Fenomeni magnetici in fisica: storia, esempi e fatti interessanti
Magnetismo ed elettricità
La prima applicazione pratica del magnete era sotto forma di un pezzo di acciaio magnetizzato che galleggiava su un tappo in acqua o olio. In questo caso, un'estremità del magnete punta sempre a nord e l'altra a sud. È stata la prima bussola usata dai marinai.
Proprio come molto tempo fa, diversi secoli prima della nostra era, la gente sapeva che una sostanza resinosa - l'ambra, se strofinata con la lana, riceveva per un po 'la capacità di attrarre oggetti leggeri: pezzi di carta, pezzi di filo, lanugine. Questo fenomeno è chiamato elettrico ("elettrone" significa "ambra" in greco). Successivamente è stato notato che elettrizzato per attrito può non solo ambra, ma anche altre sostanze: vetro, bastoncino di cera, ecc.
Per molto tempo, le persone non hanno visto alcuna connessione tra due insoliti fenomeni naturali: il magnetismo e l'elettricità. Solo un segno esteriore sembrava essere comune: la proprietà di attrarre: una calamita attrae il ferro e una bacchetta di vetro strofinata con pezzetti di carta di lana.È vero, il magnete ha agito costantemente e l'oggetto elettrizzato perde le sue proprietà dopo un po ', ma entrambi "si attraggono".
Ma ora, alla fine del XVII secolo, se ne accorse fulmine - un fenomeno elettrico - colpire vicino a oggetti d'acciaio può magnetizzarli. Così, ad esempio, una volta che i coltelli d'acciaio che giacevano in una scatola di legno si sono rivelati magnetizzati con indescrivibile sorpresa del proprietario, dopo che un fulmine ha colpito la scatola e l'ha rotta.
Nel tempo, si osservano sempre più casi simili. Tuttavia, questo non dà ancora motivo di pensare che esista una forte connessione tra elettricità e magnetismo. Tale connessione è stata stabilita solo circa 180 anni fa. Si è poi osservato che l'ago magnetico della bussola devia non appena vi si avvicina un filo, lungo il quale scorre una corrente elettrica.
Quasi contemporaneamente, gli scienziati hanno scoperto un altro fenomeno non meno sorprendente. Si è scoperto che il filo attraverso il quale scorre la corrente elettrica è in grado di attrarre a sé piccoli trucioli di ferro. Tuttavia, valeva la pena interrompere la corrente nel filo, perché la segatura si sfaldava immediatamente e il filo perdeva le sue proprietà magnetiche.
Infine, è stata scoperta un'altra proprietà della corrente elettrica, che ha finalmente confermato la connessione tra elettricità e magnetismo. Si è scoperto che un ago d'acciaio posto nel mezzo di una bobina di filo attraverso il quale scorre una corrente elettrica (una tale bobina è chiamata solenoide) è magnetizzato allo stesso modo come se strofinato con un magnete naturale.
Elettromagneti e loro utilizzo
Dall'esperienza con un ago d'acciaio ed è nato elettromagnete… Mettendo una bacchetta di ferro dolce al centro della bobina di filo anziché un ago, gli scienziati erano convinti che quando una corrente passa attraverso la bobina, il ferro acquisisce la proprietà di un magnete e quando la corrente si interrompe, perde questa proprietà . Allo stesso tempo, si è notato che maggiore è il numero di giri del filo nel solenoide, più forte è l'elettromagnete.
Sotto l'influenza di un magnete in movimento, viene generata una corrente elettrica nella bobina del filo
All'inizio, l'elettromagnete sembrava a molti solo un divertente dispositivo fisico. La gente non sospettava che nel prossimo futuro avrebbe trovato la più ampia applicazione, fungendo da base per molti dispositivi e macchine (vedi — Applicazione pratica del fenomeno dell'induzione elettromagnetica).
Il principio di funzionamento del relè elettromagnetico
Dopo aver stabilito che una corrente elettrica conferisce a un filo proprietà magnetiche, gli scienziati si sono posti la domanda: esiste una relazione inversa tra elettricità e magnetismo? Ad esempio, un forte magnete posto all'interno di una bobina di filo provocherebbe il flusso di corrente elettrica attraverso quella bobina?
Infatti, se una corrente elettrica apparisse in un filo sotto l'azione di un magnete stazionario, ciò sarebbe del tutto contraddittorio legge di conservazione dell'energia… Secondo questa legge, per ottenere una corrente elettrica, è necessario spendere altra energia che verrebbe convertita in energia elettrica. Quando una corrente elettrica viene prodotta con l'aiuto di un magnete, l'energia spesa nel movimento del magnete viene convertita in energia elettrica.
Studio dei fenomeni magnetici
Già a metà del XIII secolo, osservatori curiosi notarono che le lancette magnetiche del compasso interagiscono tra loro: le estremità che puntano nella stessa direzione si respingono e quelle che puntano in modo diverso si attraggono.
Questo fatto ha aiutato gli scienziati a spiegare l'azione della bussola. Si presume che il globo sia un enorme magnete e che le estremità degli aghi della bussola girino ostinatamente nella giusta direzione, perché sono respinte da un polo magnetico della Terra e attratte da un altro. Questa ipotesi si è rivelata vera.
Nello studio dei fenomeni magnetici sono state di grande aiuto piccole limature di ferro, aderenti a un magnete di qualsiasi forza. Prima di tutto, è stato notato che la maggior parte della segatura si attacca a due punti specifici del magnete o, come viene chiamato, ai poli del magnete. Risultò che ogni magnete ha sempre almeno due poli, uno dei quali venne chiamato nord (C) e l'altro sud (S).
La limatura di ferro mostra la posizione delle linee del campo magnetico nello spazio intorno al magnete
In un magnete simile a una barra, i suoi poli si trovano più spesso alle estremità della barra. Un'immagine particolarmente vivida apparve davanti agli occhi degli osservatori quando presumevano di cospargere limatura di ferro su vetro o carta, sotto i quali giaceva un magnete. I trucioli sono ravvicinati nei poli del magnete. Poi, sotto forma di linee sottili - particelle di ferro legate insieme - si estendevano da un polo all'altro.
Ulteriori studi sui fenomeni magnetici hanno mostrato che speciali forze magnetiche agiscono nello spazio attorno al magnete o, come si suol dire, campo magnetico… La direzione e l'intensità delle forze magnetiche sono indicate dalla limatura di ferro situata sopra il magnete.
Gli esperimenti con la segatura hanno insegnato molto. Ad esempio, un pezzo di ferro si avvicina al polo di un magnete. Se allo stesso tempo la carta su cui giace la segatura viene leggermente scossa, il motivo della segatura inizia a cambiare. Le linee magnetiche diventano visibili. Passano dal polo del magnete al pezzo di ferro e diventano più spessi man mano che il ferro si avvicina al polo. Allo stesso tempo, aumenta anche la forza con cui il magnete tira verso di sé il pezzo di ferro.
A quale estremità dell'asta di ferro dell'elettromagnete si forma il polo nord quando una corrente passa attraverso la bobina, e dove si trova il polo sud? È facile da determinare dalla direzione della corrente elettrica nella bobina. È noto che la corrente (flusso di cariche negative) fluisce dal polo negativo della sorgente a quello positivo.
Sapendo questo e guardando la bobina dell'elettromagnete, si può immaginare in quale direzione scorrerà la corrente nelle spire dell'elettromagnete. All'estremità dell'elettromagnete, dove la corrente farà un movimento circolare in senso orario, si forma un polo nord, e all'altra estremità della striscia, dove la corrente si muove in senso antiorario, un polo sud. Se cambi la direzione della corrente nella bobina dell'elettromagnete, anche i suoi poli cambieranno.
È stato inoltre osservato che sia il magnete permanente che l'elettromagnete si attraggono molto più fortemente se non hanno la forma di una barra diritta, ma sono piegati in modo che i loro poli opposti siano vicini tra loro.In questo caso, non un polo si attrae, ma due, e inoltre le linee di forza magnetica sono meno disperse nello spazio: sono concentrate tra i poli.
Quando l'oggetto di ferro attratto aderisce a entrambi i poli, il magnete a ferro di cavallo quasi smette di dissipare linee di forza nello spazio. Questo è facile da vedere con la stessa segatura su carta. Le linee magnetiche di forza, che prima si estendevano da un polo all'altro, passano ora attraverso l'oggetto di ferro attratto, come se fosse loro più facile passare attraverso il ferro che attraverso l'aria.
La ricerca mostra che questo è davvero il caso. È emerso un nuovo concetto: permeabilità magnetica, che denota un valore che indica quante volte è più facile per le linee magnetiche passare attraverso qualsiasi sostanza che attraverso l'aria. Il ferro e alcune delle sue leghe hanno la più alta permeabilità magnetica. Questo spiega perché, tra i metalli, il ferro è maggiormente attratto da una calamita.
Un altro metallo, il nichel, è risultato avere una permeabilità magnetica inferiore. Ed è meno attratto da una calamita. È stato scoperto che alcune altre sostanze hanno una permeabilità magnetica maggiore dell'aria e sono quindi attratte dai magneti.
Ma le proprietà magnetiche di queste sostanze sono espresse molto debolmente. Pertanto, tutti i dispositivi e le macchine elettriche, in cui gli elettromagneti funzionano in un modo o nell'altro, fino ad oggi non possono fare a meno del ferro o delle leghe speciali che includono il ferro.
Naturalmente, fin dall'inizio dell'ingegneria elettrica, è stata prestata molta attenzione allo studio del ferro e delle sue proprietà magnetiche.Calcoli veri e rigorosamente scientifici in quest'area sono diventati possibili solo dopo gli studi dello scienziato russo Alexander Grigorievich Stoletov, condotti nel 1872. Ha scoperto che la permeabilità magnetica di ogni pezzo di ferro non è costante. Lei sta cambiando per il grado di magnetizzazione di questo pezzo.
Il metodo per testare le proprietà magnetiche del ferro proposto da Stoletov ha un grande valore ed è utilizzato da scienziati e ingegneri ai nostri tempi. Uno studio più approfondito della natura dei fenomeni magnetici è diventato possibile solo dopo lo sviluppo della teoria della struttura della materia.
La moderna comprensione del magnetismo
Ora sappiamo che ogni elemento chimico è formato da atomi — particelle complesse insolitamente piccole. Al centro dell'atomo c'è un nucleo carico di elettricità positiva. Gli elettroni, particelle che portano una carica elettrica negativa, ruotano attorno ad esso. Il numero di elettroni non è lo stesso per gli atomi di diversi elementi chimici. Ad esempio, un atomo di idrogeno ha un solo elettrone in orbita attorno al suo nucleo, mentre un atomo di uranio ne ha novantadue.
Osservando attentamente vari fenomeni elettrici, gli scienziati sono giunti alla conclusione che la corrente elettrica in un filo non è altro che il movimento degli elettroni. Ora ricorda che un campo magnetico si forma sempre attorno a un filo in cui scorre una corrente elettrica, cioè gli elettroni si muovono.
Ne consegue che un campo magnetico appare sempre dove c'è moto di elettroni, in altre parole, l'esistenza di un campo magnetico è una conseguenza del moto di elettroni.
La domanda sorge spontanea: in qualsiasi sostanza gli elettroni ruotano costantemente attorno ai loro nuclei atomici, perché in questo caso ogni sostanza non forma un campo magnetico attorno a sé?
La scienza moderna dà la seguente risposta a questo. Ogni elettrone ha più di una semplice carica elettrica. Ha anche le proprietà di un magnete, è un piccolo magnete elementare, quindi il campo magnetico creato dagli elettroni mentre si muovono attorno al nucleo si aggiunge al proprio campo magnetico.
In questo caso, i campi magnetici della maggior parte degli atomi, piegandosi, vengono completamente distrutti, assorbiti. E solo in pochi atomi - ferro, nichel, cobalto e, in misura molto minore, in altri - i campi magnetici risultano sbilanciati e gli atomi sono piccoli magneti. Queste sostanze sono chiamate ferromagnetico ("Ferrum" significa ferro).
Se gli atomi delle sostanze ferromagnetiche sono disposti in modo casuale, i campi magnetici di atomi diversi diretti in direzioni diverse alla fine si annullano a vicenda. Ma se li ruoti in modo che i campi magnetici si sommino - ed è quello che facciamo nella magnetizzazione - i campi magnetici non si annulleranno più, ma si sommeranno l'un l'altro.
L'intero corpo (un pezzo di ferro) creerà un campo magnetico intorno a sé, diventerà un magnete. Allo stesso modo, quando gli elettroni si muovono in una direzione, che ad esempio si verifica con una corrente elettrica in un filo, il campo magnetico dei singoli elettroni si aggiunge a un campo magnetico totale.
A loro volta, gli elettroni intrappolati in un campo magnetico esterno sono sempre esposti a quest'ultimo. Ciò consente di controllare il movimento degli elettroni utilizzando un campo magnetico.
Tutto quanto sopra è solo uno schema approssimativo e molto semplificato. In realtà i fenomeni atomici che si verificano nei fili e nei materiali magnetici sono più complessi.
La scienza dei magneti e dei fenomeni magnetici - la magnetologia - è molto importante per la moderna ingegneria elettrica.Un grande contributo allo sviluppo di questa scienza è stato dato dal magnetologo Nikolay Sergeevich Akulov, che ha scoperto un'importante legge conosciuta in tutto il mondo come "legge di Akulov". Questa legge consente di determinare in anticipo come cambiano proprietà importanti dei metalli come la conduttività elettrica, la conducibilità termica, ecc. Durante la magnetizzazione.
Generazioni di scienziati hanno lavorato per penetrare il mistero dei fenomeni magnetici e mettere questi fenomeni al servizio dell'umanità. Oggi, milioni dei più diversi magneti ed elettromagneti lavorano a beneficio dell'uomo in varie macchine e dispositivi elettrici. Liberano le persone dal duro lavoro fisico e talvolta sono servi indispensabili.
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