ปรากฏการณ์แม่เหล็กในฟิสิกส์ - ประวัติศาสตร์ ตัวอย่าง และข้อเท็จจริงที่น่าสนใจ

แม่เหล็กและไฟฟ้า

การใช้งานจริงครั้งแรกของแม่เหล็กอยู่ในรูปของชิ้นส่วนเหล็กแม่เหล็กที่ลอยอยู่บนปลั๊กในน้ำหรือน้ำมัน ในกรณีนี้ ปลายด้านหนึ่งของแม่เหล็กจะชี้ไปทางทิศเหนือและทิศใต้เสมอ เป็นเข็มทิศแบบแรกที่นักเดินเรือใช้

นานมาแล้วหลายศตวรรษก่อนยุคของเรา ผู้คนรู้ว่าสารที่เป็นยาง - อำพัน หากถูด้วยขนสัตว์ ได้รับความสามารถในการดึงดูดวัตถุที่เบาบาง: เศษกระดาษ เศษด้าย ปุย ปรากฏการณ์นี้เรียกว่าไฟฟ้า ("อิเล็กตรอน" หมายถึง "อำพัน" ในภาษากรีก) ต่อมาก็สังเกตเห็นว่า ไฟฟ้าแรงเสียดทาน ไม่เพียง แต่อำพันเท่านั้น แต่ยังรวมถึงสารอื่น ๆ ด้วย: แก้ว, แท่งขี้ผึ้ง, ฯลฯ

เป็นเวลานานแล้วที่ผู้คนไม่เห็นความเชื่อมโยงระหว่างปรากฏการณ์ทางธรรมชาติที่ผิดปกติสองอย่าง นั่นคือ แม่เหล็กและไฟฟ้า มีเพียงสัญลักษณ์ภายนอกเท่านั้นที่ดูเหมือนเป็นเรื่องธรรมดา—คุณสมบัติในการดึงดูด: แม่เหล็กดึงดูดเหล็ก และแท่งแก้วที่ถูด้วยเศษกระดาษขนสัตว์จริงอยู่ แม่เหล็กทำงานตลอดเวลาและวัตถุที่ถูกไฟฟ้าดูดจะสูญเสียคุณสมบัติไปชั่วขณะ แต่ทั้งคู่ก็ "ดึงดูด"

แต่ปัจจุบันในปลายศตวรรษที่ 17 ก็สังเกตเห็นว่า ฟ้าผ่า — ปรากฏการณ์ทางไฟฟ้า — การกระทบกับวัตถุที่เป็นเหล็กสามารถดึงดูดพวกมันได้ ตัวอย่างเช่น เมื่อมีดเหล็กที่วางอยู่ในกล่องไม้กลายเป็นแม่เหล็กดึงดูดให้เจ้าของประหลาดใจอย่างอธิบายไม่ได้ หลังจากที่ฟ้าผ่าลงมาที่กล่องและทำให้กล่องแตก

เมื่อเวลาผ่านไป มีกรณีเช่นนี้มากขึ้นเรื่อยๆ อย่างไรก็ตามสิ่งนี้ยังไม่ได้ให้เหตุผลที่จะคิดว่ามีความเชื่อมโยงระหว่างไฟฟ้าและแม่เหล็ก ความสัมพันธ์ดังกล่าวก่อตั้งขึ้นเมื่อประมาณ 180 ปีก่อนเท่านั้น จากนั้นสังเกตว่าเข็มแม่เหล็กของเข็มทิศเบี่ยงเบนทันทีที่วางลวดไว้ใกล้ ๆ กระแสไฟฟ้าไหล.

เกือบในเวลาเดียวกัน นักวิทยาศาสตร์ได้ค้นพบอีกปรากฏการณ์หนึ่งที่โดดเด่นไม่น้อยไปกว่ากัน ปรากฎว่าลวดที่กระแสไฟฟ้าไหลผ่านสามารถดึงดูดเศษเหล็กขนาดเล็กเข้าหาตัวมันเอง อย่างไรก็ตาม มันก็คุ้มค่าที่จะหยุดกระแสไฟฟ้าในเส้นลวด เพราะขี้เลื่อยหลุดออกจากกันทันที และเส้นลวดก็สูญเสียคุณสมบัติทางแม่เหล็กไป

ในที่สุด มีการค้นพบคุณสมบัติอื่นของกระแสไฟฟ้า ซึ่งยืนยันการเชื่อมต่อระหว่างไฟฟ้าและแม่เหล็กในที่สุด ปรากฎว่ามีเข็มเหล็กวางอยู่ตรงกลางของขดลวดซึ่งมีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน (เรียกว่าขดลวดดังกล่าว โซลินอยด์) จะถูกทำให้เป็นแม่เหล็กในลักษณะเดียวกับที่ถูด้วยแม่เหล็กธรรมชาติ

แม่เหล็กไฟฟ้าและการใช้งาน

จากประสบการณ์เข็มเหล็กแล้วเกิด แม่เหล็กไฟฟ้า… ด้วยการวางแท่งเหล็กอ่อนไว้ตรงกลางของขดลวดแทนเข็ม นักวิทยาศาสตร์เชื่อว่าเมื่อกระแสไหลผ่านขดลวด เหล็กจะได้รับคุณสมบัติของแม่เหล็ก และเมื่อกระแสหยุดลง ก็จะสูญเสียคุณสมบัตินี้ไป . ในขณะเดียวกันก็สังเกตเห็นว่ายิ่งหมุนลวดในโซลินอยด์มากเท่าไหร่แม่เหล็กไฟฟ้าก็จะยิ่งแข็งแกร่งขึ้นเท่านั้น

ภายใต้อิทธิพลของแม่เหล็กเคลื่อนที่ กระแสไฟฟ้าจะถูกสร้างขึ้นในขดลวด

ในตอนแรก แม่เหล็กไฟฟ้าดูเหมือนเป็นเพียงอุปกรณ์ทางกายภาพที่ตลกสำหรับหลายๆ คน ผู้คนไม่สงสัยว่าในอนาคตอันใกล้นี้จะพบแอปพลิเคชันที่กว้างที่สุด ใช้เป็นพื้นฐานสำหรับอุปกรณ์และเครื่องจักรจำนวนมาก (ดู — การประยุกต์ใช้ปรากฏการณ์ของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าในทางปฏิบัติ).

หลักการทำงานของรีเลย์แม่เหล็กไฟฟ้า

หลังจากที่พบว่ากระแสไฟฟ้าให้คุณสมบัติแม่เหล็กของเส้นลวด นักวิทยาศาสตร์ได้ตั้งคำถามว่า ไฟฟ้าและแม่เหล็กมีความสัมพันธ์แบบผกผันกันหรือไม่? ตัวอย่างเช่น แม่เหล็กแรงสูงที่วางอยู่ภายในขดลวดจะทำให้เกิดกระแสไฟฟ้าไหลผ่านขดลวดนั้นหรือไม่?

ในความเป็นจริง หากกระแสไฟฟ้าปรากฏในเส้นลวดภายใต้การกระทำของแม่เหล็กที่อยู่นิ่ง สิ่งนี้จะขัดแย้งกันอย่างสิ้นเชิง กฎการอนุรักษ์พลังงาน… ตามกฎหมายนี้ เพื่อให้ได้กระแสไฟฟ้า จำเป็นต้องใช้พลังงานอื่นที่จะเปลี่ยนเป็นพลังงานไฟฟ้า เมื่อสร้างกระแสไฟฟ้าด้วยความช่วยเหลือของแม่เหล็ก พลังงานที่ใช้ในการเคลื่อนที่ของแม่เหล็กจะถูกแปลงเป็นพลังงานไฟฟ้า

ศึกษาปรากฏการณ์แม่เหล็ก

ย้อนกลับไปในช่วงกลางศตวรรษที่ 13 ผู้สังเกตการณ์ที่อยากรู้อยากเห็นสังเกตเห็นว่าเข็มแม่เหล็กของเข็มทิศมีปฏิสัมพันธ์ซึ่งกันและกัน: ปลายที่ชี้ไปในทิศทางเดียวกันจะผลักกัน และปลายที่ชี้ไปคนละทางจะดึงดูดกัน

ข้อเท็จจริงนี้ช่วยให้นักวิทยาศาสตร์อธิบายการทำงานของเข็มทิศได้ สันนิษฐานว่าโลกเป็นแม่เหล็กขนาดใหญ่และปลายของเข็มทิศหันไปในทิศทางที่ถูกต้องอย่างดื้อรั้นเนื่องจากถูกผลักโดยขั้วแม่เหล็กโลกขั้วหนึ่งและถูกดึงดูดโดยขั้วแม่เหล็กอีกขั้วหนึ่ง ข้อสันนิษฐานนี้กลายเป็นจริง

ในการศึกษาปรากฏการณ์ทางแม่เหล็ก ตะไบเหล็กขนาดเล็กที่ยึดติดกับแม่เหล็กไม่ว่าจะด้วยแรงใด ๆ ได้รับความช่วยเหลืออย่างมาก ประการแรก สังเกตเห็นว่าขี้เลื่อยส่วนใหญ่เกาะติดอยู่กับตำแหน่งเฉพาะสองแห่งบนแม่เหล็กหรือที่เรียกกันว่าขั้วของแม่เหล็ก ปรากฎว่าแม่เหล็กทุกอันมีขั้วอย่างน้อยสองขั้วเสมอ ขั้วหนึ่งเรียกว่าทิศเหนือ (C) และอีกขั้วหนึ่งเรียกว่าทิศใต้ (S)

ตะไบเหล็กแสดงตำแหน่งของเส้นสนามแม่เหล็กในช่องว่างรอบๆ แม่เหล็ก

ในแม่เหล็กที่มีลักษณะเป็นแท่ง ขั้วของมันมักจะอยู่ที่ปลายของแท่ง ภาพที่สดใสเป็นพิเศษปรากฏขึ้นต่อหน้าต่อตาผู้สังเกตการณ์ เมื่อพวกเขาสันนิษฐานว่าโปรยตะไบเหล็กบนแก้วหรือกระดาษซึ่งมีแม่เหล็กอยู่ข้างใต้ ขี้กบจะอยู่ในขั้วของแม่เหล็กอย่างใกล้ชิด จากนั้นในรูปแบบของเส้นบางๆ—อนุภาคเหล็กที่พันกัน—พวกมันยืดออกจากขั้วหนึ่งไปยังอีกขั้วหนึ่ง

การศึกษาเพิ่มเติมเกี่ยวกับปรากฏการณ์ทางแม่เหล็กแสดงให้เห็นว่าแรงแม่เหล็กพิเศษกระทำในพื้นที่รอบๆ แม่เหล็ก หรืออย่างที่พวกเขากล่าวว่า สนามแม่เหล็ก… ทิศทางและความเข้มของแรงแม่เหล็กจะระบุโดยตะไบเหล็กที่อยู่เหนือแม่เหล็ก

การทดลองกับขี้เลื่อยได้สอนอะไรมากมาย ตัวอย่างเช่น เหล็กชิ้นหนึ่งเข้าใกล้ขั้วของแม่เหล็ก หากในเวลาเดียวกันกระดาษที่มีขี้เลื่อยสั่นเล็กน้อยรูปแบบขี้เลื่อยจะเริ่มเปลี่ยนไป เส้นแม่เหล็กจะกลายเป็นราวกับว่ามองเห็นได้ พวกมันผ่านจากขั้วของแม่เหล็กไปยังชิ้นส่วนของเหล็กและจะหนาขึ้นเมื่อเหล็กเข้าใกล้ขั้ว ในขณะเดียวกัน แรงที่แม่เหล็กดึงชิ้นส่วนเหล็กเข้าหาตัวเองก็เพิ่มขึ้นเช่นกัน

ที่ปลายสุดของแท่งเหล็กของแม่เหล็กไฟฟ้าคือขั้วเหนือที่เกิดขึ้นเมื่อกระแสไหลผ่านขดลวด และที่ขั้วใต้คือขั้วใด ง่ายต่อการกำหนดโดยทิศทางของกระแสไฟฟ้าในขดลวด กระแส (การไหลของประจุลบ) เป็นที่ทราบกันดีว่าไหลจากขั้วลบของแหล่งกำเนิดไปยังขั้วบวก

เมื่อรู้สิ่งนี้และมองไปที่ขดลวดของแม่เหล็กไฟฟ้า เราสามารถจินตนาการได้ว่ากระแสจะไหลไปในทิศทางใดในการเลี้ยวของแม่เหล็กไฟฟ้า ที่ส่วนท้ายของแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งกระแสจะเคลื่อนที่เป็นวงกลมในทิศทางตามเข็มนาฬิกา จะเกิดขั้วเหนือขึ้น และที่ปลายอีกด้านของแถบ ซึ่งกระแสจะเคลื่อนที่ในทิศทางทวนเข็มนาฬิกาจะเป็นขั้วใต้ หากคุณเปลี่ยนทิศทางของกระแสในขดลวดของแม่เหล็กไฟฟ้า ขั้วของมันก็จะเปลี่ยนไปด้วย

สังเกตเพิ่มเติมได้ว่าทั้งแม่เหล็กถาวรและแม่เหล็กไฟฟ้าดึงดูดกันแรงมากขึ้นหากไม่ได้อยู่ในรูปของแท่งตรง แต่จะงอเพื่อให้ขั้วตรงข้ามอยู่ใกล้กันในกรณีนี้ จะไม่มีขั้วใดดึงดูด แต่จะมี 2 ขั้ว นอกจากนี้ เส้นแรงแม่เหล็กจะกระจายตัวน้อยลงในอวกาศ — พวกมันกระจุกตัวอยู่ระหว่างขั้ว

เมื่อวัตถุเหล็กที่ดึงดูดมาติดที่ขั้วทั้งสอง แม่เหล็กรูปเกือกม้าเกือบจะหยุดการกระจายเส้นแรงไปสู่อวกาศ มองเห็นได้ง่ายด้วยขี้เลื่อยเดียวกันบนกระดาษ เส้นแรงแม่เหล็กซึ่งก่อนหน้านี้ขยายจากขั้วหนึ่งไปยังอีกขั้วหนึ่ง ตอนนี้เคลื่อนผ่านวัตถุเหล็กที่ดึงดูด ราวกับว่าพวกมันผ่านเหล็กได้ง่ายกว่าผ่านอากาศ

การวิจัยแสดงให้เห็นว่าเป็นกรณีนี้จริง แนวคิดใหม่ได้เกิดขึ้นแล้ว— การซึมผ่านของแม่เหล็กซึ่งหมายถึงค่าที่ระบุว่าเส้นแม่เหล็กผ่านสสารใด ๆ ได้ง่ายกว่าผ่านอากาศกี่ครั้ง เหล็กและโลหะผสมบางชนิดมีความสามารถในการซึมผ่านของแม่เหล็กสูงสุด สิ่งนี้อธิบายว่าทำไมในบรรดาโลหะ เหล็กจึงดึงดูดแม่เหล็กได้มากที่สุด

โลหะอีกชนิดหนึ่งคือ นิเกิล พบว่ามีความสามารถในการซึมผ่านของแม่เหล็กต่ำกว่า และดึงดูดแม่เหล็กได้น้อยกว่า มีการพบว่าสารอื่นๆ บางชนิดมีการซึมผ่านของแม่เหล็กมากกว่าอากาศ และด้วยเหตุนี้จึงถูกแม่เหล็กดึงดูด

แต่คุณสมบัติทางแม่เหล็กของสารเหล่านี้จะแสดงออกอย่างอ่อนมาก ดังนั้นอุปกรณ์และเครื่องจักรไฟฟ้าทั้งหมดซึ่งแม่เหล็กไฟฟ้าทำงานไม่ทางใดก็ทางหนึ่งจนถึงทุกวันนี้ไม่สามารถทำได้หากไม่มีเหล็กหรือไม่มีโลหะผสมพิเศษที่มีเหล็ก

โดยธรรมชาติแล้ว ความสนใจอย่างมากได้จ่ายให้กับการศึกษาเกี่ยวกับเหล็กและคุณสมบัติทางแม่เหล็กของมันตั้งแต่เริ่มต้นของวิศวกรรมไฟฟ้าจริงอยู่ที่การคำนวณทางวิทยาศาสตร์อย่างเคร่งครัดในพื้นที่นี้เป็นไปได้หลังจากการศึกษาของนักวิทยาศาสตร์ชาวรัสเซีย Alexander Grigorievich Stoletov ซึ่งดำเนินการในปี พ.ศ. 2415 เขาค้นพบว่าการซึมผ่านของแม่เหล็กของเหล็กแต่ละชิ้นนั้นไม่คงที่ เธอกำลังเปลี่ยนไป สำหรับระดับความดึงดูดของชิ้นนี้.

วิธีการทดสอบคุณสมบัติทางแม่เหล็กของเหล็กที่เสนอโดย Stoletov นั้นมีค่ามากและถูกใช้โดยนักวิทยาศาสตร์และวิศวกรในยุคของเรา การศึกษาธรรมชาติของปรากฏการณ์แม่เหล็กอย่างลึกซึ้งยิ่งขึ้นเป็นไปได้หลังจากการพัฒนาทฤษฎีโครงสร้างของสสารเท่านั้น

ความเข้าใจสมัยใหม่ของแม่เหล็ก

ตอนนี้เรารู้แล้วว่าธาตุเคมีทุกตัว ประกอบด้วยอะตอม — อนุภาคเชิงซ้อนขนาดเล็กผิดปกติ ที่ใจกลางของอะตอมคือนิวเคลียสที่มีประจุไฟฟ้าเป็นบวก อิเลคตรอนซึ่งเป็นอนุภาคที่มีประจุไฟฟ้าลบจะโคจรรอบมัน จำนวนอิเล็กตรอนไม่เท่ากันสำหรับอะตอมของธาตุเคมีต่างๆ ตัวอย่างเช่น อะตอมของไฮโดรเจนมีอิเล็กตรอนเพียงตัวเดียวที่โคจรรอบนิวเคลียส ในขณะที่อะตอมของยูเรเนียมมีเก้าสิบสอง

จากการเฝ้าสังเกตปรากฏการณ์ทางไฟฟ้าต่างๆ อย่างรอบคอบ นักวิทยาศาสตร์ได้ข้อสรุปว่ากระแสไฟฟ้าในเส้นลวดนั้นไม่มีอะไรมากไปกว่าการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน ตอนนี้จำไว้ว่าสนามแม่เหล็กมักจะเกิดขึ้นรอบเส้นลวดที่มีกระแสไฟฟ้าไหล นั่นคืออิเล็กตรอนเคลื่อนที่

ตามนั้นสนามแม่เหล็กจะปรากฏขึ้นเสมอในที่ที่มีการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน หรืออีกนัยหนึ่ง การมีอยู่ของสนามแม่เหล็กเป็นผลมาจากการเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอน

คำถามเกิดขึ้น: ในสสารใด ๆ อิเล็กตรอนจะหมุนรอบนิวเคลียสของอะตอมอย่างต่อเนื่อง ทำไมในกรณีนี้แต่ละสสารจึงไม่สร้างสนามแม่เหล็กรอบตัวเอง

วิทยาศาสตร์สมัยใหม่ให้คำตอบต่อไปนี้ อิเล็กตรอนแต่ละตัวมีมากกว่าประจุไฟฟ้า นอกจากนี้ยังมีคุณสมบัติของแม่เหล็กซึ่งเป็นแม่เหล็กองค์ประกอบขนาดเล็ก ดังนั้น สนามแม่เหล็กที่สร้างขึ้นโดยอิเล็กตรอนขณะเคลื่อนที่รอบนิวเคลียสจึงถูกเพิ่มเข้าไปในสนามแม่เหล็กของพวกมันเอง

ในกรณีนี้สนามแม่เหล็กของอะตอมส่วนใหญ่ที่พับได้จะถูกทำลายและถูกดูดซับอย่างสมบูรณ์ และในอะตอมเพียงไม่กี่อะตอม—เหล็ก นิกเกิล โคบอลต์ และในระดับที่น้อยกว่ามากในอะตอมอื่นๆ—สนามแม่เหล็กกลายเป็นไม่สมดุล และอะตอมก็เป็นแม่เหล็กขนาดเล็ก สารเหล่านี้เรียกว่า แม่เหล็กไฟฟ้า ("Ferrum" หมายถึงเหล็ก)

หากอะตอมของสารเฟอร์โรแมกเนติกถูกจัดเรียงแบบสุ่ม สนามแม่เหล็กของอะตอมต่างๆ ที่พุ่งไปในทิศทางต่างๆ จะหักล้างกันเองในที่สุด แต่ถ้าคุณหมุนมันเพื่อให้สนามแม่เหล็กเพิ่มขึ้น และนั่นคือสิ่งที่เราทำในการทำให้เป็นแม่เหล็ก สนามแม่เหล็กจะไม่ตัดกันอีกต่อไป แต่จะรวมกัน

ร่างกายทั้งหมด (ชิ้นส่วนของเหล็ก) จะสร้างสนามแม่เหล็กรอบตัวมันจะกลายเป็นแม่เหล็ก ในทำนองเดียวกัน เมื่ออิเล็กตรอนเคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียว เช่น เกิดขึ้นกับกระแสไฟฟ้าในเส้นลวด สนามแม่เหล็กของอิเล็กตรอนแต่ละตัวจะเพิ่มเข้าไปในสนามแม่เหล็กทั้งหมด

ในทางกลับกัน อิเล็กตรอนที่ถูกขังอยู่ในสนามแม่เหล็กภายนอกจะถูกสัมผัสกับสนามแม่เหล็กหลังเสมอ สิ่งนี้ทำให้การเคลื่อนที่ของอิเล็กตรอนถูกควบคุมโดยใช้สนามแม่เหล็ก

ทั้งหมดข้างต้นเป็นเพียงโครงร่างโดยประมาณและเรียบง่ายมาก ในความเป็นจริงแล้วปรากฏการณ์ของอะตอมที่เกิดขึ้นในเส้นลวดและวัสดุแม่เหล็กนั้นซับซ้อนกว่านั้น

วิทยาศาสตร์ของแม่เหล็กและปรากฏการณ์แม่เหล็ก - แม่เหล็กวิทยา - มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อวิศวกรรมไฟฟ้าสมัยใหม่การมีส่วนร่วมอย่างมากในการพัฒนาวิทยาศาสตร์นี้เกิดจากนักแม่เหล็กวิทยา Nikolay Sergeevich Akulov ผู้ค้นพบกฎสำคัญที่รู้จักกันทั่วโลกในชื่อ "กฎของ Akulov" กฎหมายนี้ทำให้สามารถกำหนดล่วงหน้าได้ว่าคุณสมบัติที่สำคัญของโลหะ เช่น การนำไฟฟ้า การนำความร้อน ฯลฯ เปลี่ยนแปลงไปอย่างไรในระหว่างการทำให้เป็นแม่เหล็ก

นักวิทยาศาสตร์หลายชั่วอายุคนได้ทำงานเพื่อเจาะความลึกลับของปรากฏการณ์ทางแม่เหล็กและนำปรากฏการณ์เหล่านี้มาให้บริการแก่มนุษยชาติ ปัจจุบัน แม่เหล็กและแม่เหล็กไฟฟ้าที่มีความหลากหลายมากที่สุดหลายล้านรายการทำงานเพื่อประโยชน์ของมนุษย์ในเครื่องจักรและอุปกรณ์ไฟฟ้าต่างๆ พวกเขาปลดปล่อยผู้คนจากการตรากตรำทำงานหนัก และบางครั้งพวกเขาก็เป็นคนรับใช้ที่ขาดไม่ได้

ตรวจสอบบทความอื่น ๆ ที่น่าสนใจและมีประโยชน์เกี่ยวกับแม่เหล็กและการใช้งาน:

แม่เหล็กและแม่เหล็กไฟฟ้า

ปรากฏการณ์ทางธรรมชาติของแม่เหล็ก

แม่เหล็กถาวร — ชนิด คุณสมบัติ ปฏิสัมพันธ์ของแม่เหล็ก

การใช้แม่เหล็กถาวรในงานวิศวกรรมไฟฟ้าและพลังงาน