Phénomènes magnétiques en physique - histoire, exemples et faits intéressants
Magnétisme et électricité
La première application pratique de l'aimant était sous la forme d'un morceau d'acier magnétisé flottant sur un bouchon d'eau ou d'huile. Dans ce cas, une extrémité de l'aimant pointe toujours vers le nord et l'autre vers le sud. C'était la première boussole utilisée par les marins.
Il y a tout aussi longtemps, plusieurs siècles avant notre ère, les gens savaient qu'une substance résineuse - l'ambre, si elle était frottée avec de la laine, recevait pendant un certain temps la capacité d'attirer les objets légers : morceaux de papier, morceaux de fil, peluches. Ce phénomène est appelé électrique (« électron » signifie « ambre » en grec). Plus tard, on a remarqué que électrifié par frottement peut non seulement ambre, mais aussi d'autres substances : verre, bâton de cire, etc.
Pendant longtemps, les gens n'ont vu aucun lien entre deux phénomènes naturels inhabituels - le magnétisme et l'électricité. Seul un signe extérieur semblait commun : la propriété d'attirer : un aimant attire le fer, et une tige de verre frottée avec des bouts de papier de laine.Certes, l'aimant a agi en permanence et l'objet électrifié perd ses propriétés au bout d'un moment, mais les deux "s'attirent".
Mais maintenant, à la fin du XVIIe siècle, on s'aperçoit que foudre — un phénomène électrique — frapper près d'objets en acier peut les magnétiser. Ainsi, par exemple, une fois que des couteaux en acier se trouvant dans une boîte en bois se sont avérés magnétisés à la surprise indescriptible du propriétaire, après que la foudre a frappé la boîte et l'a cassée.
Au fil du temps, de plus en plus de tels cas sont observés. Cependant, cela ne donne toujours pas de raison de penser qu'il existe un lien étroit entre l'électricité et le magnétisme. Une telle connexion n'a été établie qu'il y a environ 180 ans. On a alors observé que l'aiguille aimantée de la boussole s'écarte dès qu'on place près d'elle un fil le long duquel un courant électrique circule.
Presque au même moment, les scientifiques ont découvert un autre phénomène non moins frappant. Il s'est avéré que le fil à travers lequel le courant électrique circule est capable d'attirer à lui de petits copeaux de fer. Cependant, cela valait la peine d'arrêter le courant dans le fil, car la sciure de bois s'est immédiatement effondrée et le fil a perdu ses propriétés magnétiques.
Enfin, une autre propriété du courant électrique a été découverte, ce qui a finalement confirmé le lien entre l'électricité et le magnétisme. Il s'est avéré qu'une aiguille en acier placée au milieu d'une bobine de fil parcourue par un courant électrique (une telle bobine s'appelle solénoïde) est magnétisé de la même manière que s'il était frotté avec un aimant naturel.
Les électroaimants et leur utilisation
De l'expérience avec une aiguille en acier et est né électro-aimant… En plaçant une tige de fer doux au milieu de la bobine de fil au lieu d'une aiguille, les scientifiques étaient convaincus que lorsqu'un courant traverse la bobine, le fer acquiert la propriété d'un aimant, et lorsque le courant s'arrête, il perd cette propriété . Dans le même temps, il a été remarqué que plus il y avait de tours de fil dans le solénoïde, plus l'électroaimant était puissant.
Sous l'influence d'un aimant en mouvement, un courant électrique est généré dans la bobine de fil
Au début, l'électroaimant semblait à beaucoup juste un dispositif physique amusant. Les gens ne se doutaient pas que dans un avenir proche, il trouverait l'application la plus large, servirait de base à de nombreux appareils et machines (voir - Application pratique du phénomène d'induction électromagnétique).
Le principe de fonctionnement du relais électromagnétique
Après avoir établi qu'un courant électrique confère à un fil des propriétés magnétiques, les scientifiques se sont posé la question : existe-t-il une relation inverse entre l'électricité et le magnétisme ? Par exemple, un aimant puissant placé à l'intérieur d'une bobine de fil ferait-il circuler un courant électrique dans cette bobine ?
En effet, si un courant électrique apparaissait dans un fil sous l'action d'un aimant fixe, cela serait complètement contradictoire loi de conservation de l'énergie… Selon cette loi, pour obtenir un courant électrique, il faut dépenser une autre énergie qui serait convertie en énergie électrique. Lorsqu'un courant électrique est produit à l'aide d'un aimant, l'énergie dépensée dans le mouvement de l'aimant est convertie en énergie électrique.
Etude des phénomènes magnétiques
Au milieu du XIIIe siècle, des observateurs curieux ont remarqué que les aiguilles magnétiques de la boussole interagissent entre elles : les extrémités pointant dans la même direction se repoussent, et celles pointant dans une direction différente s'attirent.
Ce fait a aidé les scientifiques à expliquer l'action de la boussole. On suppose que le globe est un énorme aimant et que les extrémités des aiguilles de la boussole tournent obstinément dans la bonne direction, car elles sont repoussées par un pôle magnétique de la Terre et attirées par un autre. Cette hypothèse s'est avérée vraie.
Dans l'étude des phénomènes magnétiques, de petites limailles de fer, adhérant à un aimant de n'importe quelle force, ont été d'une grande aide. Tout d'abord, on a remarqué que la majeure partie de la sciure de bois adhère à deux endroits spécifiques de l'aimant ou, comme on l'appelle, aux pôles de l'aimant. Il s'est avéré que chaque aimant a toujours au moins deux pôles, dont l'un est appelé nord (C) et l'autre sud (S).
La limaille de fer montre l'emplacement des lignes de champ magnétique dans l'espace autour de l'aimant
Dans un aimant en forme de barre, ses pôles sont le plus souvent situés aux extrémités de la barre. Une image particulièrement vive est apparue aux yeux des observateurs lorsqu'ils ont supposé saupoudrer de la limaille de fer sur du verre ou du papier, sous lequel se trouvait un aimant. Les copeaux sont étroitement espacés dans les pôles de l'aimant. Puis, sous forme de lignes fines - particules de fer liées entre elles - elles s'étendaient d'un pôle à l'autre.
Une étude plus approfondie des phénomènes magnétiques a montré que des forces magnétiques spéciales agissent dans l'espace autour de l'aimant, ou, comme on dit, champ magnétique… La direction et l'intensité des forces magnétiques sont indiquées par la limaille de fer située au-dessus de l'aimant.
Les expériences avec la sciure de bois ont beaucoup appris. Par exemple, un morceau de fer s'approche du pôle d'un aimant. Si en même temps le papier sur lequel repose la sciure de bois est un peu secoué, le motif de la sciure de bois commence à changer. Les lignes magnétiques deviennent comme si elles étaient visibles. Ils passent du pôle de l'aimant au morceau de fer et s'épaississent à mesure que le fer se rapproche du pôle. En même temps, la force avec laquelle l'aimant tire le morceau de fer vers lui augmente également.
A quelle extrémité de la tige de fer de l'électroaimant se forme le pôle nord lorsqu'un courant traverse la bobine, et à quelle extrémité se trouve le pôle sud ? Il est facile à déterminer par le sens du courant électrique dans la bobine. Le courant (flux de charges négatives) est connu pour circuler du pôle négatif de la source au positif.
Sachant cela et en regardant la bobine de l'électroaimant, on peut imaginer dans quel sens le courant va circuler dans les spires de l'électroaimant. À l'extrémité de l'électroaimant, où le courant effectuera un mouvement circulaire dans le sens des aiguilles d'une montre, un pôle nord se forme, et à l'autre extrémité de la bande, où le courant se déplace dans le sens inverse des aiguilles d'une montre, un pôle sud. Si vous changez le sens du courant dans la bobine de l'électroaimant, ses pôles changeront également.
Il a en outre été observé que l'aimant permanent et l'électroaimant s'attirent beaucoup plus fortement s'ils ne se présentent pas sous la forme d'une barre droite, mais sont pliés de sorte que leurs pôles opposés soient proches l'un de l'autre.Dans ce cas, ce n'est pas un pôle qui attire, mais deux, et de plus, les lignes de force magnétique sont moins dispersées dans l'espace — elles sont concentrées entre les pôles.
Lorsque l'objet en fer attiré adhère aux deux pôles, l'aimant en fer à cheval arrête presque de dissiper les lignes de force dans l'espace. C'est facile à voir avec la même sciure de bois sur papier. Les lignes de force magnétiques, qui autrefois s'étendaient d'un pôle à l'autre, traversent maintenant l'objet de fer attiré, comme s'il leur était plus facile de traverser le fer que l'air.
La recherche montre que c'est bien le cas. Un nouveau concept a émergé — perméabilité magnétique, qui désigne une valeur qui indique combien de fois il est plus facile pour les lignes magnétiques de traverser n'importe quelle substance que dans l'air. Le fer et certains de ses alliages ont la perméabilité magnétique la plus élevée. Cela explique pourquoi, parmi les métaux, le fer est le plus attiré par un aimant.
Un autre métal, le nickel, s'est avéré avoir une perméabilité magnétique plus faible. Et est moins attiré par un aimant. Certaines autres substances se sont avérées avoir une perméabilité magnétique supérieure à l'air et sont donc attirées par les aimants.
Mais les propriétés magnétiques de ces substances sont très faiblement exprimées. Par conséquent, tous les appareils et machines électriques, dans lesquels les électroaimants fonctionnent d'une manière ou d'une autre, ne peuvent à ce jour se passer de fer ou d'alliages spéciaux contenant du fer.
Naturellement, une grande attention a été accordée à l'étude du fer et de ses propriétés magnétiques presque dès le début de l'électrotechnique.Certes, des calculs strictement scientifiques dans ce domaine ne sont devenus possibles qu'après les études du scientifique russe Alexander Grigorievich Stoletov, menées en 1872. Il a découvert que la perméabilité magnétique de chaque morceau de fer n'est pas constante. Elle est en train de changer pour le degré d'aimantation de cette pièce.
La méthode de test des propriétés magnétiques du fer proposée par Stoletov a une grande valeur et est utilisée par les scientifiques et les ingénieurs de notre époque. Une étude plus approfondie de la nature des phénomènes magnétiques n'est devenue possible qu'après le développement de la théorie de la structure de la matière.
La compréhension moderne du magnétisme
Nous savons maintenant que chaque élément chimique est composé d'atomes — particules complexes inhabituellement petites. Au centre de l'atome se trouve un noyau chargé d'électricité positive. Les électrons, particules qui portent une charge électrique négative, gravitent autour d'elle. Le nombre d'électrons n'est pas le même pour les atomes des différents éléments chimiques. Par exemple, un atome d'hydrogène n'a qu'un seul électron en orbite autour de son noyau, tandis qu'un atome d'uranium en a quatre-vingt-douze.
En observant attentivement divers phénomènes électriques, les scientifiques sont arrivés à la conclusion que le courant électrique dans un fil n'est rien de plus que le mouvement des électrons. Rappelez-vous maintenant qu'un champ magnétique se produit toujours autour d'un fil dans lequel circule un courant électrique, c'est-à-dire que les électrons se déplacent.
Il s'ensuit qu'un champ magnétique apparaît toujours là où il y a un mouvement d'électrons, en d'autres termes, l'existence d'un champ magnétique est une conséquence du mouvement des électrons.
La question se pose : dans toute substance, les électrons tournent constamment autour de leurs noyaux atomiques, pourquoi dans ce cas chaque substance ne forme-t-elle pas un champ magnétique autour d'elle-même ?
La science moderne donne la réponse suivante à cela. Chaque électron a plus qu'une simple charge électrique. Il a aussi les propriétés d'un aimant, c'est un petit aimant élémentaire.Ainsi, le champ magnétique créé par les électrons lors de leur déplacement autour du noyau s'ajoute à leur propre champ magnétique.
Dans ce cas, les champs magnétiques de la plupart des atomes, repliés, sont complètement détruits, absorbés. Et dans quelques atomes seulement – le fer, le nickel, le cobalt et, dans une bien moindre mesure, dans d'autres – les champs magnétiques s'avèrent déséquilibrés et les atomes sont de petits aimants. Ces substances sont appelées ferromagnétique ("Ferrum" signifie fer).
Si les atomes de substances ferromagnétiques sont disposés de manière aléatoire, les champs magnétiques de différents atomes dirigés dans différentes directions finissent par s'annuler. Mais si vous les faites pivoter pour que les champs magnétiques s'additionnent - et c'est ce que nous faisons dans la magnétisation - les champs magnétiques ne s'annuleront plus, mais s'additionneront.
Le corps entier (un morceau de fer) créera un champ magnétique autour de lui, il deviendra un aimant. De même, lorsque les électrons se déplacent dans une direction, ce qui se produit par exemple avec un courant électrique dans un fil, le champ magnétique des électrons individuels s'ajoute à un champ magnétique total.
A leur tour, les électrons piégés dans un champ magnétique externe sont toujours exposés à ce dernier. Cela permet de contrôler le mouvement des électrons à l'aide d'un champ magnétique.
Tout ce qui précède n'est qu'un schéma approximatif et très simplifié. En réalité, les phénomènes atomiques qui se produisent dans les fils et les matériaux magnétiques sont plus complexes.
La science des aimants et des phénomènes magnétiques - la magnétologie - est très importante pour le génie électrique moderne.Une grande contribution au développement de cette science a été apportée par le magnétologue Nikolay Sergeevich Akulov, qui a découvert une loi importante connue dans le monde entier sous le nom de "loi d'Akulov". Cette loi permet de déterminer à l'avance comment des propriétés aussi importantes des métaux que la conductivité électrique, la conductivité thermique, etc., changent au cours de l'aimantation.
Des générations de scientifiques ont travaillé pour percer le mystère des phénomènes magnétiques et mettre ces phénomènes au service de l'humanité. Aujourd'hui, des millions d'aimants et d'électroaimants parmi les plus divers travaillent au profit de l'homme dans diverses machines et appareils électriques. Ils libèrent les gens du dur labeur physique et sont parfois des serviteurs indispensables.
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