Fenómenos magnéticos en física: historia, ejemplos y datos interesantes.

Magnetismo y electricidad

La primera aplicación práctica del imán fue en forma de una pieza de acero magnetizado flotando sobre un tapón en agua o aceite. En este caso, un extremo del imán siempre apunta al norte y el otro al sur. Fue la primera brújula utilizada por los marineros.

Hace mucho tiempo, varios siglos antes de nuestra era, la gente sabía que una sustancia resinosa, el ámbar, si se frotaba con lana, recibía durante un tiempo la capacidad de atraer objetos ligeros: trozos de papel, hilos, pelusa. Este fenómeno se llama eléctrico ("electrón" significa "ámbar" en griego). Más tarde se notó que electrificado por la fricción no solo puede ámbar, sino también otras sustancias: vidrio, barra de cera, etc.

Durante mucho tiempo, la gente no vio ninguna conexión entre dos fenómenos naturales inusuales: el magnetismo y la electricidad. Sólo un signo externo parecía ser común: la propiedad de atraer: un imán atrae el hierro y una barra de vidrio se frota con trozos de papel de lana.Es cierto que el imán actuó constantemente y el objeto electrificado pierde sus propiedades después de un tiempo, pero ambos se "atraen".

Pero ahora, a fines del siglo XVII, se notó que iluminación — un fenómeno eléctrico — golpear cerca de objetos de acero puede magnetizarlos. Así, por ejemplo, una vez que los cuchillos de acero que se encontraban en una caja de madera resultaron estar magnetizados para sorpresa indescriptible del propietario, después de que un rayo golpeó la caja y la rompió.

Con el tiempo, se observan cada vez más casos de este tipo. Sin embargo, esto todavía no da motivos para pensar que existe una fuerte conexión entre la electricidad y el magnetismo. Tal conexión se estableció hace solo unos 180 años. Se observó entonces que la aguja magnética de la brújula se desvía tan pronto como se coloca cerca de ella un alambre, a lo largo del cual fluye una corriente electrica.

Casi al mismo tiempo, los científicos descubrieron otro fenómeno no menos sorprendente. Resultó que el cable a través del cual fluye la corriente eléctrica puede atraer pequeñas virutas de hierro hacia sí. Sin embargo, valió la pena detener la corriente en el cable, porque el aserrín se desmoronó inmediatamente y el cable perdió sus propiedades magnéticas.

Finalmente, se descubrió otra propiedad de la corriente eléctrica, que finalmente confirmó la conexión entre la electricidad y el magnetismo. Resultó que una aguja de acero colocada en medio de una bobina de alambre a través de la cual fluye una corriente eléctrica (esta bobina se llama solenoide) se magnetiza de la misma manera que si se frotara con un imán natural.

Electroimanes y su uso.

De la experiencia con una aguja de acero y nació electroimán… Al colocar una barra de hierro dulce en el medio de la bobina de alambre en lugar de una aguja, los científicos se convencieron de que cuando pasa una corriente a través de la bobina, el hierro adquiere la propiedad de un imán, y cuando la corriente se detiene, pierde esta propiedad. . Al mismo tiempo, se notó que cuantas más vueltas de alambre en el solenoide, más fuerte es el electroimán.

Bajo la influencia de un imán en movimiento, se genera una corriente eléctrica en la bobina de alambre

Al principio, a muchos les pareció que el electroimán era solo un dispositivo físico divertido. La gente no sospechaba que en un futuro cercano encontraría la aplicación más amplia, serviría como base para muchos dispositivos y máquinas (ver — Aplicación práctica del fenómeno de la inducción electromagnética).

El principio de funcionamiento del relé electromagnético.

Después de que se estableció que una corriente eléctrica le da propiedades magnéticas a un cable, los científicos se hicieron la pregunta: ¿existe una relación inversa entre la electricidad y el magnetismo? Por ejemplo, ¿un imán fuerte colocado dentro de una bobina de alambre haría que una corriente eléctrica fluyera a través de esa bobina?

De hecho, si apareciera una corriente eléctrica en un cable bajo la acción de un imán estacionario, esto sería completamente contradictorio. ley de la conservación de la energía… Según esta ley, para obtener corriente eléctrica es necesario gastar otra energía que sería convertida en energía eléctrica. Cuando se produce una corriente eléctrica con la ayuda de un imán, la energía gastada en el movimiento del imán se convierte en energía eléctrica.

Estudio de fenómenos magnéticos

A mediados del siglo XIII, curiosos observadores notaron que las manecillas magnéticas de la brújula interactúan entre sí: los extremos que apuntan en la misma dirección se repelen y los que apuntan en una dirección diferente se atraen.

Este hecho ayudó a los científicos a explicar la acción de la brújula. Se supone que el globo es un gran imán y que los extremos de las agujas de la brújula giran obstinadamente en la dirección correcta, porque son repelidos por un polo magnético de la Tierra y atraídos por otro. Esta suposición resultó ser cierta.

En el estudio de los fenómenos magnéticos, pequeñas limaduras de hierro, adheridas a un imán de cualquier fuerza, han sido de gran ayuda. En primer lugar, se notó que la mayoría del aserrín se adhiere a dos lugares específicos del imán o, como se le llama, los polos del imán. Resultó que todo imán siempre tiene al menos dos polos, uno de los cuales pasó a llamarse norte (C) y el otro sur (S).

Las limaduras de hierro muestran la ubicación de las líneas del campo magnético en el espacio alrededor del imán.

En un imán en forma de barra, sus polos suelen estar ubicados en los extremos de la barra. Una imagen particularmente vívida apareció ante los ojos de los observadores cuando supusieron esparcir limaduras de hierro sobre vidrio o papel, debajo del cual yacía un imán. Las virutas están estrechamente espaciadas en los polos del imán. Luego, en forma de delgadas líneas —partículas de hierro unidas entre sí— se extendían de un polo al otro.

El estudio adicional de los fenómenos magnéticos mostró que las fuerzas magnéticas especiales actúan en el espacio alrededor del imán o, como se dice, campo magnético… La dirección y la intensidad de las fuerzas magnéticas están indicadas por las limaduras de hierro ubicadas sobre el imán.

Los experimentos con aserrín han enseñado mucho. Por ejemplo, un trozo de hierro se acerca al polo de un imán. Si al mismo tiempo se agita un poco el papel sobre el que se encuentra el aserrín, el patrón del aserrín comienza a cambiar. Las líneas magnéticas se vuelven como si fueran visibles. Pasan del polo del imán al trozo de hierro y se vuelven más gruesos a medida que el hierro se acerca al polo. Al mismo tiempo, también aumenta la fuerza con la que el imán atrae la pieza de hierro hacia sí mismo.

¿En qué extremo de la barra de hierro del electroimán se forma el polo norte cuando pasa una corriente a través de la bobina, y en cuál se forma el polo sur? Es fácil de determinar por la dirección de la corriente eléctrica en la bobina. Se sabe que la corriente (flujo de cargas negativas) fluye desde el polo negativo de la fuente hacia el positivo.

Sabiendo esto y mirando la bobina del electroimán, uno puede imaginar en qué dirección fluirá la corriente en las vueltas del electroimán. Al final del electroimán, donde la corriente hará un movimiento circular en el sentido de las agujas del reloj, se forma un polo norte, y en el otro extremo de la tira, donde la corriente se mueve en el sentido contrario a las agujas del reloj, se forma un polo sur. Si cambia la dirección de la corriente en la bobina del electroimán, sus polos también cambiarán.

Se observó además que tanto el imán permanente como el electroimán se atraen con mucha más fuerza si no tienen la forma de una barra recta, sino que están doblados de modo que sus polos opuestos estén muy juntos.En este caso, no se atrae un polo, sino dos, y además, las líneas de fuerza magnética están menos dispersas en el espacio, se concentran entre los polos.

Cuando el objeto de hierro atraído se adhiere a ambos polos, el imán de herradura casi deja de disipar líneas de fuerza en el espacio. Esto es fácil de ver con el mismo aserrín sobre el papel. Las líneas de fuerza magnéticas, que antes se extendían de un polo al otro, ahora atraviesan el objeto de hierro atraído, como si les fuera más fácil atravesar el hierro que el aire.

La investigación muestra que este es de hecho el caso. Ha surgido un nuevo concepto: permeabilidad magnética, que denota un valor que indica cuántas veces es más fácil que las líneas magnéticas atraviesen cualquier sustancia que el aire. El hierro y algunas de sus aleaciones tienen la mayor permeabilidad magnética. Esto explica por qué, de los metales, el hierro es el más atraído por un imán.

Se descubrió que otro metal, el níquel, tiene una permeabilidad magnética más baja. Y se siente menos atraído por un imán. Se ha encontrado que ciertas otras sustancias tienen una permeabilidad magnética mayor que el aire y, por lo tanto, son atraídas por los imanes.

Pero las propiedades magnéticas de estas sustancias se expresan muy débilmente. Por lo tanto, todos los dispositivos y máquinas eléctricas, en las que los electroimanes funcionan de una forma u otra, hasta el día de hoy no pueden prescindir del hierro o de las aleaciones especiales que incluyen hierro.

Naturalmente, se ha prestado mucha atención al estudio del hierro y sus propiedades magnéticas casi desde el comienzo de la ingeniería eléctrica.Es cierto que los cálculos estrictamente científicos en esta área solo fueron posibles después de los estudios del científico ruso Alexander Grigorievich Stoletov, realizados en 1872. Descubrió que la permeabilidad magnética de cada pieza de hierro no es constante. ella esta cambiando por el grado de magnetización de esta pieza.

El método de prueba de las propiedades magnéticas del hierro propuesto por Stoletov tiene un gran valor y es utilizado por científicos e ingenieros en nuestro tiempo. Un estudio más profundo de la naturaleza de los fenómenos magnéticos fue posible solo después del desarrollo de la teoría de la estructura de la materia.

La comprensión moderna del magnetismo.

Ahora sabemos que cada elemento químico está formado por átomos — partículas complejas inusualmente pequeñas. En el centro del átomo hay un núcleo cargado de electricidad positiva. Los electrones, partículas que llevan una carga eléctrica negativa, giran a su alrededor. El número de electrones no es el mismo para los átomos de diferentes elementos químicos. Por ejemplo, un átomo de hidrógeno tiene solo un electrón orbitando alrededor de su núcleo, mientras que un átomo de uranio tiene noventa y dos.

Al observar cuidadosamente varios fenómenos eléctricos, los científicos llegaron a la conclusión de que la corriente eléctrica en un cable no es más que el movimiento de electrones. Ahora recuerda que siempre surge un campo magnético alrededor de un alambre en el que fluye una corriente eléctrica, es decir, se mueven electrones.

De ello se deduce que siempre aparece un campo magnético donde hay movimiento de electrones, en otras palabras, la existencia de un campo magnético es consecuencia del movimiento de electrones.

Surge la pregunta: en cualquier sustancia, los electrones giran constantemente alrededor de sus núcleos atómicos, ¿por qué en este caso cada sustancia no forma un campo magnético alrededor de sí misma?

La ciencia moderna da la siguiente respuesta a esto. Cada electrón tiene algo más que una carga eléctrica. También tiene las propiedades de un imán, es un pequeño imán elemental, por lo que el campo magnético creado por los electrones al moverse alrededor del núcleo se suma a su propio campo magnético.

En este caso, los campos magnéticos de la mayoría de los átomos, al plegarse, se destruyen por completo, se absorben. Y sólo en unos pocos átomos —hierro, níquel, cobalto y en mucha menor medida en otros— los campos magnéticos resultan estar desequilibrados y los átomos son pequeños imanes. Estas sustancias se llaman ferromagnético ("Ferrum" significa hierro).

Si los átomos de las sustancias ferromagnéticas se organizan al azar, los campos magnéticos de diferentes átomos dirigidos en diferentes direcciones finalmente se cancelan entre sí. Pero si los gira para que los campos magnéticos se sumen, y eso es lo que hacemos en la magnetización, los campos magnéticos ya no se cancelarán, sino que se sumarán entre sí.

Todo el cuerpo (una pieza de hierro) creará un campo magnético a su alrededor, se convertirá en un imán. De manera similar, cuando los electrones se mueven en una dirección, lo que ocurre por ejemplo con una corriente eléctrica en un cable, el campo magnético de los electrones individuales se suma al campo magnético total.

A su vez, los electrones atrapados en un campo magnético externo siempre están expuestos a este último. Esto permite controlar el movimiento de los electrones mediante un campo magnético.

Todo lo anterior es solo un esquema aproximado y muy simplificado. En realidad, los fenómenos atómicos que ocurren en los cables y materiales magnéticos son más complejos.

La ciencia de los imanes y los fenómenos magnéticos, la magnetología, es muy importante para la ingeniería eléctrica moderna.El magnetólogo Nikolay Sergeevich Akulov hizo una gran contribución al desarrollo de esta ciencia, quien descubrió una ley importante conocida en todo el mundo como "ley de Akulov". Esta ley permite determinar de antemano cómo cambian durante la magnetización propiedades tan importantes de los metales como la conductividad eléctrica, la conductividad térmica, etc.

Generaciones de científicos han trabajado para penetrar en el misterio de los fenómenos magnéticos y poner estos fenómenos al servicio de la humanidad. Hoy en día, millones de los más diversos imanes y electroimanes trabajan en beneficio del hombre en diversas máquinas y aparatos eléctricos. Liberan a las personas del duro trabajo físico y, a veces, son sirvientes indispensables.

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