Magnetische Phänomene in der Physik – Geschichte, Beispiele und interessante Fakten

Magnetismus und Elektrizität

Die erste praktische Anwendung des Magneten erfolgte in Form eines Stücks magnetisierten Stahls, das auf einem Pfropfen in Wasser oder Öl schwamm. In diesem Fall zeigt das eine Ende des Magneten immer nach Norden und das andere nach Süden. Es war der erste Kompass, der von Seeleuten verwendet wurde.

Schon vor mehreren Jahrhunderten vor unserer Zeitrechnung wussten die Menschen, dass eine harzige Substanz – Bernstein, wenn sie mit Wolle gerieben wird – für eine Weile die Fähigkeit erhält, leichte Objekte anzuziehen: Papierstücke, Fadenstücke, Flusen. Dieses Phänomen wird als elektrisch bezeichnet („Elektron“ bedeutet auf Griechisch „Bernstein“). Später wurde das bemerkt durch Reibung elektrisiert kann nicht nur Bernstein, sondern auch andere Stoffe: Glas, Wachs usw. kleben.

Lange Zeit sahen die Menschen keinen Zusammenhang zwischen zwei ungewöhnlichen Naturphänomenen – Magnetismus und Elektrizität. Lediglich ein äußeres Zeichen schien üblich zu sein – die Eigenschaft des Anziehens: Ein Magnet zieht Eisen an, und ein Glasstab, der mit Wollfetzen gerieben wird, zieht Papier an.Zwar wirkte der Magnet ständig und das elektrifizierte Objekt verliert nach einer Weile seine Eigenschaften, aber beide „ziehen sich an“.

Doch nun, Ende des 17. Jahrhunderts, merkte man das Blitz – ein elektrisches Phänomen – der Aufprall auf Stahlgegenstände in der Nähe kann diese magnetisieren. So stellte sich beispielsweise heraus, dass Stahlmesser, die in einer Holzkiste lagen, zur unbeschreiblichen Überraschung des Besitzers magnetisiert waren, nachdem ein Blitz in die Kiste einschlug und sie zerbrach.

Im Laufe der Zeit werden immer mehr solcher Fälle beobachtet. Dies gibt jedoch noch keinen Anlass zu der Annahme, dass es einen starken Zusammenhang zwischen Elektrizität und Magnetismus gibt. Eine solche Verbindung wurde erst vor etwa 180 Jahren hergestellt. Es wurde dann beobachtet, dass die Magnetnadel des Kompasses abweicht, sobald ein Draht in deren Nähe geführt wird Es fließt ein elektrischer Strom.

Fast zeitgleich entdeckten Wissenschaftler ein weiteres, nicht weniger auffälliges Phänomen. Es stellte sich heraus, dass der Draht, durch den der elektrische Strom fließt, kleine Eisenspäne anziehen kann. Es lohnte sich jedoch, den Strom im Draht zu stoppen, da die Sägespäne sofort auseinanderfielen und der Draht seine magnetischen Eigenschaften verlor.

Schließlich wurde eine weitere Eigenschaft des elektrischen Stroms entdeckt, die den Zusammenhang zwischen Elektrizität und Magnetismus endgültig bestätigte. Es stellte sich heraus, dass eine Stahlnadel in der Mitte einer Drahtspule platziert war, durch die ein elektrischer Strom floss (eine solche Spule wird genannt). Magnet) wird auf die gleiche Weise magnetisiert, als würde man mit einem natürlichen Magneten reiben.

Elektromagnete und ihre Verwendung

Aus der Erfahrung mit einer Stahlnadel entstand Elektromagnet… Durch die Platzierung eines Weicheisenstabs in der Mitte der Drahtspule anstelle einer Nadel waren die Wissenschaftler überzeugt, dass das Eisen die Eigenschaft eines Magneten annimmt, wenn ein Strom durch die Spule fließt, und diese Eigenschaft verliert, wenn der Strom stoppt . Gleichzeitig wurde festgestellt, dass der Elektromagnet umso stärker ist, je mehr Windungen der Draht im Magneten aufweist.

Unter dem Einfluss eines bewegten Magneten wird in der Drahtspule ein elektrischer Strom erzeugt

Zunächst schien der Elektromagnet für viele nur ein komisches physikalisches Gerät zu sein. Die Menschen ahnten nicht, dass es in naher Zukunft die breiteste Anwendung finden und als Grundlage für viele Geräte und Maschinen dienen würde (siehe – Praktische Anwendung des Phänomens der elektromagnetischen Induktion).

Das Funktionsprinzip des elektromagnetischen Relais

Nachdem festgestellt wurde, dass elektrischer Strom einem Draht magnetische Eigenschaften verleiht, stellten Wissenschaftler die Frage: Gibt es eine umgekehrte Beziehung zwischen Elektrizität und Magnetismus? Würde beispielsweise ein starker Magnet in einer Drahtspule dazu führen, dass ein elektrischer Strom durch diese Spule fließt?

Wenn in einem Draht unter der Wirkung eines stationären Magneten ein elektrischer Strom entstehen würde, wäre dies tatsächlich völlig widersprüchlich Gesetz der Energieerhaltung… Nach diesem Gesetz ist es zur Gewinnung von elektrischem Strom notwendig, andere Energie aufzuwenden, die in elektrische Energie umgewandelt wird. Wenn mit Hilfe eines Magneten ein elektrischer Strom erzeugt wird, wird die bei der Bewegung des Magneten aufgewendete Energie in elektrische Energie umgewandelt.

Studium magnetischer Phänomene

Schon Mitte des 13. Jahrhunderts bemerkten neugierige Beobachter, dass die magnetischen Zeiger des Kompasses miteinander interagieren: Die Enden, die in die gleiche Richtung zeigen, stoßen sich gegenseitig ab, und die Enden, die in eine andere Richtung zeigen, ziehen sich an.

Diese Tatsache half Wissenschaftlern, die Wirkungsweise des Kompasses zu erklären. Es wird angenommen, dass der Globus ein riesiger Magnet ist und die Enden der Kompassnadeln sich hartnäckig in die richtige Richtung drehen, weil sie von einem magnetischen Pol der Erde abgestoßen und von einem anderen angezogen werden. Diese Annahme erwies sich als wahr.

Bei der Untersuchung magnetischer Phänomene haben sich kleine Eisenspäne, die an einem Magneten beliebiger Kraft haften, als große Hilfe erwiesen. Zunächst fiel auf, dass die meisten Sägespäne an zwei bestimmten Stellen des Magneten oder, wie es genannt wird, an den Polen des Magneten haften bleiben. Es stellte sich heraus, dass jeder Magnet immer mindestens zwei Pole hat, von denen einer Nordpol (C) und der andere Südpol (S) genannt wurde.

Die Eisenspäne zeigen die Lage der magnetischen Feldlinien im Raum um den Magneten

Bei einem stabförmigen Magneten befinden sich seine Pole meist an den Enden des Stabes. Ein besonders lebendiges Bild entstand vor den Augen der Beobachter, als sie annahmen, Eisenspäne auf Glas oder Papier zu streuen, unter denen ein Magnet lag. Die Späne liegen in engen Abständen in den Polen des Magneten. Dann erstreckten sie sich in Form dünner Linien – miteinander verbundene Eisenpartikel – von einem Pol zum anderen.

Weitere Untersuchungen magnetischer Phänomene zeigten, dass im Raum um den Magneten besondere magnetische Kräfte wirken, oder wie man sagt: Magnetfeld… Richtung und Stärke der magnetischen Kräfte werden durch die über dem Magneten befindlichen Eisenspäne angezeigt.

Experimente mit Sägemehl haben viel gelehrt. Beispielsweise nähert sich ein Stück Eisen dem Pol eines Magneten. Wird gleichzeitig das Papier, auf dem das Sägemehl liegt, etwas geschüttelt, beginnt sich das Sägemehlmuster zu verändern. Die magnetischen Linien werden sozusagen sichtbar. Sie wandern vom Pol des Magneten zum Eisenstück und werden dicker, je näher das Eisen dem Pol kommt. Gleichzeitig nimmt auch die Kraft zu, mit der der Magnet das Eisenstück zu sich zieht.

An welchem ​​Ende des Eisenstabs des Elektromagneten bildet sich der Nordpol, wenn ein Strom durch die Spule fließt, und an welchem ​​Ende befindet sich der Südpol? Dies lässt sich leicht anhand der Richtung des elektrischen Stroms in der Spule bestimmen. Strom (Fluss negativer Ladungen) fließt bekanntermaßen vom negativen Pol der Quelle zum positiven.

Wenn man dies weiß und die Spule des Elektromagneten betrachtet, kann man sich vorstellen, in welche Richtung der Strom in den Windungen des Elektromagneten fließt. Am Ende des Elektromagneten, wo der Strom eine kreisförmige Bewegung im Uhrzeigersinn ausführt, bildet sich ein Nordpol und am anderen Ende des Streifens, wo sich der Strom entgegen dem Uhrzeigersinn bewegt, ein Südpol. Ändert man die Richtung des Stroms in der Spule des Elektromagneten, ändern sich auch dessen Pole.

Weiterhin wurde beobachtet, dass sich sowohl der Permanentmagnet als auch der Elektromagnet viel stärker anziehen, wenn sie nicht die Form eines geraden Stabes haben, sondern so gebogen sind, dass ihre Gegenpole nahe beieinander liegen.In diesem Fall zieht nicht ein Pol an, sondern zwei, und außerdem sind die magnetischen Kraftlinien weniger im Raum gestreut – sie sind zwischen den Polen konzentriert.

Wenn der angezogene Eisengegenstand an beiden Polen haftet, hört der Hufeisenmagnet fast auf, Kraftlinien in den Raum abzuleiten. Dies ist mit dem gleichen Sägemehl auf Papier leicht zu erkennen. Die magnetischen Kraftlinien, die früher von einem Pol zum anderen gingen, durchdringen jetzt den angezogenen Eisengegenstand, als ob es für sie leichter wäre, durch Eisen als durch Luft zu gehen.

Untersuchungen zeigen, dass dies tatsächlich der Fall ist. Es ist ein neues Konzept entstanden – magnetische Permeabilität, was einen Wert angibt, der angibt, wie oft magnetische Linien leichter durch eine Substanz als durch Luft dringen können. Eisen und einige seiner Legierungen haben die höchste magnetische Permeabilität. Dies erklärt, warum Eisen von den Metallen am stärksten von einem Magneten angezogen wird.

Es wurde festgestellt, dass ein anderes Metall, Nickel, eine geringere magnetische Permeabilität aufweist. Und wird weniger von einem Magneten angezogen. Es wurde festgestellt, dass bestimmte andere Substanzen eine größere magnetische Permeabilität als Luft haben und daher von Magneten angezogen werden.

Die magnetischen Eigenschaften dieser Stoffe kommen jedoch nur sehr schwach zum Ausdruck. Deshalb kommen bis heute alle elektrischen Geräte und Maschinen, in denen Elektromagnete auf die eine oder andere Weise wirken, nicht ohne Eisen oder ohne spezielle Legierungen, die Eisen enthalten, aus.

Natürlich wurde der Erforschung von Eisen und seinen magnetischen Eigenschaften fast seit den Anfängen der Elektrotechnik große Aufmerksamkeit geschenkt.Streng wissenschaftliche Berechnungen auf diesem Gebiet wurden zwar erst nach den 1872 durchgeführten Studien des russischen Wissenschaftlers Alexander Grigorjewitsch Stoletow möglich. Er entdeckte, dass die magnetische Permeabilität jedes Eisenstücks nicht konstant ist. Sie verändert sich für den Magnetisierungsgrad dieses Stückes.

Die von Stoletov vorgeschlagene Methode zur Prüfung der magnetischen Eigenschaften von Eisen ist von großem Wert und wird heutzutage von Wissenschaftlern und Ingenieuren verwendet. Eine tiefere Untersuchung der Natur magnetischer Phänomene wurde erst nach der Entwicklung der Theorie der Struktur der Materie möglich.

Das moderne Verständnis des Magnetismus

Wir wissen jetzt, dass jedes chemische Element besteht aus Atomen — ungewöhnlich kleine komplexe Partikel. Im Zentrum des Atoms befindet sich ein mit positiver Elektrizität geladener Kern. Um ihn kreisen Elektronen, Teilchen, die eine negative elektrische Ladung tragen. Die Anzahl der Elektronen ist für die Atome verschiedener chemischer Elemente nicht gleich. Beispielsweise hat ein Wasserstoffatom nur ein Elektron, das seinen Kern umkreist, während ein Uranatom zweiundneunzig hat.

Durch sorgfältige Beobachtung verschiedener elektrischer Phänomene kamen Wissenschaftler zu dem Schluss, dass der elektrische Strom in einem Draht nichts anderes als die Bewegung von Elektronen ist. Denken Sie nun daran, dass um einen Draht herum immer ein Magnetfeld entsteht, in dem ein elektrischer Strom fließt, sich also Elektronen bewegen.

Daraus folgt, dass ein Magnetfeld immer dort auftritt, wo sich Elektronen bewegen, mit anderen Worten, die Existenz eines Magnetfelds ist eine Folge der Bewegung von Elektronen.

Es stellt sich die Frage: In jedem Stoff rotieren Elektronen ständig um ihre Atomkerne, warum bildet in diesem Fall nicht jeder Stoff ein Magnetfeld um sich selbst?

Die moderne Wissenschaft gibt darauf folgende Antwort. Jedes Elektron hat mehr als nur eine elektrische Ladung. Es hat auch die Eigenschaften eines Magneten, es ist ein kleiner Elementarmagnet. Das Magnetfeld, das die Elektronen erzeugen, wenn sie sich um den Kern bewegen, wird zu ihrem eigenen Magnetfeld hinzugefügt.

In diesem Fall werden die Magnetfelder der meisten Atome durch Faltung vollständig zerstört und absorbiert. Und nur bei wenigen Atomen – Eisen, Nickel, Kobalt und in viel geringerem Maße bei anderen – erweisen sich die Magnetfelder als unausgeglichen und die Atome sind kleine Magnete. Diese Stoffe heißen ferromagnetisch („Ferrum“ bedeutet Eisen).

Wenn die Atome ferromagnetischer Stoffe zufällig angeordnet sind, heben sich die in unterschiedliche Richtungen gerichteten Magnetfelder verschiedener Atome schließlich gegenseitig auf. Aber wenn man sie so dreht, dass sich die Magnetfelder addieren – und das machen wir bei der Magnetisierung –, heben sich die Magnetfelder nicht mehr auf, sondern addieren sich.

Der ganze Körper (ein Stück Eisen) erzeugt um sich herum ein Magnetfeld, er wird zum Magneten. Wenn sich Elektronen in eine Richtung bewegen, was beispielsweise bei einem elektrischen Strom in einem Draht der Fall ist, addiert sich das Magnetfeld der einzelnen Elektronen zu einem Gesamtmagnetfeld.

Elektronen, die in einem äußeren Magnetfeld gefangen sind, sind wiederum diesem immer ausgesetzt. Dadurch lässt sich die Bewegung von Elektronen mithilfe eines Magnetfelds steuern.

Alles oben Genannte ist nur ein ungefähres und sehr vereinfachtes Schema. In Wirklichkeit sind die atomaren Phänomene, die in Drähten und magnetischen Materialien auftreten, komplexer.

Die Wissenschaft der Magnete und magnetischen Phänomene – Magnetologie – ist für die moderne Elektrotechnik von großer Bedeutung.Einen großen Beitrag zur Entwicklung dieser Wissenschaft leistete der Magnetologe Nikolai Sergejewitsch Akulow, der ein wichtiges Gesetz entdeckte, das weltweit als „Akulowsches Gesetz“ bekannt ist. Dieses Gesetz ermöglicht es, im Voraus zu bestimmen, wie sich wichtige Eigenschaften von Metallen wie elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit usw. während der Magnetisierung ändern.

Generationen von Wissenschaftlern haben daran gearbeitet, das Geheimnis magnetischer Phänomene zu ergründen und diese Phänomene in den Dienst der Menschheit zu stellen. Heute wirken Millionen unterschiedlichster Magnete und Elektromagnete in verschiedenen elektrischen Maschinen und Geräten zum Wohle des Menschen. Sie befreien Menschen von schwerer körperlicher Arbeit und sind manchmal unverzichtbare Diener.

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