Magnetism - จาก Thales ไปยัง Maxwell

หนึ่งพันปีก่อนการสังเกตปรากฏการณ์ไฟฟ้าครั้งแรกมนุษยชาติเริ่มสะสมแล้ว ความรู้เกี่ยวกับแม่เหล็ก. และเมื่อสี่ร้อยปีก่อนเมื่อการก่อตัวของฟิสิกส์เป็นวิทยาศาสตร์เพิ่งเริ่มต้นนักวิจัยได้แยกสมบัติแม่เหล็กของสารออกจากคุณสมบัติทางไฟฟ้าของพวกมันและหลังจากนั้นพวกเขาก็เริ่มศึกษาด้วยตนเอง สิ่งนี้วางรากฐานการทดลองและทฤษฎีซึ่งต่อมาได้กลายเป็นรากฐานของ e ในช่วงกลางศตวรรษที่ 19ทฤษฎีปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าและแม่เหล็ก.

ดูเหมือนว่าคุณสมบัติที่ผิดปกติของแร่เหล็กแม่เหล็กเป็นที่รู้จักกันย้อนหลังเป็นยุคสำริดในเมโสโปเตเมีย และหลังจากจุดเริ่มต้นของการพัฒนาโลหะวิทยาเหล็กคนสังเกตเห็นว่ามันดึงดูดผลิตภัณฑ์เหล็ก นักปรัชญากรีกโบราณและนักคณิตศาสตร์ Thales จากเมืองมิเลทัส (640−546 ปีก่อนคริสตกาล) ก็คิดเกี่ยวกับเหตุผลของการดึงดูดนี้

นักคิดกรีกจินตนาการว่าคู่ที่มองไม่เห็นห่อหุ้มแมกนีไทต์และเหล็กอย่างไรคู่เหล่านี้ดึงดูดสารซึ่งกันและกัน คำว่า "แม่เหล็ก" มันอาจเกิดขึ้นชื่อของเมือง Magnesia-u-Sipila ในเอเชียไมเนอร์ซึ่งอยู่ใกล้กับสนามแม่เหล็ก หนึ่งในตำนานบอกว่าคนเลี้ยงแกะ Magnis ปรากฏตัวขึ้นพร้อมกับแกะของเขาติดกับหินซึ่งดึงปลายเหล็กของไม้เท้าและรองเท้าบู๊ตมาหาเขา

ในตำราโบราณของจีน "บันทึกฤดูใบไม้ผลิและฤดูใบไม้ร่วงของอาจารย์หลิว" (240 ปีก่อนคริสตกาล) กล่าวถึงสมบัติของสนามแม่เหล็กเพื่อดึงดูดธาตุเหล็ก อีกร้อยปีต่อมาจีนตั้งข้อสังเกตว่า magnetite ไม่ดึงดูดทองแดงหรือเซรามิกส์ ในศตวรรษที่ 7-8 พวกเขาสังเกตเห็นว่าเข็มเหล็กที่มีแม่เหล็กซึ่งแขวนอยู่อย่างอิสระหันไปทางทิศเหนือดาว

ดังนั้นในช่วงครึ่งหลังของศตวรรษที่ 11 เข็มทิศทางทะเลจึงเริ่มผลิตขึ้นในประเทศจีนซึ่งลูกเรือชาวยุโรปมีความเชี่ยวชาญเพียงหนึ่งร้อยปีหลังจากที่ชาวจีน จากนั้นจีนได้ค้นพบความสามารถของเข็มแม่เหล็กในการเบี่ยงเบนไปทางทิศตะวันออกเฉียงเหนือและค้นพบการลดลงของแม่เหล็กก่อนที่ลูกเรือชาวยุโรปในเรื่องนี้จะมาถึงข้อสรุปนั้นในศตวรรษที่ 15 เท่านั้น

ในยุโรปสิ่งแรกที่อธิบายคุณสมบัติของแม่เหล็กธรรมชาติคือนักปรัชญาจากฝรั่งเศส Pierre de Maricourt ซึ่งในปี 1269 รับใช้ในกองทัพของกษัตริย์ซิซิลี Charles Charles แห่ง Anjou ระหว่างการล้อมเมืองแห่งหนึ่งในอิตาลีเขาส่งเพื่อนคนหนึ่งให้ Picardy เอกสารที่ลงไปในประวัติศาสตร์วิทยาศาสตร์ภายใต้ชื่อ "จดหมายเกี่ยวกับแม่เหล็ก" ซึ่งเขาได้พูดคุยเกี่ยวกับการทดลองของเขาด้วยแร่เหล็กแม่เหล็ก

Marikur ตั้งข้อสังเกตว่าในชิ้นส่วนของแม่เหล็กใด ๆ มีสองพื้นที่ที่ดึงดูดเหล็กโดยเฉพาะอย่างยิ่ง เขาสังเกตเห็นความคล้ายคลึงกันนี้กับเสาของทรงกลมท้องฟ้าดังนั้นเขาจึงยืมชื่อของพวกเขาเพื่อระบุพื้นที่ของแรงแม่เหล็กสูงสุด จากนั้นประเพณีเริ่มเรียกว่าเสาแม่เหล็กทางทิศใต้และทิศเหนือ

Marikur เขียนว่าถ้าคุณแยกชิ้นส่วนของ magnetite ออกเป็นสองส่วนชิ้นส่วนแต่ละอันจะมีขั้วของตัวเอง

Marikur เป็นครั้งแรกที่เชื่อมต่อผลกระทบของแรงผลักดันและแรงดึงดูดของขั้วแม่เหล็กกับการทำงานของตรงกันข้าม (ทิศใต้และทิศเหนือ) หรือเสาที่มีชื่อเดียวกัน Marikur ได้รับการพิจารณาอย่างถูกต้องว่าเป็นผู้บุกเบิกโรงเรียนวิทยาศาสตร์แห่งยุโรปบันทึกของเขาเกี่ยวกับแม่เหล็กถูกทำซ้ำในหลายสิบรายการและด้วยการกำเนิดของการพิมพ์พวกเขาถูกตีพิมพ์ในรูปแบบของแผ่นพับ นักธรรมชาติวิทยาหลายคนอ้างถึงจนกระทั่งศตวรรษที่ 17

ด้วยความยากลำบาก Marikura ยังคุ้นเคยกับนักธรรมชาติวิทยานักวิทยาศาสตร์และแพทย์ชาวอังกฤษอย่าง William Hilbert ในปี 1600 เขาได้ตีพิมพ์ผลงาน "บนแม่เหล็กร่างแม่เหล็กและแม่เหล็กขนาดใหญ่ - โลก"ในงานนี้ Hilbert อ้างถึงข้อมูลทั้งหมดที่ทราบในเวลานั้นเกี่ยวกับคุณสมบัติของวัสดุแม่เหล็กธรรมชาติและเหล็กแม่เหล็กและยังอธิบายการทดลองของเขากับลูกบอลแม่เหล็กซึ่งเขาจำลองแบบจำลองของแม่เหล็กโลก

โดยเฉพาะอย่างยิ่งเขาทดลองยอมรับว่าทั้งสองขั้วของ "โลกเล็ก" เข็มเข็มทิศหมุนตั้งฉากกับพื้นผิวของมันมันถูกติดตั้งที่เส้นศูนย์สูตรขนานและที่ละติจูดกลางจะหมุนไปที่ตำแหน่งกลาง ด้วยวิธีนี้ Hilbert สามารถจำลองการเอียงของแม่เหล็กซึ่งเป็นที่รู้จักในยุโรปมานานกว่า 50 ปี (ในปี 1544 มันถูกอธิบายโดย George Hartmann ช่างจากนูเรมเบิร์ก)

ฮิลเบิร์ตยังทำซ้ำการลดลงของ geomagnetic ซึ่งเขาอ้างว่าไม่ใช่พื้นผิวที่เรียบอย่างสมบูรณ์แบบของลูกบอล แต่ในระดับดาวเคราะห์เขาอธิบายผลกระทบนี้โดยการดึงดูดระหว่างทวีป เขาค้นพบว่าเหล็กที่มีความร้อนแรงสูญเสียคุณสมบัติทางแม่เหล็กของมันอย่างไรและเมื่อเย็นลงจะคืนค่าพวกมัน ในที่สุดฮิลแบร์ตเป็นคนแรกที่แยกแยะความแตกต่างอย่างชัดเจนระหว่างแรงดึงดูดของแม่เหล็กและแรงดึงดูดของอำพันที่ถูด้วยผ้าขนสัตว์ซึ่งเขาเรียกว่าแรงไฟฟ้า มันเป็นงานที่สร้างสรรค์อย่างแท้จริงชื่นชมทั้งโคตรและลูกหลาน Hilbert ค้นพบว่าโลกจะได้รับการพิจารณาอย่างถูกต้องว่าเป็น "แม่เหล็กขนาดใหญ่"

จนกระทั่งต้นศตวรรษที่ 19 วิทยาศาสตร์แม่เหล็กได้ก้าวหน้าไปเพียงเล็กน้อย ในปี ค.ศ. 1640 เบเนเดตโตคาสเทลลีนักเรียนกาลิเลโออธิบายการดึงดูดของแมกนิไทต์ด้วยอนุภาคแม่เหล็กขนาดเล็กจำนวนมากที่ประกอบขึ้น

ในปีค. ศ. 1778 Sebald Brugmans ชาวฮอลแลนด์สังเกตเห็นว่าบิสมัทและพลวงผลักเสาของเข็มแม่เหล็กซึ่งเป็นตัวอย่างแรกของปรากฏการณ์ทางกายภาพที่ฟาราเดย์จะเรียกในภายหลัง ไดอะแมกเนติ.

Charles-Augustin Coulomb ในปี ค.ศ. 1785 ผ่านการวัดที่แม่นยำบนสมดุลแรงบิดพิสูจน์ว่า แรงของปฏิสัมพันธ์ของขั้วแม่เหล็กที่มีต่อกันนั้นแปรผกผันกับกำลังสองของระยะห่างระหว่างขั้วแม่เหล็ก - แม่นยำเท่าแรงของปฏิสัมพันธ์ของประจุไฟฟ้า

ตั้งแต่ปี ค.ศ. 1813 Oersted นักฟิสิกส์ชาวเดนมาร์กได้พยายามสร้างการเชื่อมต่อระหว่างกระแสไฟฟ้ากับแม่เหล็ก นักวิจัยใช้เข็มทิศเป็นตัวบ่งชี้ แต่เขาไม่สามารถบรรลุเป้าหมายได้เป็นเวลานานเพราะเขาคาดว่าแรงแม่เหล็กจะขนานกับกระแสไฟฟ้าและวางสายไฟฟ้าในมุมฉากกับเข็มเข็มทิศ ลูกศรไม่ตอบสนองต่อการเกิดกระแสไฟฟ้า

ในฤดูใบไม้ผลิปี 1820 ในระหว่างการบรรยายครั้งหนึ่ง Oersted ดึงลวดขนานกับลูกศรและมันไม่ชัดเจนว่าอะไรทำให้เขาเกิดความคิดนี้ และลูกศรก็เหวี่ยง ด้วยเหตุผลบางอย่างหยุดการทดลองเป็นเวลาหลายเดือนหลังจากนั้นเขาก็กลับไปหาพวกเขาและตระหนักว่า "ผลกระทบทางแม่เหล็กของกระแสไฟฟ้าจะถูกส่งไปตามวงกลมที่ล้อมรอบกระแสนี้"

ข้อสรุปเป็นข้อขัดแย้งเพราะก่อนหน้านี้กองกำลังหมุนไม่ปรากฏตัวเองทั้งในกลศาสตร์หรือที่อื่น ๆ ในฟิสิกส์ Oersted เขียนบทความที่เขาสรุปผลการวิจัยของเขาและไม่เคยมีส่วนร่วมในแม่เหล็กไฟฟ้าอีกต่อไป

ในฤดูใบไม้ร่วงของปีเดียวกัน Andre-Marie Ampèreชาวฝรั่งเศสเริ่มทำการทดลอง ครั้งแรกและสำคัญที่สุดหลังจากทำซ้ำและยืนยันผลลัพธ์และข้อสรุปของ Oersted ในต้นเดือนตุลาคมเขาค้นพบแรงดึงดูดของตัวนำถ้ากระแสในพวกเขาถูกนำไปในทางเดียวกันและแรงผลักถ้ากระแสตรงข้าม

Ampèreยังศึกษาปฏิสัมพันธ์ระหว่างตัวนำที่ไม่ขนานกับกระแสไฟฟ้าหลังจากนั้นเขาอธิบายด้วยสูตรที่เรียกว่าภายหลัง กฎหมายของแอมแปร์ นักวิทยาศาสตร์ยังแสดงให้เห็นว่าสายขดที่มีการหมุนในปัจจุบันภายใต้อิทธิพลของสนามแม่เหล็กเช่นเดียวกับที่เกิดขึ้นกับเข็มเข็มทิศ

ในที่สุดเขาหยิบยกสมมติฐานของกระแสโมเลกุลตามที่ภายในวัสดุแม่เหล็กมีกระแสวงกลมกล้องจุลทรรศน์อย่างต่อเนื่องขนานซึ่งกันและกันซึ่งทำให้เกิดการกระทำแม่เหล็กของวัสดุ

ในเวลาเดียวกัน Bio และ Savard ได้รับสูตรทางคณิตศาสตร์ที่ช่วยในการคำนวณความเข้มของสนามแม่เหล็ก DC

ดังนั้นในตอนท้ายของปี 1821 Michael Faraday ซึ่งทำงานอยู่ในลอนดอนได้สร้างอุปกรณ์ที่ตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าหมุนรอบแม่เหล็กและแม่เหล็กอีกอันหมุนรอบตัวนำอีกตัวหนึ่ง

ฟาราเดย์แนะนำว่าทั้งแม่เหล็กและลวดจะถูกหุ้มด้วยเส้นแรงศูนย์กลางซึ่งกำหนดผลเชิงกลของพวกเขา

เมื่อเวลาผ่านไปฟาราเดย์เชื่อมั่นในความเป็นจริงทางกายภาพของเส้นแรงแม่เหล็ก ในตอนท้ายของยุค 1830 นักวิทยาศาสตร์ได้ทราบแล้วอย่างชัดเจนว่าพลังงานของแม่เหล็กถาวรและตัวนำกระแสไฟฟ้ากระจายอยู่ในพื้นที่รอบ ๆ ซึ่งเต็มไปด้วยเส้นแรงแม่เหล็ก ในเดือนสิงหาคม ค.ศ. 1831 ถึงนักวิจัย ได้รับแม่เหล็กเพื่อสร้างกระแสไฟฟ้า

อุปกรณ์ประกอบด้วยวงแหวนเหล็กที่มีขดลวดสองอันที่อยู่ตรงข้ามกัน ขดลวดแรกสามารถลัดวงจรไปยังแบตเตอรี่ไฟฟ้าและอันที่สองเชื่อมต่อกับตัวนำที่วางอยู่เหนือลูกศรของเข็มทิศแม่เหล็ก เมื่อกระแสตรงไหลผ่านสายไฟของขดลวดแรกลูกศรจะไม่เปลี่ยนตำแหน่ง แต่เริ่มแกว่งในช่วงเวลาที่สวิตช์ปิดและเปิด

ฟาราเดย์สรุปว่าในช่วงเวลานี้ในสายของขดลวดที่สองมีแรงกระตุ้นไฟฟ้าที่เกี่ยวข้องกับการหายตัวไปหรือการปรากฏตัวของเส้นสนามแม่เหล็ก เขาค้นพบว่า สาเหตุของแรงเคลื่อนไฟฟ้าที่เกิดขึ้นใหม่คือการเปลี่ยนแปลงของสนามแม่เหล็ก

ในเดือนพฤศจิกายน ค.ศ. 1857 ฟาราเดย์เขียนจดหมายถึงสกอตแลนด์ถึงศาสตราจารย์แมกซ์เวลล์พร้อมคำร้องขอให้แบบฟอร์มทางคณิตศาสตร์แก่ความรู้เกี่ยวกับแม่เหล็กไฟฟ้า Maxwell ปฏิบัติตามคำขอ แนวคิดของสนามแม่เหล็กไฟฟ้า พบสถานที่ใน 1,864 ใน memoirs ของเขา

Maxwell แนะนำคำว่า "field" เพื่ออ้างถึงส่วนหนึ่งของพื้นที่ที่ล้อมรอบและมีร่างกายที่อยู่ในสถานะแม่เหล็กหรือไฟฟ้าและเขาเน้นว่าพื้นที่นี้สามารถว่างเปล่าและเต็มไปด้วยสสารชนิดใดก็ได้ แต่สนามจะยังคงมี สถานที่

ในปี 1873 แมกซ์เวลล์ตีพิมพ์บทความเกี่ยวกับไฟฟ้าและแม่เหล็กซึ่งเขาได้แนะนำระบบสมการที่รวมปรากฏการณ์ทางแม่เหล็กไฟฟ้า เขาให้ชื่อสมการทั่วไปของสนามแม่เหล็กไฟฟ้าแก่พวกเขาและจนถึงทุกวันนี้พวกเขาเรียกว่าสมการของแมกซ์เวล ตามทฤษฎีของ Maxwell แม่เหล็กเป็นปฏิสัมพันธ์ชนิดพิเศษระหว่างกระแสไฟฟ้า. นี่คือรากฐานที่สร้างผลงานเชิงทฤษฎีและการทดลองที่เกี่ยวข้องกับแม่เหล็ก

อ่านเพิ่มเติมในหัวข้อนี้:ตัวเหนี่ยวนำและสนามแม่เหล็ก