Mágneses jelenségek a fizikában - történelem, példák és érdekes tények
Mágnesesség és elektromosság
A mágnes első gyakorlati alkalmazása egy mágnesezett acéldarab volt, amely egy dugón lebeg vízben vagy olajban. Ebben az esetben a mágnes egyik vége mindig északra, a másik délre mutat. Ez volt az első tengerészek által használt iránytű.
Csakúgy, mint régen, több évszázaddal korszakunk előtt, az emberek tudták, hogy egy gyantás anyag - a borostyán, ha gyapjúval dörzsölték - egy ideig képes vonzani a könnyű tárgyakat: papírdarabokat, cérnadarabokat, pihéket. Ezt a jelenséget elektromosnak nevezik (az elektron jelentése görögül borostyán). Később ezt vették észre súrlódástól felvillanyozódik nem csak borostyán, hanem egyéb anyagok is: üveg, viaszpálcika stb.
Az emberek sokáig nem láttak összefüggést két szokatlan természeti jelenség – a mágnesesség és az elektromosság – között. Csak egy külső jel tűnt általánosnak – a vonzerő tulajdonsága: a mágnes vonzza a vasat, és egy üvegrúd, amelyet gyapjú papírdarabokkal dörzsöltek.Igaz, a mágnes folyamatosan hatott, és a villamosított tárgy egy idő után elveszti tulajdonságait, de mindkettő "vonz".
De most, a 17. század végén észrevették, hogy villám — elektromos jelenség — az acéltárgyak közelébe való ütközés mágnesezheti azokat. Így például egyszer egy fadobozban heverő acélkésekről a tulajdonos leírhatatlan meglepetésére kiderült, hogy mágnesezettek, miután villám csapott a dobozba és eltörte azt.
Idővel egyre több ilyen esetet figyelnek meg. Ez azonban még mindig nem ad okot arra gondolni, hogy az elektromosság és a mágnesesség között szoros kapcsolat van. Ilyen kapcsolat csak mintegy 180 évvel ezelőtt jött létre. Ezután megfigyelték, hogy az iránytű mágneses tűje eltér, amint egy vezetéket helyeznek a közelébe, amely mentén elektromos áram folyik.
Szinte ezzel egy időben a tudósok egy másik, nem kevésbé feltűnő jelenséget is felfedeztek. Kiderült, hogy a vezeték, amelyen keresztül az elektromos áram folyik, képes magához vonzani a kis vasforgácsot. A vezetékben azonban érdemes volt leállítani az áramot, mert a fűrészpor azonnal szétesett, és a vezeték elvesztette mágneses tulajdonságait.
Végül felfedezték az elektromos áram egy másik tulajdonságát, amely végül megerősítette az elektromosság és a mágnesesség közötti kapcsolatot. Kiderült, hogy egy huzaltekercs közepére helyezett acéltű, amelyen elektromos áram folyik (az ilyen tekercset ún. szolenoid) ugyanúgy mágnesezett, mintha természetes mágnessel dörzsölnék.
Az elektromágnesek és felhasználásuk
Acéltűvel szerzett tapasztalatból és megszületett elektromágnes… Azáltal, hogy tű helyett puha vasrudat helyeztek a huzaltekercs közepére, a tudósok meg voltak győződve arról, hogy amikor az áram áthalad a tekercsen, a vas elnyeri a mágnes tulajdonságait, és amikor az áram leáll, elveszíti ezt a tulajdonságát. . Ugyanakkor észrevették, hogy minél több a huzal fordulata a mágnesszelepben, annál erősebb az elektromágnes.
Mozgó mágnes hatására a huzaltekercsben elektromos áram keletkezik
Eleinte az elektromágnes sokak számára csak egy vicces fizikai eszköznek tűnt. Az emberek nem sejtették, hogy a közeljövőben a legszélesebb körben alkalmazható lesz, számos eszköz és gép alapjául szolgál (lásd - Az elektromágneses indukció jelenségének gyakorlati alkalmazása).
Az elektromágneses relé működési elve
Miután megállapították, hogy az elektromos áram mágneses tulajdonságokat ad a vezetéknek, a tudósok feltették a kérdést: van-e fordított kapcsolat az elektromosság és a mágnesesség között? Például egy huzaltekercs belsejében elhelyezett erős mágnes elektromos áramot fog átfolyni azon a tekercsen?
Valójában, ha elektromos áram jelenne meg egy vezetékben egy álló mágnes hatására, ez teljesen ellentmondásos az energia megmaradásának törvénye[…] E törvény szerint az elektromos áram eléréséhez más energiát kell elkölteni, amely elektromos energiává alakulna át. Amikor egy mágnes segítségével elektromos áramot állítanak elő, a mágnes mozgása során elhasznált energia elektromos energiává alakul.
Mágneses jelenségek tanulmányozása
A XIII. század közepén a kíváncsi megfigyelők észrevették, hogy az iránytű mágneses mutatói kölcsönhatásba lépnek egymással: az azonos irányba mutató végek taszítják egymást, a más módon mutatók pedig vonzzák egymást.
Ez a tény segített a tudósoknak megmagyarázni az iránytű működését. Feltételezik, hogy a földgömb egy hatalmas mágnes, és az iránytű tűinek végei makacsul a megfelelő irányba fordulnak, mert a Föld egyik mágneses pólusa taszítja, a másik pedig vonzza őket. Ez a feltételezés igaznak bizonyult.
A mágneses jelenségek tanulmányozásában nagy segítséget nyújtottak a kis vasreszelékek, amelyek bármilyen erejű mágneshez tapadtak. Először is észrevették, hogy a legtöbb fűrészpor a mágnes két meghatározott helyére tapad, vagy ahogy nevezik, a mágnes pólusaira. Kiderült, hogy minden mágnesnek mindig van legalább két pólusa, amelyek közül az egyiket északinak (C), a másikat délnek (S) hívták.
A vasreszelék a mágnes körüli térben a mágneses erővonalak elhelyezkedését mutatják
Egy rúdszerű mágnesben a pólusai leggyakrabban a rúd végein helyezkednek el. Különösen élénk kép jelent meg a megfigyelők szeme előtt, amikor azt feltételezték, hogy üvegre vagy papírra vasreszeléket szórnak, amelyek alatt mágnes lapul. A forgácsok szorosan egymás mellett helyezkednek el a mágnes pólusaiban. Aztán vékony vonalak – egymáshoz kötött vasrészecskék – formájában egyik pólustól a másikig húzódtak.
A mágneses jelenségek további vizsgálata kimutatta, hogy a mágnes körüli térben különleges mágneses erők hatnak, vagy ahogy mondani szokás, mágneses mező… A mágneses erők irányát és intenzitását a mágnes felett elhelyezett vasreszelék jelzik.
A fűrészporral végzett kísérletek sok mindent megtanítottak. Például egy vasdarab megközelíti a mágnes pólusát. Ha ugyanakkor a papírt, amelyen a fűrészpor fekszik, kissé megrázzák, a fűrészpor mintázata megváltozik. A mágneses vonalak láthatóvá válnak. A mágnes pólusáról átmennek a vasdarabra, és megvastagodnak, ahogy a vas közeledik a pólushoz. Ugyanakkor megnő az az erő is, amellyel a mágnes a vasdarabot maga felé húzza.
Az elektromágnes vasrúdjának melyik végén jön létre az északi pólus, amikor áram halad át a tekercsen, és melyik a déli pólus? Könnyen meghatározható a tekercsben lévő elektromos áram iránya alapján. Az áram (negatív töltések áramlása) köztudottan a forrás negatív pólusától a pozitív felé áramlik.
Ennek ismeretében és az elektromágnes tekercsére nézve elképzelhető, hogy az elektromágnes fordulataiban milyen irányba fog haladni az áram. Az elektromágnes végén, ahol az áram körkörös mozgást fog végezni az óramutató járásával megegyező irányban, egy északi pólus képződik, és a szalag másik végén, ahol az áram az óramutató járásával ellentétes irányba mozog, egy déli pólus. Ha megváltoztatja az áram irányát az elektromágnes tekercsében, a pólusai is megváltoznak.
Megfigyelték továbbá, hogy mind az állandó mágnes, mind az elektromágnes sokkal erősebben vonz, ha nem egyenes rúd alakúak, hanem úgy vannak meghajlítva, hogy ellentétes pólusaik közel vannak egymáshoz.Ebben az esetben nem egy pólus vonz, hanem kettő, ráadásul a mágneses erővonalak kevésbé szóródnak a térben - a pólusok között koncentrálódnak.
Amikor a magához vonzott vastárgy mindkét pólushoz tapad, a patkómágnes szinte abbahagyja az erővonalak térbe való szétszórását. Ez könnyen belátható ugyanazzal a fűrészporral papíron. A mágneses erővonalak, amelyek korábban az egyik pólustól a másikig terjedtek, most áthaladnak a vonzott vastárgyon, mintha könnyebben mennének át a vason, mint a levegőn.
A kutatások azt mutatják, hogy ez valóban így van. Megjelent egy új koncepció – mágneses permeabilitás, amely azt az értéket jelöli, amely azt jelzi, hogy a mágneses vonalak hányszor haladnak át könnyebben bármely anyagon, mint a levegőn. A legnagyobb mágneses permeabilitással a vas és egyes ötvözetei rendelkeznek. Ez megmagyarázza, hogy a fémek közül miért a vas vonzza leginkább a mágnest.
Egy másik fémnek, a nikkelnek alacsonyabb a mágneses permeabilitása. És kevésbé vonzódik a mágneshez. Bizonyos más anyagok mágneses permeabilitása nagyobb, mint a levegő, ezért vonzzák őket a mágnesek.
De ezeknek az anyagoknak a mágneses tulajdonságai nagyon gyengén fejeződnek ki. Ezért minden elektromos készülék és gép, amelyben az elektromágnesek így vagy úgy működnek, a mai napig nem nélkülözheti a vasat vagy a vasat tartalmazó speciális ötvözetek nélkül.
Természetes, hogy szinte az elektrotechnika kezdetétől nagy figyelmet fordítottak a vas és mágneses tulajdonságainak vizsgálatára.Igaz, a szigorúan tudományos számítások ezen a területen csak Alekszandr Grigorjevics Stoletov orosz tudós 1872-ben végzett tanulmányait követően váltak lehetővé. Felfedezte, hogy az egyes vasdarabok mágneses permeabilitása nem állandó. Ő változik ennek a darabnak a mágnesezettségi fokára.
A Stoletov által javasolt módszer a vas mágneses tulajdonságainak tesztelésére nagy értékű, és korunk tudósai és mérnökei használják. A mágneses jelenségek természetének mélyebb vizsgálata csak az anyag szerkezetének elméletének kidolgozása után vált lehetővé.
A mágnesesség modern felfogása
Ma már tudjuk, hogy minden kémiai elem atomokból áll — szokatlanul kicsi összetett részecskék. Az atom középpontjában egy pozitív elektromossággal töltött mag található. Elektronok, negatív elektromos töltést hordozó részecskék keringenek körülötte. Az elektronok száma nem azonos a különböző kémiai elemek atomjainál. Például egy hidrogénatomnak csak egy elektron kering a magja körül, míg az uránatomnak kilencvenkettő.
Különböző elektromos jelenségek gondos megfigyelésével a tudósok arra a következtetésre jutottak, hogy a vezetékben lévő elektromos áram nem más, mint az elektronok mozgása. Most ne feledjük, hogy egy mágneses tér mindig olyan vezeték körül keletkezik, amelyben elektromos áram folyik, vagyis az elektronok mozognak.
Ebből következik, hogy mágneses tér mindig ott jelenik meg, ahol az elektronok mozgása van, vagyis a mágneses tér létezése az elektronok mozgásának következménye.
Felmerül a kérdés: bármely anyagban az elektronok folyamatosan forognak az atommagjuk körül, ebben az esetben miért nem képez minden anyag maga körül mágneses teret?
A modern tudomány erre a következő választ ad. Minden elektronnak több, mint egy elektromos töltése van. Mágnes tulajdonságai is vannak, kis elemi mágnes, így az elektronok által az atommag körüli mozgásuk során létrehozott mágneses tér hozzáadódik a saját mágneses terükhöz.
Ebben az esetben a legtöbb atom mágneses tere, összehajtva, teljesen megsemmisül, elnyelődik. És csak néhány atomban – vasban, nikkelben, kobaltban és sokkal kisebb mértékben másokban – a mágneses mezők kiegyensúlyozatlanok, és az atomok kis mágnesek. Ezeket az anyagokat ún ferromágneses ("Ferrum" jelentése vas).
Ha a ferromágneses anyagok atomjai véletlenszerűen vannak elrendezve, akkor a különböző atomok különböző irányokba irányított mágneses tere végül kioltja egymást. De ha úgy forgatja őket, hogy a mágneses mezők összeadódnak – és ezt mi a mágnesezésnél csináljuk –, a mágneses mezők többé nem kioltják, hanem összeadják egymást.
Az egész test (egy darab vas) mágneses teret hoz létre maga körül, mágnes lesz belőle. Hasonlóképpen, amikor az elektronok egy irányba mozognak, ami például egy vezetékben lévő elektromos áram hatására történik, az egyes elektronok mágneses tere hozzáadódik a teljes mágneses mezőhöz.
A külső mágneses térben csapdába esett elektronok viszont mindig az utóbbi hatásának vannak kitéve. Ez lehetővé teszi az elektronok mozgásának szabályozását mágneses tér segítségével.
A fentiek mindegyike csak hozzávetőleges és nagyon leegyszerűsített séma. A valóságban a vezetékekben és mágneses anyagokban előforduló atomi jelenségek összetettebbek.
A mágnesek és mágneses jelenségek tudománya – a magnetológia – nagyon fontos a modern elektrotechnika számára.Ennek a tudománynak a fejlődéséhez nagyban hozzájárult Nikolay Sergeevich Akulov magnetológus, aki felfedezett egy fontos törvényt, amelyet az egész világon "Akulov-törvényként" ismernek. Ez a törvény lehetővé teszi annak előzetes meghatározását, hogy a fémek olyan fontos tulajdonságai, mint az elektromos vezetőképesség, a hővezetőképesség stb., hogyan változnak a mágnesezés során.
Tudósok generációi dolgoztak azon, hogy behatoljanak a mágneses jelenségek rejtélyébe, és az emberiség szolgálatába állítsák ezeket a jelenségeket. Ma a legkülönfélébb mágnesek és elektromágnesek milliói dolgoznak az ember javára különféle elektromos gépekben és készülékekben. Megszabadítják az embereket a nehéz fizikai munkától, és néha nélkülözhetetlen szolgák.
Nézzen meg további érdekes és hasznos cikkeket a mágnesekről és azok alkalmazásáról:
Mágnesesség és elektromágnesesség
Természetes mágneses jelenségek
Állandó mágnesek - a mágnesek típusai, tulajdonságai, kölcsönhatása
Az állandó mágnesek alkalmazása az elektrotechnikában és az energetikában