Magnetische verschijnselen in de natuurkunde - geschiedenis, voorbeelden en interessante feiten

Magnetisme en elektriciteit

De eerste praktische toepassing van de magneet was in de vorm van een stuk gemagnetiseerd staal dat op een plug in water of olie dreef. In dit geval wijst het ene uiteinde van de magneet altijd naar het noorden en het andere naar het zuiden. Het was het eerste kompas dat door zeelieden werd gebruikt.

Net zo lang geleden, enkele eeuwen voor onze jaartelling, wisten mensen dat een harsachtige substantie - barnsteen, indien gewreven met wol, een tijdje het vermogen kreeg om lichte voorwerpen aan te trekken: stukjes papier, stukjes draad, pluisjes. Dit fenomeen wordt elektrisch genoemd ("elektron" betekent "barnsteen" in het Grieks). Later werd dat opgemerkt geëlektrificeerd door wrijving kan niet alleen barnsteen zijn, maar ook andere stoffen: glas, wasstaaf, enz.

Lange tijd zagen mensen geen enkel verband tussen twee ongewone natuurverschijnselen: magnetisme en elektriciteit. Alleen een uitwendig teken leek algemeen - de eigenschap van aantrekken: een magneet trekt ijzer aan en een glazen staaf gewreven met wollen stukjes papier.Toegegeven, de magneet werkte constant en het geëlektrificeerde object verliest na een tijdje zijn eigenschappen, maar beide "trekken elkaar aan".

Maar nu, aan het einde van de 17e eeuw, werd dat opgemerkt bliksem - een elektrisch fenomeen - het raken van stalen voorwerpen in de buurt kan ze magnetiseren. Zo bleken bijvoorbeeld eens stalen messen die in een houten kist lagen gemagnetiseerd te zijn tot de onbeschrijfelijke verbazing van de eigenaar, nadat de bliksem de kist had getroffen en deze had gebroken.

In de loop van de tijd worden steeds meer van dergelijke gevallen waargenomen. Dit geeft echter nog geen reden om te denken dat er een sterk verband bestaat tussen elektriciteit en magnetisme. Zo'n verbinding werd pas ongeveer 180 jaar geleden tot stand gebracht. Vervolgens is geconstateerd dat de magnetische naald van het kompas afwijkt zodra er een draad in de buurt wordt geplaatst waarlangs er vloeit een elektrische stroom.

Bijna tegelijkertijd ontdekten wetenschappers een ander, niet minder opvallend fenomeen. Het bleek dat de draad waardoor de elektrische stroom vloeit in staat is om kleine ijzerkrullen naar zich toe te trekken. Het was echter de moeite waard om de stroom in de draad te stoppen, omdat het zaagsel onmiddellijk uit elkaar viel en de draad zijn magnetische eigenschappen verloor.

Ten slotte werd een andere eigenschap van elektrische stroom ontdekt, die uiteindelijk het verband tussen elektriciteit en magnetisme bevestigde. Het bleek dat er een stalen naald in het midden van een draadspoel is geplaatst waar een elektrische stroom doorheen loopt (zo'n spoel heet solenoïde) wordt op dezelfde manier gemagnetiseerd als gewreven met een natuurlijke magneet.

Elektromagneten en hun gebruik

Uit ervaring met een stalen naald en geboren elektromagneet… Door een zachte ijzeren staaf in het midden van de draadspoel te plaatsen in plaats van een naald, waren wetenschappers ervan overtuigd dat wanneer er een stroom door de spoel gaat, het ijzer de eigenschap van een magneet krijgt, en wanneer de stroom stopt, verliest het deze eigenschap . Tegelijkertijd werd opgemerkt dat hoe meer windingen van de draad in de solenoïde, hoe sterker de elektromagneet.

Onder invloed van een bewegende magneet wordt in de draadspoel een elektrische stroom opgewekt

Aanvankelijk leek de elektromagneet voor velen gewoon een grappig fysiek apparaat. Mensen vermoedden niet dat het in de nabije toekomst de breedste toepassing zou vinden, als basis zou dienen voor veel apparaten en machines (zie - Praktische toepassing van het fenomeen elektromagnetische inductie).

Het werkingsprincipe van het elektromagnetische relais

Nadat was vastgesteld dat een elektrische stroom magnetische eigenschappen aan een draad geeft, stelden wetenschappers de vraag: is er een omgekeerde relatie tussen elektriciteit en magnetisme? Zou bijvoorbeeld een sterke magneet die in een draadspoel is geplaatst, ervoor zorgen dat er een elektrische stroom door die spoel gaat?

Als er onder invloed van een stationaire magneet een elektrische stroom in een draad zou verschijnen, zou dit zelfs volkomen tegenstrijdig zijn wet van behoud van energie… Volgens deze wet is het, om elektrische stroom te verkrijgen, nodig om andere energie te verbruiken die zou worden omgezet in elektrische energie. Wanneer een elektrische stroom wordt opgewekt met behulp van een magneet, wordt de energie die wordt verbruikt bij de beweging van de magneet omgezet in elektrische energie.

Studie van magnetische verschijnselen

In het midden van de 13e eeuw merkten nieuwsgierige waarnemers op dat de magnetische wijzers van het kompas op elkaar inwerken: de uiteinden die in dezelfde richting wijzen, stoten elkaar af en degenen die op een andere manier wijzen, trekken elkaar aan.

Dit feit hielp wetenschappers om de werking van het kompas te verklaren. Er wordt aangenomen dat de wereldbol een enorme magneet is en dat de uiteinden van de kompasnaalden koppig in de goede richting draaien, omdat ze worden afgestoten door de ene magnetische pool van de aarde en aangetrokken door een andere. Deze veronderstelling bleek te kloppen.

Bij de studie van magnetische verschijnselen zijn kleine ijzervijlsels, die zich hechten aan een magneet van welke kracht dan ook, een grote hulp geweest. Allereerst viel op dat het meeste zaagsel aan twee specifieke plaatsen op de magneet of, zoals dat heet, de polen van de magneet blijven kleven. Het bleek dat elke magneet altijd minstens twee polen heeft, waarvan de ene noord (C) en de andere zuid (S) werd genoemd.

Het ijzervijlsel toont de locatie van de magnetische veldlijnen in de ruimte rond de magneet

In een staafvormige magneet bevinden de polen zich meestal aan de uiteinden van de staaf. Een bijzonder levendig beeld verscheen voor de ogen van waarnemers toen ze veronderstelden ijzervijlsel op glas of papier te strooien, waaronder een magneet lag. De krullen zijn dicht bij elkaar in de polen van de magneet. Vervolgens strekten ze zich in de vorm van dunne lijnen - ijzerdeeltjes aan elkaar gebonden - uit van de ene pool naar de andere.

Verdere studie van magnetische verschijnselen toonde aan dat er speciale magnetische krachten werken in de ruimte rond de magneet, of, zoals ze zeggen, magnetisch veld… De richting en intensiteit van de magnetische krachten worden aangegeven door het ijzervijlsel dat zich boven de magneet bevindt.

Experimenten met zaagsel hebben veel geleerd. Een stuk ijzer nadert bijvoorbeeld de pool van een magneet. Als tegelijkertijd het papier waarop het zaagsel ligt een beetje wordt geschud, begint het zaagselpatroon te veranderen. De magnetische lijnen worden als het ware zichtbaar. Ze gaan van de pool van de magneet naar het stuk ijzer en worden dikker naarmate het ijzer de pool nadert. Tegelijkertijd neemt ook de kracht toe waarmee de magneet het stuk ijzer naar zich toe trekt.

Aan welk uiteinde van de ijzeren staaf van de elektromagneet wordt de noordpool gevormd als er stroom door de spoel gaat, en aan welk uiteinde bevindt zich de zuidpool? Het is eenvoudig te bepalen door de richting van de elektrische stroom in de spoel. Het is bekend dat stroom (stroom van negatieve ladingen) van de negatieve pool van de bron naar de positieve pool stroomt.

Dit wetende en kijkend naar de spoel van de elektromagneet, kan men zich voorstellen in welke richting de stroom zal vloeien in de windingen van de elektromagneet. Aan het einde van de elektromagneet, waar de stroom een ​​cirkelvormige beweging met de klok mee zal maken, wordt een noordpool gevormd en aan het andere uiteinde van de strip, waar de stroom tegen de klok in beweegt, een zuidpool. Als je de richting van de stroom in de spoel van de elektromagneet verandert, veranderen ook de polen.

Verder werd waargenomen dat zowel de permanente magneet als de elektromagneet veel sterker aantrekken als ze niet de vorm van een rechte staaf hebben, maar gebogen zijn zodat hun tegengestelde polen dicht bij elkaar liggen.In dit geval trekt niet één pool aan, maar twee, en bovendien zijn de magnetische krachtlijnen minder verspreid in de ruimte - ze zijn geconcentreerd tussen de polen.

Wanneer het aangetrokken ijzer zich aan beide polen hecht, stopt de hoefijzermagneet bijna met het verspreiden van krachtlijnen in de ruimte. Dit is gemakkelijk te zien met hetzelfde zaagsel op papier. De magnetische krachtlijnen, die zich vroeger van de ene pool naar de andere uitstrekten, gaan nu door het aangetrokken ijzer alsof ze gemakkelijker door ijzer dan door lucht kunnen.

Uit onderzoek blijkt dat dit inderdaad het geval is. Er is een nieuw concept ontstaan: magnetische permeabiliteit, wat een waarde aangeeft die aangeeft hoe vaak het voor magnetische lijnen gemakkelijker is om door een substantie te gaan dan door lucht. IJzer en sommige van zijn legeringen hebben de hoogste magnetische permeabiliteit. Dit verklaart waarom van de metalen ijzer het meest wordt aangetrokken door een magneet.

Een ander metaal, nikkel, bleek een lagere magnetische permeabiliteit te hebben. En wordt minder aangetrokken door een magneet. Er is gevonden dat bepaalde andere stoffen een magnetische permeabiliteit hebben die groter is dan die van lucht en worden daarom aangetrokken door magneten.

Maar de magnetische eigenschappen van deze stoffen komen zeer zwak tot uiting. Daarom kunnen alle elektrische apparaten en machines, waarin elektromagneten op de een of andere manier werken, tot op de dag van vandaag niet zonder ijzer of zonder speciale legeringen die ijzer bevatten.

Natuurlijk is er bijna vanaf het begin van de elektrotechniek veel aandacht besteed aan de studie van ijzer en zijn magnetische eigenschappen.Toegegeven, strikt wetenschappelijke berekeningen op dit gebied werden pas mogelijk na de studies van de Russische wetenschapper Alexander Grigorievich Stoletov, uitgevoerd in 1872. Hij ontdekte dat de magnetische permeabiliteit van elk stuk ijzer niet constant is. Ze is aan het veranderen voor de mate van magnetisatie van dit stuk.

De door Stoletov voorgestelde methode voor het testen van de magnetische eigenschappen van ijzer is van grote waarde en wordt in onze tijd door wetenschappers en ingenieurs gebruikt. Een diepere studie van de aard van magnetische verschijnselen werd pas mogelijk na de ontwikkeling van de theorie van de structuur van materie.

Het moderne begrip van magnetisme

We weten nu dat elk chemisch element is opgebouwd uit atomen — ongewoon kleine complexe deeltjes. In het centrum van het atoom bevindt zich een kern geladen met positieve elektriciteit. Elektronen, deeltjes die een negatieve elektrische lading dragen, draaien eromheen. Het aantal elektronen is niet hetzelfde voor de atomen van verschillende chemische elementen. Een waterstofatoom heeft bijvoorbeeld slechts één elektron in een baan om zijn kern, terwijl een uraniumatoom er tweeënnegentig heeft.

Door zorgvuldig verschillende elektrische verschijnselen te observeren, kwamen wetenschappers tot de conclusie dat de elektrische stroom in een draad niets anders is dan de beweging van elektronen. Onthoud nu dat er altijd een magnetisch veld ontstaat rond een draad waarin een elektrische stroom vloeit, dat wil zeggen elektronen bewegen.

Hieruit volgt dat er altijd een magnetisch veld verschijnt waar er beweging van elektronen is, met andere woorden, het bestaan ​​van een magnetisch veld is een gevolg van de beweging van elektronen.

De vraag rijst: in elke substantie draaien elektronen constant rond hun atoomkernen, waarom vormt in dit geval niet elke substantie een magnetisch veld om zichzelf heen?

De moderne wetenschap geeft hierop het volgende antwoord. Elk elektron heeft meer dan alleen een elektrische lading. Het heeft ook de eigenschappen van een magneet, het is een kleine elementaire magneet, dus het magnetische veld dat wordt gecreëerd door de elektronen terwijl ze rond de kern bewegen, wordt toegevoegd aan hun eigen magnetische veld.

In dit geval worden de magnetische velden van de meeste atomen, vouwend, volledig vernietigd, geabsorbeerd. En in slechts een paar atomen - ijzer, nikkel, kobalt en in veel mindere mate in andere - blijken de magnetische velden onevenwichtig te zijn, en de atomen zijn kleine magneten. Deze stoffen worden genoemd ferromagnetisch ("Ferrum" betekent ijzer).

Als de atomen van ferromagnetische stoffen willekeurig zijn gerangschikt, heffen de magnetische velden van verschillende atomen die in verschillende richtingen zijn gericht elkaar uiteindelijk op. Maar als je ze zo draait dat de magnetische velden optellen - en dat is wat we doen bij magnetisatie - zullen de magnetische velden niet langer opheffen, maar optellen.

Het hele lichaam (een stuk ijzer) zal een magnetisch veld om zich heen creëren, het zal een magneet worden. Evenzo, wanneer elektronen in één richting bewegen, wat bijvoorbeeld gebeurt met een elektrische stroom in een draad, draagt ​​het magnetische veld van de individuele elektronen bij aan een totaal magnetisch veld.

Op hun beurt worden elektronen die gevangen zitten in een extern magnetisch veld altijd blootgesteld aan het laatste. Hierdoor kan de beweging van elektronen worden gecontroleerd met behulp van een magnetisch veld.

Al het bovenstaande is slechts een benaderend en zeer vereenvoudigd schema. In werkelijkheid zijn de atomaire verschijnselen die optreden in draden en magnetische materialen complexer.

De wetenschap van magneten en magnetische verschijnselen - magnetologie - is erg belangrijk voor de moderne elektrotechniek.Een grote bijdrage aan de ontwikkeling van deze wetenschap werd geleverd door de magnetoloog Nikolay Sergejevitsj Akulov, die een belangrijke wet ontdekte die over de hele wereld bekend staat als "de wet van Akulov". Deze wet maakt het mogelijk om op voorhand vast te stellen hoe belangrijke eigenschappen van metalen als elektrische geleidbaarheid, thermische geleidbaarheid etc. veranderen tijdens magnetisatie.

Generaties wetenschappers hebben gewerkt om het mysterie van magnetische verschijnselen te doorgronden en deze verschijnselen ten dienste van de mensheid te stellen. Tegenwoordig werken miljoenen van de meest uiteenlopende magneten en elektromagneten ten behoeve van de mens in verschillende elektrische machines en apparaten. Ze bevrijden mensen van zware fysieke arbeid, en soms zijn het onmisbare dienaren.

Bekijk andere interessante en nuttige artikelen over magneten en hun toepassingen:

Magnetisme en elektromagnetisme

Natuurlijke magnetische verschijnselen

Permanente magneten — soorten, eigenschappen, interactie van magneten

Het gebruik van permanente magneten in elektrotechniek en energie