תופעות מגנטיות בפיזיקה - היסטוריה, דוגמאות ועובדות מעניינות
מגנטיות וחשמל
היישום המעשי הראשון של המגנט היה בצורת פיסת פלדה ממוגנטת שצפה על פקק במים או בשמן. במקרה זה, קצה אחד של המגנט תמיד מצביע צפונה והשני דרומה. זה היה המצפן הראשון ששימש את המלחים.
בדיוק כמו לפני זמן רב, כמה מאות שנים לפני תקופתנו, אנשים ידעו שחומר שרף - ענבר, אם משפשפים אותו בצמר, קיבל לזמן מה את היכולת למשוך חפצים קלים: פיסות נייר, פיסות חוט, מוך. תופעה זו נקראת חשמלית ("אלקטרון" פירושו "ענבר" ביוונית). מאוחר יותר הבחינו בכך מחושמל על ידי חיכוך יכול לא רק ענבר, אלא גם חומרים אחרים: זכוכית, מקל שעווה וכו '.
במשך זמן רב, אנשים לא ראו שום קשר בין שתי תופעות טבע יוצאות דופן - מגנטיות וחשמל. נראה היה שרק סימן חיצוני נפוץ - תכונת המשיכה: מגנט מושך ברזל, ומוט זכוכית משופשף בפיסות צמר של נייר.נכון, המגנט פעל ללא הרף והעצם המחושמל מאבד את תכונותיו לאחר זמן מה, אבל שניהם "מושכים".
אבל עכשיו, בסוף המאה ה-17, הבחינו בכך בָּרָק - תופעה חשמלית - פגיעה ליד חפצי פלדה יכולה למגנט אותם. כך, למשל, פעם אחת התברר כי סכיני פלדה ששכבו בקופסת עץ מתמגנטים להפתעתו הבלתי ניתנת לתיאור של הבעלים, לאחר שברק פגע בקופסה ושבר אותה.
עם הזמן, יותר ויותר מקרים כאלה נצפים. עם זאת, זה עדיין לא נותן סיבה לחשוב שיש קשר חזק בין חשמל למגנטיות. קשר כזה נוצר רק לפני כ-180 שנה. לאחר מכן נצפה שהמחט המגנטית של המצפן סוטה ברגע שמניחים לידו חוט, שלאורכו זורם זרם חשמלי.
כמעט באותו זמן גילו מדענים תופעה נוספת, בולטת לא פחות. התברר שהחוט שדרכו זורם הזרם החשמלי מסוגל למשוך אליו שברי ברזל קטנים. עם זאת, כדאי היה לעצור את הזרם בחוט, כי הנסורת התפרקה מיד והחוט איבד את תכונותיו המגנטיות.
לבסוף התגלתה תכונה נוספת של זרם חשמלי, שאישרה סופית את הקשר בין חשמל למגנטיות. התברר שמחט פלדה שמונחת באמצע סליל תיל שדרכו זורם זרם חשמלי (סליל כזה נקרא סולנואיד) ממוגנט באותו אופן כאילו שפשפו אותו במגנט טבעי.
אלקטרומגנטים והשימוש בהם
מניסיון עם מחט פלדה ונולד אלקטרומגנט... על ידי הצבת מוט ברזל רך באמצע סליל התיל במקום מחט, מדענים היו משוכנעים שכאשר זרם עובר דרך הסליל, הברזל מקבל את המאפיין של מגנט, וכאשר הזרם נפסק, הוא מאבד את התכונה הזו. . יחד עם זאת, הבחינו שככל שיש יותר סיבובים של החוט בסולנואיד, כך האלקטרומגנט חזק יותר.
בהשפעת מגנט נע, נוצר זרם חשמלי בסליל התיל
בהתחלה, האלקטרומגנט נראה לרבים רק מכשיר פיזי מצחיק. אנשים לא חשדו כי בעתיד הקרוב הוא ימצא את היישום הרחב ביותר, שישמש בסיס למכשירים ומכונות רבים (ראה - יישום מעשי של תופעת האינדוקציה האלקטרומגנטית).
עקרון הפעולה של הממסר האלקטרומגנטי
לאחר שנקבע כי זרם חשמלי נותן לחוט תכונות מגנטיות, מדענים שאלו את השאלה: האם יש קשר הפוך בין חשמל למגנטיות? לדוגמה, האם מגנט חזק המוצב בתוך סליל של חוט יגרום לזרם חשמלי לזרום דרך הסליל הזה?
למעשה, אם יופיע זרם חשמלי בחוט תחת פעולת מגנט נייח, זה היה סותר לחלוטין חוק שימור האנרגיה... על פי חוק זה, על מנת לקבל זרם חשמלי, יש צורך להוציא אנרגיה אחרת שתומר לאנרגיה חשמלית. כאשר מיוצר זרם חשמלי בעזרת מגנט, האנרגיה המושקעת בתנועת המגנט מומרת לאנרגיה חשמלית.
חקר תופעות מגנטיות
באמצע המאות ה-13, צופים סקרנים שמו לב שהידיים המגנטיות של המצפן פועלות ביניהן: הקצוות המצביעים לאותו כיוון דוחים זה את זה, ואלו המצביעים בצורה אחרת מושכים.
עובדה זו עזרה למדענים להסביר את פעולת המצפן. ההנחה היא שהכדור הוא מגנט ענק, וקצות מחטי המצפן מסתובבים בעקשנות בכיוון הנכון, מכיוון שהן נדחות על ידי קוטב מגנטי אחד של כדור הארץ ונמשכות על ידי אחר. הנחה זו התבררה כנכונה.
בחקר תופעות מגנטיות, סתימות ברזל קטנות, הנצמדות למגנט בכל כוח, היו לעזר רב. קודם כל, הבחינו שרוב הנסורת נדבקת לשני מקומות ספציפיים על המגנט או כפי שהוא נקרא, הקטבים של המגנט. התברר שלכל מגנט תמיד יש לפחות שני קטבים, שאחד מהם נקרא צפון (C) והשני דרום (S).
סיבי הברזל מציגים את מיקומם של קווי השדה המגנטי בחלל שמסביב למגנט
במגנט דמוי מוט, הקטבים שלו ממוקמים לרוב בקצוות המוט. תמונה חיה במיוחד הופיעה לנגד עיניהם של הצופים כאשר הניחו לפזר סיבי ברזל על זכוכית או נייר, שמתחתיהם מונח מגנט. השבבים ממוקמים קרוב בקטבים של המגנט. ואז, בצורה של קווים דקים - חלקיקי ברזל קשורים זה לזה - הם נמתחו מקוטב אחד למשנהו.
מחקר נוסף של תופעות מגנטיות הראה שכוחות מגנטיים מיוחדים פועלים בחלל סביב המגנט, או, כפי שאומרים, שדה מגנטי... הכיוון והעוצמה של הכוחות המגנטיים מסומנים על ידי סיבי הברזל הממוקמים מעל המגנט.
ניסויים עם נסורת לימדו הרבה. לדוגמה, חתיכת ברזל מתקרבת לקוטב של מגנט. אם במקביל מנענעים מעט את הנייר שעליו מונחת הנסורת, תבנית הנסורת מתחילה להשתנות. הקווים המגנטיים הופכים כאילו נראים לעין. הם עוברים מהקוטב של המגנט אל פיסת הברזל והופכים עבים יותר ככל שהברזל מתקרב לקוטב. במקביל, גדל גם הכוח שבו המגנט מושך את פיסת הברזל כלפי עצמו.
באיזה קצה של מוט הברזל של האלקטרומגנט נוצר הקוטב הצפוני כאשר זרם עובר דרך הסליל, ובאיזה הקוטב הדרומי? קל לקבוע לפי כיוון הזרם החשמלי בסליל. זרם (זרימת מטענים שליליים) ידוע שזורם מהקוטב השלילי של המקור לחיובי.
אם יודעים זאת ומתבוננים בסליל האלקטרומגנט, אפשר לדמיין לאיזה כיוון יזרום הזרם בסיבובי האלקטרומגנט. בקצה האלקטרומגנט, שבו הזרם יעשה תנועה מעגלית בכיוון השעון, נוצר קוטב צפוני, ובקצה השני של הרצועה, שבו הזרם נע נגד כיוון השעון, קוטב דרומי. אם תשנה את כיוון הזרם בסליל האלקטרומגנט, גם הקטבים שלו ישתנו.
עוד נצפה שגם המגנט הקבוע וגם האלקטרומגנט מושכים הרבה יותר חזק אם הם אינם בצורת פס ישר, אלא כפופים כך שהקטבים המנוגדים שלהם קרובים זה לזה.במקרה זה, לא קוטב אחד מושך, אלא שניים, וחוץ מזה, קווי הכוח המגנטיים פחות מפוזרים בחלל - הם מרוכזים בין הקטבים.
כאשר חפץ הברזל הנמשך נצמד לשני הקטבים, מגנט הפרסה כמעט מפסיק לפזר קווי כוח לחלל. זה קל לראות עם אותה נסורת על הנייר. קווי הכוח המגנטיים, שנמשכו בעבר מקוטב אחד למשנהו, עוברים כעת דרך עצם הברזל הנמשך, כאילו קל להם יותר לעבור דרך ברזל מאשר באוויר.
מחקרים מראים שזה אכן כך. מושג חדש צץ - חדירות מגנטית, המציין ערך המציין כמה פעמים קל יותר לקווים מגנטיים לעבור דרך כל חומר מאשר באוויר. לברזל ולחלק מהסגסוגות שלו יש את החדירות המגנטית הגבוהה ביותר. זה מסביר מדוע, מבין המתכות, הברזל נמשך ביותר למגנט.
מתכת נוספת, ניקל, נמצאה בעלת חדירות מגנטית נמוכה יותר. ופחות נמשך למגנט. חומרים מסוימים אחרים נמצאו בעלי חדירות מגנטית גדולה יותר מהאוויר ולכן נמשכים למגנטים.
אבל התכונות המגנטיות של חומרים אלה באות לידי ביטוי חלש מאוד. לכן, כל המכשירים והמכונות החשמליים, בהם פועלים אלקטרומגנטים בצורה כזו או אחרת, עד היום לא יכולים להסתדר בלי ברזל או בלי סגסוגות מיוחדות הכוללות ברזל.
מטבע הדברים, תשומת לב רבה ניתנה לחקר הברזל ותכונותיו המגנטיות כמעט מתחילת הנדסת החשמל.נכון, חישובים מדעיים למהדרין בתחום זה התאפשרו רק לאחר מחקריו של המדען הרוסי אלכסנדר גריגוריביץ' סטולטוב, שנערך בשנת 1872. הוא גילה שהחדירות המגנטית של כל פיסת ברזל אינה קבועה. היא משתנה למידת המגנטיזציה של היצירה הזו.
לשיטת בדיקת התכונות המגנטיות של הברזל שהציע סטולטוב יש ערך רב והיא משמשת מדענים ומהנדסים בזמננו. מחקר מעמיק יותר של טבען של תופעות מגנטיות התאפשר רק לאחר התפתחות התיאוריה של מבנה החומר.
ההבנה המודרנית של מגנטיות
כעת אנו יודעים שכל יסוד כימי מורכב מאטומים - חלקיקים מורכבים קטנים במיוחד. במרכז האטום נמצא גרעין טעון בחשמל חיובי. אלקטרונים, חלקיקים הנושאים מטען חשמלי שלילי, מסתובבים סביבו. מספר האלקטרונים אינו זהה עבור האטומים של יסודות כימיים שונים. לדוגמה, לאטום מימן יש רק אלקטרון אחד המקיף את הגרעין שלו, בעוד שלאטום אורניום יש תשעים ושניים.
על ידי התבוננות קפדנית של תופעות חשמליות שונות, מדענים הגיעו למסקנה שהזרם החשמלי בחוט אינו אלא תנועת אלקטרונים. עכשיו זכרו ששדה מגנטי מתעורר תמיד סביב חוט שבו זורם זרם חשמלי, כלומר אלקטרונים נעים.
מכאן נובע ששדה מגנטי מופיע תמיד במקום שבו יש תנועה של אלקטרונים, במילים אחרות, קיומו של שדה מגנטי הוא תוצאה של תנועת אלקטרונים.
נשאלת השאלה: בכל חומר אלקטרונים מסתובבים כל הזמן סביב גרעיני האטום שלהם, מדוע במקרה זה לא כל חומר יוצר שדה מגנטי סביב עצמו?
המדע המודרני נותן לכך את התשובה הבאה. לכל אלקטרון יש יותר מסתם מטען חשמלי. יש לו גם תכונות של מגנט, זה מגנט אלמנטרי קטן.לכן, השדה המגנטי שנוצר על ידי האלקטרונים כשהם נעים סביב הגרעין מתווסף לשדה המגנטי שלהם.
במקרה זה, השדות המגנטיים של רוב האטומים, מתקפלים, נהרסים לחלוטין, נספגים. ורק באטומים ספורים - ברזל, ניקל, קובלט ובמידה פחותה בהרבה באחרים - השדות המגנטיים מתגלים כלא מאוזנים, והאטומים הם מגנטים קטנים. חומרים אלו נקראים פרומגנטי ("פרום" פירושו ברזל).
אם האטומים של חומרים פרומגנטיים מסודרים באופן אקראי, אז השדות המגנטיים של אטומים שונים המכוונים לכיוונים שונים בסופו של דבר מבטלים זה את זה. אבל אם תסובב אותם כך שהשדות המגנטיים יצטברו - וזה מה שאנחנו עושים במגנטיזציה - השדות המגנטיים כבר לא יתבטלו, אלא יצטברו זה לזה.
הגוף כולו (חתיכת ברזל) יצור סביב עצמו שדה מגנטי, הוא יהפוך למגנט. באופן דומה, כאשר אלקטרונים נעים בכיוון אחד, אשר מתרחש למשל עם זרם חשמלי בחוט, השדה המגנטי של האלקטרונים הבודדים מוסיף לשדה מגנטי הכולל.
בתורו, אלקטרונים שנלכדו בשדה מגנטי חיצוני נחשפים תמיד לאחרון. זה מאפשר לשלוט בתנועת האלקטרונים באמצעות שדה מגנטי.
כל האמור לעיל הוא רק תכנית משוערת ומפושטת מאוד. במציאות, התופעות האטומיות המתרחשות בחוטים ובחומרים מגנטיים מורכבות יותר.
המדע של מגנטים ותופעות מגנטיות - מגנטולוגיה - חשוב מאוד להנדסת חשמל מודרנית.תרומה גדולה לפיתוח המדע הזה נתנה על ידי המגנטולוג ניקולאי סרגייביץ' אקולוב, שגילה חוק חשוב המכונה בכל העולם "חוק אקולוב". חוק זה מאפשר לקבוע מראש כיצד תכונות חשובות כל כך של מתכות כמו מוליכות חשמלית, מוליכות תרמית וכו' משתנות במהלך המגנטיזציה.
דורות של מדענים פעלו לחדור אל המסתורין של תופעות מגנטיות והעמידו את התופעות הללו לשירות האנושות. כיום, מיליוני המגנטים והאלקטרומגנטים המגוונים ביותר פועלים לטובת האדם במכונות ומכשירים חשמליים שונים. הם משחררים אנשים מעבודה פיזית קשה, ולפעמים הם משרתים הכרחיים.
עיין במאמרים מעניינים ושימושיים נוספים על מגנטים והיישומים שלהם: