Magnetismus - od Thalese k Maxwellovi

Tisíce let před prvním pozorováním elektrických jevů se lidstvo začalo hromadit znalost magnetismu. A teprve před čtyřmi sty lety, kdy teprve začala formovat fyziku jako věda, vědci oddělili magnetické vlastnosti látek od jejich elektrických vlastností a teprve poté je začali samostatně studovat. To položilo experimentální a teoretický základ, který se stal základem e v polovině 19. stoletíteorie elektrických a magnetických jevů.

Zdá se, že neobvyklé vlastnosti magnetické železné rudy byly známy již v době bronzové v Mezopotámii. A po začátku vývoje metalurgie železa si lidé všimli, že přitahuje železné výrobky. Starověký řecký filozof a matematik Thales z města Miletus (640–546 př.nl) také přemýšlel o důvodech této přitažlivosti, tuto přitažlivost připsal animaci minerálu.

Řečtí myslitelé si představovali, jak neviditelné páry obalují magnetit a železo, jak tyto páry přitahují látky k sobě. Slovo "Magnet" mohlo se to stát název města Magnesia-u-Sipila v Malé Asii, poblíž kterého ležel magnetit. Jedna z legend říká, že se pastýř Magnis nějak objevil se svými ovcemi vedle skály, která k němu přitáhla železnou špičku jeho holí a boty.

Ve starověké čínské pojednání „Jarní a podzimní záznamy mistra Liu“ (240 př.nl) je zmíněna vlastnost magnetitu přitahovat železo k sobě. Po sto letech Číňané poznamenali, že magnetit nepřiťahuje měď ani keramiku. V 7. až 8. století si všimli, že magnetizovaná železná jehla, volně zavěšená, se otáčí směrem k Severní hvězdě.

Takže v druhé polovině 11. století začala Čína vyrábět mořské kompasy, které evropští námořníci ovládali pouze sto let po Číňanech. Číňané již objevili schopnost magnetizované jehly odchýlit se směrem na východ od severu, a tak objevili magnetickou deklinaci před evropskými námořníky, kteří k tomuto závěru dospěli přesně až v 15. století.

V Evropě jako první popsal vlastnosti přírodních magnetů filosof z Francie Pierre de Maricourt, který v roce 1269 sloužil v armádě sicilského krále Karla Anjou. Během obléhání jednoho z italských měst poslal do Picardy příteli dokument, který se zapsal do dějin vědy pod názvem „Dopis o magnetu“, kde hovořil o svých experimentech s magnetickou železnou rudou.

Marikur poznamenal, že v jakémkoli kusu magnetitu existují dvě oblasti, které přitahují železo obzvláště silně. V této podobnosti si všiml pólů nebeské sféry, takže si půjčil jejich jména, aby označil oblasti maximální magnetické síly. Od té doby začala tradice nazývat póly magnetů jižní a severní magnetické póly.

Marikur napsal, že pokud rozdělíte jakýkoli kus magnetitu na dvě části, bude mít každý pól vlastní póly.

Marikur poprvé spojil účinek odpudivosti a přitažlivosti magnetických pólů s interakcí protilehlých (jižní a severní) neboli stejných pólů. Marikur je právem považován za průkopníka evropské experimentální vědecké školy, jeho poznámky o magnetismu byly reprodukovány v desítkách seznamů as příchodem tisku byly vydávány ve formě brožury. Mnoho přírodovědců je citovalo až do 17. století.

S obtížemi byla Marikura také dobře obeznámena s anglickým přírodovědcem, vědcem a lékařem Williamem Hilbertem. V 1600, on publikoval práci na magnetu, magnetických tělech a velkém magnetu - Země.V této práci Hilbert citoval všechny v té době známé informace o vlastnostech přírodních magnetických materiálů a magnetizovaného železa, a také popsal své vlastní experimenty s magnetickou koulí, ve které reprodukoval model pozemského magnetismu.

Zejména experimentálně zjistil, že na obou pólech „malé země“ se kompasová jehla otáčí kolmo k jejímu povrchu, je instalována na rovníku rovnoběžně a ve středních šířkách je otočena do mezipolohy. Tímto způsobem byl Hilbert schopen simulovat magnetický sklon, který byl v Evropě známý více než 50 let (v roce 1544 to popsal George Hartmann, norimberský mechanik).

Hilbert také reprodukoval geomagnetickou deklinaci, kterou nepřipisoval dokonale hladkému povrchu koule, ale na planetární stupnici vysvětlil tento účinek přitažlivostí mezi kontinenty. Objevil, kolik horkého železa ztratí své magnetické vlastnosti, a po ochlazení je obnoví. Nakonec byl Hilbert první, kdo jasně rozlišil mezi přitažlivostí magnetu a přitažlivostí jantaru, který byl potřen vlnou, kterou nazval elektrickou silou. Jednalo se o skutečně inovativní dílo, oceněné současníky i potomky. Hilbert zjistil, že Země bude právem považována za „velký magnet“.

Až do samého začátku 19. století se věda magnetismu vyvíjela jen velmi málo. V 1640, Benedetto Castelli, student Galileo, vysvětlil přitažlivost magnetitu s mnoha velmi malými magnetickými částicemi, které to tvoří.

V roce 1778 si Sebald Brugmans, rodák z Holandska, všiml, jak bismut a antimon odpuzují póly magnetické jehly, což byl první příklad fyzického fenoménu, který Faraday později nazval diamagnetismus.

Charles-Augustin Coulomb v roce 1785, přesnými měřeními torzní rovnováhy, to dokázal síla vzájemného působení magnetických pólů je nepřímo úměrná čtverci vzdálenosti mezi póly - stejně přesná jako síla vzájemného působení elektrických nábojů.

Od roku 1813 se dánský fyzik Oersted usilovně snaží experimentálně navázat spojení mezi elektřinou a magnetismem. Výzkumník používal kompasy jako indikátory, ale po dlouhou dobu nemohl dosáhnout cíle, protože očekával, že magnetická síla byla rovnoběžná s proudem, a umístil elektrický drát v pravém úhlu k kompasové jehle. Šipka nereagovala na výskyt proudu.

Na jaře 1820, během jedné z přednášek, Oersted vytáhl drát rovnoběžně se šipkou a není jasné, co ho k této myšlence vedlo. A tak se šipka otočila. Z nějakého důvodu Oersted experimenty na několik měsíců zastavil, poté se k nim vrátil a uvědomil si, že „magnetický účinek elektrického proudu je směrován podél kruhů obklopujících tento proud“.

Závěr byl paradoxní, protože předtím se rotační síly neprojevovaly ani v mechanice, ani jinde ve fyzice. Oersted napsal článek, kde nastínil svá zjištění, a už se nikdy neúčastnil elektromagnetismu.

Na podzim téhož roku zahájil Francouzi Andre-Marie Ampère experimenty. V první řadě, poté, co zopakoval a potvrdil výsledky a závěry Oersted, na začátku října objevil přitažlivost dirigentů, pokud proudy v nich směřují stejným způsobem, a odpuzování, pokud jsou proudy opačné.

Ampère také studoval interakci mezi nerovnoběžnými vodiči s proudem, poté ji popsal pomocí vzorce nazvaného později Ampérův zákon. Vědec také ukázal, že stočené dráty se proudem rotují pod vlivem magnetického pole, jako je tomu u kompasové jehly.

Nakonec navrhl hypotézu molekulárních proudů, podle nichž uvnitř magnetizovaných materiálů jsou kontinuální mikroskopické kruhové proudy rovnoběžné, které způsobují magnetický účinek materiálů.

Současně Bio a Savard společně vyvinuli matematický vzorec, který umožňuje vypočítat intenzitu stejnosměrného magnetického pole.

A tak na konci roku 1821 Michael Faraday, který již pracoval v Londýně, vyrobil zařízení, ve kterém se proudový vodič otáčel kolem magnetu a další magnet se otáčel kolem jiného vodiče.

Faraday navrhl, že magnet i drát jsou zahaleny v soustředných liniích síly, které určují jejich mechanický účinek.

Postupem času se Faraday přesvědčil o fyzické realitě magnetických linií síly. Koncem třicátých let 20. století si vědec jasně uvědomoval, že energie permanentních magnetů a proudových vodičů byla distribuována v prostoru, který je obklopoval, což bylo naplněno magnetickými silovými čarami. V srpnu 1831 výzkumníkovi se podařilo získat magnetismus k výrobě elektrického proudu.

Zařízení sestávalo ze železného prstence se dvěma protilehlými vinutími na něm umístěnými. První vinutí mohlo být zkratováno na elektrickou baterii a druhé bylo připojeno k vodiči umístěnému nad šipkou magnetického kompasu. Když stejnosměrný proud protékal drátem první cívky, šipka nezměnila svou polohu, ale začala se otáčet v okamžiku jeho vypnutí a zapnutí.

Faraday dospěl k závěru, že v těchto okamžicích v drátu druhého vinutí byly elektrické impulsy spojené s vymizením nebo výskytem magnetických siločar. Objevil to příčinou vznikající elektromotorické síly je změna magnetického pole.

V listopadu 1857 Faraday napsal do Skotska dopis profesorovi Maxwellovi s žádostí o poskytnutí matematické formy znalostem elektromagnetismu. Maxwell splnil požadavek. Pojem elektromagnetického pole našel místo v roce 1864 ve svých pamětech.

Maxwell zavedl termín „pole“, který odkazuje na část prostoru, která obklopuje a obsahuje těla, která jsou v magnetickém nebo elektrickém stavu, a zdůraznil, že tento prostor sám o sobě může být prázdný a naplněn absolutně jakoukoli hmotou, ale pole bude stále mít místo.

V 1873, Maxwell publikoval Pojednání o elektřině a magnetismus, kde on představil systém rovnic kombinovat elektromagnetické jevy. Dal jim jméno obecných rovnic elektromagnetického pole a dodnes se nazývají Maxwellovy rovnice. Podle Maxwellovy teorie magnetismus je zvláštní druh interakce mezi elektrickými proudy. To je základ, na kterém jsou postaveny všechny teoretické a experimentální práce týkající se magnetismu.

Přečtěte si také toto téma:Induktory a magnetická pole