Магнетне појаве у физици - историја, примери и занимљиве чињенице
Магнетизам и електрицитет
Прва практична примена магнета била је у облику комада магнетизованог челика који плута на чепу у води или уљу. У овом случају, један крај магнета увек показује север, а други југ. Био је то први компас који су користили морнари.
Баш као давно, неколико векова пре наше ере, људи су знали да је смоласта супстанца — ћилибар, ако се протрља вуном, на неко време добија способност да привлачи лаке предмете: комаде папира, конце, паперје. Ова појава се назива електрична („електрон“ на грчком значи „ћилибар“). Касније је примећено да наелектрисан трењем може не само ћилибар, већ и друге супстанце: стакло, штапић од воска итд.
Дуго времена људи нису видели никакву везу између два необична природна феномена — магнетизма и електрицитета. Чинило се да је уобичајен само спољашњи знак — својство привлачења: магнет привлачи гвожђе, а стаклена шипка протрљана вуненим комадићима папира.Истина, магнет је деловао стално и наелектрисани објекат после неког времена губи својства, али оба „привлаче”.
Али сада, крајем 17. века, примећено је да муња — електрични феномен — ударање у близини челичних предмета може их магнетизирати. Тако се, на пример, једном испоставило да су челични ножеви који су лежали у дрвеној кутији били магнетизовани на неописиво изненађење власника, након што је гром ударио у кутију и разбио је.
Временом се примећује све више таквих случајева. Међутим, то још увек не даје разлога да се мисли да постоји јака веза између електрицитета и магнетизма. Таква веза успостављена је тек пре око 180 година. Тада је уочено да магнетна игла компаса одступа чим се близу ње постави жица дуж које тече електрична струја.
Скоро у исто време, научници су открили још један, ништа мање упечатљив феномен. Испоставило се да је жица кроз коју тече електрична струја у стању да привуче на себе ситне гвоздене струготине. Међутим, вредело је зауставити струју у жици, јер се пиљевина одмах распала и жица је изгубила магнетна својства.
Најзад је откривено још једно својство електричне струје, што је коначно потврдило везу између електрицитета и магнетизма. Испоставило се да је челична игла постављена у средину жичане завојнице кроз коју протиче електрична струја (такав намотај се зове соленоид) магнетизира се на исти начин као да се трља природним магнетом.
Електромагнети и њихова употреба
Из искуства са челичном иглом и рођен је електромагнет… Стављањем меке гвоздене шипке у средину жичане завојнице уместо игле, научници су се уверили да када струја прође кроз калем, гвожђе добија својство магнета, а када струја престане, губи то својство. . Истовремено, примећено је да што је више обртаја жице у соленоиду, то је јачи електромагнет.
Под утицајем покретног магнета у намотају жице се ствара електрична струја
У почетку је многима електромагнет изгледао само смешан физички уређај. Људи нису слутили да ће у блиској будућности наћи најширу примену, послужити као основа за многе уређаје и машине (види — Практична примена феномена електромагнетне индукције).
Принцип рада електромагнетног релеја
Након што је установљено да електрична струја даје жици магнетна својства, научници су поставили питање: да ли постоји инверзна веза између електрицитета и магнетизма? На пример, да ли би јак магнет постављен унутар намотаја жице проузроковао да електрична струја тече кроз тај калем?
У ствари, ако би се електрична струја појавила у жици под дејством стационарног магнета, то би било потпуно контрадикторно закон одржања енергије… Према овом закону, да би се добила електрична струја, потребно је потрошити другу енергију која би се претворила у електричну енергију. Када се уз помоћ магнета произведе електрична струја, енергија утрошена на кретање магнета претвара се у електричну енергију.
Проучавање магнетних појава
Средином КСИИИ века, радознали посматрачи приметили су да магнетне казаљке компаса међусобно делују: крајеви који су усмерени у истом смеру се одбијају, а они који су усмерени на другачији начин привлаче.
Ова чињеница помогла је научницима да објасне деловање компаса. Претпоставља се да је глобус огроман магнет, а крајеви игала компаса се тврдоглаво окрећу у правом смеру, јер их један магнетни пол Земље одбија, а други привлачи. Испоставило се да је ова претпоставка тачна.
У проучавању магнетних појава, од велике помоћи су биле мале гвоздене струготине, које се придржавају магнета било које силе. Пре свега, примећено је да се већина пиљевине лепи на два одређена места на магнету или, како се то зове, на полове магнета. Испоставило се да сваки магнет увек има најмање два пола, од којих се један звао северни (Ц), а други јужни (С).
Гвоздене опиљке показују локацију линија магнетног поља у простору око магнета
Код магнета налик шипки, његови полови се најчешће налазе на крајевима шипке. Посебно живописна слика појавила се пред очима посматрача када су претпостављали да посипају гвоздене струготине по стаклу или папиру, испод којих је лежао магнет. Струготине су уско распоређене у половима магнета. Затим су се у облику танких линија — честица гвожђа које су повезане заједно — протезале од једног пола до другог.
Даље проучавање магнетних појава показало је да у простору око магнета делују посебне магнетне силе, или, како кажу, магнетно поље… Правац и интензитет магнетних сила су назначени гвозденим струготинама које се налазе изнад магнета.
Експерименти са пиљевином су много научили. На пример, комад гвожђа се приближава полу магнета. Ако се истовремено мало протресе папир на коме лежи пиљевина, узорак пиљевине почиње да се мења. Магнетне линије постају као да су видљиве. Они прелазе од пола магнета до комада гвожђа и постају дебљи како се гвожђе приближава полу. Истовремено се повећава и сила којом магнет вуче комад гвожђа према себи.
На ком крају гвоздене шипке електромагнета настаје северни пол када струја прође кроз калем, а на ком је јужни пол? Лако је одредити по правцу електричне струје у калему. Познато је да струја (ток негативних наелектрисања) тече од негативног пола извора ка позитивном.
Знајући ово и гледајући намотај електромагнета, може се замислити у ком правцу ће струја тећи у завојима електромагнета. На крају електромагнета, где ће струја вршити кружно кретање у смеру казаљке на сату, формира се северни пол, а на другом крају траке, где се струја креће у смеру супротном од казаљке на сату, јужни пол. Ако промените смер струје у калему електромагнета, промениће се и његови полови.
Даље је примећено да се и перманентни магнет и електромагнет привлаче много јаче ако нису у облику равне шипке, већ су савијени тако да су им супротни полови близу један другом.У овом случају не привлачи један пол, већ два, а осим тога, линије магнетне силе су мање расуте у простору — концентрисане су између полова.
Када се привучени гвоздени предмет причврсти за оба пола, потковичасти магнет скоро престаје да распршује линије силе у свемир. Ово је лако видети са истом пиљевином на папиру. Магнетне линије силе, које су се раније пружале од једног до другог пола, сада пролазе кроз привучени гвоздени предмет, као да им је лакше да прођу кроз гвожђе него кроз ваздух.
Истраживања показују да је то заиста тако. Појавио се нови концепт - магнетна пермеабилност, што означава вредност која показује колико пута је магнетним линијама лакше да прођу кроз било коју супстанцу него кроз ваздух. Гвожђе и неке његове легуре имају највећу магнетну пермеабилност. Ово објашњава зашто, од метала, гвожђе највише привлачи магнет.
Утврђено је да други метал, никл, има нижу магнетну пермеабилност. И мање га привлачи магнет. Утврђено је да неке друге супстанце имају магнетну пермеабилност већу од ваздуха и стога их привлаче магнети.
Али магнетна својства ових супстанци су веома слабо изражена. Дакле, сви електрични уређаји и машине, у којима електромагнети раде на овај или онај начин, до данас не могу без гвожђа или без посебних легура које укључују гвожђе.
Наравно, проучавању гвожђа и његових магнетних својстава посвећује се велика пажња скоро од самог почетка електротехнике.Истина, строго научни прорачуни у овој области постали су могући тек након студија руског научника Александра Григоријевича Столетова, спроведених 1872. Он је открио да магнетна пропустљивост сваког комада гвожђа није константна. Она се мења за степен магнетизације овог комада.
Метода испитивања магнетних својстава гвожђа коју је предложио Столетов има велику вредност и користе је научници и инжењери у наше време. Дубље проучавање природе магнетних појава постало је могуће тек након развоја теорије структуре материје.
Савремено схватање магнетизма
Сада знамо да је сваки хемијски елемент састоји се од атома — необично мале сложене честице. У центру атома налази се језгро наелектрисано позитивним електрицитетом. Око њега се окрећу електрони, честице које носе негативан електрични набој. Број електрона није исти за атоме различитих хемијских елемената. На пример, атом водоника има само један електрон који кружи око његовог језгра, док атом уранијума има деведесет два.
Пажљиво посматрајући различите електричне појаве, научници су дошли до закључка да електрична струја у жици није ништа друго до кретање електрона. Сада запамтите да се магнетно поље увек јавља око жице у којој тече електрична струја, односно крећу се електрони.
Следи да се магнетно поље увек појављује тамо где постоји кретање електрона, другим речима, постојање магнетног поља је последица кретања електрона.
Поставља се питање: у било којој супстанци, електрони се стално ротирају око својих атомских језгара, зашто у овом случају свака супстанца не формира магнетно поље око себе?
Савремена наука даје следећи одговор на ово. Сваки електрон има више од само електричног набоја. Такође има својства магнета, мали је елементарни магнет.Тако се магнетно поље које стварају електрони док се крећу око језгра додаје њиховом сопственом магнетном пољу.
У овом случају, магнетна поља већине атома, савијајући се, потпуно су уништена, апсорбована. И у само неколико атома — гвожђа, никла, кобалта и у много мањој мери у другима — испоставља се да су магнетна поља неуравнотежена, а атоми су мали магнети. Ове супстанце се називају феромагнетна („Феррум“ значи гвожђе).
Ако су атоми феромагнетних супстанци распоређени насумично, онда се магнетна поља различитих атома усмерена у различитим правцима на крају међусобно поништавају. Али ако их ротирате тако да се магнетна поља сабирају – а то је оно што радимо у магнетизацији – магнетна поља се више неће поништавати, већ се збрајају једно са другим.
Цело тело (комад гвожђа) створиће око себе магнетно поље, постаће магнет. Слично, када се електрони крећу у једном правцу, што се на пример дешава са електричном струјом у жици, магнетно поље појединачних електрона додаје укупном магнетном пољу.
Заузврат, електрони заробљени у спољашњем магнетном пољу су увек изложени овом последњем. Ово омогућава да се кретање електрона контролише помоћу магнетног поља.
Све горе наведено је само приближна и веома поједностављена шема. У стварности, атомски феномени који се јављају у жицама и магнетним материјалима су сложенији.
Наука о магнетима и магнетним појавама — магнетологија — веома је важна за савремену електротехнику.Велики допринос развоју ове науке дао је магнетолог Николај Сергејевич Акулов, који је открио важан закон познат у целом свету као „Акуловљев закон”. Овај закон омогућава да се унапред утврди како се тако важна својства метала као што су електрична проводљивост, топлотна проводљивост итд., мењају током магнетизације.
Генерације научника су радиле да проникну у мистерију магнетних феномена и ставе ове појаве у службу човечанства. Данас милиони најразноврснијих магнета и електромагнета раде у корист човека у разним електричним машинама и уређајима. Ослобађају људе тешког физичког рада, а понекад су и незаобилазне слуге.
Погледајте друге занимљиве и корисне чланке о магнетима и њиховој примени:
Магнетизам и електромагнетизам