Fenomena magnet dalam fizik - sejarah, contoh dan fakta menarik
Kemagnetan dan elektrik
Aplikasi praktikal pertama magnet adalah dalam bentuk sekeping keluli bermagnet terapung pada palam dalam air atau minyak. Dalam kes ini, satu hujung magnet sentiasa menunjuk ke utara dan satu lagi ke selatan. Ia adalah kompas pertama yang digunakan oleh pelayar.
Sama seperti dahulu, beberapa abad sebelum era kita, orang tahu bahawa bahan resin - ambar, jika disapu dengan bulu, menerima seketika keupayaan untuk menarik objek ringan: kepingan kertas, kepingan benang, bulu. Fenomena ini dipanggil elektrik ("elektron" bermaksud "ambar" dalam bahasa Yunani). Nanti perasan pula dielektrik oleh geseran bukan sahaja ambar, tetapi juga bahan lain: kaca, batang lilin, dll.
Untuk masa yang lama, orang ramai tidak melihat apa-apa hubungan antara dua fenomena semula jadi yang luar biasa - kemagnetan dan elektrik. Hanya tanda luaran yang kelihatan biasa-sifat menarik: magnet menarik besi, dan batang kaca digosok dengan serpihan kertas bulu.Benar, magnet bertindak secara berterusan dan objek elektrik kehilangan sifatnya selepas beberapa ketika, tetapi kedua-duanya "menarik".
Tetapi kini, pada penghujung abad ke-17, ia diperhatikan kilat — fenomena elektrik — memukul berhampiran objek keluli boleh memmagnetkannya. Oleh itu, sebagai contoh, apabila pisau keluli yang terletak di dalam kotak kayu ternyata dimagnetkan sehingga mengejutkan pemiliknya, selepas petir menyambar kotak itu dan memecahkannya.
Dari masa ke masa, semakin banyak kes sedemikian diperhatikan. Walau bagaimanapun, ini masih tidak memberi alasan untuk berfikir bahawa terdapat hubungan yang kuat antara elektrik dan kemagnetan. Hubungan sedemikian telah ditubuhkan hanya kira-kira 180 tahun yang lalu. Kemudian diperhatikan bahawa jarum magnet kompas menyimpang sebaik sahaja wayar diletakkan berhampirannya, di mana arus elektrik mengalir.
Hampir pada masa yang sama, saintis menemui satu lagi fenomena yang tidak kurang menariknya. Ternyata wayar yang dilalui arus elektrik mampu menarik serpihan besi kecil kepada dirinya sendiri. Walau bagaimanapun, ia patut menghentikan arus dalam wayar, kerana habuk papan segera runtuh dan wayar kehilangan sifat magnetnya.
Akhirnya, satu lagi sifat arus elektrik ditemui, yang akhirnya mengesahkan hubungan antara elektrik dan kemagnetan. Ternyata jarum keluli diletakkan di tengah-tengah gegelung dawai di mana arus elektrik mengalir (gegelung sedemikian dipanggil solenoid) dimagnetkan dengan cara yang sama seperti digosok dengan magnet semula jadi.
Elektromagnet dan kegunaannya
Dari pengalaman dengan jarum keluli dan dilahirkan elektromagnet… Dengan meletakkan batang besi lembut di tengah-tengah gegelung wayar dan bukannya jarum, saintis yakin bahawa apabila arus melalui gegelung, besi memperoleh sifat magnet, dan apabila arus berhenti, ia kehilangan sifat ini. . Pada masa yang sama, diperhatikan bahawa semakin banyak lilitan wayar dalam solenoid, semakin kuat elektromagnet.
Di bawah pengaruh magnet yang bergerak, arus elektrik dijana dalam gegelung wayar
Pada mulanya, elektromagnet nampaknya hanya peranti fizikal yang lucu. Orang ramai tidak mengesyaki bahawa dalam masa terdekat ia akan menemui aplikasi terluas, berfungsi sebagai asas untuk banyak peranti dan mesin (lihat — Aplikasi praktikal fenomena aruhan elektromagnet).
Prinsip operasi geganti elektromagnet
Selepas ia ditubuhkan bahawa arus elektrik memberikan sifat magnet wayar, saintis bertanya soalan: adakah terdapat hubungan songsang antara elektrik dan kemagnetan? Sebagai contoh, adakah magnet kuat yang diletakkan di dalam gegelung wayar menyebabkan arus elektrik mengalir melalui gegelung itu?
Malah, jika arus elektrik muncul dalam wayar di bawah tindakan magnet pegun, ini akan bercanggah sepenuhnya hukum kekekalan tenaga… Mengikut undang-undang ini, untuk mendapatkan arus elektrik, perlu menggunakan tenaga lain yang akan ditukar kepada tenaga elektrik. Apabila arus elektrik dihasilkan dengan bantuan magnet, tenaga yang dibelanjakan dalam pergerakan magnet ditukar kepada tenaga elektrik.
Kajian fenomena magnetik
Kembali pada pertengahan Abad XIII, pemerhati yang ingin tahu mendapati bahawa tangan magnet kompas berinteraksi antara satu sama lain: hujung yang menunjuk ke arah yang sama menolak satu sama lain, dan yang menunjuk dengan cara yang berbeza menarik.
Fakta ini membantu saintis menerangkan tindakan kompas. Diandaikan bahawa dunia adalah magnet yang besar, dan hujung jarum kompas berdegil berputar ke arah yang betul, kerana ia ditolak oleh satu kutub magnet Bumi dan tertarik oleh yang lain. Andaian ini ternyata benar.
Dalam kajian fenomena magnetik, pemfailan besi kecil, melekat pada magnet apa-apa daya, telah banyak membantu. Pertama sekali, diperhatikan bahawa kebanyakan habuk papan melekat pada dua tempat tertentu pada magnet atau, seperti yang dipanggil, kutub magnet. Ternyata setiap magnet sentiasa mempunyai sekurang-kurangnya dua kutub, satu daripadanya dipanggil utara (C) dan selatan (S).
Pemfailan besi menunjukkan lokasi garisan medan magnet dalam ruang di sekeliling magnet
Dalam magnet seperti bar, kutubnya paling kerap terletak di hujung bar. Satu gambaran yang jelas kelihatan di hadapan mata pemerhati apabila mereka mengandaikan untuk menaburkan pemfailan besi pada kaca atau kertas, di mana terdapat magnet. Pencukuran dijarakkan rapat di dalam kutub magnet. Kemudian, dalam bentuk garisan nipis—zarah besi yang diikat bersama—ia meregang dari satu tiang ke tiang yang lain.
Kajian lanjut tentang fenomena magnetik menunjukkan bahawa daya magnet khas bertindak dalam ruang di sekeliling magnet, atau, seperti yang mereka katakan, medan magnet… Arah dan keamatan daya magnet ditunjukkan oleh pemfailan besi yang terletak di atas magnet.
Eksperimen dengan habuk papan telah banyak mengajar. Contohnya, sekeping besi menghampiri kutub magnet. Jika pada masa yang sama kertas di mana habuk papan digoncangkan sedikit, corak habuk papan mula berubah. Garis magnet menjadi seolah-olah kelihatan. Mereka berpindah dari kutub magnet ke kepingan besi dan menjadi lebih tebal apabila besi menghampiri tiang. Pada masa yang sama, daya yang digunakan oleh magnet untuk menarik kepingan besi ke arah dirinya juga meningkat.
Di hujung rod besi elektromagnet yang manakah kutub utara terbentuk apabila arus melalui gegelung, dan di mana kutub selatan? Ia mudah untuk ditentukan dengan arah arus elektrik dalam gegelung. Arus (aliran cas negatif) diketahui mengalir dari kutub negatif punca kepada positif.
Mengetahui perkara ini dan melihat gegelung elektromagnet, seseorang boleh membayangkan ke arah mana arus akan mengalir dalam lilitan elektromagnet. Di hujung elektromagnet, di mana arus akan membuat gerakan bulat mengikut arah jam, kutub utara terbentuk, dan di hujung jalur yang lain, di mana arus bergerak dalam arah lawan jam, kutub selatan. Jika anda menukar arah arus dalam gegelung elektromagnet, kutubnya juga akan berubah.
Selanjutnya diperhatikan bahawa kedua-dua magnet kekal dan elektromagnet menarik lebih kuat jika mereka tidak dalam bentuk bar lurus, tetapi dibengkokkan supaya kutub bertentangan mereka rapat.Dalam kes ini, bukan satu kutub menarik, tetapi dua, dan selain itu, garis daya magnet kurang bertaburan di angkasa - ia tertumpu di antara kutub.
Apabila objek besi yang tertarik melekat pada kedua-dua kutub, magnet ladam kuda hampir berhenti melesapkan garisan daya ke angkasa. Ini mudah dilihat dengan habuk papan yang sama di atas kertas. Garis daya magnet, yang dahulunya memanjang dari satu kutub ke kutub yang lain, kini melalui objek besi yang tertarik, seolah-olah lebih mudah bagi mereka untuk melalui besi daripada melalui udara.
Penyelidikan menunjukkan bahawa ini memang berlaku. Konsep baru telah muncul - kebolehtelapan magnet, yang menandakan nilai yang menunjukkan berapa kali lebih mudah untuk garis magnet melalui sebarang bahan daripada melalui udara. Besi dan beberapa aloinya mempunyai kebolehtelapan magnet yang paling tinggi. Ini menjelaskan mengapa, daripada logam, besi paling tertarik kepada magnet.
Satu lagi logam, nikel, didapati mempunyai kebolehtelapan magnet yang lebih rendah. Dan kurang tertarik kepada magnet. Sesetengah bahan lain didapati mempunyai kebolehtelapan magnet yang lebih besar daripada udara dan oleh itu tertarik kepada magnet.
Tetapi sifat magnet bahan-bahan ini sangat lemah dinyatakan. Oleh itu, semua peranti dan mesin elektrik, di mana elektromagnet berfungsi dalam satu cara atau yang lain, sehingga hari ini tidak boleh dilakukan tanpa besi atau tanpa aloi khas yang termasuk besi.
Sememangnya, banyak perhatian telah diberikan kepada kajian besi dan sifat magnetnya hampir dari awal kejuruteraan elektrik.Benar, pengiraan saintifik yang ketat di kawasan ini menjadi mungkin hanya selepas kajian saintis Rusia Alexander Grigorievich Stoletov, yang dijalankan pada tahun 1872. Dia mendapati bahawa kebolehtelapan magnet setiap kepingan besi tidak tetap. Dia berubah untuk tahap kemagnetan sekeping ini.
Kaedah menguji sifat magnet besi yang dicadangkan oleh Stoletov mempunyai nilai yang besar dan digunakan oleh saintis dan jurutera pada zaman kita. Kajian yang lebih mendalam tentang sifat fenomena magnetik menjadi mungkin hanya selepas perkembangan teori struktur jirim.
Pemahaman moden tentang kemagnetan
Kita kini tahu bahawa setiap unsur kimia terdiri daripada atom — zarah kompleks yang luar biasa kecil. Di tengah-tengah atom terdapat nukleus yang dicas dengan elektrik positif. Elektron, zarah yang membawa cas elektrik negatif, berputar di sekelilingnya. Bilangan elektron tidak sama untuk atom unsur kimia yang berbeza. Sebagai contoh, atom hidrogen mempunyai hanya satu elektron yang mengorbit nukleusnya, manakala atom uranium mempunyai sembilan puluh dua.
Dengan memerhati dengan teliti pelbagai fenomena elektrik, saintis membuat kesimpulan bahawa arus elektrik dalam wayar tidak lebih daripada pergerakan elektron. Sekarang ingat bahawa medan magnet sentiasa timbul di sekeliling wayar di mana arus elektrik mengalir, iaitu, elektron bergerak.
Ia berikutan bahawa medan magnet sentiasa muncul di mana terdapat pergerakan elektron, dengan kata lain, kewujudan medan magnet adalah akibat daripada gerakan elektron.
Persoalannya timbul: dalam mana-mana bahan, elektron sentiasa berputar di sekeliling nukleus atomnya, mengapa dalam kes ini tidak setiap bahan membentuk medan magnet di sekelilingnya?
Sains moden memberikan jawapan berikut untuk ini. Setiap elektron mempunyai lebih daripada sekadar cas elektrik. Ia juga mempunyai sifat magnet, ia adalah magnet unsur kecil.Oleh itu, medan magnet yang dicipta oleh elektron semasa mereka bergerak mengelilingi nukleus ditambah kepada medan magnet mereka sendiri.
Dalam kes ini, medan magnet kebanyakan atom, lipatan, dimusnahkan sepenuhnya, diserap. Dan hanya dalam beberapa atom—besi, nikel, kobalt, dan pada tahap yang lebih rendah pada yang lain—medan magnet menjadi tidak seimbang, dan atom-atomnya adalah magnet kecil. Bahan-bahan ini dipanggil feromagnetik ("Ferrum" bermaksud besi).
Jika atom bahan feromagnetik disusun secara rawak, maka medan magnet atom berbeza yang diarahkan ke arah yang berbeza akhirnya membatalkan satu sama lain. Tetapi jika anda memutarkannya supaya medan magnet bertambah—dan itulah yang kita lakukan dalam kemagnetan—medan magnet tidak lagi akan membatalkan, tetapi menambah antara satu sama lain.
Seluruh badan (sepotong besi) akan mencipta medan magnet di sekelilingnya, ia akan menjadi magnet. Begitu juga, apabila elektron bergerak dalam satu arah, yang contohnya berlaku dengan arus elektrik dalam wayar, medan magnet elektron individu menambah kepada jumlah medan magnet.
Sebaliknya, elektron yang terperangkap dalam medan magnet luaran sentiasa terdedah kepada yang terakhir. Ini membolehkan pergerakan elektron dikawal menggunakan medan magnet.
Semua di atas hanyalah skema anggaran dan sangat mudah. Pada hakikatnya, fenomena atom yang berlaku dalam wayar dan bahan magnet adalah lebih kompleks.
Sains magnet dan fenomena magnet - magnetologi - sangat penting untuk kejuruteraan elektrik moden.Sumbangan besar kepada pembangunan sains ini telah dibuat oleh ahli magnet Nikolay Sergeevich Akulov, yang menemui undang-undang penting yang dikenali di seluruh dunia sebagai "undang-undang Akulov". Undang-undang ini memungkinkan untuk menentukan terlebih dahulu bagaimana sifat penting logam seperti kekonduksian elektrik, kekonduksian terma, dll., berubah semasa magnetisasi.
Generasi saintis telah berusaha untuk menembusi misteri fenomena magnetik dan meletakkan fenomena ini untuk kemanusiaan. Hari ini, berjuta-juta magnet dan elektromagnet yang paling pelbagai berfungsi untuk faedah manusia dalam pelbagai mesin dan peranti elektrik. Mereka membebaskan orang daripada kerja fizikal yang berat, dan kadang-kadang mereka adalah hamba yang sangat diperlukan.
Lihat artikel lain yang menarik dan berguna tentang magnet dan aplikasinya:
Kemagnetan dan Keelektromagnetan
Magnet kekal — jenis, sifat, interaksi magnet
Penggunaan magnet kekal dalam kejuruteraan elektrik dan tenaga