מגנטיות - מתאלס למקסוול

אלף שנה לפני התצפיות הראשונות על תופעות חשמל, האנושות כבר החלה להצטבר ידיעת מגנטיות. ורק לפני ארבע מאות שנה, כאשר היווצרות הפיזיקה כמדע רק התחילה, החוקרים הפרידו בין התכונות המגנטיות של חומרים לתכונות החשמליות שלהם, ורק לאחר מכן החלו ללמוד אותם באופן עצמאי. זה הניח את הבסיס הניסיוני והתיאורטי, שהפך לבסיס של e באמצע המאה ה -19תיאוריה של תופעות חשמליות ומגנטיות.

נראה כי המאפיינים הלא שגרתיים של עפרות ברזל מגנטיות היו ידועים עוד בתקופת הברונזה במסופוטמיה. ואחרי תחילת ההתפתחות של מתכות ברזל, אנשים שמו לב שהוא מושך אליו מוצרי ברזל. הפילוסוף והמתמטיקאי היווני הקדום תאלס מהעיר מילטוס (640-546 לפני הספירה) חשב גם על הסיבות לאטרקציה זו, הוא ייחס משיכה זו לאנימציה של המינרל.

הוגים יוונים דמיינו כיצד זוגות בלתי נראים עוטפים מגנטיט וברזל, כיצד זוגות אלו מושכים חומרים זה לזה. המילה "מגנט" זה יכול לקרות את שמה של העיר מגנזיה-או-סיפילה באסיה הקטנה, בסמוך לה שכב המגנטיט. אחת האגדות מספרת שהרועה מגניס איכשהו הופיע עם הכבשים שלו ליד הסלע, שמשך אליו את קצה הברזל של מטהו ומגפיו.

בחיבור הסיני העתיק "רשומות האביב והסתיו של המאסטר ליו" (240 לפני הספירה) מוזכר רכושו של המגנטיט למשוך לעצמו ברזל. לאחר מאה שנה ציינו הסינים כי המגנטיט אינו מושך נחושת או קרמיקה. במאות 7-8 הם הבחינו כי מחט ברזל ממוגנטת, התלויה בחופשיות, פונה לכיוון הכוכב הצפוני.

אז, במחצית השנייה של המאה ה -11, סין החלה לייצר מצפנים ימיים, שמלחים אירופיים שלטו בהם רק מאה שנה אחרי הסינים. ואז הסינים כבר גילו את היכולת של מחט ממוגנטת לסטות לכיוון מזרח לצפון, וכך גילו נטייה מגנטית, לפני המלחים האירופים בזה, שהגיעו בדיוק למסקנה זו רק במאה ה -15.

באירופה, הראשון שתיאר את תכונותיהם של מגנטים טבעיים היה הפילוסוף מצרפת, פייר דה מאריקורט, שבשנת 1269 שירת בצבאו של המלך הסיציליאני צ'ארלס מאנג'ו. במהלך המצור על אחת הערים האיטלקיות, הוא שלח חבר לפיקארדי מסמך שירד בתולדות המדע תחת השם "מכתב על מגנט", שם דיבר על הניסויים שלו עם עפרות ברזל מגנטיות.

מריקור ציין כי בכל פיסת מגנטיט ישנם שני אזורים המושכים ברזל חזק במיוחד. הוא הבחין בדמיון זה לקטבים של הכדור השמימי, אז הוא שאל את שמם כדי לציין את אזורי הכוח המגנטי המרבי. משם החלה המסורת לקרוא לקטבי המגנטים הקטבים המגנטיים הדרומיים והצפוניים.

מריקור כתב שאם תפרק חתיכת מגנטיט לשני חלקים, אז לכל עמוד יהיו קטבים משלו.

מריקור קשר לראשונה את השפעת הדחייה והמשיכה של קטבים מגנטיים לאינטראקציה של הפוכים (דרום וצפון), או קטבים בעלי שם זהה. מריקור נחשב בצדק לחלוץ בית הספר המדעי הניסוי האירופי, רשימותיו על מגנטיות הופקו בעשרות רשימות, ועם כניסת הדפוס, הן פורסמו בצורה של עלון. הם צוטטו על ידי אנשי טבע רבים עד המאה ה -17.

בקושי, מריקורה הכיר היטב את הטבע הטבעי, המדען והרופא האנגלי וויליאם הילברט. בשנת 1600 הוא פרסם את היצירה "על מגנט, גופים מגנטיים ומגנט גדול - כדור הארץ."בעבודה זו ציטט הילברט את כל המידע שהיה ידוע באותה תקופה על תכונותיהם של חומרים מגנטיים טבעיים וברזל ממוגנט, וכן תיאר את הניסויים שלו בכדור מגנטי, בו העתיק את המודל של מגנטיות יבשתית.

בפרט, הוא קבע באופן ניסיוני כי בשני הקטבים של "האדמה הקטנה" מחט המצפן מסתובבת בניצב לפני השטח שלה, היא מותקנת בקו המשווה במקביל, ובקווי הרוחב האמצעיים היא מסובבת למצב ביניים. בדרך זו הצליח הילברט לדמות את הנטייה המגנטית, שהייתה ידועה באירופה במשך למעלה מ 50 שנה (בשנת 1544 תואר אותה על ידי ג'ורג 'הרטמן, מכונאי מנירנברג).

הילברט שיחזר גם את הנטייה הגאומגנטית, אותה ייחס לא למשטח הכדור החלק החלק לחלוטין, אך בקנה מידה פלנטרי הוא הסביר את האפקט הזה על ידי משיכה בין היבשות. הוא גילה עד כמה ברזל מחומם מאוד מאבד את תכונותיו המגנטיות, וכשמקרר אותו משחזר אותם. לבסוף, הילברט היה הראשון שהבחין בבירור בין משיכה של מגנט לבין משיכה של ענבר שפשוף בצמר, אותו כינה כוח חשמלי. זו הייתה יצירה חדשנית באמת, המוערכת על ידי בני דורם וגם צאצאים. הילברט גילה שכדור הארץ ייחשב בצדק כ"מגנט גדול ".

עד לתחילת המאה ה -19, מדע המגנטיות התקדם מעט מאוד. בשנת 1640 הסביר בנדטו קסטלי, תלמידו של גלילאו, את משיכתו של המגנטיט עם החלקיקים המגנטיים הקטנים והגדולים המרכיבים אותו.

בשנת 1778 הבחין סבלד ברוגמן, יליד הולנד, כיצד ביסמוט ואנטימיה דוחים את מוטות המחט המגנטית, שהייתה הדוגמה הראשונה לתופעה פיזית שפרדעיי מכנה בהמשך. diamagnetism.

שארל-אוגוסטין קולומב בשנת 1785, באמצעות מדידות מדויקות על איזון הפיתול, הוכיח זאת כוח האינטראקציה של הקטבים המגנטיים זה עם זה הוא ביחס הפוך לריבוע המרחק בין הקטבים - בדיוק כמו כוח האינטראקציה של מטענים חשמליים.

מאז 1813 מנסה הפיזיקאי הדני אורסטד בשקדנות לבסס בניסוי את הקשר בין חשמל למגנטיות. החוקר השתמש במצפנים כאינדיקטורים, אך במשך תקופה ארוכה הוא לא הצליח להגיע למטרה, מכיוון שהוא ציפה שהכוח המגנטי מקביל לזרם, והציב את החוט החשמלי בזווית ישרה למחט המצפן. החץ לא הגיב להתרחשות הזרם.

באביב 1820, במהלך אחת ההרצאות, משך אורסטד את החוט במקביל לחץ, ולא ברור מה הוביל אותו לרעיון זה. וכך התנופה החץ. אוסטרד מסיבה כלשהי הפסיק את הניסויים במשך מספר חודשים, לאחר מכן הוא חזר אליהם והבין כי "ההשפעה המגנטית של הזרם החשמלי מכוונת לאורך המעגלים המקיפים זרם זה."

המסקנה הייתה פרדוקסלית, מכיוון שלפני כן, כוחות מסתובבים לא באו לידי ביטוי לא במכניקה ולא במקומות אחרים בפיזיקה. אורסטד כתב מאמר בו התווה את ממצאיו, ומעולם לא עסק יותר באלקטרומגנטיות.

בסתיו של אותה השנה החל הצרפתי אנדרה-מארי אמפר בניסויים. בראש ובראשונה, לאחר שחזר ואישר את תוצאותיו ומסקנותיו של אורסטד, בתחילת אוקטובר גילה את משיכתם של המוליכים אם הזרמים בהם מכוונים באותה צורה, ודחייה אם הזרמים מנוגדים.

אמפר בחן גם את האינטראקציה בין מוליכים לא מקבילים עם זרם, ואחריו תיאר זאת עם נוסחה הנקראת מאוחר יותר החוק של אמפר. המדען הראה גם כי החוטים הסלולים עם זרם מסתובבים תחת השפעת שדה מגנטי, כפי שקורה עם מחט המצפן.

לבסוף, הוא הציג את ההשערה של זרמים מולקולריים, שלפיהם בתוך החומרים הממוגנטים יש זרמים מעגליים מיקרוסקופיים רציפים המקבילים זה לזה, הגורמים לפעולה המגנטית של החומרים.

במקביל, ביו וסאבארד פיתחו יחד נוסחה מתמטית המאפשרת לחשב את עוצמת השדה המגנטי DC.

וכך, בסוף שנת 1821, מייקל פאראדיי, שכבר עבד בלונדון, יצר מכשיר בו מוליך שנשא זרם הסתובב סביב מגנט, ומגנט אחר הסתובב סביב מוליך אחר.

פאראדיי הציע כי גם המגנט וגם החוט אפופים בקווי כוח קונצנטריים הקובעים את השפעתם המכנית.

עם הזמן השתכנע פאראדיי במציאות הפיזית של קווי כוח מגנטיים. בסוף שנות ה -30 של המאה ה -19, המדען כבר היה מודע בבירור לכך שהאנרגיה של מגנטים קבועים ומוליכי זרם הופצה בחלל הסובב אותם, שהיה מלא בקווי כוח מגנטיים. באוגוסט 1831 לחוקר הצליח להשיג מגנטיות ליצירת זרם חשמלי.

המכשיר כלל טבעת ברזל עם שני פיתולים מנוגדים ממוקמים עליו. ניתן לקצר את הפיתול הראשון לסוללה חשמלית, והשני היה מחובר למוליך שהונח מעל חץ המצפן המגנטי. כאשר זרם ישיר זרם דרך חוט הסליל הראשון, החץ לא שינה את מיקומו, אלא החל להתנדנד ברגע כיבויו והפעלתו.

פאראדיי הגיע למסקנה כי ברגעים אלה בחוט התפתל השני היו דחפים חשמליים הקשורים להיעלמותם או להופעתם של קווי שדה מגנטי. הוא גילה את זה הגורם לכוח האלקטרומוטיבי המתהווה הוא שינוי בשדה המגנטי.

בנובמבר 1857, פאראדיי כתב מכתב לסקוטלנד לפרופסור מקסוול בבקשה לתת צורה מתמטית לידע האלקטרומגנטיות. מקסוול מילא את הבקשה. הרעיון של שדה אלקטרומגנטי מצא מקום בשנת 1864 בזכרונותיו.

מקסוול הציג את המונח "שדה" כדי להתייחס לחלק של החלל המקיף ומכיל גופים שנמצאים במצב מגנטי או חשמלי, והוא הדגיש כי חלל זה עצמו יכול להיות ריק ומלא בכל סוג של חומר, אך בשדה עדיין יהיה המקום.

בשנת 1873 פרסם מקסוול את "מסה על חשמל ומגנטיות", שם הציג מערכת משוואות המשלבות תופעות אלקטרומגנטיות. הוא נתן להם את השם של המשוואות הכלליות של השדה האלקטרומגנטי, ועד היום הם נקראים המשוואות של מקסוול. על פי התיאוריה של מקסוול מגנטיות היא סוג מיוחד של אינטראקציה בין זרמים חשמליים. זהו הבסיס עליו נבנות כל היצירות התיאורטיות והניסוי הקשורות למגנטיות.

קרא גם בנושא זה:משרנים ושדות מגנטיים

Comments

[#1 ואדים]

מגנטיות או משיכה של שני חפצים זה דבר מאוד מצחיק. בילדות, לעתים קרובות שפשפו מסרקים על השיער, ובכך מגנטו אותו ואשר משכו לעצמו פיסות נייר. או מקל אבוני ...

ועם המגנטים עצמם היה בדרך כלל מעניין להתעסק. כמובן שמדענים לא יכלו להתעלם מתופעה זו. היה מעניין ואינפורמטיבי לקרוא את תולדות האירועים.

[#2 נטליה]

מגניב מאוד ואינפורמטיבי. תודה רבה, רק בבית הספר אנו עוברים מגנטיות, המאמר שימושי: 3