Fenômenos magnéticos na física - história, exemplos e fatos interessantes
Magnetismo e eletricidade
A primeira aplicação prática do ímã foi na forma de um pedaço de aço magnetizado flutuando em um plugue em água ou óleo. Nesse caso, uma extremidade do ímã sempre aponta para o norte e a outra para o sul. Foi a primeira bússola usada pelos marinheiros.
Há muito tempo, vários séculos antes de nossa era, as pessoas sabiam que uma substância resinosa - âmbar, se esfregada com lã, recebia por um tempo a capacidade de atrair objetos leves: pedaços de papel, pedaços de linha, penugem. Esse fenômeno é chamado de elétrico ("elétron" significa "âmbar" em grego). Mais tarde percebeu-se que eletrificado por fricção pode não só âmbar, mas também outras substâncias: vidro, bastão de cera, etc.
Por muito tempo, as pessoas não viram nenhuma conexão entre dois fenômenos naturais incomuns - magnetismo e eletricidade. Apenas um sinal externo parecia ser comum - a propriedade de atrair: um ímã atrai o ferro e um bastão de vidro atritado com pedaços de papel de lã.É verdade que o ímã agia constantemente e o objeto eletrificado perde suas propriedades depois de um tempo, mas ambos "atraem".
Mas agora, no final do século XVII, percebeu-se que raio — um fenômeno elétrico — atingir objetos de aço próximos pode magnetizá-los. Assim, por exemplo, uma vez que as facas de aço que estavam em uma caixa de madeira ficaram magnetizadas para a surpresa indescritível do proprietário, depois que um raio atingiu a caixa e a quebrou.
Com o tempo, cada vez mais esses casos são observados. No entanto, isso ainda não dá motivos para pensar que existe uma forte conexão entre eletricidade e magnetismo. Essa conexão foi estabelecida apenas cerca de 180 anos atrás. Foi então observado que a agulha magnética da bússola se desvia assim que um fio é colocado perto dela, ao longo do qual uma corrente elétrica flui.
Quase ao mesmo tempo, os cientistas descobriram outro fenômeno não menos impressionante. Descobriu-se que o fio através do qual a corrente elétrica flui é capaz de atrair para si pequenas aparas de ferro. Porém, valeu a pena interromper a corrente no fio, pois a serragem se desfez imediatamente e o fio perdeu suas propriedades magnéticas.
Finalmente, outra propriedade da corrente elétrica foi descoberta, o que finalmente confirmou a conexão entre eletricidade e magnetismo. Descobriu-se que uma agulha de aço colocada no meio de uma bobina de fio através da qual flui uma corrente elétrica (essa bobina é chamada solenóide) é magnetizado da mesma forma que se esfregado com um ímã natural.
Eletroímãs e seu uso
Da experiência com uma agulha de aço e nasceu eletroímã… Ao colocar uma haste de ferro macio no meio da bobina de fio em vez de uma agulha, os cientistas estavam convencidos de que, quando uma corrente passa pela bobina, o ferro adquire a propriedade de um ímã e, quando a corrente para, ele perde essa propriedade . Ao mesmo tempo, percebeu-se que quanto mais voltas do fio no solenóide, mais forte o eletroímã.
Sob a influência de um ímã em movimento, uma corrente elétrica é gerada na bobina de fio
A princípio, o eletroímã parecia para muitos apenas um dispositivo físico engraçado. As pessoas não suspeitavam que em um futuro próximo encontraria a aplicação mais ampla, serviria de base para muitos dispositivos e máquinas (consulte — Aplicação prática do fenômeno da indução eletromagnética).
O princípio de funcionamento do relé eletromagnético
Depois que foi estabelecido que uma corrente elétrica dá propriedades magnéticas a um fio, os cientistas fizeram a pergunta: existe uma relação inversa entre eletricidade e magnetismo? Por exemplo, um ímã forte colocado dentro de uma bobina de fio faria com que uma corrente elétrica fluísse através dessa bobina?
De fato, se uma corrente elétrica aparecesse em um fio sob a ação de um ímã estacionário, isso seria completamente contraditório. lei da conservação da energia… De acordo com esta lei, para obter uma corrente elétrica, é necessário gastar outra energia que seria convertida em energia elétrica. Quando uma corrente elétrica é produzida com a ajuda de um ímã, a energia gasta no movimento do ímã é convertida em energia elétrica.
Estudo dos fenômenos magnéticos
Em meados do século XIII, observadores curiosos notaram que os ponteiros magnéticos da bússola interagem entre si: as pontas que apontam na mesma direção se repelem e as que apontam em direções diferentes se atraem.
Esse fato ajudou os cientistas a explicar a ação da bússola. Supõe-se que o globo seja um enorme ímã, e as pontas das agulhas da bússola giram teimosamente na direção certa, porque são repelidas por um pólo magnético da Terra e atraídas por outro. Essa suposição acabou sendo verdadeira.
No estudo dos fenômenos magnéticos, pequenas limalhas de ferro, aderidas a um ímã de qualquer força, têm sido de grande ajuda. Em primeiro lugar, percebeu-se que a maior parte da serragem gruda em dois locais específicos do imã ou, como é chamado, nos pólos do imã. Descobriu-se que todo ímã sempre tem pelo menos dois pólos, um dos quais passou a ser chamado de norte (C) e o outro de sul (S).
As limalhas de ferro mostram a localização das linhas do campo magnético no espaço ao redor do ímã
Em um ímã em forma de barra, seus pólos geralmente estão localizados nas extremidades da barra. Uma imagem particularmente vívida apareceu diante dos olhos dos observadores quando eles presumiram espalhar limalha de ferro em vidro ou papel, sob o qual havia um ímã. As aparas são espaçadas nos pólos do ímã. Então, na forma de linhas finas - partículas de ferro unidas - elas se estenderam de um pólo ao outro.
Um estudo mais aprofundado dos fenômenos magnéticos mostrou que forças magnéticas especiais atuam no espaço ao redor do ímã, ou, como dizem, campo magnético… A direção e a intensidade das forças magnéticas são indicadas pelas limalhas de ferro localizadas acima do ímã.
Experimentos com serragem ensinaram muito. Por exemplo, um pedaço de ferro se aproxima do polo de um ímã. Se ao mesmo tempo o papel sobre o qual está a serragem for sacudido um pouco, o padrão da serragem começa a mudar. As linhas magnéticas tornam-se como que visíveis. Eles passam do polo do imã para o pedaço de ferro e se tornam mais espessos à medida que o ferro se aproxima do polo. Ao mesmo tempo, a força com que o ímã puxa o pedaço de ferro em sua direção também aumenta.
Em qual extremidade da haste de ferro do eletroímã é formado o pólo norte quando uma corrente passa pela bobina e em qual é o pólo sul? É fácil determinar pela direção da corrente elétrica na bobina. Sabe-se que a corrente (fluxo de cargas negativas) flui do polo negativo da fonte para o positivo.
Sabendo disso e olhando para a bobina do eletroímã, pode-se imaginar em que direção a corrente fluirá nas voltas do eletroímã. Na ponta do eletroímã, onde a corrente fará um movimento circular no sentido horário, forma-se um polo norte, e na outra ponta da tira, onde a corrente se move no sentido anti-horário, um polo sul. Se você mudar a direção da corrente na bobina do eletroímã, seus pólos também mudarão.
Foi ainda observado que tanto o ímã permanente quanto o eletroímã se atraem muito mais fortemente se não estiverem na forma de uma barra reta, mas são dobrados de modo que seus pólos opostos fiquem próximos.Nesse caso, não um pólo atrai, mas dois e, além disso, as linhas de força magnética estão menos espalhadas no espaço - elas estão concentradas entre os pólos.
Quando o objeto de ferro atraído adere a ambos os pólos, o ímã em forma de ferradura quase para de dissipar as linhas de força no espaço. Isso é fácil de ver com a mesma serragem no papel. As linhas magnéticas de força, que antes se estendiam de um pólo ao outro, agora passam pelo objeto de ferro atraído, como se fosse mais fácil para elas passar pelo ferro do que pelo ar.
A pesquisa mostra que este é realmente o caso. Um novo conceito surgiu - permeabilidade magnética, que denota um valor que indica quantas vezes é mais fácil para as linhas magnéticas passarem por qualquer substância do que pelo ar. O ferro e algumas de suas ligas têm a maior permeabilidade magnética. Isso explica por que, dos metais, o ferro é mais atraído por um ímã.
Outro metal, o níquel, apresentou menor permeabilidade magnética. E é menos atraído por um ímã. Verificou-se que certas outras substâncias têm uma permeabilidade magnética maior que o ar e, portanto, são atraídas pelos ímãs.
Mas as propriedades magnéticas dessas substâncias são expressas de maneira muito fraca. Portanto, todos os aparelhos e máquinas elétricos, nos quais os eletroímãs funcionam de uma forma ou de outra, até hoje não podem prescindir do ferro ou de ligas especiais que incluam o ferro.
Naturalmente, muita atenção tem sido dada ao estudo do ferro e suas propriedades magnéticas quase desde o início da engenharia elétrica.É verdade que cálculos estritamente científicos nessa área só foram possíveis após os estudos do cientista russo Alexander Grigorievich Stoletov, realizados em 1872. Ele descobriu que a permeabilidade magnética de cada pedaço de ferro não é constante. ela está mudando pelo grau de magnetização desta peça.
O método de testar as propriedades magnéticas do ferro proposto por Stoletov tem grande valor e é usado por cientistas e engenheiros em nosso tempo. Um estudo mais profundo da natureza dos fenômenos magnéticos tornou-se possível somente após o desenvolvimento da teoria da estrutura da matéria.
A compreensão moderna do magnetismo
Agora sabemos que todo elemento químico é feito de átomos — partículas complexas incomumente pequenas. No centro do átomo está um núcleo carregado com eletricidade positiva. Os elétrons, partículas que carregam uma carga elétrica negativa, giram em torno dele. O número de elétrons não é o mesmo para os átomos de diferentes elementos químicos. Por exemplo, um átomo de hidrogênio tem apenas um elétron orbitando seu núcleo, enquanto um átomo de urânio tem noventa e dois.
Observando cuidadosamente vários fenômenos elétricos, os cientistas chegaram à conclusão de que a corrente elétrica em um fio nada mais é do que o movimento de elétrons. Agora lembre-se de que sempre surge um campo magnético em torno de um fio no qual circula uma corrente elétrica, ou seja, os elétrons se movem.
Segue-se que um campo magnético sempre aparece onde há movimento de elétrons, ou seja, a existência de um campo magnético é consequência do movimento de elétrons.
Surge a pergunta: em qualquer substância, os elétrons estão constantemente girando em torno de seus núcleos atômicos, por que, neste caso, cada substância não forma um campo magnético ao seu redor?
A ciência moderna dá a seguinte resposta para isso. Cada elétron tem mais do que apenas uma carga elétrica. Ele também tem as propriedades de um ímã, é um pequeno ímã elementar, portanto, o campo magnético criado pelos elétrons ao se moverem ao redor do núcleo é adicionado ao seu próprio campo magnético.
Nesse caso, os campos magnéticos da maioria dos átomos, dobrados, são completamente destruídos, absorvidos. E em apenas alguns átomos – ferro, níquel, cobalto e, em grau muito menor, em outros – os campos magnéticos se mostram desequilibrados e os átomos são pequenos ímãs. Essas substâncias são chamadas ferromagnético ("Ferrum" significa ferro).
Se os átomos de substâncias ferromagnéticas são arranjados aleatoriamente, então os campos magnéticos de diferentes átomos direcionados em diferentes direções eventualmente se anulam. Mas se você girá-los de modo que os campos magnéticos se somem — e é isso que fazemos na magnetização — os campos magnéticos não mais se anularão, mas se somarão.
Todo o corpo (um pedaço de ferro) criará um campo magnético ao seu redor, se tornará um ímã. Da mesma forma, quando os elétrons se movem em uma direção, o que ocorre, por exemplo, com uma corrente elétrica em um fio, o campo magnético dos elétrons individuais se soma a um campo magnético total.
Por sua vez, os elétrons presos em um campo magnético externo estão sempre expostos a este último. Isso permite que o movimento dos elétrons seja controlado usando um campo magnético.
Todos os itens acima são apenas um esquema aproximado e muito simplificado. Na realidade, os fenômenos atômicos que ocorrem em fios e materiais magnéticos são mais complexos.
A ciência dos ímãs e dos fenômenos magnéticos — magnetologia — é muito importante para a engenharia elétrica moderna.Uma grande contribuição para o desenvolvimento desta ciência foi feita pelo magnetologista Nikolay Sergeevich Akulov, que descobriu uma importante lei conhecida em todo o mundo como "lei de Akulov". Essa lei permite determinar com antecedência como propriedades importantes dos metais, como condutividade elétrica, condutividade térmica, etc., mudam durante a magnetização.
Gerações de cientistas trabalharam para desvendar o mistério dos fenômenos magnéticos e colocá-los a serviço da humanidade. Hoje, milhões dos mais diversos ímãs e eletroímãs trabalham em benefício do homem em diversas máquinas e aparelhos elétricos. Eles libertam as pessoas do trabalho físico pesado e, às vezes, são servos indispensáveis.
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