Μαγνητισμός - Από Thales στο Maxwell

Χίλια χρόνια πριν από τις πρώτες παρατηρήσεις των ηλεκτρικών φαινομένων, η ανθρωπότητα έχει ήδη αρχίσει να συσσωρεύεται γνώση του μαγνητισμού. Και πριν από μόλις τέσσερα χρόνια, όταν ο σχηματισμός της φυσικής ως επιστήμης μόλις ξεκίνησε, οι ερευνητές διαχώρισαν τις μαγνητικές ιδιότητες των ουσιών από τις ηλεκτρικές τους ιδιότητες και μόλις άρχισαν να τις μελετούν ανεξάρτητα. Αυτό έθεσε τα πειραματικά και θεωρητικά θεμέλια, τα οποία έγιναν τα θεμέλια της εως τα μέσα του 19ου αιώναθεωρία των ηλεκτρικών και μαγνητικών φαινομένων.

Φαίνεται ότι οι ασυνήθιστες ιδιότητες του μαγνητικού σιδηρομεταλλεύματος ήταν γνωστές ήδη από την Εποχή του Χαλκού στη Μεσοποταμία. Και μετά την έναρξη της ανάπτυξης της μεταλλουργίας σιδήρου, οι άνθρωποι παρατήρησαν ότι προσελκύει προϊόντα σιδήρου. Ο αρχαίος Έλληνας φιλόσοφος και μαθηματικός Thales από την πόλη της Μιλήτου (640-546 π.Χ.) σκέφτηκε επίσης για τους λόγους αυτής της έλξης, απέδωσε αυτή την έλξη στην κίνηση του ορυκτού.

Οι Έλληνες στοχαστές φανταζόταν πως τα αόρατα ζευγάρια περιβάλλουν μαγνητίτη και σίδηρο, πώς αυτά τα ζεύγη προσελκύουν ουσίες μεταξύ τους. Η λέξη "Μαγνήτης" θα μπορούσε να συμβεί το όνομα της πόλης της Μαγνησίας-u-Sipila στη Μικρά Ασία, κοντά στο οποίο βρισκόταν ο μαγνητίτης. Ένας από τους θρύλους λέει ότι ο ποιμένας Magnis εμφανίστηκε κάπως με τα πρόβατά του δίπλα στον βράχο, ο οποίος τραβούσε το σιδερένιο άκρο του προσωπικού του και μπότες του.

Στην αρχαία κινεζική πραγματεία "Αρχεία της άνοιξης και του φθινοπώρου του μάρτυρα Liu" (240 π.Χ.), αναφέρεται η ιδιότητα του μαγνητίτη να προσελκύει σίδηρο στον εαυτό του. Μετά από εκατό χρόνια, οι Κινέζοι σημείωσαν ότι ο μαγνητίτης δεν προσελκύει χαλκό ή κεραμικά. Τον 7ο-8ο αιώνα, παρατήρησαν ότι μια μαγνητισμένη βελόνα σιδήρου, που ελευθερώνεται ελεύθερα, στρέφεται προς το Βόρειο Αστέρι.

Έτσι, μέχρι το δεύτερο μισό του 11ου αιώνα, η Κίνα άρχισε να κατασκευάζει θαλάσσιες πυξίδες, οι οποίες οι Ευρωπαίοι ναυτικοί απέκτησαν μόνο εκατό χρόνια μετά τους Κινέζους. Στη συνέχεια, οι Κινέζοι έχουν ήδη ανακαλύψει την ικανότητα μιας μαγνητισμένης βελόνας να αποκλίνει προς την κατεύθυνση ανατολικά του βορρά και έτσι ανακάλυψε μαγνητική κλίση, μπροστά από τους ευρωπαίους ναυτικούς, οι οποίοι κατέληξαν ακριβώς στο συμπέρασμα αυτό μόνο τον 15ο αιώνα.

Στην Ευρώπη, ο πρώτος που περιγράφει τις ιδιότητες των φυσικών μαγνητών ήταν ο φιλόσοφος από τη Γαλλία, Pierre de Maricourt, ο οποίος το 1269 υπηρετούσε στον στρατό του βασιλιά της Σικελίας Charles de Anjou. Κατά τη διάρκεια της πολιορκίας μιας από τις ιταλικές πόλεις, έστειλε έναν φίλο στην Πικαρδία ένα έγγραφο που κατέβηκε στην ιστορία της επιστήμης με το όνομα "Επιστολή για έναν μαγνήτη", όπου μίλησε για τα πειράματά του με μαγνητικό σιδηρομετάλλευμα.

Ο Marikur παρατήρησε ότι σε οποιοδήποτε κομμάτι μαγνητίτη υπάρχουν δύο περιοχές που προσελκύουν σίδηρο ιδιαίτερα έντονα. Παρατήρησε σε αυτή την ομοιότητα με τους πόλους της ουράνιας σφαίρας, έτσι δανείστηκε τα ονόματά τους για να δηλώσει τις περιοχές μέγιστης μαγνητικής δύναμης. Από εκεί η παράδοση άρχισε να ονομάζει τους πόλους των μαγνητών τους νότιους και βόρειους μαγνητικούς πόλους.

Ο Μάριξρ έγραψε ότι εάν σπάσετε οποιοδήποτε κομμάτι μαγνητίτη σε δύο μέρη, τότε κάθε πόλος θα έχει τους δικούς του πόλους.

Ο Marikur συνδέει για πρώτη φορά το αποτέλεσμα της απέλασης και της έλξης μαγνητικών πόλων με την αλληλεπίδραση των αντίθετων (νότια και βόρεια), ή πόλων με το ίδιο όνομα. Ο Marikur θεωρείται σωστά ο πρωτοπόρος της ευρωπαϊκής πειραματικής επιστημονικής σχολής, οι σημειώσεις του για το μαγνητισμό αναπαράχθηκαν σε δεκάδες λίστες και με την εμφάνιση της εκτύπωσης δημοσιεύθηκαν με τη μορφή φυλλαδίου. Αναφέρθηκαν από πολλούς φυσιοδίφες μέχρι τον 17ο αιώνα.

Με δυσκολία, η Marikura ήταν επίσης εξοικειωμένη με τον αγγλικό φυσιοδίφη, επιστήμονα και γιατρό William Hilbert. Το 1600, δημοσίευσε το έργο "Σε μαγνήτη, μαγνητικά σώματα και μεγάλο μαγνήτη - τη Γη".Σε αυτό το έργο, ο Hilbert ανέφερε όλες τις πληροφορίες που ήταν γνωστές εκείνη την εποχή σχετικά με τις ιδιότητες των φυσικών μαγνητικών υλικών και του μαγνητισμένου σιδήρου και περιγράφει επίσης τα πειράματά του με μια μαγνητική σφαίρα, στην οποία αναπαράγει το μοντέλο του επίγειου μαγνητισμού.

Ειδικότερα, πειραματικά αποδείχθηκε ότι σε αμφότερους τους πόλους της "μικρής γης" η βελόνα της πυξίδας περιστρέφεται κάθετα στην επιφάνεια της, εγκαθίσταται στον ισημερινό παράλληλα και στα μέσα γεωγραφικά πλάτη περιστρέφεται σε μια ενδιάμεση θέση. Με αυτόν τον τρόπο, ο Hilbert μπόρεσε να προσομοιώσει τη μαγνητική κλίση, η οποία ήταν γνωστή στην Ευρώπη για περισσότερο από 50 χρόνια (το 1544 περιγράφηκε από τον George Hartmann, μηχανικό από τη Νυρεμβέργη).

Ο Χίλμπερτ ανέπτυξε επίσης τη γεωμεγνητική κλίση, την οποία απέδωσε όχι στην απόλυτα ομαλή επιφάνεια της σφαίρας, αλλά σε πλανητική κλίμακα εξήγησε αυτό το αποτέλεσμα με έλξη ανάμεσα στις ηπείρους. Ανακάλυψε πόσο έντονα θερμαίνεται ο σίδηρος χάνει τις μαγνητικές του ιδιότητες και, όταν κρυώσει, τις αποκαθιστά. Τέλος, ο Hilbert ήταν ο πρώτος που διακρίνει σαφώς την έλξη ενός μαγνήτη από την έλξη του κεχριμπαριού που τρίβεται με μαλλί, την οποία ονομάζεται ηλεκτρική δύναμη. Ήταν ένα πραγματικά καινοτόμο έργο, που εκτιμήθηκε τόσο από τους συγχρόνους όσο και από τους απογόνους. Ο Χίλμπερτ ανακάλυψε ότι η Γη θα θεωρείται σωστά ως «μεγάλος μαγνήτης».

Μέχρι τις αρχές του 19ου αιώνα, η επιστήμη του μαγνητισμού προχώρησε πολύ λίγο. Το 1640, ο Benedetto Castelli, φοιτητής του Galileo, εξήγησε την έλξη μαγνητίτη με τα πολλά πολύ μικρά μαγνητικά σωματίδια που το συνθέτουν.

Το 1778, ο Sebald Brugmans, ένας ντόπιος της Ολλανδίας, παρατήρησε πως το βισμούθιο και το αντιμόνιο απωθούν τους πόλους μιας μαγνητικής βελόνας, το οποίο ήταν το πρώτο παράδειγμα ενός φυσικού φαινομένου το οποίο ο Faraday αργότερα θα καλέσει διαμαγνητισμό.

Ο Charles-Augustin Coulomb το 1785, με ακριβείς μετρήσεις σε ισορροπία στρέψης, το απέδειξε η δύναμη της αλληλεπίδρασης των μαγνητικών πόλων μεταξύ τους είναι αντιστρόφως ανάλογη προς το τετράγωνο της απόστασης μεταξύ των πόλων - ακριβώς όπως η δύναμη της αλληλεπίδρασης των ηλεκτρικών φορτίων.

Από το 1813, ο Δανός φυσικός Oersted προσπάθησε επιμελώς να δημιουργήσει πειραματικά τη σύνδεση μεταξύ ηλεκτρισμού και μαγνητισμού. Ο ερευνητής χρησιμοποίησε τις πυξίδες ως δείκτες, αλλά για μεγάλο χρονικό διάστημα δεν κατάφερε να επιτύχει το στόχο, επειδή περίμενε ότι η μαγνητική δύναμη ήταν παράλληλη με το ρεύμα και τοποθετούσε το ηλεκτρικό καλώδιο σε ορθή γωνία με τη βελόνα της πυξίδας. Το βέλος δεν αντέδρασε στην εμφάνιση ρεύματος.

Την άνοιξη του 1820, κατά τη διάρκεια μιας από τις διαλέξεις, ο Oersted τράβηξε το σύρμα παράλληλα με το βέλος και δεν είναι ξεκάθαρο τι τον οδήγησε σε αυτή την ιδέα. Και έτσι το βέλος γύρισε. Oersted για κάποιο λόγο σταμάτησε τα πειράματα για αρκετούς μήνες, μετά την οποία επέστρεψε σε αυτούς και συνειδητοποίησε ότι "το μαγνητικό αποτέλεσμα του ηλεκτρικού ρεύματος κατευθύνεται κατά μήκος των κύκλων που περιβάλλουν αυτό το ρεύμα."

Το συμπέρασμα ήταν παράδοξο, γιατί πριν, οι περιστρεφόμενες δυνάμεις δεν εκδηλώνονταν ούτε στη μηχανική ούτε αλλού στη φυσική. Ο Oersted έγραψε ένα άρθρο όπου περιέγραψε τα ευρήματά του και ποτέ δεν ασχολήθηκε με τον ηλεκτρομαγνητισμό.

Το φθινόπωρο του ίδιου χρόνου, ο Γάλλος Andre-Marie Ampère άρχισε πειράματα. Πρώτα απ 'όλα, έχοντας επαναλάβει και επιβεβαιώσει τα αποτελέσματα και τα συμπεράσματα του Oersted, στις αρχές Οκτωβρίου ανακάλυψε την έλξη των αγωγών εάν τα ρεύματα σ' αυτά κατευθύνονται με τον ίδιο τρόπο και την απόρριψη αν τα ρεύματα είναι αντίθετα.

Ο Ampère μελέτησε επίσης την αλληλεπίδραση μεταξύ μη παράλληλων αγωγών με ρεύμα, μετά τον περιέγραψε με ένα τύπο που ονομάζεται αργότερα Νόμο του Αμπερέ. Ο επιστήμονας έδειξε επίσης ότι τα σπειροειδή σύρματα με ρεύμα περιστρέφονται υπό την επίδραση ενός μαγνητικού πεδίου, όπως συμβαίνει με τη βελόνα της πυξίδας.

Τέλος, πρότεινε την υπόθεση των μοριακών ρευμάτων, σύμφωνα με την οποία μέσα στα μαγνητισμένα υλικά υπάρχουν συνεχή μικροσκοπικά κυκλικά ρεύματα παράλληλα μεταξύ τους, τα οποία προκαλούν τη μαγνητική δράση των υλικών.

Ταυτόχρονα, οι Bio και Savard ανέπτυξαν από κοινού έναν μαθηματικό τύπο που επιτρέπει τον υπολογισμό της έντασης του DC μαγνητικού πεδίου.

Έτσι, μέχρι το τέλος του 1821, ο Michael Faraday, που ήδη εργάζεται στο Λονδίνο, έκανε μια συσκευή στην οποία ένας αγωγός ρεύματος περιστράφηκε γύρω από έναν μαγνήτη και ένας άλλος μαγνήτης περιστράφηκε γύρω από έναν άλλο αγωγό.

Ο Faraday πρότεινε ότι τόσο ο μαγνήτης όσο και το καλώδιο περιβάλλουν με ομόκεντρες γραμμές δύναμης, οι οποίες καθορίζουν το μηχανικό τους αποτέλεσμα.

Με τον καιρό, ο Faraday έγινε πεπεισμένος για τη φυσική πραγματικότητα των μαγνητικών γραμμών δύναμης. Μέχρι τα τέλη της δεκαετίας του 1830, ο επιστήμονας είχε ήδη ξεκαθαρίσει σαφώς ότι η ενέργεια τόσο των μόνιμων μαγνητών όσο και των αγωγών ρεύματος διανεμήθηκε στον χώρο που περιβάλλει τους, ο οποίος ήταν γεμάτος με μαγνητικές γραμμές δύναμης. Τον Αύγουστο του 1831 στον ερευνητή κατάφερε να πάρει μαγνητισμό για να δημιουργήσει ηλεκτρικό ρεύμα.

Η συσκευή αποτελείται από ένα σιδερένιο δακτύλιο με δύο απέναντι περιελίξεις που βρίσκονται πάνω σε αυτό. Η πρώτη περιέλιξη μπορούσε να βραχυκυκλωθεί σε μια ηλεκτρική μπαταρία και η δεύτερη να συνδεθεί με έναν αγωγό τοποθετημένο πάνω από το βέλος της μαγνητικής πυξίδας. Όταν ένα συνεχές ρεύμα ρέει μέσω του σύρματος του πρώτου πηνίου, το βέλος δεν άλλαξε τη θέση του, αλλά άρχισε να ταλαντεύεται στις στιγμές απενεργοποίησης και ενεργοποίησης.

Ο Faraday κατέληξε στο συμπέρασμα ότι σε αυτές τις στιγμές στο σύρμα του δεύτερου τυλίγματος υπήρχαν ηλεκτρικές παρορμήσεις που συνδέονται με την εξαφάνιση ή την εμφάνιση γραμμών μαγνητικού πεδίου. Έκανε την ανακάλυψη αυτή η αιτία της αναδυόμενης ηλεκτροκινητικής δύναμης είναι μια αλλαγή στο μαγνητικό πεδίο.

Τον Νοέμβριο του 1857, ο Faraday έγραψε επιστολή στη Σκωτία στον Καθηγητή Maxwell με αίτημα να δώσει μια μαθηματική μορφή στη γνώση του ηλεκτρομαγνητισμού. Ο Maxwell εκπλήρωσε το αίτημα. Η έννοια του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου βρήκε μια θέση το 1864 στα απομνημονεύματά του.

Ο Maxwell εισήγαγε τον όρο "πεδίο" για να αναφερθεί στο τμήμα του χώρου που περιβάλλει και περιέχει σωματίδια που είναι σε μαγνητική ή ηλεκτρική κατάσταση και υπογράμμισε ότι ο ίδιος ο χώρος μπορεί να είναι άδειος και γεμάτος απολύτως κάθε είδους ύλη, αλλά το πεδίο θα εξακολουθεί να έχει τον τόπο.

Το 1873, ο Maxwell δημοσίευσε το The Treatise on Electricity and Magnetism, όπου εισήγαγε ένα σύστημα εξισώσεων που συνδυάζει ηλεκτρομαγνητικά φαινόμενα. Τους έδωσε το όνομα των γενικών εξισώσεων του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου και μέχρι σήμερα ονομάζονται εξισώσεις Maxwell. Σύμφωνα με τη θεωρία του Maxwell ο μαγνητισμός είναι ένα ιδιαίτερο είδος αλληλεπίδρασης μεταξύ των ηλεκτρικών ρευμάτων. Αυτό είναι το θεμέλιο πάνω στο οποίο κατασκευάζονται όλα τα θεωρητικά και πειραματικά έργα που σχετίζονται με τον μαγνητισμό.

Διαβάστε επίσης σε αυτό το θέμα:Επαγωγείς και μαγνητικά πεδία