Fenòmens magnètics en física: història, exemples i fets interessants
Magnetisme i electricitat
La primera aplicació pràctica de l'imant va ser en forma d'una peça d'acer magnetitzat que flotava sobre un tap en aigua o oli. En aquest cas, un extrem de l'imant sempre apunta al nord i l'altre al sud. Va ser la primera brúixola utilitzada pels mariners.
Igual que fa molt de temps, uns quants segles abans de la nostra era, la gent sabia que una substància resinosa: l'ambre, si es fregava amb llana, va rebre durant un temps la capacitat d'atreure objectes lleugers: trossos de paper, trossos de fil, pelusa. Aquest fenomen s'anomena elèctric ("electró" significa "ambre" en grec). Més tard es va notar que electrificat per fricció pot no només ambre, sinó també altres substàncies: vidre, pal de cera, etc.
Durant molt de temps, la gent no va veure cap connexió entre dos fenòmens naturals inusuals: el magnetisme i l'electricitat. Només un signe extern semblava ser comú: la propietat d'atraure: un imant atreu el ferro i una vareta de vidre fregada amb trossos de llana.És cert que l'imant va actuar constantment i l'objecte electrificat perd les seves propietats al cap d'un temps, però tots dos "s'atrauen".
Però ara, a finals del segle XVII, es va notar que llamp — un fenomen elèctric — colpejar a prop d'objectes d'acer els pot magnetitzar. Així, per exemple, una vegada que els ganivets d'acer estirats dins d'una caixa de fusta van resultar magnetitzats per a sorpresa indescriptible del propietari, després que un llamp caigués en la caixa i la trenqués.
Amb el temps, cada cop s'observen més casos d'aquest tipus. Tanmateix, això encara no dóna motius per pensar que hi hagi una forta connexió entre l'electricitat i el magnetisme. Aquesta connexió es va establir fa només uns 180 anys. Aleshores es va observar que l'agulla magnètica de la brúixola es desvia tan bon punt es col·loca un cable a prop, al llarg del qual circula un corrent elèctric.
Gairebé al mateix temps, els científics van descobrir un altre fenomen no menys cridaner. Va resultar que el cable pel qual flueix el corrent elèctric és capaç d'atreure petites encenalls de ferro cap a si mateix. No obstant això, valia la pena aturar el corrent al cable, perquè la serradures es va trencar immediatament i el cable va perdre les seves propietats magnètiques.
Finalment, es va descobrir una altra propietat del corrent elèctric, que finalment va confirmar la connexió entre electricitat i magnetisme. Va resultar que una agulla d'acer col·locada al mig d'una bobina de filferro per on passa un corrent elèctric (aquesta bobina s'anomena solenoide) es magnetitza de la mateixa manera que si es frega amb un imant natural.
Electroimants i el seu ús
De l'experiència amb una agulla d'acer i va néixer electroimant… En col·locar una vareta de ferro suau al mig de la bobina de filferro en lloc d'una agulla, els científics estaven convençuts que quan un corrent passa per la bobina, el ferro adquireix la propietat d'un imant i, quan s'atura el corrent, perd aquesta propietat . Al mateix temps, es va notar que com més voltes el cable del solenoide, més fort és l'electroimant.
Sota la influència d'un imant en moviment, es genera un corrent elèctric a la bobina de filferro
Al principi, l'electroimant semblava a molts un dispositiu físic divertit. La gent no sospitava que en un futur proper trobaria l'aplicació més àmplia, serviria de base per a molts dispositius i màquines (vegeu: Aplicació pràctica del fenomen de la inducció electromagnètica).
Principi de funcionament del relé electromagnètic
Després que es va establir que un corrent elèctric dóna propietats magnètiques a un cable, els científics van fer la pregunta: hi ha una relació inversa entre l'electricitat i el magnetisme? Per exemple, un imant fort col·locat dins d'una bobina de filferro faria passar un corrent elèctric per aquesta bobina?
De fet, si un corrent elèctric aparegués en un cable sota l'acció d'un imant estacionari, això seria completament contradictori. llei de conservació de l'energia… Segons aquesta llei, per obtenir un corrent elèctric, cal gastar una altra energia que es convertiria en energia elèctrica. Quan es produeix un corrent elèctric amb l'ajuda d'un imant, l'energia gastada en el moviment de l'imant es converteix en energia elèctrica.
Estudi dels fenòmens magnètics
A mitjans del segle XIII, observadors curiosos van notar que les mans magnètiques de la brúixola interactuen entre elles: els extrems que apunten en la mateixa direcció es repel·leixen i els que apunten d'una manera diferent s'atrauen.
Aquest fet va ajudar els científics a explicar l'acció de la brúixola. Se suposa que el globus terraqüi és un imant enorme i els extrems de les agulles de la brúixola giren obstinadament en la direcció correcta, perquè són repel·lits per un pol magnètic de la Terra i atrets per un altre. Aquesta suposició va resultar ser certa.
En l'estudi dels fenòmens magnètics, les petites llimadures de ferro, adherides a un imant de qualsevol força, han estat de gran ajuda. En primer lloc, es va notar que la majoria de serradures s'enganxa a dos llocs concrets de l'imant o, com s'anomena, als pols de l'imant. Va resultar que cada imant sempre té almenys dos pols, un dels quals es va anomenar nord (C) i l'altre sud (S).
Les llimadures de ferro mostren la ubicació de les línies de camp magnètic a l'espai al voltant de l'imant
En un imant semblant a una barra, els seus pols es troben més sovint als extrems de la barra. Una imatge especialment vívida va aparèixer davant els ulls dels observadors quan van suposar espolvorear llimadures de ferro sobre vidre o paper, sota les quals hi havia un imant. Els encenalls estan molt espaiats als pols de l'imant. Aleshores, en forma de línies fines —partícules de ferro unides entre si—, s'estenen d'un pol a l'altre.
Un estudi posterior dels fenòmens magnètics va demostrar que les forces magnètiques especials actuen a l'espai al voltant de l'imant o, com diuen, camp magnètic... La direcció i la intensitat de les forces magnètiques s'indiquen per les llimadures de ferro situades a sobre de l'imant.
Els experiments amb serradures han ensenyat molt. Per exemple, un tros de ferro s'acosta al pol d'un imant. Si al mateix temps es sacseja una mica el paper on es troba la serradures, el patró de serradures comença a canviar. Les línies magnètiques es tornen com si fossin visibles. Passen del pol de l'imant al tros de ferro i es fan més gruixuts a mesura que el ferro s'acosta al pol. Al mateix temps, també augmenta la força amb què l'imant estira la peça de ferro cap a si mateix.
A quin extrem de la vareta de ferro de l'electroimant es forma el pol nord quan passa un corrent per la bobina, i a quin es troba el pol sud? És fàcil de determinar per la direcció del corrent elèctric a la bobina. Se sap que el corrent (flux de càrregues negatives) flueix del pol negatiu de la font al positiu.
Sabent això i mirant la bobina de l'electroimant, es pot imaginar en quina direcció circularà el corrent en les espires de l'electroimant. A l'extrem de l'electroimant, on el corrent farà un moviment circular en sentit horari, es forma un pol nord, i a l'altre extrem de la tira, on el corrent es mou en sentit contrari a les agulles del rellotge, un pol sud. Si canvieu la direcció del corrent a la bobina de l'electroimant, els seus pols també canviaran.
A més, es va observar que tant l'imant permanent com l'electroimant s'atrauen amb molta més força si no tenen la forma d'una barra recta, sinó que estan doblegats de manera que els seus pols oposats estiguin junts.En aquest cas, no atreu un pol, sinó dos i, a més, les línies de força magnètica estan menys disperses a l'espai: es concentren entre els pols.
Quan l'objecte de ferro atret s'adhereix als dos pols, l'imant de ferradura gairebé deixa de dissipar les línies de força a l'espai. Això és fàcil de veure amb la mateixa serradures sobre paper. Les línies magnètiques de força, que antigament s'estenia d'un pol a l'altre, ara travessen l'objecte de ferro atret, com si els fos més fàcil passar pel ferro que per l'aire.
La investigació demostra que aquest és realment el cas. Ha sorgit un nou concepte: permeabilitat magnètica, que denota un valor que indica quantes vegades és més fàcil que les línies magnètiques passin per qualsevol substància que per l'aire. El ferro i alguns dels seus aliatges tenen la permeabilitat magnètica més alta. Això explica per què, dels metalls, el ferro és el més atret per un imant.
Es va trobar que un altre metall, el níquel, tenia una menor permeabilitat magnètica. I és menys atret per un imant. S'ha trobat que determinades altres substàncies tenen una permeabilitat magnètica més gran que l'aire i, per tant, són atretes pels imants.
Però les propietats magnètiques d'aquestes substàncies s'expressen molt feblement. Per tant, tots els aparells i màquines elèctriques, en què els electroimants funcionen d'una manera o altra, fins avui no poden prescindir del ferro ni dels aliatges especials que inclouen ferro.
Naturalment, s'ha prestat molta atenció a l'estudi del ferro i les seves propietats magnètiques gairebé des del començament de l'enginyeria elèctrica.És cert que els càlculs estrictament científics en aquesta àrea només van ser possibles després dels estudis del científic rus Alexander Grigorievich Stoletov, realitzats el 1872. Va descobrir que la permeabilitat magnètica de cada peça de ferro no és constant. Ella està canviant pel grau de magnetització d'aquesta peça.
El mètode de prova de les propietats magnètiques del ferro proposat per Stoletov té un gran valor i és utilitzat pels científics i enginyers del nostre temps. Un estudi més profund de la naturalesa dels fenòmens magnètics va ser possible només després del desenvolupament de la teoria de l'estructura de la matèria.
La comprensió moderna del magnetisme
Ara sabem que cada element químic està format per àtoms - partícules complexes inusualment petites. Al centre de l'àtom hi ha un nucli carregat d'electricitat positiva. Els electrons, partícules que porten una càrrega elèctrica negativa, giren al seu voltant. El nombre d'electrons no és el mateix per als àtoms dels diferents elements químics. Per exemple, un àtom d'hidrogen només té un electró orbitant al voltant del seu nucli, mentre que un àtom d'urani en té noranta-dos.
En observar acuradament diversos fenòmens elèctrics, els científics van arribar a la conclusió que el corrent elèctric en un cable no és més que el moviment dels electrons. Ara recordeu que al voltant d'un cable sempre sorgeix un camp magnètic en el qual circula un corrent elèctric, és a dir, es mouen electrons.
Es dedueix que un camp magnètic sempre apareix allà on hi ha moviment d'electrons, és a dir, l'existència d'un camp magnètic és conseqüència del moviment dels electrons.
Sorgeix la pregunta: en qualsevol substància, els electrons giren constantment al voltant dels seus nuclis atòmics, per què en aquest cas cada substància no forma un camp magnètic al seu voltant?
La ciència moderna dóna la següent resposta a això. Cada electró té més que una càrrega elèctrica. També té les propietats d'un imant, és un petit imant elemental, així, el camp magnètic creat pels electrons en moure's pel nucli s'afegeix al seu propi camp magnètic.
En aquest cas, els camps magnètics de la majoria dels àtoms, plegables, queden totalment destruïts, absorbits. I només en uns pocs àtoms (ferro, níquel, cobalt i, en molt menor mesura en d'altres), els camps magnètics resulten desequilibrats i els àtoms són petits imants. Aquestes substàncies s'anomenen ferromagnètic ("Ferrum" significa ferro).
Si els àtoms de les substàncies ferromagnètiques es disposen aleatòriament, els camps magnètics de diferents àtoms dirigits en diferents direccions s'acaben cancel·lant entre si. Però si els gireu de manera que els camps magnètics se sumin —i això és el que fem amb la magnetització—, els camps magnètics ja no es cancel·laran, sinó que es sumen entre si.
Tot el cos (un tros de ferro) crearà un camp magnètic al seu voltant, es convertirà en un imant. De la mateixa manera, quan els electrons es mouen en una direcció, que per exemple es produeix amb un corrent elèctric en un cable, el camp magnètic dels electrons individuals s'afegeix a un camp magnètic total.
Al seu torn, els electrons atrapats en un camp magnètic extern sempre estan exposats a aquest últim. Això permet controlar el moviment dels electrons mitjançant un camp magnètic.
Tot l'anterior és només un esquema aproximat i molt simplificat. En realitat, els fenòmens atòmics que es donen en filferros i materials magnètics són més complexos.
La ciència dels imants i dels fenòmens magnètics, la magnetologia, és molt important per a l'enginyeria elèctrica moderna.El magnetòleg Nikolay Sergeevich Akulov va fer una gran contribució al desenvolupament d'aquesta ciència, que va descobrir una llei important coneguda arreu del món com a "llei d'Akulov". Aquesta llei permet determinar per endavant com canvien propietats tan importants dels metalls com la conductivitat elèctrica, la conductivitat tèrmica, etc. durant la magnetització.
Generacions de científics han treballat per penetrar el misteri dels fenòmens magnètics i posar aquests fenòmens al servei de la humanitat. Avui dia, milions dels imants i electroimants més diversos treballen en benefici de l'home en diverses màquines i dispositius elèctrics. Alliberen la gent del treball físic dur i, de vegades, són servidors indispensables.
Consulteu altres articles interessants i útils sobre imants i les seves aplicacions:
Magnetisme i electromagnetisme
Imants permanents: tipus, propietats, interacció dels imants