Magnetyzm - od Thalesa do Maxwella

Tysiąc lat przed pierwszymi obserwacjami zjawisk elektrycznych ludzkość zaczęła się już gromadzić znajomość magnetyzmu. I dopiero czterysta lat temu, gdy formowanie się fizyki jako nauki dopiero się zaczynało, badacze oddzielili magnetyczne właściwości substancji od ich właściwości elektrycznych, a dopiero potem zaczęli je badać niezależnie. To położyło eksperymentalny i teoretyczny fundament, który stał się fundamentem e w połowie XIX wiekuteoria zjawisk elektrycznych i magnetycznych.

Wydaje się, że niezwykłe właściwości magnetycznej rudy żelaza znane były już w epoce brązu w Mezopotamii. A po rozpoczęciu rozwoju metalurgii żelaza ludzie zauważyli, że przyciąga ona produkty żelazne. Starożytny grecki filozof i matematyk Thales z miasta Milet (640-546 pne) również myślał o przyczynach tej atrakcji, przypisując tę ​​atrakcję animacji minerału.

Greccy myśliciele wyobrażali sobie, jak niewidzialne pary otaczają magnetyt i żelazo, jak pary te przyciągają do siebie substancje. Słowo „Magnes” może się zdarzyć nazwa miasta Magnesia-u-Sipila w Azji Mniejszej, w pobliżu której leży magnesyt. Jedna z legend mówi, że pasterz Magnis jakoś pojawił się ze swoimi owcami przy skale, która przyciągnęła do niego żelazny czubek laski i buty.

W starożytnym chińskim traktacie „Wiosenne i jesienne zapisy mistrza Liu” (240 pne) wspomniano o właściwości magnetytu przyciągającej żelazo do siebie. Po stu latach Chińczycy zauważyli, że magnetyt nie przyciąga miedzi ani ceramiki. W 7-8 wieku zauważyli, że namagnesowana żelazna igła, swobodnie zawieszona, skręca w kierunku Gwiazdy Północnej.

Tak więc w drugiej połowie XI wieku Chiny zaczęły produkować kompasy morskie, które europejscy żeglarze opanowali zaledwie sto lat po chińsku. Następnie Chińczycy odkryli już zdolność magnesowanej igły do ​​odchylania się w kierunku na wschód od północy, a tym samym odkryli deklinację magnetyczną, wyprzedzając w tym przypadku europejskich żeglarzy, którzy doszli do tego wniosku dopiero w XV wieku.

W Europie pierwszym, który opisał właściwości magnesów naturalnych, był filozof z Francji Pierre de Maricourt, który w 1269 r. Służył w armii króla Sycylii, Karola z Anjou. Podczas oblężenia jednego z włoskich miast wysłał przyjacielowi Pikardii dokument, który przeszedł do historii nauki pod nazwą „List o magnesie”, gdzie opowiadał o swoich eksperymentach z magnetyczną rudą żelaza.

Marikur zauważył, że w każdym kawałku magnetytu istnieją dwa obszary, które szczególnie silnie przyciągają żelazo. Zauważył w tym podobieństwie do biegunów sfery niebieskiej, więc pożyczył ich nazwy, aby wskazać obszary maksymalnej siły magnetycznej. Stamtąd tradycja zaczęła nazywać bieguny magnesów biegunami magnetycznymi południowymi i północnymi.

Marikur napisał, że jeśli rozbicie jakiś kawałek magnetytu na dwie części, wówczas każdy biegun będzie miał swoje własne bieguny.

Marikur po raz pierwszy połączył efekt odpychania i przyciągania biegunów magnetycznych z oddziaływaniem przeciwnych (południowych i północnych) lub biegunów o tej samej nazwie. Marikur jest słusznie uważany za pioniera europejskiej eksperymentalnej szkoły naukowej, jego notatki na temat magnetyzmu zostały powtórzone w dziesiątkach list, a wraz z nadejściem druku zostały opublikowane w formie broszury. Byli cytowani przez wielu przyrodników do XVII wieku.

Z trudem Marikura dobrze znał angielski przyrodnik, naukowiec i lekarz William Hilbert. W 1600 roku opublikował pracę O magnesie, ciałach magnetycznych i wielkim magnesie - Ziemi.W tej pracy Hilbert przytoczył wszystkie znane wówczas informacje o właściwościach naturalnych materiałów magnetycznych i namagnesowanego żelaza, a także opisał własne eksperymenty z kulą magnetyczną, w których odtworzył model ziemskiego magnetyzmu.

W szczególności ustalił eksperymentalnie, że na obu biegunach „małej ziemi” igła kompasu obraca się prostopadle do swojej powierzchni, jest instalowana równolegle na równiku, a na środkowych szerokościach geograficznych jest obracana do pozycji pośredniej. W ten sposób Hilbert był w stanie zasymulować nachylenie magnetyczne znane w Europie od ponad 50 lat (w 1544 r. Opisał je George Hartmann, mechanik z Norymbergi).

Hilbert odtworzył również deklinację geomagnetyczną, którą przypisał nie idealnie idealnie gładkiej powierzchni kuli, ale w skali planetarnej wyjaśnił ten efekt przyciąganiem między kontynentami. Odkrył, ile gorącego żelaza traci swoje właściwości magnetyczne, a po ochłodzeniu przywraca je. Wreszcie Hilbert jako pierwszy wyraźnie rozróżnił przyciąganie magnesu od przyciągania bursztynu wcieranego wełną, które nazwał siłą elektryczną. Było to naprawdę innowacyjne dzieło, doceniane zarówno przez współczesnych, jak i potomków. Hilbert odkrył, że Ziemię słusznie uważa się za „wielki magnes”.

Do samego początku XIX wieku magnetyzm rozwijał się bardzo niewiele. W 1640 r. Benedetto Castelli, uczeń Galileusza, wyjaśnił przyciąganie magnetytu wieloma bardzo małymi cząstkami magnetycznymi, które go tworzą.

W 1778 roku urodzony w Holandii Sebald Brugmans zauważył, jak bizmut i antymon odpychają bieguny igły magnetycznej, co było pierwszym przykładem zjawiska fizycznego, które Faraday nazwał później diamagnetyzm.

Udowodnił to Coulomb Charlesa-Augustina w 1785 r., Poprzez dokładne pomiary równowagi skrętnej siła oddziaływania biegunów magnetycznych ze sobą jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między biegunami - tak dokładna jak siła oddziaływania ładunków elektrycznych.

Od 1813 roku duński fizyk Oersted pilnie próbuje eksperymentalnie ustalić związek między elektrycznością a magnetyzmem. Badacz używał kompasów jako wskaźników, ale przez długi czas nie mógł osiągnąć celu, ponieważ spodziewał się, że siła magnetyczna jest równoległa do prądu, i umieścił przewód elektryczny pod kątem prostym do igły kompasu. Strzała nie zareagowała na wystąpienie prądu.

Wiosną 1820 r. Podczas jednego z wykładów Oersted pociągnął drut równolegle do strzały i nie jest jasne, co doprowadziło go do tego pomysłu. I strzała się zamachnęła. Oersted z jakiegoś powodu zatrzymał eksperymenty na kilka miesięcy, po czym wrócił do nich i zdał sobie sprawę, że „efekt magnetyczny prądu elektrycznego jest kierowany wzdłuż kręgów otaczających ten prąd”.

Wniosek był paradoksalny, ponieważ wcześniej siły wirujące nie manifestowały się ani w mechanice, ani gdzie indziej w fizyce. Oersted napisał artykuł, w którym opisał swoje odkrycia i nigdy nie był już zaangażowany w elektromagnetyzm.

Jesienią tego samego roku Francuz Andre-Marie Ampère rozpoczął eksperymenty. Przede wszystkim, powtarzając i potwierdzając wyniki i wnioski Oersteda, na początku października odkrył przyciąganie przewodników, jeśli prądy są skierowane w ten sam sposób, i odpychanie, jeśli prądy są przeciwne.

Ampère zbadał także interakcję między nierównoległymi przewodnikami z prądem, po czym opisał go wzorem zwanym później Prawo Ampera. Naukowiec wykazał również, że zwinięte druty z prądem obracają się pod wpływem pola magnetycznego, jak dzieje się to z igłą kompasu.

Na koniec wysunął hipotezę dotyczącą prądów molekularnych, zgodnie z którą wewnątrz namagnesowanych materiałów występują ciągłe mikroskopijne prądy kołowe równoległe do siebie, które powodują magnetyczne działanie materiałów.

Jednocześnie Bio i Savard wspólnie wyprowadzili wzór matematyczny, który pozwala obliczyć natężenie pola magnetycznego prądu stałego.

I tak pod koniec 1821 r. Michael Faraday, już pracujący w Londynie, stworzył urządzenie, w którym przewodzący prąd przewodnik obracał się wokół magnesu, a inny magnes obracał się wokół innego przewodnika.

Faraday zasugerował, że zarówno magnes, jak i drut są owinięte koncentrycznymi liniami siły, które określają ich działanie mechaniczne.

Z czasem Faraday przekonał się o fizycznej rzeczywistości magnetycznych linii siły. Pod koniec lat trzydziestych XIX wieku naukowiec był już wyraźnie świadomy, że energia zarówno magnesów trwałych, jak i przewodników prądowych była dystrybuowana w otaczającej ich przestrzeni, która była wypełniona magnetycznymi liniami siły. W sierpniu 1831 r. Do badacza udało się uzyskać magnetyzm w celu wytworzenia prądu elektrycznego.

Urządzenie składało się z żelaznego pierścienia z dwoma przeciwległymi uzwojeniami. Pierwsze uzwojenie mogło być zwarte do akumulatora elektrycznego, a drugie zostało podłączone do przewodu umieszczonego nad strzałką kompasu magnetycznego. Kiedy prąd stały przepłynął przez drut pierwszej cewki, strzała nie zmieniła swojego położenia, ale zaczęła kołysać się w momentach jego wyłączania i włączania.

Faraday doszedł do wniosku, że w tych momentach w przewodzie drugiego uzwojenia występowały impulsy elektryczne związane z zanikaniem lub pojawieniem się linii pola magnetycznego. Dokonał tego odkrycia przyczyną pojawiającej się siły elektromotorycznej jest zmiana pola magnetycznego.

W listopadzie 1857 r. Faraday napisał list do Szkocji do profesora Maxwella z prośbą o nadanie matematycznej postaci znajomości elektromagnetyzmu. Maxwell spełnił prośbę. Pojęcie pola elektromagnetycznego w swoich wspomnieniach znalazł miejsce w 1864 r.

Maxwell wprowadził termin „pole” odnoszący się do części przestrzeni, która otacza i zawiera ciała w stanie magnetycznym lub elektrycznym, i podkreślił, że sama przestrzeń może być pusta i wypełniona absolutnie dowolnym rodzajem materii, ale pole nadal będzie miało miejsce.

W 1873 r. Maxwell opublikował Traktat o elektryczności i magnetyzmie, w którym wprowadził układ równań łączący zjawiska elektromagnetyczne. Nadał im nazwę ogólnych równań pola elektromagnetycznego i do dziś nazywane są równaniami Maxwella. Zgodnie z teorią Maxwella magnetyzm jest szczególnym rodzajem interakcji między prądami elektrycznymi. Jest to fundament, na którym budowane są wszystkie prace teoretyczne i eksperymentalne związane z magnetyzmem.

Przeczytaj także na ten temat:Cewki indukcyjne i pola magnetyczne