Magnetisme - Van Thales tot Maxwell

Duizend jaar vóór de eerste waarnemingen van elektrische fenomenen begon de mensheid zich al op te hopen kennis van magnetisme. En pas vierhonderd jaar geleden, toen de vorming van natuurkunde als wetenschap net begon, scheidden onderzoekers de magnetische eigenschappen van stoffen van hun elektrische eigenschappen, en pas daarna begonnen ze ze onafhankelijk te bestuderen. Dit legde de experimentele en theoretische basis, die tegen het midden van de 19e eeuw de basis werdtheorie van elektrische en magnetische fenomenen.

Het lijkt erop dat de ongebruikelijke eigenschappen van magnetisch ijzererts al in de Bronstijd in Mesopotamië bekend waren. En na het begin van de ontwikkeling van ijzermetallurgie merkten mensen dat het ijzerproducten aantrekt. De oude Griekse filosoof en wiskundige Thales uit de stad Milete (640−546 v.Chr.) Dacht ook na over de redenen voor deze attractie, hij schreef deze attractie toe aan de animatie van het mineraal.

Griekse denkers stelden zich voor hoe onzichtbare paren magnetiet en ijzer omhullen, hoe deze paren stoffen naar elkaar aantrekken. Het woord "De Magneet" het zou de naam van de stad Magnesia-u-Sipila in Klein-Azië kunnen gebeuren, in de buurt van welke magnetiet lag. Een van de legendes zegt dat de herder Magnis op de een of andere manier met zijn schapen naast de rots verscheen, die de ijzeren punt van zijn staf en laarzen naar zich toe trok.

In het oude Chinese traktaat "Spring and Autumn Records of Master Liu" (240 v.Chr.) Wordt de eigenschap van magnetiet genoemd om ijzer naar zich toe te trekken. Na honderd jaar merkten de Chinezen op dat magnetiet geen koper of keramiek aantrekt. In de 7-8e eeuw zagen ze dat een gemagnetiseerde ijzeren naald, die vrij hangt, zich naar de Noordster keert.

Dus tegen de tweede helft van de 11e eeuw begonnen er mariene kompassen te worden gemaakt in China, dat Europese zeilers slechts honderd jaar na de Chinezen beheersten. Toen ontdekten de Chinezen al het vermogen van een gemagnetiseerde naald om af te wijken in de richting van het oosten van het noorden, en ontdekten zo magnetische declinatie, voor de Europese zeelieden hierin, die pas in de 15e eeuw tot die conclusie kwamen.

In Europa was de eerste filosoof uit Frankrijk, Pierre de Maricourt, de eerste die de eigenschappen van natuurlijke magneten beschreef, die in 1269 in het leger van de Siciliaanse koning Karel van Anjou diende. Tijdens het beleg van een van de Italiaanse steden stuurde hij een vriend naar Picardië een document dat de geschiedenis van de wetenschap inging onder de naam 'Brief over een magneet', waar hij sprak over zijn experimenten met magnetisch ijzererts.

Marikur merkte op dat in elk stuk magnetiet twee gebieden zijn die ijzer bijzonder sterk aantrekken. Hij merkte in deze gelijkenis op de polen van de hemelbol, dus leende hij hun namen om gebieden van maximale magnetische kracht aan te duiden. Van daaruit begon de traditie de magneetpolen de zuidelijke en noordelijke magnetische polen te noemen.

Marikur schreef dat als je een stuk magnetiet in twee delen breekt, elke pool zijn eigen polen heeft.

Marikur verbond voor het eerst het effect van afstoting en aantrekking van magnetische polen met de interactie van tegenovergestelde (zuid en noord), of polen met dezelfde naam. Marikur wordt terecht beschouwd als de pionier van de Europese experimentele wetenschappelijke school, zijn aantekeningen over magnetisme werden in tientallen lijsten gereproduceerd en met de komst van drukwerk werden ze gepubliceerd in de vorm van een brochure. Ze werden tot de 17e eeuw door vele natuuronderzoekers geciteerd.

Met moeite kende Marikura ook de Engelse natuuronderzoeker, wetenschapper en arts William Hilbert goed. In 1600 publiceerde hij het werk On Magnet, Magnetic Bodies, and the Big Magnet - the Earth.In dit werk citeerde Hilbert alle informatie die op dat moment bekend was over de eigenschappen van natuurlijke magnetische materialen en gemagnetiseerd ijzer, en beschreef ook zijn eigen experimenten met een magnetische bal, waarin hij het model van aardmagnetisme reproduceerde.

In het bijzonder stelde hij experimenteel vast dat op beide polen van de "kleine aarde" de kompasnaald loodrecht op zijn oppervlak roteert, deze parallel aan de evenaar wordt geïnstalleerd en op middenbreedtegraden naar een tussenpositie wordt gedraaid. Op deze manier kon Hilbert de magnetische neiging simuleren, die al meer dan 50 jaar in Europa bekend was (in 1544 werd het beschreven door George Hartmann, een monteur uit Neurenberg).

Hilbert reproduceerde ook de geomagnetische declinatie, die hij niet toeschreef aan het perfect gladde oppervlak van de bal, maar op planetaire schaal verklaarde hij dit effect door aantrekkingskracht tussen de continenten. Hij ontdekte hoeveel heet ijzer zijn magnetische eigenschappen verliest en herstelt ze na afkoeling. Ten slotte was Hilbert de eerste die duidelijk onderscheid maakte tussen de aantrekking van een magneet en de aantrekking van barnsteen gewreven met wol, die hij elektrische kracht noemde. Het was een echt innovatief werk, gewaardeerd door zowel tijdgenoten als nakomelingen. Hilbert ontdekte dat de aarde terecht als een 'grote magneet' zou worden beschouwd.

Tot het begin van de 19e eeuw is de wetenschap van het magnetisme zeer weinig vooruitgegaan. In 1640 legde Benedetto Castelli, een student van Galileo, de aantrekkingskracht van magnetiet uit met de vele zeer kleine magnetische deeltjes waaruit het bestaat.

In 1778 merkte Sebald Brugmans, een inwoner van Holland, op hoe bismut en antimoon de polen van een magnetische naald afstoten, wat het eerste voorbeeld was van een fysiek fenomeen dat Faraday later zou noemen diamagnetisme.

Charles-Augustin Coulomb in 1785 bewees dat door nauwkeurige metingen op een torsiebalans de kracht van interactie van de magnetische polen met elkaar is omgekeerd evenredig met het kwadraat van de afstand tussen de polen - even exact als de interactiekracht van elektrische ladingen.

Sinds 1813 probeert de Deense natuurkundige Oersted ijverig de verbinding tussen elektriciteit en magnetisme experimenteel te leggen. De onderzoeker gebruikte kompassen als indicatoren, maar lange tijd kon hij het doel niet bereiken, omdat hij verwachtte dat de magnetische kracht parallel was aan de stroom, en de elektrische draad loodrecht op de kompasnaald geplaatst. De pijl reageerde niet op het optreden van stroom.

In het voorjaar van 1820, tijdens een van de lezingen, trok Oersted de draad evenwijdig aan de pijl en het is niet duidelijk wat hem tot dit idee leidde. En dus zwaaide de pijl. Om de een of andere reden stopte Oersted de experimenten enkele maanden, waarna hij terugkeerde naar hen en zich realiseerde dat 'het magnetische effect van de elektrische stroom wordt gericht langs de cirkels die deze stroom omringen'.

De conclusie was paradoxaal, omdat roterende krachten zich voorheen niet manifesteerden in de mechanica of elders in de fysica. Oersted schreef een artikel waarin hij zijn bevindingen schetste en zich nooit meer bezighield met elektromagnetisme.

In de herfst van hetzelfde jaar begon de Fransman Andre-Marie Ampère met experimenten. Eerst en vooral, na de resultaten en conclusies van Oersted te hebben herhaald en bevestigd, ontdekte hij begin oktober de aantrekking van geleiders als de stromen erin op dezelfde manier worden gericht, en afstoting als de stromen tegengesteld zijn.

Ampère bestudeerde ook de interactie tussen niet-parallelle geleiders met stroom, waarna hij het beschreef met een formule die later werd genoemd Wet van Ampere. De wetenschapper liet ook zien dat de opgerolde draden met stroom roteren onder invloed van een magnetisch veld, zoals gebeurt met de kompasnaald.

Ten slotte bracht hij de hypothese van moleculaire stromen naar voren, volgens welke binnen de gemagnetiseerde materialen continue microscopische cirkelvormige stromen parallel aan elkaar zijn, die de magnetische werking van de materialen veroorzaken.

Tegelijkertijd ontwikkelden Bio en Savard samen een wiskundige formule waarmee de intensiteit van het magnetische DC-veld kan worden berekend.

En dus, tegen het einde van 1821, maakte Michael Faraday, die al in Londen werkte, een apparaat waarin een stroomvoerende geleider rond een magneet draaide en een andere magneet rond een andere geleider.

Faraday suggereerde dat zowel de magneet als de draad zijn gehuld in concentrische krachtlijnen, die hun mechanische effect bepalen.

Na verloop van tijd raakte Faraday overtuigd van de fysieke realiteit van magnetische krachtlijnen. Tegen het einde van de jaren 1830 was de wetenschapper zich al duidelijk bewust van het feit dat de energie van zowel permanente magneten als stroomgeleiders was verdeeld in de ruimte rondom hen, die was gevuld met magnetische krachtlijnen. In augustus 1831 aan de onderzoeker is erin geslaagd magnetisme te krijgen om een ​​elektrische stroom te genereren.

Het apparaat bestond uit een ijzeren ring met twee tegenover elkaar liggende wikkelingen erop. De eerste wikkeling kon worden kortgesloten naar een elektrische batterij en de tweede werd verbonden met een geleider die boven de pijl van het magnetische kompas werd geplaatst. Toen een gelijkstroom door de draad van de eerste spoel vloeide, veranderde de pijl niet van positie, maar begon te schommelen op het moment dat hij uit- en weer aansloeg.

Faraday concludeerde dat op deze momenten in de draad van de tweede wikkeling elektrische impulsen waren geassocieerd met het verdwijnen of verschijnen van magnetische veldlijnen. Hij ontdekte dat de oorzaak van de opkomende elektromotorische kracht is een verandering in het magnetische veld.

In november 1857 schreef Faraday een brief aan Schotland aan professor Maxwell met het verzoek om een ​​wiskundige vorm te geven aan de kennis van elektromagnetisme. Maxwell heeft aan het verzoek voldaan. Het concept van elektromagnetisch veld vond in 1864 een plek in zijn memoires.

Maxwell introduceerde de term "veld" om te verwijzen naar het deel van de ruimte dat lichamen omgeeft en die zich in een magnetische of elektrische toestand bevinden, en hij benadrukte dat deze ruimte zelf leeg en gevuld kan zijn met absoluut elke soort materie, maar het veld zal nog steeds de plaats.

In 1873 publiceerde Maxwell The Treatise on Electricity and Magnetism, waar hij een stelsel vergelijkingen introduceerde waarin elektromagnetische fenomenen werden gecombineerd. Hij gaf ze de naam van de algemene vergelijkingen van het elektromagnetische veld en tot op de dag van vandaag worden ze de Maxwell-vergelijkingen genoemd. Volgens de theorie van Maxwell magnetisme is een speciaal soort interactie tussen elektrische stromen. Dit is de basis waarop alle theoretische en experimentele werken met betrekking tot magnetisme zijn gebouwd.

Lees ook over dit onderwerp:Inductoren en magnetische velden