الظواهر المغناطيسية في الفيزياء - التاريخ والأمثلة والحقائق الشيقة
المغناطيسية والكهرباء
كان أول تطبيق عملي للمغناطيس على شكل قطعة من الفولاذ الممغنط تطفو على سدادة في الماء أو الزيت. في هذه الحالة ، يشير أحد طرفي المغناطيس دائمًا إلى الشمال والآخر إلى الجنوب. كانت أول بوصلة يستخدمها البحارة.
منذ زمن بعيد ، قبل عدة قرون من عصرنا ، عرف الناس أن مادة راتنجية - العنبر ، إذا تم فركها بالصوف ، قد استقبلت لفترة من الوقت القدرة على جذب الأشياء الخفيفة: قطع من الورق ، وقطع من الخيوط ، وزغب. هذه الظاهرة تسمى الكهربائية ("الإلكترون" يعني "العنبر" في اليونانية). في وقت لاحق لوحظ ذلك مكهرب بالاحتكاك لا يمكن فقط الكهرمان ، ولكن أيضًا المواد الأخرى: الزجاج ، عصا الشمع ، إلخ.
لفترة طويلة ، لم ير الناس أي علاقة بين ظاهرتين طبيعيتين غير عاديتين - المغناطيسية والكهرباء. فقط اللافتات الخارجية كانت تبدو شائعة - خاصية الجذب: المغناطيس يجذب الحديد ، وقضيب زجاجي يفرك بقصاصات الصوف من الورق.صحيح أن المغناطيس يعمل باستمرار ويفقد الجسم المكهرب خصائصه بعد فترة ، لكن كلاهما "يجذب".
لكن الآن ، في نهاية القرن السابع عشر ، لوحظ ذلك برق - ظاهرة كهربائية - الضرب بالقرب من الأجسام الفولاذية يمكن أن يجذبها. وهكذا ، على سبيل المثال ، بمجرد أن تحولت السكاكين الفولاذية الموضوعة في صندوق خشبي إلى ممغنطة لمفاجأة المالك التي لا توصف ، بعد أن ضرب البرق الصندوق وكسره.
بمرور الوقت ، يتم ملاحظة المزيد والمزيد من هذه الحالات. ومع ذلك ، هذا لا يزال لا يعطي سببًا للاعتقاد بوجود علاقة قوية بين الكهرباء والمغناطيسية. تم إنشاء هذا الاتصال منذ حوالي 180 عامًا فقط. ثم لوحظ أن الإبرة المغناطيسية للبوصلة تنحرف بمجرد وضع سلك بالقرب منها يتدفق التيار الكهربائي.
في الوقت نفسه تقريبًا ، اكتشف العلماء ظاهرة أخرى لا تقل إثارة للانتباه. اتضح أن السلك الذي يتدفق من خلاله التيار الكهربائي قادر على جذب نشارة حديدية صغيرة إليه. ومع ذلك ، كان الأمر يستحق إيقاف التيار في السلك ، لأن نشارة الخشب تحطمت على الفور وفقد السلك خصائصه المغناطيسية.
أخيرًا ، تم اكتشاف خاصية أخرى للتيار الكهربائي ، والتي أكدت أخيرًا العلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية. اتضح أن إبرة فولاذية موضوعة في منتصف ملف سلكي يتدفق من خلاله تيار كهربائي (يسمى هذا الملف الملف اللولبي) ممغنط بنفس الطريقة كما لو تم فركه بمغناطيس طبيعي.
المغناطيسات الكهربائية واستخدامها
من تجربة مع إبرة فولاذية ولدت الكهرومغناطيسية... من خلال وضع قضيب حديدي ناعم في منتصف ملف السلك بدلاً من إبرة ، كان العلماء مقتنعين أنه عندما يمر تيار عبر الملف ، يكتسب الحديد خاصية المغناطيس ، وعندما يتوقف التيار ، فإنه يفقد هذه الخاصية . في الوقت نفسه ، لوحظ أنه كلما زاد عدد لفات السلك في الملف اللولبي ، كان المغناطيس الكهربائي أقوى.
تحت تأثير مغناطيس متحرك ، يتم توليد تيار كهربائي في ملف السلك
في البداية ، بدا المغناطيس الكهربائي للكثيرين مجرد جهاز مادي مضحك. لم يشك الناس في أنه سيجد في المستقبل القريب أوسع تطبيق ، ليكون بمثابة أساس للعديد من الأجهزة والآلات (انظر - التطبيق العملي لظاهرة الحث الكهرومغناطيسي).
مبدأ تشغيل التتابع الكهرومغناطيسي
بعد أن ثبت أن التيار الكهربائي يعطي السلك خصائص مغناطيسية ، طرح العلماء السؤال التالي: هل هناك علاقة عكسية بين الكهرباء والمغناطيسية؟ على سبيل المثال ، هل يؤدي وضع مغناطيس قوي داخل ملف من الأسلاك إلى تدفق تيار كهربائي عبر هذا الملف؟
في الواقع ، إذا ظهر تيار كهربائي في سلك تحت تأثير مغناطيس ثابت ، فسيكون هذا متناقضًا تمامًا قانون حفظ الطاقة... وفقًا لهذا القانون ، من أجل الحصول على تيار كهربائي ، من الضروري إنفاق طاقة أخرى يمكن تحويلها إلى طاقة كهربائية. عندما يتم إنتاج تيار كهربائي بمساعدة المغناطيس ، فإن الطاقة المنفقة في حركة المغناطيس تتحول إلى طاقة كهربائية.
دراسة الظواهر المغناطيسية
في منتصف القرن الثالث عشر ، لاحظ المراقبون الفضوليون أن الأيدي المغناطيسية للبوصلة تتفاعل مع بعضها البعض: الأطراف التي تشير في نفس الاتجاه تتنافر ، وتلك التي تشير بطريقة مختلفة تجذب.
ساعدت هذه الحقيقة العلماء على شرح عمل البوصلة. من المفترض أن الكرة الأرضية عبارة عن مغناطيس ضخم ، وأن نهايات إبر البوصلة تدور بعناد في الاتجاه الصحيح ، لأنها تنفر من أحد الأقطاب المغناطيسية للأرض وتنجذب إلى آخر. تبين أن هذا الافتراض صحيح.
في دراسة الظواهر المغناطيسية ، كانت برادة الحديد الصغيرة ، الملتصقة بمغناطيس من أي قوة ، ذات فائدة كبيرة. بادئ ذي بدء ، لوحظ أن معظم نشارة الخشب تلتصق بمكانين محددين على المغناطيس أو ، كما يطلق عليها ، أقطاب المغناطيس. اتضح أن كل مغناطيس يحتوي دائمًا على قطبين على الأقل ، أحدهما يسمى الشمال (C) والآخر جنوبًا (S).
تُظهر برادة الحديد موقع خطوط المجال المغناطيسي في الفراغ حول المغناطيس
في مغناطيس شبيه بالقضيب ، غالبًا ما توجد أقطابها في نهايات الشريط. ظهرت صورة حية بشكل خاص أمام أعين المراقبين عندما افترضوا أنهم يرشون برادة حديدية على الزجاج أو الورق ، والتي وضعت تحتها مغناطيسًا. نشارة متقاربة في أقطاب المغناطيس. ثم ، في شكل خطوط رفيعة - جزيئات الحديد مرتبطة ببعضها - امتدت من قطب إلى آخر.
أظهرت دراسة أخرى للظواهر المغناطيسية أن قوى مغناطيسية خاصة تعمل في الفضاء حول المغناطيس ، أو كما يقولون ، حقل مغناطيسي… يشار إلى اتجاه وشدة القوى المغناطيسية بواسطة برادة الحديد الموجودة فوق المغناطيس.
لقد علمت التجارب مع نشارة الخشب الكثير. على سبيل المثال ، تقترب قطعة من الحديد من قطب المغناطيس. إذا اهتزت الورقة التي تقع عليها نشارة الخشب قليلاً في نفس الوقت ، فإن نمط نشارة الخشب يبدأ في التغيير. تصبح الخطوط المغناطيسية كما لو كانت مرئية. تنتقل من قطب المغناطيس إلى قطعة الحديد وتصبح أكثر سمكًا مع اقتراب الحديد من القطب. في الوقت نفسه ، تزداد أيضًا القوة التي يسحب بها المغناطيس قطعة الحديد تجاه نفسه.
عند أي طرف من نهاية القضيب الحديدي للمغناطيس الكهربائي يتشكل القطب الشمالي عندما يمر تيار عبر الملف ، وعند أيٍ يكون القطب الجنوبي؟ من السهل تحديد اتجاه التيار الكهربائي في الملف. من المعروف أن التيار (تدفق الشحنات السالبة) يتدفق من القطب السالب للمصدر إلى القطب الموجب.
بمعرفة ذلك والنظر إلى ملف المغناطيس الكهربائي ، يمكن للمرء أن يتخيل في أي اتجاه يتدفق التيار في لفات المغناطيس الكهربائي. في نهاية المغناطيس الكهربائي ، حيث يقوم التيار بعمل حركة دائرية في اتجاه عقارب الساعة ، يتشكل قطب شمالي ، وفي الطرف الآخر من الشريط ، حيث يتحرك التيار في اتجاه عكس عقارب الساعة ، قطب جنوبي. إذا قمت بتغيير اتجاه التيار في ملف المغناطيس الكهربائي ، فستتغير أقطابها أيضًا.
وقد لوحظ أيضًا أن كلاً من المغناطيس الدائم والمغناطيس الكهربائي يجذبان بقوة أكبر إذا لم يكنا في شكل قضيب مستقيم ، ولكنهما منحنيان بحيث تكون أقطابهما المقابلة متقاربة.في هذه الحالة ، لا يجذب قطب واحد ، بل اثنان ، وإلى جانب ذلك ، تكون خطوط القوة المغناطيسية أقل تشتتًا في الفضاء - فهي تتركز بين القطبين.
عندما يلتصق الجسم الحديدي المنجذب بكلا القطبين ، يتوقف مغناطيس حدوة الحصان تقريبًا عن تبديد خطوط القوة في الفضاء. من السهل رؤية ذلك بنفس نشارة الخشب على الورق. خطوط القوة المغناطيسية ، التي كانت تمتد سابقًا من قطب إلى آخر ، تمر الآن عبر الجسم الحديدي المنجذب ، كما لو كان مرورها عبر الحديد أسهل من المرور عبر الهواء.
تظهر الأبحاث أن هذا هو الحال بالفعل. ظهر مفهوم جديد - النفاذية المغناطيسية، والتي تشير إلى قيمة تشير إلى عدد المرات التي يسهل فيها على الخطوط المغناطيسية المرور عبر أي مادة أكثر من مرورها عبر الهواء. يتمتع الحديد وبعض سبائكه بأعلى نفاذية مغناطيسية. وهذا ما يفسر سبب انجذاب الحديد إلى المغناطيس من بين المعادن.
تم العثور على معدن آخر ، وهو النيكل ، ذو نفاذية مغناطيسية أقل. وهو أقل انجذابًا للمغناطيس. تم العثور على مواد أخرى لديها نفاذية مغناطيسية أكبر من الهواء وبالتالي تنجذب إلى المغناطيس.
لكن الخصائص المغناطيسية لهذه المواد يتم التعبير عنها بشكل ضعيف للغاية. لذلك ، فإن جميع الأجهزة والآلات الكهربائية ، التي يعمل فيها المغناطيس الكهربائي بطريقة أو بأخرى ، لا يمكن حتى يومنا هذا الاستغناء عن الحديد أو بدون سبائك خاصة تحتوي على الحديد.
بطبيعة الحال ، تم إيلاء الكثير من الاهتمام لدراسة الحديد وخصائصه المغناطيسية تقريبًا منذ بداية الهندسة الكهربائية.صحيح أن الحسابات العلمية الدقيقة في هذا المجال أصبحت ممكنة فقط بعد دراسات العالم الروسي ألكسندر غريغوريفيتش ستوليتوف ، التي أجريت عام 1872. اكتشف أن النفاذية المغناطيسية لكل قطعة حديد ليست ثابتة. إنها تتغير لدرجة مغنطة هذه القطعة.
طريقة اختبار الخصائص المغناطيسية للحديد التي اقترحها Stoletov لها قيمة كبيرة ويستخدمها العلماء والمهندسون في عصرنا. أصبحت دراسة أعمق لطبيعة الظواهر المغناطيسية ممكنة فقط بعد تطوير نظرية بنية المادة.
الفهم الحديث للمغناطيسية
نحن نعلم الآن أن كل عنصر كيميائي يتكون من ذرات - جسيمات معقدة صغيرة بشكل غير عادي. يوجد في وسط الذرة نواة مشحونة بالكهرباء الموجبة. الإلكترونات ، الجسيمات التي تحمل شحنة كهربائية سالبة ، تدور حولها. عدد الإلكترونات ليس هو نفسه بالنسبة لذرات العناصر الكيميائية المختلفة. على سبيل المثال ، تحتوي ذرة الهيدروجين على إلكترون واحد فقط يدور حول نواتها ، بينما تحتوي ذرة اليورانيوم على اثنين وتسعين.
من خلال مراقبة الظواهر الكهربائية المختلفة بعناية ، توصل العلماء إلى استنتاج مفاده أن التيار الكهربائي في السلك ليس أكثر من حركة الإلكترونات. تذكر الآن أن المجال المغناطيسي ينشأ دائمًا حول سلك يتدفق فيه تيار كهربائي ، أي تتحرك الإلكترونات.
ويترتب على ذلك أن المجال المغناطيسي يظهر دائمًا حيث توجد حركة للإلكترونات ، وبعبارة أخرى ، فإن وجود مجال مغناطيسي هو نتيجة لحركة الإلكترونات.
السؤال الذي يطرح نفسه: في أي مادة ، تدور الإلكترونات باستمرار حول نواتها الذرية ، فلماذا في هذه الحالة لا تشكل كل مادة مجالًا مغناطيسيًا حول نفسها؟
يعطي العلم الحديث الإجابة التالية على هذا. يحتوي كل إلكترون على أكثر من مجرد شحنة كهربائية. كما أن لها خصائص المغناطيس ، وهي عبارة عن مغناطيس عنصري صغير ، وبالتالي فإن المجال المغناطيسي الذي أنشأته الإلكترونات أثناء تحركها حول النواة يضاف إلى المجال المغناطيسي الخاص بها.
في هذه الحالة ، يتم تدمير المجالات المغناطيسية لمعظم الذرات ، القابلة للطي ، تمامًا وامتصاصها. وفي عدد قليل فقط من الذرات - الحديد والنيكل والكوبالت وبدرجة أقل في ذرات أخرى - تبين أن الحقول المغناطيسية غير متوازنة والذرات عبارة عن مغناطيسات صغيرة. هذه المواد تسمى مغنطيسية ("Ferrum" تعني الحديد).
إذا تم ترتيب ذرات المواد المغناطيسية بشكل عشوائي ، فإن الحقول المغناطيسية للذرات المختلفة الموجهة في اتجاهات مختلفة تلغي بعضها البعض في النهاية. ولكن إذا قمت بتدويرها بحيث تتراكم المجالات المغناطيسية - وهذا ما نفعله في المغنطة - فلن تلغي الحقول المغناطيسية بعد ذلك ، بل تضيف بعضها إلى بعض.
سيخلق الجسم كله (قطعة من الحديد) مجالًا مغناطيسيًا حول نفسه ، وسيصبح مغناطيسًا. وبالمثل ، عندما تتحرك الإلكترونات في اتجاه واحد ، والذي يحدث على سبيل المثال مع تيار كهربائي في سلك ، فإن المجال المغناطيسي للإلكترونات الفردية يضيف إلى إجمالي المجال المغناطيسي.
في المقابل ، تتعرض الإلكترونات المحاصرة في مجال مغناطيسي خارجي دائمًا إلى الأخير. يسمح ذلك بالتحكم في حركة الإلكترونات باستخدام مجال مغناطيسي.
كل ما سبق هو مجرد مخطط تقريبي ومبسط للغاية. في الواقع ، فإن الظواهر الذرية التي تحدث في الأسلاك والمواد المغناطيسية أكثر تعقيدًا.
علم المغناطيس والظواهر المغناطيسية - علم المغناطيسية - مهم جدًا للهندسة الكهربائية الحديثة.قدم عالم المغناطيس نيكولاي سيرجيفيتش أكولوف مساهمة كبيرة في تطوير هذا العلم ، حيث اكتشف قانونًا مهمًا يُعرف في جميع أنحاء العالم باسم "قانون أكولوف". يتيح هذا القانون إمكانية التحديد المسبق لكيفية تغير الخصائص المهمة للمعادن مثل التوصيل الكهربائي والتوصيل الحراري وما إلى ذلك أثناء المغنطة.
عملت أجيال من العلماء على اختراق لغز الظواهر المغناطيسية ووضع هذه الظواهر في خدمة الإنسانية. اليوم ، تعمل الملايين من المغناطيسات والمغناطيسات الكهربائية الأكثر تنوعًا لصالح الإنسان في مختلف الآلات والأجهزة الكهربائية. إنهم يحررون الناس من العمل البدني الشاق ، وفي بعض الأحيان يكونون خدمًا لا غنى عنهم.
تحقق من مقالات أخرى مثيرة للاهتمام ومفيدة حول المغناطيس وتطبيقاته: