Magnetické jevy ve fyzice - historie, příklady a zajímavosti
Magnetismus a elektřina
První praktická aplikace magnetu byla v podobě kusu zmagnetizované oceli plovoucí na špuntu ve vodě nebo oleji. V tomto případě vždy jeden konec magnetu ukazuje na sever a druhý na jih. Byl to první kompas používaný námořníky.
Stejně tak dávno, několik staletí před naším letopočtem, lidé věděli, že pryskyřičná látka - jantar, pokud se potírala vlnou, získala na chvíli schopnost přitahovat lehké předměty: kousky papíru, kousky nití, chmýří. Tento jev se nazývá elektrický ("elektron" znamená "jantar" v řečtině). Později si toho všimli elektrizováno třením umí nejen jantar, ale i další látky: sklo, vosková tyčinka atd.
Lidé dlouho neviděli žádnou souvislost mezi dvěma neobvyklými přírodními jevy — magnetismem a elektřinou. Zdálo se, že běžné je pouze vnější znamení – vlastnost přitahování: magnet přitahuje železo a skleněná tyčinka třená útržky papíru.Pravda, magnet působil neustále a zelektrizovaný objekt po chvíli ztrácí své vlastnosti, ale obojí „přitahuje“.
Ale nyní, na konci 17. století, si toho všimli Blesk — elektrický jev — náraz do blízkosti ocelových předmětů je může zmagnetizovat. Tak se například jednou ocelové nože ležící v dřevěné krabici ukázalo k nepopsatelnému překvapení majitele zmagnetizované poté, co do krabice udeřil blesk a rozbil ji.
Postupem času je takových případů pozorováno stále více. To však stále nedává důvod si myslet, že existuje silné spojení mezi elektřinou a magnetismem. Takové spojení vzniklo teprve asi před 180 lety. Poté bylo pozorováno, že se magnetická střelka kompasu vychyluje, jakmile je v její blízkosti umístěn drát, podél kterého teče elektrický proud.
Téměř ve stejnou dobu vědci objevili další, neméně nápadný jev. Ukázalo se, že drát, kterým protéká elektrický proud, k sobě dokáže přitáhnout drobné železné hobliny. Stálo však za to zastavit proud v drátu, protože piliny se okamžitě rozpadly a drát ztratil své magnetické vlastnosti.
Nakonec byla objevena další vlastnost elektrického proudu, která konečně potvrdila souvislost mezi elektřinou a magnetismem. Ukázalo se, že ocelová jehla umístěná uprostřed drátěné cívky, kterou protéká elektrický proud (taková cívka je tzv. solenoid) se zmagnetizuje stejným způsobem, jako by se třel přírodním magnetem.
Elektromagnety a jejich použití
Ze zkušenosti s ocelovou jehlou a byl na světě elektromagnet… Umístěním měkké železné tyče doprostřed cívky drátu místo jehly byli vědci přesvědčeni, že když cívkou prochází proud, železo získává vlastnost magnetu, a když se proud zastaví, tuto vlastnost ztrácí . Současně bylo zjištěno, že čím více závitů drátu v solenoidu, tím silnější je elektromagnet.
Vlivem pohybujícího se magnetu vzniká v cívce drátu elektrický proud
Zpočátku se elektromagnet mnohým zdál jen legrační fyzikální zařízení. Lidé netušili, že v blízké budoucnosti najde nejširší uplatnění, poslouží jako základ mnoha zařízení a strojů (viz — Praktická aplikace jevu elektromagnetické indukce).
Princip činnosti elektromagnetického relé
Poté, co bylo zjištěno, že elektrický proud dává drátu magnetické vlastnosti, vědci položili otázku: existuje inverzní vztah mezi elektřinou a magnetismem? Mohl by například silný magnet umístěný uvnitř cívky drátu způsobit proudění elektrického proudu touto cívkou?
Ve skutečnosti, pokud by se v drátu objevil elektrický proud působením stacionárního magnetu, bylo by to zcela protichůdné zákon zachování energie… Podle tohoto zákona je k získání elektrického proudu nutné vynaložit další energii, která by se přeměnila na elektrickou energii. Při výrobě elektrického proudu pomocí magnetu se energie vynaložená na pohyb magnetu přemění na elektrickou energii.
Studium magnetických jevů
V polovině 13. století si zvědaví pozorovatelé všimli, že magnetické ručičky kompasu se vzájemně ovlivňují: konce směřující stejným směrem se odpuzují a ty směřující jiným způsobem se přitahují.
Tato skutečnost pomohla vědcům vysvětlit činnost kompasu. Předpokládá se, že zeměkoule je obrovský magnet a konce střelek kompasu se tvrdošíjně otáčejí správným směrem, protože je jeden magnetický pól Země odpuzuje a druhý přitahuje. Tento předpoklad se ukázal jako pravdivý.
Při studiu magnetických jevů velmi pomohly malé železné piliny, ulpívající na magnetu jakékoli síly. Nejprve bylo zjištěno, že většina pilin ulpívá na dvou konkrétních místech na magnetu nebo, jak se tomu říká, na pólech magnetu. Ukázalo se, že každý magnet má vždy alespoň dva póly, z nichž jeden se začal nazývat severní (C) a druhý jižní (S).
Železné piliny ukazují umístění magnetických siločar v prostoru kolem magnetu
U tyčovitého magnetu jsou jeho póly nejčastěji umístěny na koncích tyče. Zvláště živý obraz se před očima pozorovatelů objevil, když předpokládali posypat sklo nebo papír železnými pilinami, pod nimiž ležel magnet. Hobliny jsou těsně rozmístěny v pólech magnetu. Poté se v podobě tenkých čar – železných částic spojených dohromady – táhly od jednoho pólu k druhému.
Další studium magnetických jevů ukázalo, že v prostoru kolem magnetu působí speciální magnetické síly, nebo, jak se říká, magnetické pole… Směr a intenzitu magnetických sil udávají železné piliny umístěné nad magnetem.
Pokusy s pilinami mnohému naučily. Kus železa se například přiblíží k pólu magnetu. Pokud se zároveň papír, na kterém leží piliny, trochu otřese, vzor pilin se začne měnit. Magnetické čáry jsou jakoby viditelné. Přecházejí z pólu magnetu na kus železa a stávají se silnějšími, když se železo přibližuje k pólu. Zároveň se zvyšuje i síla, kterou magnet přitahuje kus železa k sobě.
Na kterém konci železné tyče elektromagnetu se při průchodu proudu cívkou vytvoří severní pól a na kterém jižní pól? Dá se snadno určit podle směru elektrického proudu v cívce. Je známo, že proud (tok záporných nábojů) teče od záporného pólu zdroje ke kladnému.
Když to víme a podíváme se na cívku elektromagnetu, lze si představit, kterým směrem poteče proud v závitech elektromagnetu. Na konci elektromagnetu, kde bude proud dělat kruhový pohyb ve směru hodinových ručiček, se vytvoří severní pól a na druhém konci pásu, kde se proud pohybuje proti směru hodinových ručiček, jižní pól. Pokud změníte směr proudu v cívce elektromagnetu, změní se i jeho póly.
Dále bylo pozorováno, že jak permanentní magnet, tak elektromagnet se přitahují mnohem silněji, pokud nemají tvar rovné tyče, ale jsou ohnuté tak, že jejich opačné póly jsou blízko u sebe.V tomto případě se nepřitahuje jeden pól, ale dva, a kromě toho jsou magnetické siločáry méně rozptýleny v prostoru — jsou soustředěny mezi póly.
Když přitahovaný železný předmět přilne k oběma pólům, podkovovitý magnet téměř přestane rozptylovat siločáry do prostoru. To je snadno vidět se stejnými pilinami na papíře. Magnetické siločáry, které se dříve táhly od jednoho pólu k druhému, nyní procházejí přitahovaným železným předmětem, jako by pro ně bylo snazší projít železem než vzduchem.
Výzkumy ukazují, že tomu tak skutečně je. Objevil se nový koncept – magnetická permeabilita, což označuje hodnotu, která udává, kolikrát je pro magnetické čáry snazší procházet jakoukoliv látkou než vzduchem. Železo a některé jeho slitiny mají nejvyšší magnetickou permeabilitu. To vysvětluje, proč je z kovů k magnetu nejvíce přitahováno železo.
Další kov, nikl, má nižší magnetickou permeabilitu. A je méně přitahován magnetem. Bylo zjištěno, že některé další látky mají magnetickou permeabilitu větší než vzduch, a proto jsou magnety přitahovány.
Ale magnetické vlastnosti těchto látek jsou vyjádřeny velmi slabě. Proto se všechna elektrická zařízení a stroje, ve kterých tak či onak fungují elektromagnety, dodnes neobejdou bez železa nebo bez speciálních slitin, mezi které železo patří.
Studiu železa a jeho magnetických vlastností byla přirozeně věnována velká pozornost téměř od samého počátku elektrotechniky.Pravda, přísně vědecké výpočty v této oblasti byly možné až po studiích ruského vědce Alexandra Grigorieviče Stoletova, provedených v roce 1872. Zjistil, že magnetická permeabilita každého kusu železa není konstantní. Ona se mění pro stupeň magnetizace tohoto kusu.
Metoda testování magnetických vlastností železa navržená Stoletovem má velkou hodnotu a je používána vědci a inženýry v naší době. Hlubší studium podstaty magnetických jevů bylo možné až po rozvoji teorie struktury hmoty.
Moderní chápání magnetismu
Nyní víme, že každý chemický prvek se skládá z atomů — neobvykle malé komplexní částice. Ve středu atomu je jádro nabité kladnou elektřinou. Kolem ní obíhají elektrony, částice, které nesou záporný elektrický náboj. Počet elektronů není stejný pro atomy různých chemických prvků. Například atom vodíku má pouze jeden elektron obíhající kolem jeho jádra, zatímco atom uranu má devadesát dva.
Pečlivým pozorováním různých elektrických jevů vědci došli k závěru, že elektrický proud v drátu není nic jiného než pohyb elektronů. Nyní si pamatujte, že kolem drátu vždy vzniká magnetické pole, ve kterém protéká elektrický proud, tedy pohyb elektronů.
Z toho vyplývá, že magnetické pole se objevuje vždy tam, kde dochází k pohybu elektronů, jinými slovy, existence magnetického pole je důsledkem pohybu elektronů.
Nabízí se otázka: v jakékoli látce elektrony neustále rotují kolem svých atomových jader, proč v tomto případě každá látka kolem sebe nevytváří magnetické pole?
Moderní věda na to dává následující odpověď. Každý elektron má více než jen elektrický náboj. Má také vlastnosti magnetu, je to malý elementární magnet.Takže magnetické pole vytvářené elektrony při jejich pohybu kolem jádra se přidává k jejich vlastnímu magnetickému poli.
V tomto případě jsou magnetická pole většiny atomů, skládání, zcela zničena, pohlcena. A jen u několika atomů – železa, niklu, kobaltu a v mnohem menší míře u dalších – se magnetická pole ukáží jako nevyvážená a atomy jsou malé magnety. Tyto látky se nazývají feromagnetické ("Ferrum" znamená železo).
Pokud jsou atomy feromagnetických látek uspořádány náhodně, pak se magnetická pole různých atomů nasměrovaná různými směry nakonec navzájem ruší. Pokud je ale natočíte tak, aby se magnetická pole sčítala – a to je to, co při magnetizaci děláme – magnetická pole se již nebudou rušit, ale budou se navzájem sčítat.
Celé tělo (kus železa) kolem sebe vytvoří magnetické pole, stane se magnetem. Podobně, když se elektrony pohybují jedním směrem, což se například děje s elektrickým proudem ve vodiči, magnetické pole jednotlivých elektronů se přidává k celkovému magnetickému poli.
Na druhé straně jsou elektrony zachycené ve vnějším magnetickém poli vždy vystaveny posledně uvedenému. To umožňuje řídit pohyb elektronů pomocí magnetického pole.
Vše výše uvedené je pouze přibližné a velmi zjednodušené schéma. Ve skutečnosti jsou atomové jevy, které se vyskytují v drátech a magnetických materiálech, složitější.
Nauka o magnetech a magnetických jevech — magnetologie — je pro moderní elektrotechniku velmi důležitá.Velkým přínosem pro rozvoj této vědy byl magnetolog Nikolaj Sergejevič Akulov, který objevil důležitý zákon známý po celém světě jako „Akulovův zákon“. Tento zákon umožňuje předem určit, jak se při magnetizaci mění tak důležité vlastnosti kovů, jako je elektrická vodivost, tepelná vodivost atd.
Generace vědců se snažily proniknout do tajemství magnetických jevů a dát tyto jevy do služeb lidstva. Dnes miliony nejrozmanitějších magnetů a elektromagnetů pracují ve prospěch člověka v různých elektrických strojích a zařízeních. Osvobozují lidi od těžké fyzické práce a někdy jsou nepostradatelnými služebníky.
Podívejte se na další zajímavé a užitečné články o magnetech a jejich aplikacích:
Magnetismus a elektromagnetismus
Permanentní magnety — druhy, vlastnosti, interakce magnetů
Využití permanentních magnetů v elektrotechnice a energetice