Fenomena magnet dalam fisika - sejarah, contoh, dan fakta menarik
Magnet dan listrik
Aplikasi praktis pertama dari magnet adalah dalam bentuk sepotong baja magnet yang mengapung di atas sumbat air atau minyak. Dalam hal ini, salah satu ujung magnet selalu mengarah ke utara dan ujung lainnya ke selatan. Itu adalah kompas pertama yang digunakan oleh para pelaut.
Dahulu kala, beberapa abad sebelum zaman kita, orang tahu bahwa zat resin - amber, jika digosok dengan wol, untuk sementara menerima kemampuan untuk menarik benda-benda ringan: potongan kertas, potongan benang, bulu halus. Fenomena ini disebut listrik ("elektron" berarti "kuning" dalam bahasa Yunani). Belakangan diketahui bahwa listrik dengan gesekan tidak hanya amber, tetapi juga zat lain: kaca, tongkat lilin, dll.
Untuk waktu yang lama, orang tidak melihat hubungan antara dua fenomena alam yang tidak biasa - magnet dan listrik. Hanya tanda eksternal yang tampak umum — sifat menarik: magnet menarik besi, dan batang kaca digosok dengan potongan kertas wol.Benar, magnet bekerja terus-menerus dan objek yang dialiri listrik kehilangan propertinya setelah beberapa saat, tetapi keduanya "menarik".
Tapi sekarang, di penghujung abad ke-17, hal itu diperhatikan petir — sebuah fenomena listrik — pukulan di dekat benda baja dapat menariknya. Jadi, misalnya, begitu pisau baja yang tergeletak di dalam kotak kayu ternyata termagnetisasi dengan kejutan yang tak terlukiskan dari pemiliknya, setelah petir menyambar kotak itu dan memecahkannya.
Seiring waktu, semakin banyak kasus seperti itu yang diamati. Namun, hal ini tetap tidak memberikan alasan untuk berpikir bahwa ada hubungan yang kuat antara kelistrikan dan magnet. Koneksi semacam itu baru terbentuk sekitar 180 tahun yang lalu. Kemudian diamati bahwa jarum magnet kompas menyimpang segera setelah kawat diletakkan di dekatnya, di sepanjang itu arus listrik mengalir.
Hampir pada saat yang sama, para ilmuwan menemukan fenomena lain yang tidak kalah mencolok. Ternyata kawat yang dilalui arus listrik mampu menarik serutan besi kecil ke dirinya sendiri. Namun, ada baiknya menghentikan arus di kawat, karena serbuk gergaji segera hancur dan kawat kehilangan sifat magnetnya.
Akhirnya, sifat lain dari arus listrik ditemukan, yang akhirnya menegaskan hubungan antara listrik dan magnet. Ternyata jarum baja ditempatkan di tengah-tengah kumparan kawat yang dilalui arus listrik (disebut kumparan seperti itu solenoida) dimagnetisasi dengan cara yang sama seperti jika digosok dengan magnet alam.
Elektromagnet dan Kegunaannya
Dari pengalaman dengan jarum baja dan lahirlah elektromagnet… Dengan menempatkan batang besi lunak di tengah gulungan kawat alih-alih jarum, para ilmuwan yakin bahwa ketika arus melewati kumparan, besi memperoleh sifat magnet, dan ketika arus berhenti, ia kehilangan sifat ini . Pada saat yang sama, terlihat bahwa semakin banyak lilitan kawat di solenoida, semakin kuat elektromagnetnya.
Di bawah pengaruh magnet yang bergerak, arus listrik dihasilkan dalam kumparan kawat
Pada awalnya, elektromagnet bagi banyak orang hanyalah perangkat fisik yang lucu. Orang tidak menyangka bahwa dalam waktu dekat ini akan menemukan aplikasi terluas, berfungsi sebagai dasar untuk banyak perangkat dan mesin (lihat — Aplikasi praktis dari fenomena induksi elektromagnetik).
Prinsip pengoperasian relai elektromagnetik
Setelah diketahui bahwa arus listrik memberikan sifat magnetik kawat, para ilmuwan mengajukan pertanyaan: apakah ada hubungan terbalik antara listrik dan magnet? Misalnya, apakah magnet yang kuat ditempatkan di dalam gulungan kawat menyebabkan arus listrik mengalir melalui kumparan itu?
Nyatanya, jika arus listrik muncul di kabel di bawah pengaruh magnet stasioner, ini akan sangat kontradiktif hukum kekekalan energi… Menurut hukum ini, untuk memperoleh arus listrik, perlu mengeluarkan energi lain yang akan diubah menjadi energi listrik. Ketika arus listrik dihasilkan dengan bantuan magnet, energi yang dikeluarkan dalam pergerakan magnet diubah menjadi energi listrik.
Studi tentang fenomena magnetik
Kembali ke pertengahan Abad XIII, para pengamat yang penasaran memperhatikan bahwa jarum magnet kompas berinteraksi satu sama lain: ujung yang menunjuk ke arah yang sama saling tolak, dan ujung yang menunjuk ke arah yang berbeda menarik.
Fakta ini membantu para ilmuwan untuk menjelaskan aksi kompas. Diasumsikan bahwa bola dunia adalah magnet yang sangat besar, dan ujung jarum kompas dengan keras kepala berputar ke arah yang benar, karena ditolak oleh satu kutub magnet Bumi dan tertarik oleh yang lain. Asumsi ini ternyata benar.
Dalam studi tentang fenomena magnet, serbuk besi kecil, yang menempel pada magnet dengan gaya apa pun, sangat membantu. Pertama-tama, diketahui bahwa sebagian besar serbuk gergaji menempel pada dua tempat tertentu pada magnet atau, demikian sebutannya, kutub magnet. Ternyata setiap magnet selalu memiliki setidaknya dua kutub, salah satunya disebut utara (C) dan yang lainnya disebut selatan (S).
Serpihan besi menunjukkan letak garis-garis medan magnet di ruang sekitar magnet
Dalam magnet seperti batang, kutubnya paling sering terletak di ujung batang. Sebuah gambaran yang sangat jelas muncul di depan mata para pengamat ketika mereka berasumsi untuk memercikkan serbuk besi pada kaca atau kertas, di bawahnya terdapat magnet. Serutan ditempatkan rapat di kutub magnet. Kemudian, dalam bentuk garis-garis tipis—partikel besi yang diikat menjadi satu—membentang dari satu kutub ke kutub lainnya.
Studi lebih lanjut tentang fenomena magnet menunjukkan bahwa gaya magnet khusus bekerja di ruang sekitar magnet, atau, seperti yang mereka katakan, Medan gaya… Arah dan intensitas gaya magnet ditunjukkan oleh serbuk besi yang terletak di atas magnet.
Eksperimen dengan serbuk gergaji telah mengajarkan banyak hal. Misalnya, sepotong besi mendekati kutub magnet. Jika pada saat yang sama kertas tempat serbuk gergaji terguncang sedikit, pola serbuk gergaji mulai berubah. Garis magnet menjadi seolah-olah terlihat. Mereka berpindah dari kutub magnet ke potongan besi dan menjadi lebih tebal saat besi mendekati kutub. Pada saat yang sama, gaya magnet menarik potongan besi ke arahnya juga meningkat.
Di ujung batang besi elektromagnet manakah kutub utara terbentuk ketika arus melewati kumparan, dan di mana kutub selatan? Sangat mudah untuk menentukan arah arus listrik di koil. Arus (aliran muatan negatif) diketahui mengalir dari kutub negatif sumber ke kutub positif.
Mengetahui hal ini dan melihat kumparan elektromagnet, dapat dibayangkan ke arah mana arus akan mengalir pada putaran elektromagnet. Di ujung elektromagnet, di mana arus akan membuat gerakan melingkar searah jarum jam, kutub utara terbentuk, dan di ujung lain strip, di mana arus bergerak berlawanan arah jarum jam, kutub selatan. Jika Anda mengubah arah arus dalam kumparan elektromagnet, kutubnya juga akan berubah.
Lebih lanjut diamati bahwa magnet permanen dan elektromagnet menarik jauh lebih kuat jika tidak dalam bentuk batang lurus, tetapi ditekuk sehingga kutub yang berlawanan saling berdekatan.Dalam hal ini, bukan satu kutub yang menarik, tetapi dua, dan selain itu, garis gaya magnet kurang tersebar di ruang angkasa - garis tersebut terkonsentrasi di antara kutub.
Ketika benda besi yang tertarik melekat pada kedua kutub, magnet tapal kuda hampir berhenti menyebarkan garis gaya ke luar angkasa. Ini mudah dilihat dengan serbuk gergaji yang sama di atas kertas. Garis-garis gaya magnet, yang sebelumnya membentang dari satu kutub ke kutub lainnya, sekarang melewati benda besi yang tertarik, seolah-olah lebih mudah melewati besi daripada melalui udara.
Penelitian menunjukkan bahwa memang demikian adanya. Sebuah konsep baru telah muncul - permeabilitas magnetik, yang menunjukkan nilai yang menunjukkan berapa kali lebih mudah garis magnet melewati zat apa pun daripada melalui udara. Besi dan beberapa paduannya memiliki permeabilitas magnetik tertinggi. Ini menjelaskan mengapa, dari logam, besi paling tertarik pada magnet.
Logam lain, nikel, ditemukan memiliki permeabilitas magnetik yang lebih rendah. Dan kurang tertarik pada magnet. Zat tertentu lainnya telah ditemukan memiliki permeabilitas magnet yang lebih besar daripada udara dan karena itu tertarik pada magnet.
Tetapi sifat magnetik zat ini diekspresikan dengan sangat lemah. Oleh karena itu, semua perangkat dan mesin listrik, di mana elektromagnet bekerja dengan satu atau lain cara, hingga hari ini tidak dapat dilakukan tanpa besi atau tanpa paduan khusus yang termasuk besi.
Secara alami, banyak perhatian telah diberikan pada studi tentang besi dan sifat magnetnya hampir sejak awal teknik kelistrikan.Benar, perhitungan ilmiah yang ketat di bidang ini menjadi mungkin hanya setelah studi ilmuwan Rusia Alexander Grigorievich Stoletov, yang dilakukan pada tahun 1872. Dia menemukan bahwa permeabilitas magnetik dari setiap potongan besi tidak konstan. Dia berubah untuk tingkat magnetisasi bagian ini.
Metode pengujian sifat magnetik besi yang diusulkan oleh Stoletov sangat berharga dan digunakan oleh para ilmuwan dan insinyur di zaman kita. Studi yang lebih dalam tentang sifat fenomena magnetik menjadi mungkin hanya setelah pengembangan teori struktur materi.
Pemahaman modern tentang magnetisme
Kita sekarang tahu bahwa setiap unsur kimia terdiri dari atom - partikel kompleks yang luar biasa kecil. Di pusat atom terdapat inti yang bermuatan listrik positif. Elektron, partikel yang membawa muatan listrik negatif, berputar mengelilinginya. Jumlah elektron tidak sama untuk atom unsur kimia yang berbeda. Misalnya, atom hidrogen hanya memiliki satu elektron yang mengorbit intinya, sedangkan atom uranium memiliki sembilan puluh dua elektron.
Dengan mengamati dengan cermat berbagai fenomena kelistrikan, para ilmuwan sampai pada kesimpulan bahwa arus listrik dalam sebuah kabel tidak lebih dari pergerakan elektron. Sekarang ingatlah bahwa medan magnet selalu muncul di sekitar kawat tempat arus listrik mengalir, yaitu elektron yang bergerak.
Oleh karena itu, medan magnet selalu muncul di mana ada gerakan elektron, dengan kata lain, keberadaan medan magnet adalah konsekuensi dari gerakan elektron.
Timbul pertanyaan: dalam zat apa pun, elektron terus-menerus berputar di sekitar inti atomnya, mengapa dalam hal ini setiap zat tidak membentuk medan magnet di sekelilingnya?
Ilmu pengetahuan modern memberikan jawaban berikut untuk ini. Setiap elektron memiliki lebih dari sekedar muatan listrik. Ini juga memiliki sifat magnet, itu adalah magnet unsur kecil, sehingga medan magnet yang diciptakan oleh elektron saat mereka bergerak di sekitar nukleus ditambahkan ke medan magnetnya sendiri.
Dalam hal ini, medan magnet sebagian besar atom, terlipat, hancur total, terserap. Dan hanya dalam beberapa atom—besi, nikel, kobalt, dan sebagian kecil lainnya—medan magnet menjadi tidak seimbang, dan atom menjadi magnet kecil. Zat-zat ini disebut feromagnetik ("Ferrum" berarti besi).
Jika atom zat feromagnetik disusun secara acak, maka medan magnet dari atom yang berbeda yang diarahkan ke arah yang berbeda akhirnya saling meniadakan. Tetapi jika Anda memutarnya sehingga medan magnet bertambah—dan itulah yang kita lakukan dalam magnetisasi—medan magnet tidak akan lagi meniadakan, tetapi saling menjumlahkan.
Seluruh tubuh (sepotong besi) akan menciptakan medan magnet di sekelilingnya, itu akan menjadi magnet. Demikian pula, ketika elektron bergerak dalam satu arah, yang misalnya terjadi dengan arus listrik dalam kawat, medan magnet masing-masing elektron menambah medan magnet total.
Pada gilirannya, elektron yang terperangkap dalam medan magnet eksternal selalu terpapar pada yang terakhir. Ini memungkinkan pergerakan elektron dikendalikan menggunakan medan magnet.
Semua hal di atas hanyalah perkiraan dan skema yang sangat disederhanakan. Kenyataannya, fenomena atomik yang terjadi pada kabel dan material magnetik lebih kompleks.
Ilmu magnet dan fenomena magnet — magnetologi — sangat penting bagi teknik kelistrikan modern.Kontribusi besar untuk pengembangan ilmu ini dibuat oleh ahli magnet Nikolay Sergeevich Akulov, yang menemukan hukum penting yang dikenal di seluruh dunia sebagai "hukum Akulov". Hukum ini memungkinkan untuk menentukan terlebih dahulu bagaimana sifat-sifat penting logam seperti konduktivitas listrik, konduktivitas termal, dll., Berubah selama magnetisasi.
Generasi ilmuwan telah bekerja untuk menembus misteri fenomena magnetik dan menempatkan fenomena ini untuk melayani umat manusia. Saat ini, jutaan magnet dan elektromagnet yang paling beragam bekerja untuk kepentingan manusia di berbagai mesin dan perangkat listrik. Mereka membebaskan orang dari kerja fisik yang berat, dan terkadang mereka adalah pelayan yang sangat diperlukan.
Lihat artikel menarik dan bermanfaat lainnya tentang magnet dan aplikasinya:
Magnetisme dan Elektromagnetisme