Magnetic phenomena sa physics - kasaysayan, mga halimbawa at mga kagiliw-giliw na katotohanan
Magnetism at kuryente
Ang unang praktikal na aplikasyon ng magnet ay sa anyo ng isang piraso ng magnetized na bakal na lumulutang sa isang plug sa tubig o langis. Sa kasong ito, ang isang dulo ng magnet ay palaging tumuturo sa hilaga at ang isa pang timog. Ito ang unang compass na ginamit ng mga mandaragat.
Tulad ng matagal na ang nakalipas, ilang siglo bago ang ating panahon, alam ng mga tao na ang isang resinous substance - amber, kung kuskusin ng lana, ay nakatanggap ng ilang sandali ng kakayahang makaakit ng mga magaan na bagay: mga piraso ng papel, mga piraso ng thread, fluff. Ang phenomenon na ito ay tinatawag na electrical ("electron" ay nangangahulugang "amber" sa Greek). Maya-maya pa ay napansin na nakuryente sa pamamagitan ng alitan hindi lamang amber, kundi pati na rin ang iba pang mga sangkap: salamin, wax stick, atbp.
Sa loob ng mahabang panahon, ang mga tao ay hindi nakakita ng anumang koneksyon sa pagitan ng dalawang hindi pangkaraniwang natural na phenomena - magnetism at kuryente. Isang panlabas na palatandaan lamang ang tila karaniwan—ang pag-aari ng pag-akit: ang isang magnet ay umaakit sa bakal, at ang isang basong baras ay pinunasan ng mga piraso ng lana ng papel.Totoo, ang magnet ay patuloy na kumikilos at ang nakoryenteng bagay ay nawawala ang mga katangian nito pagkaraan ng ilang sandali, ngunit parehong "nakaakit".
Ngunit ngayon, sa pagtatapos ng ika-17 siglo, napansin iyon kidlat — isang electrical phenomenon — ang paghampas malapit sa mga bagay na bakal ay maaaring mag-magnet sa kanila. Kaya, halimbawa, sa sandaling ang mga bakal na kutsilyo na nakahiga sa isang kahon na gawa sa kahoy ay naging magnetized sa hindi maipaliwanag na sorpresa ng may-ari, pagkatapos tamaan ng kidlat ang kahon at sinira ito.
Sa paglipas ng panahon, parami nang parami ang mga ganitong kaso na sinusunod. Gayunpaman, hindi pa rin ito nagbibigay ng dahilan upang isipin na mayroong isang malakas na koneksyon sa pagitan ng kuryente at magnetism. Ang gayong koneksyon ay itinatag lamang mga 180 taon na ang nakalilipas. Pagkatapos ay naobserbahan na ang magnetic needle ng compass ay lumihis sa sandaling mailagay ang isang wire malapit dito, kung saan may daloy ng kuryente.
Halos sa parehong oras, natuklasan ng mga siyentipiko ang isa pa, hindi gaanong kapansin-pansin na kababalaghan. Ito ay lumabas na ang kawad kung saan dumadaloy ang electric current ay nakakaakit ng maliliit na shavings ng bakal sa sarili nito. Gayunpaman, ito ay nagkakahalaga ng paghinto ng kasalukuyang sa kawad, dahil ang sawdust ay agad na nahulog at ang wire ay nawala ang mga magnetic na katangian nito.
Sa wakas, natuklasan ang isa pang ari-arian ng electric current, na sa wakas ay nakumpirma ang koneksyon sa pagitan ng kuryente at magnetism. Ito ay lumabas na ang isang bakal na karayom ay inilagay sa gitna ng isang wire coil kung saan dumadaloy ang isang electric current (ang naturang coil ay tinatawag na solenoid) ay magnetized sa parehong paraan bilang kung hadhad sa isang natural na magnet.
Mga electromagnet at ang kanilang paggamit
Mula sa karanasan sa isang bakal na karayom at ipinanganak electromagnet… Sa pamamagitan ng paglalagay ng malambot na bakal na baras sa gitna ng wire coil sa halip na isang karayom, ang mga siyentipiko ay kumbinsido na kapag ang isang agos ay dumaan sa coil, ang bakal ay nakakuha ng ari-arian ng isang magnet, at kapag ang agos ay huminto, ito ay nawawala ang katangiang ito. . Kasabay nito, napansin na ang mas maraming pagliko ng wire sa solenoid, mas malakas ang electromagnet.
Sa ilalim ng impluwensya ng isang gumagalaw na magnet, ang isang electric current ay nabuo sa wire coil
Sa una, ang electromagnet ay tila sa marami ay isang nakakatawang pisikal na aparato. Hindi pinaghihinalaan ng mga tao na sa malapit na hinaharap mahahanap nito ang pinakamalawak na aplikasyon, nagsisilbing batayan para sa maraming mga aparato at makina (tingnan ang — Praktikal na aplikasyon ng phenomenon ng electromagnetic induction).
Ang prinsipyo ng pagpapatakbo ng electromagnetic relay
Matapos maitatag na ang isang electric current ay nagbibigay ng wire magnetic properties, tinanong ng mga siyentipiko ang tanong: mayroon bang kabaligtaran na relasyon sa pagitan ng kuryente at magnetism? Halimbawa, ang isang malakas na magnet na inilagay sa loob ng isang coil ng wire ay magiging sanhi ng isang electric current na dumaloy sa coil na iyon?
Sa katunayan, kung ang isang electric current ay lumitaw sa isang wire sa ilalim ng pagkilos ng isang nakatigil na magnet, ito ay magiging ganap na magkasalungat. batas ng konserbasyon ng enerhiya… Ayon sa batas na ito, upang makakuha ng electric current, kinakailangan na gumamit ng ibang enerhiya na gagawing elektrikal na enerhiya. Kapag ang isang electric current ay ginawa sa tulong ng isang magnet, ang enerhiya na ginugol sa paggalaw ng magnet ay na-convert sa elektrikal na enerhiya.
Pag-aaral ng magnetic phenomena
Noong kalagitnaan ng XIII Centuries, napansin ng mga mausisa na tagamasid na ang mga magnetic na kamay ng compass ay nakikipag-ugnayan sa isa't isa: ang mga dulo na tumuturo sa parehong direksyon ay nagtataboy sa isa't isa, at ang mga nakaturo sa ibang paraan ay umaakit.
Ang katotohanang ito ay nakatulong sa mga siyentipiko na ipaliwanag ang pagkilos ng compass. Ipinapalagay na ang globo ay isang malaking magnet, at ang mga dulo ng mga karayom ng compass ay matigas ang ulo na lumiliko sa tamang direksyon, dahil sila ay tinataboy ng isang magnetic pole ng Earth at naaakit ng isa pa. Ang palagay na ito ay naging totoo.
Sa pag-aaral ng magnetic phenomena, ang maliliit na iron filings, na nakadikit sa magnet ng anumang puwersa, ay naging malaking tulong. Una sa lahat, napansin na ang karamihan sa sawdust ay dumidikit sa dalawang partikular na lugar sa magnet o, kung tawagin ito, ang mga pole ng magnet. Lumalabas na ang bawat magnet ay palaging may hindi bababa sa dalawang poste, ang isa ay tinawag na hilaga (C) at ang isa pang timog (S).
Ipinapakita ng mga iron filing ang lokasyon ng mga linya ng magnetic field sa espasyo sa paligid ng magnet
Sa isang parang bar na magnet, ang mga pole nito ay kadalasang matatagpuan sa mga dulo ng bar. Ang isang partikular na matingkad na larawan ay lumitaw sa harap ng mga mata ng mga nagmamasid nang kanilang ipinapalagay na magwiwisik ng mga bakal na paghahain sa salamin o papel, kung saan nakalagay ang isang magnet. Ang mga shaving ay malapit na puwang sa mga pole ng magnet. Pagkatapos, sa anyo ng mga manipis na linya—mga butil ng bakal na pinagsama-sama—nag-unat sila mula sa isang poste patungo sa isa pa.
Ang karagdagang pag-aaral ng magnetic phenomena ay nagpakita na ang mga espesyal na magnetic forces ay kumikilos sa espasyo sa paligid ng magnet, o, gaya ng sinasabi nila, magnetic field… Ang direksyon at intensity ng magnetic forces ay ipinahiwatig ng mga iron filing na matatagpuan sa itaas ng magnet.
Maraming itinuro ang mga eksperimento sa sawdust. Halimbawa, ang isang piraso ng bakal ay lumalapit sa poste ng isang magnet. Kung sa parehong oras ang papel kung saan ang sup ay namamalagi ay inalog ng kaunti, ang pattern ng sup ay nagsisimulang magbago. Ang mga magnetic lines ay parang nakikita. Dumadaan sila mula sa poste ng magnet patungo sa piraso ng bakal at nagiging mas makapal habang papalapit ang bakal sa poste. Kasabay nito, tumataas din ang puwersa kung saan hinihila ng magnet ang piraso ng bakal patungo sa sarili nito.
Sa aling dulo ng bakal na pamalo ng electromagnet ay nabuo ang north pole kapag ang isang kasalukuyang dumadaan sa coil, at kung saan ay ang south pole? Madaling matukoy sa pamamagitan ng direksyon ng electric current sa coil. Ang kasalukuyang (daloy ng mga negatibong singil) ay kilala na dumadaloy mula sa negatibong poste ng pinagmulan patungo sa positibo.
Ang pag-alam nito at pagtingin sa coil ng electromagnet, maiisip ng isa kung saang direksyon dadaloy ang kasalukuyang sa mga pagliko ng electromagnet. Sa dulo ng electromagnet, kung saan ang kasalukuyang ay gagawa ng isang pabilog na paggalaw sa direksyon ng orasan, isang north pole ay nabuo, at sa kabilang dulo ng strip, kung saan ang kasalukuyang gumagalaw sa isang counter-clockwise na direksyon, isang south pole. Kung babaguhin mo ang direksyon ng kasalukuyang sa likaw ng electromagnet, magbabago rin ang mga poste nito.
Napagmasdan pa na ang parehong permanenteng magnet at ang electromagnet ay nakakaakit ng higit na malakas kung sila ay hindi sa anyo ng isang tuwid na bar, ngunit baluktot upang ang kanilang mga kabaligtaran na poste ay magkadikit.Sa kasong ito, hindi isang poste ang umaakit, ngunit dalawa, at bukod pa, ang mga linya ng magnetic force ay hindi gaanong nakakalat sa espasyo - sila ay puro sa pagitan ng mga pole.
Kapag ang naaakit na bagay na bakal ay dumikit sa magkabilang poste, ang horseshoe magnet ay halos huminto sa pagwawaldas ng mga linya ng puwersa patungo sa kalawakan. Ito ay madaling makita sa parehong sawdust sa papel. Ang mga magnetikong linya ng puwersa, na dating umaabot mula sa isang poste patungo sa isa pa, ay dumaan na ngayon sa naaakit na bagay na bakal, na parang mas madali para sa kanila na dumaan sa bakal kaysa sa hangin.
Ipinakikita ng pananaliksik na ito talaga ang kaso. Isang bagong konsepto ang lumitaw - magnetic permeability, na nagsasaad ng isang halaga na nagsasaad kung gaano karaming beses na mas madaling dumaan ang mga magnetic lines sa anumang substance kaysa sa hangin. Ang bakal at ilan sa mga haluang metal nito ay may pinakamataas na magnetic permeability. Ipinapaliwanag nito kung bakit, sa mga metal, ang bakal ay pinakanaaakit sa isang magnet.
Ang isa pang metal, nickel, ay natagpuan na may mas mababang magnetic permeability. At hindi gaanong naaakit sa isang magnet. Ang ilang iba pang mga sangkap ay natagpuan na may magnetic permeability na mas malaki kaysa sa hangin at samakatuwid ay naaakit sa mga magnet.
Ngunit ang mga magnetic na katangian ng mga sangkap na ito ay napakahina na ipinahayag. Samakatuwid, ang lahat ng mga de-koryenteng aparato at makina, kung saan gumagana ang mga electromagnet sa isang paraan o iba pa, hanggang sa araw na ito ay hindi magagawa nang walang bakal o walang mga espesyal na haluang metal na kinabibilangan ng bakal.
Naturally, maraming pansin ang binabayaran sa pag-aaral ng bakal at ang mga magnetic na katangian nito halos mula pa sa simula ng electrical engineering.Totoo, ang mahigpit na pang-agham na mga kalkulasyon sa lugar na ito ay naging posible lamang pagkatapos ng pag-aaral ng Russian scientist na si Alexander Grigorievich Stoletov, na isinagawa noong 1872. Natuklasan niya na ang magnetic permeability ng bawat piraso ng bakal ay hindi pare-pareho. Siya ay nagbabago para sa antas ng magnetization ng piraso na ito.
Ang paraan ng pagsubok sa mga magnetic na katangian ng bakal na iminungkahi ni Stoletov ay may malaking halaga at ginagamit ng mga siyentipiko at inhinyero sa ating panahon. Ang isang mas malalim na pag-aaral ng likas na katangian ng magnetic phenomena ay naging posible lamang pagkatapos ng pagbuo ng teorya ng istraktura ng bagay.
Ang modernong pag-unawa sa magnetism
Alam na natin ngayon na ang bawat elemento ng kemikal ay binubuo ng mga atomo — hindi karaniwang maliliit na kumplikadong mga particle. Sa gitna ng atom ay isang nucleus na sinisingil ng positibong kuryente. Ang mga electron, mga particle na nagdadala ng negatibong singil sa kuryente, ay umiikot sa paligid nito. Ang bilang ng mga electron ay hindi pareho para sa mga atomo ng iba't ibang elemento ng kemikal. Halimbawa, ang isang hydrogen atom ay mayroon lamang isang electron na umiikot sa nucleus nito, habang ang isang uranium atom ay may siyamnapu't dalawa.
Sa pamamagitan ng maingat na pagmamasid sa iba't ibang mga electrical phenomena, ang mga siyentipiko ay dumating sa konklusyon na ang electric current sa isang wire ay walang iba kundi ang paggalaw ng mga electron. Ngayon tandaan na ang isang magnetic field ay palaging lumitaw sa paligid ng isang wire kung saan ang isang electric current ay dumadaloy, iyon ay, ang mga electron ay gumagalaw.
Ito ay sumusunod na ang isang magnetic field ay palaging lumilitaw kung saan mayroong paggalaw ng mga electron, sa madaling salita, ang pagkakaroon ng isang magnetic field ay isang kinahinatnan ng paggalaw ng mga electron.
Ang tanong ay lumitaw: sa anumang sangkap, ang mga electron ay patuloy na umiikot sa paligid ng kanilang atomic nuclei, bakit sa kasong ito ay hindi ang bawat sangkap ay bumubuo ng isang magnetic field sa paligid mismo?
Ang modernong agham ay nagbibigay ng sumusunod na sagot dito. Ang bawat elektron ay may higit pa sa isang singil sa kuryente. Mayroon din itong mga katangian ng isang magnet, ito ay isang maliit na elemental na magnet. Kaya, ang magnetic field na nilikha ng mga electron habang sila ay gumagalaw sa paligid ng nucleus ay idinagdag sa kanilang sariling magnetic field.
Sa kasong ito, ang mga magnetic field ng karamihan sa mga atomo, natitiklop, ay ganap na nawasak, hinihigop. At sa ilang mga atomo lamang—iron, nickel, cobalt, at sa mas maliit na lawak sa iba pa—ang mga magnetic field ay lumalabas na hindi balanse, at ang mga atomo ay maliliit na magnet. Ang mga sangkap na ito ay tinatawag ferromagnetic (Ang ibig sabihin ng "Ferrum" ay bakal).
Kung ang mga atom ng ferromagnetic substance ay random na nakaayos, pagkatapos ay ang magnetic field ng iba't ibang mga atom na nakadirekta sa iba't ibang direksyon sa kalaunan ay kanselahin ang isa't isa. Ngunit kung paikutin mo ang mga ito upang ang mga magnetic field ay magdadagdag-at iyon ang ginagawa namin sa magnetization-ang mga magnetic field ay hindi na magkakansela, ngunit magdadagdag sa bawat isa.
Ang buong katawan (isang piraso ng bakal) ay lilikha ng isang magnetic field sa paligid nito, ito ay magiging isang magnet. Katulad nito, kapag ang mga electron ay gumagalaw sa isang direksyon, na halimbawa ay nangyayari sa isang electric current sa isang wire, ang magnetic field ng mga indibidwal na electron ay nagdaragdag sa isang kabuuang magnetic field.
Sa turn, ang mga electron na nakulong sa isang panlabas na magnetic field ay palaging nakalantad sa huli. Pinapayagan nito ang paggalaw ng mga electron na kontrolin gamit ang isang magnetic field.
Ang lahat ng nasa itaas ay isang tinatayang at napakasimpleng pamamaraan lamang. Sa katotohanan, ang mga atomic phenomena na nangyayari sa mga wire at magnetic na materyales ay mas kumplikado.
Ang agham ng mga magnet at magnetic phenomena — magnetology — ay napakahalaga sa modernong electrical engineering.Ang isang malaking kontribusyon sa pag-unlad ng agham na ito ay ginawa ng magnetologist na si Nikolay Sergeevich Akulov, na natuklasan ang isang mahalagang batas na kilala sa buong mundo bilang "batas ng Akulov". Ginagawang posible ng batas na ito na matukoy nang maaga kung paano nagbabago ang mga mahahalagang katangian ng mga metal tulad ng electrical conductivity, thermal conductivity, atbp., sa panahon ng magnetization.
Ang mga henerasyon ng mga siyentipiko ay nagtrabaho upang maarok ang misteryo ng magnetic phenomena at ilagay ang mga phenomena na ito sa serbisyo ng sangkatauhan. Ngayon, milyon-milyong mga pinaka-magkakaibang magnet at electromagnet ang gumagana para sa kapakinabangan ng tao sa iba't ibang mga de-koryenteng makina at aparato. Pinalaya nila ang mga tao mula sa mahirap na pisikal na paggawa, at kung minsan sila ay kailangang-kailangan na mga tagapaglingkod.
Tingnan ang iba pang kawili-wili at kapaki-pakinabang na mga artikulo tungkol sa mga magnet at kanilang mga aplikasyon:
Mga likas na magnetic phenomena
Permanenteng magnet - mga uri, katangian, pakikipag-ugnayan ng mga magnet
Ang paggamit ng mga permanenteng magnet sa electrical engineering at enerhiya