Magnetnähtused füüsikas - ajalugu, näiteid ja huvitavaid fakte
Magnetism ja elekter
Magneti esimene praktiline rakendus oli magnetiseeritud terasetüki kujul, mis ujus pistikul vees või õlis. Sel juhul on magneti üks ots alati suunatud põhja ja teine lõuna poole. See oli esimene kompass, mida meremehed kasutasid.
Niisama ammu, mitu sajandit enne meie ajastut, teadsid inimesed, et vaigune aine — merevaik sai villaga hõõrudes mõneks ajaks võime meelitada ligi kergeid esemeid: paberitükke, niiditükke, kohevust. Seda nähtust nimetatakse elektriliseks ("elektron" tähendab kreeka keeles "merevaigust"). Hiljem märgati, et elektrifitseeritud hõõrdumise tõttu ei saa mitte ainult merevaigu, vaid ka muid aineid: klaas, vahapulk jne.
Inimesed ei näinud pikka aega mingit seost kahe ebatavalise loodusnähtuse — magnetismi ja elektri vahel. Levinud tundus olevat vaid väline märk – ligitõmbamisomadus: magnet tõmbab ligi rauda ja villaste paberitükkidega hõõrutud klaaspulk.Tõsi, magnet toimis pidevalt ja elektrifitseeritud objekt kaotab mõne aja pärast oma omadused, kuid mõlemad "tõmbavad".
Nüüd aga, 17. sajandi lõpus, märgati, et välk — elektriline nähtus — terasesemete lähedale löömine võib neid magnetiseerida. Nii osutusid näiteks kord puidust kastis lebavad terasnoad omaniku kirjeldamatuks üllatuseks magnetiseeritud pärast seda, kui välk kasti lõi ja selle katki lõi.
Aja jooksul täheldatakse selliseid juhtumeid üha enam. See aga ei anna endiselt põhjust arvata, et elektri ja magnetismi vahel on tugev seos. Selline ühendus loodi alles umbes 180 aastat tagasi. Seejärel täheldati, et kompassi magnetnõel kaldub kõrvale kohe, kui selle lähedusse asetatakse juhe, mida mööda voolab elektrivool.
Peaaegu samal ajal avastasid teadlased veel ühe, mitte vähem silmatorkava nähtuse. Selgus, et traat, mille kaudu elektrivool voolab, suudab enda külge meelitada väikseid rauast laaste. Küll aga tasus voolu juhtmes seisma panna, sest saepuru lagunes kohe laiali ja juhe kaotas oma magnetilised omadused.
Lõpuks avastati veel üks elektrivoolu omadus, mis lõpuks kinnitas seost elektri ja magnetismi vahel. Selgus, et traadimähise keskele asetatud terasnõel, millest voolab läbi elektrivool (sellist mähist nimetatakse nn. solenoid) magnetiseeritakse samamoodi nagu loodusliku magnetiga hõõrudes.
Elektromagnetid ja nende kasutamine
Terasnõelaga kogemusest ja sündis elektromagnet… Asetades nõela asemel traadipooli keskele pehme raudvarda, veendusid teadlased, et kui vool läbib pooli, omandab raud magneti omaduse ja voolu peatumisel kaotab ta selle omaduse. . Samas märgati, et mida rohkem on juhtme keerdu solenoidis, seda tugevam on elektromagnet.
Liikuva magneti mõjul tekib traadipoolis elektrivool
Algul tundus elektromagnet paljudele lihtsalt naljakas füüsiline seade. Inimesed ei kahtlustanud, et see leiab lähitulevikus kõige laiema rakenduse, on paljude seadmete ja masinate aluseks (vt — Elektromagnetilise induktsiooni nähtuse praktiline rakendamine).
Elektromagnetrelee tööpõhimõte
Pärast seda, kui tehti kindlaks, et elektrivool annab juhtmele magnetilised omadused, esitasid teadlased küsimuse: kas elektri ja magnetismi vahel on pöördvõrdeline seos? Näiteks kas tugev magnet, mis asetatakse traadipooli sisse, põhjustaks elektrivoolu läbi selle mähise?
Tegelikult, kui elektrivool ilmuks juhtmesse statsionaarse magneti toimel, oleks see täiesti vastuoluline energia jäävuse seadus… Selle seaduse kohaselt on elektrivoolu saamiseks vaja kulutada muud energiat, mis muudetaks elektrienergiaks. Elektrivoolu tekitamisel magneti abil muundatakse magneti liikumisele kulunud energia elektrienergiaks.
Magnetnähtuste uurimine
Veel XIII sajandi keskel märkasid uudishimulikud vaatlejad, et kompassi magnetkäepidemed suhtlevad üksteisega: samas suunas osutavad otsad tõrjuvad üksteist ja teistmoodi osutavad tõmbuvad.
See asjaolu aitas teadlastel kompassi tegevust selgitada. Eeldatakse, et maakera on tohutu magnet ja kompassi nõelte otsad pöörduvad jonnakalt õiges suunas, sest neid tõrjub üks Maa magnetpoolus ja tõmbab ligi teine. See oletus osutus tõeks.
Magnetnähtuste uurimisel on suureks abiks olnud väikesed rauaviilud, mis kleepuvad mis tahes jõuga magneti külge. Esiteks pandi tähele, et enamus saepuru kleepub magnetil kahte kindlasse kohta või, nagu seda nimetatakse, magneti poolustele. Selgus, et igal magnetil on alati vähemalt kaks poolust, millest ühte hakati nimetama põhjaks (C) ja teist lõunaks (S).
Raudviilud näitavad magnetvälja joonte asukohta magnetit ümbritsevas ruumis
Vardasarnases magnetis paiknevad selle poolused enamasti varda otstes. Eriti ere pilt avanes vaatlejate silme ees, kui nad arvasid, et nad puistavad klaasile või paberile rauaviile, mille all peitub magnet. Laastud on magneti poolustes tihedalt asetsevad. Seejärel venisid nad õhukeste joonte kujul – omavahel seotud rauaosakesed – ühest poolusest teise.
Magnetnähtuste edasine uurimine näitas, et magnetit ümbritsevas ruumis toimivad erilised magnetjõud ehk nagu öeldakse magnetväli… Magnetjõudude suunda ja intensiivsust näitavad magneti kohal paiknevad raudviilud.
Katsed saepuruga on palju õpetanud. Näiteks rauatükk läheneb magneti poolusele. Kui samal ajal raputatakse veidi paberit, millel saepuru asub, hakkab saepuru muster muutuma. Magnetjooned muutuvad justkui nähtavaks. Need liiguvad magneti poolusest rauatükile ja muutuvad paksemaks, kui raud poolusele läheneb. Samal ajal suureneb ka jõud, millega magnet rauatükki enda poole tõmbab.
Millises elektromagneti raudvarda otsas tekib pooli voolu läbimisel põhjapoolus ja millises lõunapoolus? Seda on lihtne määrata mähises oleva elektrivoolu suuna järgi. Vool (negatiivsete laengute vool) voolab teadaolevalt allika negatiivsest poolusest positiivsesse.
Seda teades ja elektromagneti pooli vaadates võib ette kujutada, millises suunas vool elektromagneti pööretes liigub. Elektromagneti otsas, kus vool teeb ringikujulise liikumise päripäeva, moodustub põhjapoolus ja riba teises otsas, kus vool liigub vastupäeva, lõunapoolus. Kui muudate elektromagneti pooli voolu suunda, muutuvad ka selle poolused.
Lisaks täheldati, et nii püsimagnet kui ka elektromagnet tõmbavad palju tugevamini, kui nad ei ole sirge varda kujul, vaid on painutatud nii, et nende vastaspoolused on lähestikku.Sel juhul ei tõmba mitte üks poolus, vaid kaks ja pealegi on magnetjõujooned ruumis vähem hajutatud — need on koondunud pooluste vahele.
Kui tõmmatud raudobjekt kleepub mõlema pooluse külge, lõpetab hobuserauamagnet peaaegu jõujoonte kosmosesse hajutamise. Seda on sama saepuruga paberil lihtne näha. Magnetilised jõujooned, mis varem ulatusid ühest poolusest teise, läbivad nüüd tõmmatud raudobjekti, justkui oleks neil lihtsam rauda läbida kui õhku.
Uuringud näitavad, et see on tõesti nii. Ilmunud on uus kontseptsioon - magnetiline läbilaskvus, mis tähistab väärtust, mis näitab, mitu korda on magnetjoontel kergem läbida mis tahes ainet kui läbi õhu. Raud ja mõned selle sulamid on kõrgeima magnetilise läbilaskvusega. See seletab, miks metallidest tõmbab magnet kõige enam rauda.
Leiti, et teisel metallil, niklil, on madalam magnetiline läbilaskvus. Ja magnet tõmbab teda vähem. On leitud, et teatud teiste ainete magnetiline läbilaskvus on suurem kui õhul ja seetõttu tõmbab neid magnetid.
Kuid nende ainete magnetilised omadused on väga nõrgalt väljendatud. Seetõttu ei saa kõik elektriseadmed ja masinad, milles elektromagnetid ühel või teisel viisil töötavad, tänapäevani ilma rauata ega ilma rauda sisaldavate spetsiaalsete sulamiteta.
Raua ja selle magnetiliste omaduste uurimisele on loomulikult suurt tähelepanu pööratud peaaegu elektrotehnika algusest peale.Tõsi, rangelt teaduslikud arvutused selles valdkonnas said võimalikuks alles pärast vene teadlase Aleksandr Grigorjevitš Stoletovi 1872. aastal läbi viidud uuringuid. Ta avastas, et iga rauatüki magnetiline läbilaskvus ei ole konstantne. Ta muutub selle tüki magnetiseerimisastme jaoks.
Stoletovi pakutud raua magnetiliste omaduste testimise meetodil on suur väärtus ning seda kasutavad meie aja teadlased ja insenerid. Magnetnähtuste olemuse sügavam uurimine sai võimalikuks alles pärast aine ehituse teooria väljatöötamist.
Kaasaegne arusaam magnetismist
Nüüd teame, et iga keemiline element koosneb aatomitest — ebatavaliselt väikesed kompleksosakesed. Aatomi keskmes on positiivse elektriga laetud tuum. Selle ümber tiirlevad elektronid, negatiivset elektrilaengut kandvad osakesed. Elektronide arv ei ole erinevate keemiliste elementide aatomite puhul sama. Näiteks vesinikuaatomil tiirleb ümber oma tuuma ainult üks elektron, uraani aatomil aga üheksakümmend kaks.
Erinevaid elektrinähtusi hoolikalt jälgides jõudsid teadlased järeldusele, et juhtmes olev elektrivool pole midagi muud kui elektronide liikumine. Nüüd pidage meeles, et magnetväli tekib alati juhtme ümber, milles voolab elektrivool, see tähendab, et elektronid liiguvad.
Sellest järeldub, et magnetväli tekib alati seal, kus toimub elektronide liikumine, ehk teisisõnu magnetvälja olemasolu on elektronide liikumise tagajärg.
Tekib küsimus: igas aines pöörlevad elektronid pidevalt ümber oma aatomituuma, miks sel juhul ei moodusta iga aine enda ümber magnetvälja?
Kaasaegne teadus annab sellele järgmise vastuse. Igal elektronil on rohkem kui lihtsalt elektrilaeng. Sellel on ka magneti omadused, ta on väike elementaarmagnet.Seega lisandub nende enda magnetväljale elektronide poolt tuuma ümber liikudes tekitatud magnetväli.
Sel juhul hävivad enamiku aatomite magnetväljad täielikult, neelduvad. Ja ainult mõnes aatomis – rauas, niklis, koobaltis ja palju vähemal määral teistes – osutuvad magnetväljad tasakaalustamata ja aatomid on väikesed magnetid. Neid aineid nimetatakse ferromagnetiline ("Ferrum" tähendab rauda).
Kui ferromagnetiliste ainete aatomid paiknevad juhuslikult, siis erinevate aatomite eri suundadesse suunatud magnetväljad lõpuks üksteist kustutavad. Kui aga pöörata neid nii, et magnetväljad liidetakse – ja seda me magnetiseerimisel teeme –, siis magnetväljad enam ei taandu, vaid liidetakse üksteist.
Kogu keha (rauatükk) loob enda ümber magnetvälja, sellest saab magnet. Samamoodi, kui elektronid liiguvad ühes suunas, mis näiteks toimub juhtmes oleva elektrivoolu korral, lisandub üksikute elektronide magnetväli kogumagnetväljale.
Välisesse magnetvälja lõksu jäänud elektronid on omakorda alati viimasega kokku puutunud. See võimaldab elektronide liikumist juhtida magnetvälja abil.
Kõik ülaltoodud on vaid ligikaudne ja väga lihtsustatud skeem. Tegelikkuses on juhtmetes ja magnetmaterjalides esinevad aatominähtused keerulisemad.
Magnetite ja magnetnähtuste teadus — magnetoloogia — on kaasaegse elektrotehnika jaoks väga oluline.Suure panuse selle teaduse arengusse andis magnetoloog Nikolai Sergejevitš Akulov, kes avastas olulise seaduse, mida kogu maailmas tuntakse "Akulovi seadusena". See seadus võimaldab eelnevalt kindlaks teha, kuidas muutuvad magnetiseerimisel metallide sellised olulised omadused nagu elektrijuhtivus, soojusjuhtivus jne.
Põlvkonnad teadlasi on töötanud selle nimel, et tungida magnetnähtuste saladusse ja panna need nähtused inimkonna teenistusse. Tänapäeval töötavad miljonid kõige erinevamad magnetid ja elektromagnetid erinevates elektrimasinates ja -seadmetes inimese kasuks. Nad vabastavad inimesed raskest füüsilisest tööst ja mõnikord on nad asendamatud teenijad.
Vaadake teisi huvitavaid ja kasulikke artikleid magnetite ja nende rakenduste kohta: