rodas jautājums: jebkurā vielā elektroni nepārtraukti griežas ap saviem atomu kodoliem, kāpēc šajā gadījumā katra viela neveido ap sevi magnētisko lauku?
Mūsdienu zinātne uz to sniedz šādu atbildi. Katram elektronam ir vairāk nekā tikai elektriskais lādiņš. Tam ir arī magnēta īpašības, tas ir mazs elementārs magnēts.Tādējādi magnētiskais lauks, ko rada elektroni, pārvietojoties pa kodolu, tiek pievienots viņu pašu magnētiskajam laukam.
Šajā gadījumā vairuma atomu magnētiskie lauki, salokāmi, tiek pilnībā iznīcināti, absorbēti. Un tikai dažos atomos — dzelzs, niķeļa, kobalta un daudz mazākā mērā citos — magnētiskie lauki izrādās nelīdzsvaroti, un atomi ir mazi magnēti. Šīs vielas sauc feromagnētisks ("Ferrum" nozīmē dzelzi).
Ja feromagnētisko vielu atomi ir izkārtoti nejauši, tad dažādu atomu magnētiskie lauki, kas vērsti dažādos virzienos, galu galā dzēš viens otru. Bet, ja jūs tos pagriežat tā, lai magnētiskie lauki summētos — un tas ir tas, ko mēs darām magnetizācijā —, magnētiskie lauki vairs neizzudīs, bet papildinās viens otru.
Viss ķermenis (dzelzs gabals) radīs ap sevi magnētisko lauku, tas kļūs par magnētu. Līdzīgi, kad elektroni pārvietojas vienā virzienā, kas, piemēram, notiek ar elektrisko strāvu vadā, atsevišķu elektronu magnētiskais lauks papildina kopējo magnētisko lauku.
Savukārt elektroni, kas iesprostoti ārējā magnētiskajā laukā, vienmēr ir pakļauti pēdējam. Tas ļauj kontrolēt elektronu kustību, izmantojot magnētisko lauku.
Viss iepriekš minētais ir tikai aptuvena un ļoti vienkāršota shēma. Patiesībā atomu parādības, kas rodas vados un magnētiskajos materiālos, ir sarežģītākas.
Zinātne par magnētiem un magnētiskajām parādībām — magnetoloģija — ir ļoti svarīga mūsdienu elektrotehnikai.Lielu ieguldījumu šīs zinātnes attīstībā sniedza magnetologs Nikolajs Sergejevičs Akulovs, kurš atklāja svarīgu likumu, kas visā pasaulē pazīstams kā "Akulova likums". Šis likums ļauj iepriekš noteikt, kā magnetizācijas laikā mainās tādas svarīgas metālu īpašības kā elektrovadītspēja, siltumvadītspēja u.c.
Zinātnieku paaudzes ir strādājušas, lai iekļūtu magnētisko parādību noslēpumā un nodotu šīs parādības cilvēces vajadzībām. Mūsdienās miljoniem visdažādāko magnētu un elektromagnētu strādā cilvēka labā dažādās elektriskās mašīnās un ierīcēs. Viņi atbrīvo cilvēkus no smaga fiziska darba, un dažreiz viņi ir neaizstājami kalpi.
Apskatiet citus interesantus un noderīgus rakstus par magnētiem un to pielietojumu:
Magnētisms un elektromagnētisms