Электромагнетизм: история открытия, магнетизм в природе, физика явления

Общие сведения

Сила, которая образуется в результате течения через проводник электрического тока, называется электромагнетизмом. Чтобы эта сила возникла, нужно, чтобы проводник находился внутри магнитного поля. 

Электромагнетизм играет большую роль в прикладной физике и электронике. Без эффекта магнетизма многие привычные нами устройства и элементы электроцепей не будут работать. К ним можно отнести: реле, дроссели, катушки индуктивности, генераторы, трансформаторы. 

Электромагнетизм относится к естественным силам природы наряду с гравитацией, сильным и слабым взаимодействием. Его можно определить как взаимодействие между заряженными частицами. Электромагнитная сила - результат работы электромагнитных полей, и ее результатом становится электромагнитное излучение. Самый простой пример - свет. Электромагнитную силу еще называют силой Лоренца, и именно она отвечает за стабильность элементов и веществ, ведь именно электромагнитная сила удерживает молекулы и атомы на месте. Электромагнитное поле можно описать математически, чем и занимались многие ученые. Значение электромагнитного поля трудно переоценить - достаточно упомянуть, что электромагнитная теория положила начало цифровой технике, а отдельные положения ее использовал Альберт Эйнштейн в своей теории относительности. 

Вначале электричество и магнетизм считались учеными двумя разными силами, которые не связаны друг с другом. Но впоследствии было доказано, что контакт положительных и отрицательных зарядов стимулируется одной и той же силой, а электрический ток создает вокруг себя магнитное поле. 

Электромагниты

Электромагниты, созданные благодаря открытым знаниям, значительно сильнее, чем остальные магниты, поэтому они открыли новую страницу как в создании технологий, электротехнике, так и в изучении других научных явлений.

Первым крупным ученым, работавшим с электромагнитными силами и отклонившим магнитную стрелку с помощью проволоки, по которой шел электрический ток, стал Эрстед. Он исследовал и подробно описал свой эксперимент, но не вывел никаких общих закономерностей по поводу того, что могло бы отклонить стрелку в другом конкретном случае. Затем опубликовал свои работы Ампер, в честь которого после была названа единица силы тока. В своих исследованиях он изучал воздействие силы тока на ток или тока на магнит. Отдельное место в истории науки занимает Араго, который проводил эксперименты с магнитом и железными опилками. Параллельно вел свои разработки Дэви, которому удалось намагнитить сталь и железо электрическим током.

Магнетизм в природе

Магнетизм можно заметить и в его естественном состоянии, при добыче минеральной руды. Этот эффект возникает, если соседствуют две руды - оксид железа и магнетитовый железняк. Это так называемые естественные магниты, которые в подвешенном состоянии всегда показывают на север, занимая положение, которое соответствует магнитному полю планеты. Еще одно доказательство существования эффекта магнетизма - стрелка компаса, которая всегда показывает на север. 

Для природных магнитов характерен низкий уровень силы, поэтому практического распространения они не получили. Люди стали делать искусственные магниты, сила взаимодействия между которыми значительно выше, чем между элементами природной системы. 

Эффект магнетизма

Эффект магнетизма возникает между двумя объектами разных форм - постоянными и временными магнитами. Для их изготовления используются разные материалы - никель и его сплавы, железо, кобальт и хром. В то же время эти же материалы в своем природном состоянии могут показывать очень низкий уровень магнетизма - например, это характерно для никеля и кобальта. 

Но если соединить эти вещества с другими, содержащими в себе железо или алюминий, получаются крайне сильные магниты. которые можно использовать в промышленности. 

Когда магнит находится в спокойном состоянии, его молекулы хаотично разбросаны, поэтому эффект магнетизма крайне ослаблен. Когда материал намагничен, меняется его молекулярная структура - атомы выстраиваются в строгие цепочки, что и обеспечивает возникновение эффекта магнетизма. Эта интересная особенность получила название теория Вебера - сам ученый назвал ее теорией молекулярного выравнивания.

Если убрать силу намагничивания, внутри материала еще на некоторое время остается эффект магнетизма. Такое явление называется остаточная намагниченность. Материалы, которые демонстрируют такое явление, чаще всего используются для создания постоянных магнитов. 

Магнитный поток

Еще один термин из теории об электромагнетизме - магнитный поток. В каждом магните есть два полюса, между которыми протянуты невидимые нити магнитной силы. Эти нити образуют между собой магнитное поле. Линии потока нельзя увидеть, но можно определить направление с помощью компаса. Сильнее всего магнитное поле у полюсов, там магнитные потоки расположены ближе всего друг к другу. Интересная особенность - магнитный поток не течет в прямом смысле. Он не движется в определенном направлении, он просто существует, причем гравитация на него не действует. 

У силовых линий есть и другие особенности:

• они всегда образуют силовые петли, замкнутые в пространстве,
• у них есть направление - с севера на юг,
• чем ближе расположены силовые линии, тем сильнее магнетизм, чем дальше они друг от друга, тем явление магнетизма слабее,
• силовые линии не пересекаются друг с другом и не прерываются. 

Контакт между двумя полями может вызвать два противоположных явления:

• отталкивание полюсов,
• притягивание полюсов.

Если в материале есть силовые линии, то есть и полюс, причем на каждом конце. Можно прервать сеанс намагничивания, если разрушить магнит, но нельзя уничтожить процесс создания магнитных потоков в принципе. Если разбить магнит, из него получится двух половинок одного магнита, у каждого из которых есть один полюс. Но из обломков получится два полноценных магнита, у каждого из которых будет два разных полюса.