Fizikte manyetik olaylar - tarih, örnekler ve ilginç gerçekler
Manyetizma ve elektrik
Mıknatısın ilk pratik uygulaması, su veya yağdaki bir tıkaç üzerinde yüzen bir mıknatıslanmış çelik parçası şeklindeydi. Bu durumda mıknatısın bir ucu daima kuzeyi, diğer ucu ise güneyi gösterir. Denizcilerin kullandığı ilk pusuladır.
Tıpkı uzun zaman önce, çağımızdan birkaç yüzyıl önce, insanlar reçineli bir maddenin - kehribarın, yünle ovulursa, bir süreliğine hafif nesneleri çekme yeteneği kazandığını biliyorlardı: kağıt parçaları, iplik parçaları, tüyler. Bu fenomene elektrik denir (Yunanca "elektron" "kehribar" anlamına gelir). Daha sonra fark edildi ki sürtünme ile elektriklenmiş sadece kehribar değil, aynı zamanda diğer maddeler de olabilir: cam, mum çubuğu vb.
Uzun bir süre boyunca, insanlar iki olağandışı doğa olayı - manyetizma ve elektrik - arasında herhangi bir bağlantı görmediler. Sadece dışsal bir işaret ortak görünüyordu - çekme özelliği: bir mıknatıs demiri çekiyor ve yün kağıt parçalarına sürtünen bir cam çubuk.Doğru, mıknatıs sürekli hareket etti ve elektriklenen nesne bir süre sonra özelliklerini kaybeder, ancak ikisi de "çeker".
Ama şimdi, 17. yüzyılın sonunda fark edildi ki, yıldırım — elektriksel bir fenomen — çelik nesnelerin yakınına çarpmak onları mıknatıslayabilir. Böylece, örneğin, tahta bir kutuda yatan çelik bıçakların, kutuya yıldırım çarpıp onu kırdıktan sonra sahibinin tarif edilemez sürprizine mıknatıslandığı ortaya çıktı.
Zamanla, bu tür vakaların sayısı giderek artıyor. Ancak bu yine de elektrik ve manyetizma arasında güçlü bir bağlantı olduğunu düşünmek için sebep vermiyor. Böyle bir bağlantı sadece yaklaşık 180 yıl önce kuruldu. Daha sonra, pusulanın manyetik iğnesinin yanına bir tel konur konmaz saptığı gözlemlendi. bir elektrik akımı akar.
Neredeyse aynı zamanda, bilim adamları daha az çarpıcı olmayan başka bir fenomen keşfettiler. İçinden elektrik akımı geçen telin küçük demir talaşlarını kendine çekebildiği ortaya çıktı. Bununla birlikte, teldeki akımı durdurmaya değerdi çünkü talaş hemen parçalandı ve tel manyetik özelliklerini kaybetti.
Son olarak, elektrik ve manyetizma arasındaki bağlantıyı nihayet doğrulayan elektrik akımının başka bir özelliği keşfedildi. Bir elektrik akımının aktığı bir tel bobinin ortasına yerleştirilmiş bir çelik iğnenin (böyle bir bobine denir) olduğu ortaya çıktı. solenoid) doğal bir mıknatısa sürtülmüş gibi aynı şekilde mıknatıslanır.
Elektromıknatıslar ve kullanımları
Çelik iğne deneyiminden ve doğdu elektromanyetik… Bilim adamları, tel bobinin ortasına iğne yerine yumuşak bir demir çubuk yerleştirerek, bobinden akım geçtiğinde demirin mıknatıs özelliği kazandığına ve akım durduğunda bu özelliğini kaybettiğine ikna oldular. . Aynı zamanda, solenoiddeki tel ne kadar çok dönerse, elektromıknatısın o kadar güçlü olduğu fark edildi.
Hareket eden bir mıknatısın etkisi altında, tel bobinde bir elektrik akımı üretilir.
İlk başta, elektromıknatıs birçok kişiye sadece komik bir fiziksel cihaz gibi göründü. İnsanlar yakın gelecekte en geniş uygulamayı bulacağından, birçok cihaz ve makinenin temelini oluşturacağından şüphelenmediler (bkz. Elektromanyetik indüksiyon fenomeninin pratik uygulaması).
Elektromanyetik rölenin çalışma prensibi
Bir elektrik akımının bir tele manyetik özellikler verdiği tespit edildikten sonra bilim adamları şu soruyu sordular: elektrik ve manyetizma arasında ters bir ilişki var mı? Örneğin, bir tel bobinin içine yerleştirilen güçlü bir mıknatıs, o bobinden elektrik akımının geçmesine neden olur mu?
Aslında, sabit bir mıknatısın etkisi altında bir telde bir elektrik akımı ortaya çıksaydı, bu tamamen çelişkili olurdu. enerji korunumu yasası… Bu yasaya göre, elektrik akımı elde etmek için, elektrik enerjisine dönüştürülecek diğer enerjiyi harcamak gerekir. Bir mıknatıs yardımıyla elektrik akımı üretildiğinde, mıknatısın hareketinde harcanan enerji elektrik enerjisine dönüşür.
Manyetik olayların incelenmesi
13. yüzyılın ortalarında, meraklı gözlemciler pusulanın manyetik kollarının birbiriyle etkileşime girdiğini fark ettiler: aynı yöne bakan uçlar birbirini itiyor ve farklı yöne bakanlar birbirini çekiyor.
Bu gerçek, bilim adamlarının pusulanın hareketini açıklamasına yardımcı oldu. Dünyanın devasa bir mıknatıs olduğu ve pusula iğnelerinin uçlarının inatla doğru yöne döndüğü varsayılır, çünkü bunlar Dünya'nın bir manyetik kutbu tarafından itilir ve bir başkası tarafından çekilir. Bu varsayım doğru çıktı.
Manyetik olayların incelenmesinde, herhangi bir kuvvete sahip bir mıknatısa yapışan küçük demir talaşları çok yardımcı olmuştur. Her şeyden önce, çoğu talaşın mıknatıs üzerinde belirli iki yere veya diğer adıyla mıknatısın kutuplarına yapıştığı fark edildi. Her mıknatısın her zaman en az iki kutbu olduğu ortaya çıktı, bunlardan biri kuzey (C) ve diğeri güney (S) olarak adlandırıldı.
Demir talaşları, mıknatısın etrafındaki boşlukta manyetik alan çizgilerinin konumunu gösterir.
Çubuk benzeri bir mıknatısta, kutupları çoğunlukla çubuğun uçlarında bulunur. Altında bir mıknatıs bulunan cam veya kağıt üzerine demir talaşları serptiklerini varsaydıklarında, gözlemcilerin gözleri önünde özellikle canlı bir resim belirdi. Talaşlar, mıknatısın kutuplarında yakın aralıklarla yerleştirilmiştir. Sonra, ince çizgiler şeklinde -birbirine bağlı demir parçacıkları- bir kutuptan diğerine uzanıyorlardı.
Manyetik olayların daha fazla incelenmesi, özel manyetik kuvvetlerin mıknatısın etrafındaki boşlukta hareket ettiğini veya dedikleri gibi, manyetik alan... Manyetik kuvvetlerin yönü ve yoğunluğu, mıknatısın üzerinde bulunan demir talaşları ile gösterilir.
Talaşla yapılan deneyler çok şey öğretti. Örneğin bir demir parçası mıknatısın kutbuna yaklaşır. Aynı zamanda talaşın bulunduğu kağıt biraz sallanırsa talaş deseni değişmeye başlar. Manyetik çizgiler görünür hale gelir. Mıknatısın kutbundan demir parçasına geçerler ve demir direğe yaklaştıkça kalınlaşırlar. Aynı zamanda mıknatısın demir parçasını kendine doğru çekme kuvveti de artar.
Bobinden akım geçtiğinde elektromıknatısın demir çubuğunun hangi ucunda kuzey kutbu, güney kutbu hangi ucundadır? Bobindeki elektrik akımının yönünü belirlemek kolaydır. Akımın (negatif yük akışı) kaynağın negatif kutbundan pozitif kutbuna aktığı bilinmektedir.
Bunu bilerek ve elektromıknatısın bobinine bakarak, elektromıknatısın dönüşlerinde akımın hangi yönde akacağını hayal edebilirsiniz. Akımın saat yönünde dairesel hareket yapacağı elektromıknatısın ucunda kuzey kutbu, akımın saat yönünün tersine hareket ettiği şeridin diğer ucunda ise güney kutbu oluşur. Elektromıknatısın bobinindeki akımın yönünü değiştirirseniz kutupları da değişir.
Ayrıca, hem kalıcı mıknatısın hem de elektromıknatısın düz bir çubuk şeklinde değil, zıt kutupları birbirine yakın olacak şekilde bükülürlerse çok daha güçlü bir şekilde çektikleri gözlemlendi.Bu durumda, bir kutup değil, iki kutup çeker ve ayrıca manyetik kuvvet çizgileri uzayda daha az dağılır - kutuplar arasında yoğunlaşırlar.
Çekilmiş demir nesne her iki kutba da yapıştığında, at nalı mıknatısı kuvvet çizgilerini uzaya yaymayı neredeyse durdurur. Kağıt üzerinde aynı talaşla bunu görmek kolaydır. Eskiden bir kutuptan diğerine uzanan manyetik kuvvet çizgileri, sanki demirden geçmek havadan geçmekten daha kolaymış gibi, şimdi çekilen demir nesnenin içinden geçiyor.
Araştırmalar bunun gerçekten böyle olduğunu gösteriyor. Yeni bir kavram ortaya çıktı - manyetik geçirgenlik, manyetik çizgilerin herhangi bir maddeden havadan geçmesine göre kaç kez daha kolay geçtiğini gösteren bir değeri ifade eder. Demir ve bazı alaşımları en yüksek manyetik geçirgenliğe sahiptir. Bu, metaller içinde demirin neden en çok mıknatıs tarafından çekildiğini açıklar.
Başka bir metal olan nikelin daha düşük manyetik geçirgenliğe sahip olduğu bulundu. Ve bir mıknatıs tarafından daha az çekilir. Bazı diğer maddelerin havadan daha büyük bir manyetik geçirgenliğe sahip olduğu ve bu nedenle mıknatıslara çekildiği bulunmuştur.
Ancak bu maddelerin manyetik özellikleri çok zayıf bir şekilde ifade edilir. Bu nedenle, elektromıknatısların şu ya da bu şekilde çalıştığı tüm elektrikli cihazlar ve makineler, bugüne kadar demir veya demir içeren özel alaşımlar olmadan yapamazlar.
Doğal olarak, neredeyse elektrik mühendisliğinin en başından beri demir ve manyetik özelliklerinin incelenmesine büyük önem verilmiştir.Doğru, bu alandaki kesin bilimsel hesaplamalar ancak Rus bilim adamı Alexander Grigorievich Stoletov'un 1872'de yaptığı çalışmalardan sonra mümkün oldu. Her bir demir parçasının manyetik geçirgenliğinin sabit olmadığını keşfetti. o değişiyor bu parçanın manyetizasyon derecesi için.
Stoletov tarafından önerilen demirin manyetik özelliklerini test etme yöntemi büyük değere sahiptir ve günümüzde bilim adamları ve mühendisler tarafından kullanılmaktadır. Manyetik fenomenlerin doğası hakkında daha derin bir çalışma, ancak maddenin yapısı teorisinin geliştirilmesinden sonra mümkün oldu.
Modern manyetizma anlayışı
Artık biliyoruz ki her kimyasal element atomlardan oluşur — alışılmadık derecede küçük karmaşık parçacıklar. Atomun merkezinde pozitif elektrik yüklü bir çekirdek bulunur. Negatif elektrik yükü taşıyan parçacıklar olan elektronlar, onun etrafında dönerler. Farklı kimyasal elementlerin atomları için elektron sayısı aynı değildir. Örneğin, bir hidrojen atomunun çekirdeğinin yörüngesinde dönen yalnızca bir elektronu varken, bir uranyum atomunun doksan iki elektronu vardır.
Bilim adamları, çeşitli elektriksel olayları dikkatlice gözlemleyerek, bir teldeki elektrik akımının elektronların hareketinden başka bir şey olmadığı sonucuna vardılar. Şimdi, bir elektrik akımının aktığı, yani elektronların hareket ettiği bir telin etrafında her zaman bir manyetik alanın ortaya çıktığını unutmayın.
Elektronların hareketinin olduğu yerde her zaman bir manyetik alan ortaya çıkar, başka bir deyişle, bir manyetik alanın varlığı elektronların hareketinin bir sonucudur.
Şu soru ortaya çıkıyor: herhangi bir maddede elektronlar sürekli olarak atom çekirdeklerinin etrafında dönüyor, bu durumda neden her madde kendi etrafında bir manyetik alan oluşturmuyor?
Modern bilim buna şu cevabı veriyor. Her elektronun bir elektrik yükünden daha fazlası vardır. Aynı zamanda bir mıknatıs özelliğine sahiptir, küçük bir elemental mıknatıstır, böylece elektronların çekirdek etrafında hareket ederken oluşturdukları manyetik alan, kendi manyetik alanlarına eklenir.
Bu durumda, çoğu atomun manyetik alanları katlanarak tamamen yok edilir, emilir. Ve sadece birkaç atomda -demir, nikel, kobalt ve çok daha az ölçüde diğerlerinde- manyetik alanların dengesiz olduğu ve atomların küçük mıknatıslar olduğu ortaya çıktı. Bu maddelere denir ferromanyetik ("Ferrum" demir anlamına gelir).
Ferromanyetik maddelerin atomları rastgele dizilirse, farklı atomların farklı yönlere yönlendirilen manyetik alanları sonunda birbirini yok eder. Ama onları manyetik alanların toplanması için döndürürseniz - ve manyetizasyonda yaptığımız da budur - manyetik alanlar artık birbirini götürmeyecek, birbirini toplayacaktır.
Tüm vücut (bir demir parçası) kendi etrafında bir manyetik alan oluşturacak, bir mıknatıs haline gelecektir. Benzer şekilde, örneğin bir teldeki elektrik akımında olduğu gibi, elektronlar bir yönde hareket ettiğinde, tek tek elektronların manyetik alanı toplam bir manyetik alana eklenir.
Buna karşılık, harici bir manyetik alanda hapsolmuş elektronlar her zaman ikincisine maruz kalır. Bu, elektronların hareketinin bir manyetik alan kullanılarak kontrol edilmesini sağlar.
Yukarıdakilerin tümü yalnızca yaklaşık ve çok basitleştirilmiş bir şemadır. Gerçekte, tellerde ve manyetik malzemelerde meydana gelen atomik olaylar daha karmaşıktır.
Mıknatıs bilimi ve manyetik olaylar - manyetoloji - modern elektrik mühendisliği için çok önemlidir.Bu bilimin gelişimine büyük katkı, dünya çapında "Akulov yasası" olarak bilinen önemli bir yasayı keşfeden manyetolog Nikolay Sergeevich Akulov tarafından yapıldı. Bu yasa, metallerin elektriksel iletkenlik, termal iletkenlik vb. gibi önemli özelliklerinin manyetizasyon sırasında nasıl değiştiğini önceden belirlemeyi mümkün kılar.
Nesiller boyu bilim adamları, manyetik fenomenlerin gizemine nüfuz etmek ve bu fenomenleri insanlığın hizmetine sunmak için çalıştılar. Günümüzde milyonlarca farklı mıknatıs ve elektromıknatıs, çeşitli elektrikli makine ve cihazlarda insanın yararına çalışmaktadır. İnsanları ağır fiziksel emekten kurtarırlar ve bazen vazgeçilmez hizmetkarlardır.
Mıknatıslar ve uygulamaları hakkında diğer ilginç ve faydalı makalelere göz atın:
Manyetizma ve Elektromanyetizma
Kalıcı mıknatıslar — türleri, özellikleri, mıknatısların etkileşimi
Kalıcı mıknatısların elektrik mühendisliği ve enerjide kullanımı