Magnetni pojavi v fiziki - zgodovina, primeri in zanimivosti
Magnetizem in elektrika
Prva praktična uporaba magneta je bila v obliki kosa magnetiziranega jekla, ki je plaval na čepu v vodi ali olju. V tem primeru en konec magneta vedno kaže proti severu, drugi pa proti jugu. To je bil prvi kompas, ki so ga uporabljali mornarji.
Tako dolgo nazaj, nekaj stoletij pred našim štetjem, so ljudje vedeli, da je smolnata snov - jantar, če jo podrgnemo z volno, za nekaj časa prejela sposobnost, da pritegne lahke predmete: koščke papirja, kose niti, kosme. Ta pojav imenujemo električni ("elektron" v grščini pomeni "jantar"). Kasneje se je opazilo, da naelektreni zaradi trenja lahko ne samo jantar, ampak tudi druge snovi: steklo, voščena palica itd.
Dolgo časa ljudje niso videli nobene povezave med dvema nenavadnima naravnima pojavoma - magnetizmom in elektriko. Zdelo se je, da je običajen samo zunanji znak - lastnost privlačenja: magnet privlači železo in steklena palica, podrgnjena z volnenimi ostanki papirja.Resda je magnet deloval konstantno in naelektreni predmet čez nekaj časa izgubi svoje lastnosti, vendar se oboje "privlači".
Toda zdaj, ob koncu 17. stoletja, je bilo opaziti, da strela — električni pojav — udarec v bližino jeklenih predmetov jih lahko magnetizira. Tako so se na primer nekoč jekleni noži, ki so ležali v leseni škatli, na nepopisno presenečenje lastnika izkazali za magnetizirane, potem ko je v škatlo udarila strela in jo razbila.
Sčasoma je takih primerov vedno več. Vendar to še vedno ne daje razloga za domnevo, da obstaja močna povezava med elektriko in magnetizmom. Takšna povezava je bila vzpostavljena šele pred približno 180 leti. Tedaj so opazili, da magnetna igla kompasa odstopi takoj, ko ji približamo žico, vzdolž katere teče električni tok.
Skoraj istočasno so znanstveniki odkrili še en, nič manj osupljiv pojav. Izkazalo se je, da je žica, skozi katero teče električni tok, sposobna pritegniti majhne železne ostružke k sebi. Vendar se je splačalo ustaviti tok v žici, saj je žagovina takoj razpadla in je žica izgubila svoje magnetne lastnosti.
Končno je bila odkrita še ena lastnost električnega toka, ki je dokončno potrdila povezavo med elektriko in magnetizmom. Izkazalo se je, da je jeklena igla, nameščena na sredini žične tuljave, skozi katero teče električni tok (takšna tuljava se imenuje solenoid) se magnetizira na enak način, kot če bi ga podrgnili z naravnim magnetom.
Elektromagneti in njihova uporaba
Iz izkušenj z jekleno iglo in se je rodil elektromagnet… S tem, ko so na sredino žične tuljave namesto igle postavili palico iz mehkega železa, so bili znanstveniki prepričani, da ob prehodu toka skozi tuljavo železo pridobi lastnost magneta, ko tok preneha, pa to lastnost izgubi . Hkrati je bilo ugotovljeno, da več kot je žice v solenoidu, močnejši je elektromagnet.
Pod vplivom premikajočega se magneta se v žični tuljavi ustvari električni tok
Sprva se je elektromagnet mnogim zdel le smešna fizična naprava. Ljudje niso slutili, da bo v bližnji prihodnosti našel najširšo uporabo, služil kot osnova za številne naprave in stroje (glej - Praktična uporaba pojava elektromagnetne indukcije).
Načelo delovanja elektromagnetnega releja
Ko je bilo ugotovljeno, da električni tok daje žici magnetne lastnosti, so znanstveniki postavili vprašanje: ali obstaja obratno razmerje med elektriko in magnetizmom? Na primer, ali bi močan magnet, nameščen znotraj tuljave žice, povzročil, da skozi to tuljavo teče električni tok?
Pravzaprav, če bi se električni tok pojavil v žici pod delovanjem mirujočega magneta, bi bilo to popolnoma protislovno zakon o ohranitvi energije… Po tem zakonu je za pridobitev električnega toka treba porabiti drugo energijo, ki bi se pretvorila v električno energijo. Ko se s pomočjo magneta proizvaja električni tok, se energija, porabljena za gibanje magneta, pretvori v električno energijo.
Preučevanje magnetnih pojavov
Že sredi XIII. stoletja so radovedni opazovalci opazili, da magnetni kazalci kompasa medsebojno delujejo: konci, ki kažejo v isto smer, se odbijajo, tisti, ki kažejo drugače, pa se privlačijo.
To dejstvo je znanstvenikom pomagalo razložiti delovanje kompasa. Predpostavlja se, da je globus ogromen magnet, konci igel kompasa pa se trmasto obračajo v pravo smer, ker jih en magnetni pol Zemlje odbija in privlači drugi. Ta domneva se je izkazala za resnično.
Pri proučevanju magnetnih pojavov so bili v veliko pomoč majhni železni opilki, ki so se oprijeli magneta katere koli sile. Najprej je bilo opaziti, da se večina žagovine prilepi na dve točno določeni mesti na magnetu ali, kot temu rečemo, poli magneta. Izkazalo se je, da ima vsak magnet vedno vsaj dva pola, od katerih so enega poimenovali severni (C), drugega pa južni (S).
Železni opilki kažejo lokacijo silnic magnetnega polja v prostoru okoli magneta
V paličastem magnetu so njegovi poli najpogosteje na koncih palice. Še posebej živa slika se je pojavila pred očmi opazovalcev, ko so se odločili, da na steklo ali papir potresejo železne opilke, pod katerimi je ležal magnet. Ostružki so tesno nameščeni v polih magneta. Nato so se v obliki tankih linij – delcev železa, povezanih skupaj – raztegnili od enega pola do drugega.
Nadaljnje preučevanje magnetnih pojavov je pokazalo, da v prostoru okoli magneta delujejo posebne magnetne sile ali, kot pravijo, magnetno polje… Smer in jakost magnetnih sil označujejo železni opilki nad magnetom.
Poskusi z žagovino so marsikaj naučili. Na primer, kos železa se približa magnetnemu polu. Če hkrati malo stresemo papir, na katerem leži žagovina, se vzorec žagovine začne spreminjati. Magnetne črte postanejo kot vidne. Prehajajo s pola magneta na kos železa in postanejo debelejši, ko se železo približuje polu. Ob tem se poveča tudi sila, s katero magnet vleče kos železa k sebi.
Na katerem koncu železne palice elektromagneta nastane severni pol, ko tok teče skozi tuljavo, in na katerem južni pol? To je enostavno določiti s smerjo električnega toka v tuljavi. Znano je, da tok (pretok negativnih nabojev) teče od negativnega pola vira do pozitivnega.
Če to vemo in gledamo na tuljavo elektromagneta, si lahko predstavljamo, v katero smer bo tekel tok v zavojih elektromagneta. Na koncu elektromagneta, kjer se bo tok gibal v smeri urinega kazalca, se oblikuje severni pol, na drugem koncu traku, kjer se tok giblje v nasprotni smeri urinega kazalca, pa južni pol. Če spremenite smer toka v tuljavi elektromagneta, se spremenijo tudi njegovi poli.
Nadalje je bilo ugotovljeno, da tako trajni magnet kot elektromagnet veliko močneje privlačita, če nista v obliki ravne palice, ampak upognjena tako, da sta njuna nasprotna pola tesno skupaj.V tem primeru se ne privlači en pol, ampak dva, poleg tega pa so črte magnetne sile manj razpršene v prostoru - koncentrirane so med poli.
Ko se privlečeni železni predmet oprime obeh polov, podkvasti magnet skoraj preneha razpršiti silnice v vesolje. To je enostavno videti z isto žagovino na papirju. Magnetne silnice, ki so se poprej raztezale od enega pola do drugega, gredo sedaj skoz privlačni železni predmet, kakor da bi jim bilo lažje iti skozi železo nego skozi zrak.
Raziskave kažejo, da je temu res tako. Pojavil se je nov koncept - magnetna prepustnost, ki označuje vrednost, ki pove, kolikokrat magnetne linije lažje prehajajo skozi katerokoli snov kot skozi zrak. Železo in nekatere njegove zlitine imajo največjo magnetno prepustnost. To pojasnjuje, zakaj izmed kovin železo najbolj privlači magnet.
Ugotovljeno je bilo, da ima druga kovina, nikelj, manjšo magnetno prepustnost. In manj ga privlači magnet. Ugotovljeno je bilo, da imajo nekatere druge snovi večjo magnetno prepustnost kot zrak in jih zato magneti privlačijo.
Toda magnetne lastnosti teh snovi so zelo šibko izražene. Zato vse električne naprave in stroji, v katerih tako ali drugače delujejo elektromagneti, do danes ne morejo brez železa ali brez posebnih zlitin, ki vsebujejo železo.
Seveda je bilo proučevanju železa in njegovih magnetnih lastnosti posvečeno veliko pozornosti skoraj od samega začetka elektrotehnike.Resnični, strogo znanstveni izračuni na tem področju so postali mogoči šele po študijah ruskega znanstvenika Aleksandra Grigorijeviča Stoletova, opravljenih leta 1872. Odkril je, da magnetna prepustnost vsakega kosa železa ni konstantna. Ona se spreminja za stopnjo magnetizacije tega kosa.
Metoda testiranja magnetnih lastnosti železa, ki jo je predlagal Stoletov, ima veliko vrednost in jo danes uporabljajo znanstveniki in inženirji. Poglobljena študija narave magnetnih pojavov je postala mogoča šele po razvoju teorije o strukturi snovi.
Sodobno razumevanje magnetizma
Zdaj vemo, da vsak kemični element je sestavljen iz atomov — nenavadno majhni kompleksni delci. V središču atoma je jedro, nabito s pozitivno elektriko. Okoli njega se vrtijo elektroni, delci, ki nosijo negativen električni naboj. Število elektronov pri atomih različnih kemijskih elementov ni enako. Na primer, atom vodika ima samo en elektron, ki kroži okoli njegovega jedra, medtem ko jih ima atom urana dvaindevetdeset.
Z natančnim opazovanjem različnih električnih pojavov so znanstveniki prišli do zaključka, da električni tok v žici ni nič drugega kot gibanje elektronov. Ne pozabite, da magnetno polje vedno nastane okoli žice, v kateri teče električni tok, torej se premikajo elektroni.
Iz tega sledi, da se magnetno polje pojavi vedno tam, kjer je gibanje elektronov, z drugimi besedami, obstoj magnetnega polja je posledica gibanja elektronov.
Postavlja se vprašanje: v kateri koli snovi se elektroni nenehno vrtijo okoli svojih atomskih jeder, zakaj v tem primeru vsaka snov ne tvori magnetnega polja okoli sebe?
Sodobna znanost na to odgovarja takole. Vsak elektron ima več kot le električni naboj. Ima tudi lastnosti magneta, je majhen elementarni magnet.Tako se magnetno polje, ki ga ustvarijo elektroni, ko se gibljejo okoli jedra, doda njihovemu lastnemu magnetnemu polju.
V tem primeru so magnetna polja večine atomov, zlaganje, popolnoma uničena, absorbirana. In le v nekaj atomih – železu, niklju, kobaltu in v veliko manjši meri v drugih – se izkaže, da so magnetna polja neuravnotežena, atomi pa so majhni magneti. Te snovi se imenujejo feromagnetni ("Ferrum" pomeni železo).
Če so atomi feromagnetnih snovi razporejeni naključno, se magnetna polja različnih atomov, usmerjena v različne smeri, sčasoma izničijo. Toda če jih zavrtite tako, da se magnetna polja seštejejo – in to je tisto, kar počnemo pri magnetizaciji – se magnetna polja ne bodo več izničila, temveč se seštevala.
Celotno telo (kos železa) bo okrog sebe ustvarilo magnetno polje, postalo bo magnet. Podobno, ko se elektroni gibljejo v eno smer, kar se na primer zgodi z električnim tokom v žici, se magnetno polje posameznih elektronov doda k skupnemu magnetnemu polju.
Po drugi strani pa so elektroni, ujeti v zunanje magnetno polje, vedno izpostavljeni slednjemu. To omogoča nadzor gibanja elektronov z uporabo magnetnega polja.
Vse zgoraj navedeno je le približna in zelo poenostavljena shema. V resnici so atomski pojavi, ki se pojavljajo v žicah in magnetnih materialih, bolj zapleteni.
Veda o magnetih in magnetnih pojavih — magnetologija — je zelo pomembna za sodobno elektrotehniko.Velik prispevek k razvoju te vede je dal magnetolog Nikolaj Sergejevič Akulov, ki je odkril pomemben zakon, ki je v svetu znan kot "Akulov zakon". Ta zakon omogoča vnaprejšnjo določitev, kako se med magnetizacijo spremenijo tako pomembne lastnosti kovin, kot so električna prevodnost, toplotna prevodnost itd.
Generacije znanstvenikov so si prizadevale prodreti v skrivnost magnetnih pojavov in te pojave postaviti v službo človeštva. Danes na milijone najrazličnejših magnetov in elektromagnetov deluje v korist človeka v različnih električnih strojih in napravah. Ljudi osvobodijo težkega fizičnega dela, včasih pa so nepogrešljivi služabniki.
Oglejte si še druge zanimive in uporabne članke o magnetih in njihovi uporabi:
Magnetizem in elektromagnetizem