Magnetizam - od Thalesa do Maxwella

Tisuću godina prije prvih opažanja električnih pojava, čovječanstvo se već počelo gomilati znanje o magnetizmu, I tek prije četiri stotine godina, kada je formiranje fizike kao znanosti tek započelo, istraživači su odvojili magnetska svojstva tvari od njihovih električnih svojstava, a tek nakon toga počeli su ih samostalno proučavati. Time su postavljeni eksperimentalni i teorijski temelji, koji su postali temelj e do sredine 19. stoljećateorija električnih i magnetskih pojava.

Čini se da su neobična svojstva magnetske željezne rude bila poznata tijekom brončanog doba u Mezopotamiji. I nakon početka razvoja metalurgije željeza, ljudi su primijetili da privlače proizvode od željeza. Drevni grčki filozof i matematičar Thales iz grada Miletusa (640.-546. Pr. Kr.) Također je razmišljao o razlozima ove atrakcije, a privlačnost je pripisao animaciji minerala.

Grčki su mislioci zamislili kako nevidljivi parovi omotavaju magnetit i željezo, kako ti parovi privlače tvari jedna do druge. Riječ "Magnet" moglo se dogoditi ime grada Magnesia-u-Sipila u Maloj Aziji, u blizini kojeg je ležao magnetit. Jedna od legendi kaže da se pastir Magnis nekako pojavio sa svojim ovcama pored stijene, koje su povlačile željezni vrh svog štapa i čizme do njega.

U drevnom kineskom traktatu „Zapisi o proljeću i jesen majstora Liua“ (240. pr. Kr.) Spominje se svojstvo magnetita da privlači željezo u sebe. Nakon stotinu godina, Kinezi su primijetili da magnetit ne privlači bakar ili keramiku. U 7-8 stoljeću primijetili su kako se magnetizirana željezna igla, slobodno viseći, okrene prema Sjevernoj zvijezdi.

Dakle, Kina je do druge polovice 11. stoljeća počela proizvoditi morske kompase, koje su europski mornari savladali tek stotinu godina nakon Kineza. Tada su Kinezi već otkrili sposobnost magnetizirane igle da odstupa u smjeru istočno od sjevera i tako otkrili magnetsku deklinaciju, ispred europskih mornara u ovome, koji su do tog zaključka došli tek u 15. stoljeću.

U Europi je prvi opisao svojstva prirodnih magneta filozof iz Francuske, Pierre de Maricourt, koji je 1269. služio u vojsci sicilijanskog kralja Charlesa Anjoua. Tijekom opsade jednog talijanskog grada poslao je prijatelju Picardyju dokument koji je u povijesti znanosti ušao pod imenom „Pismo o magnetu“, gdje je govorio o svojim eksperimentima s magnetskom željeznom rudom.

Marikur je napomenuo da u bilo kojem komadu magnetita postoje dva područja koja posebno privlače željezo. Uočio je u toj sličnosti s polovima nebeske sfere, pa je posudio njihova imena kako bi označili područja maksimalne magnetske sile. Odatle je tradicija počela nazivati ​​polove magneta južnim i sjevernim magnetskim polovima.

Marikur je napisao da ako bilo koji komad magnetita razbijete na dva dijela, svaki će pol imati svoje stupove.

Marikur je prvi put povezao učinak odbijanja i privlačenja magnetskih polova s ​​interakcijom suprotnih (južni i sjeverni) odnosno istoimenih stupova. Marikur se s pravom smatra začetnikom europske eksperimentalne znanstvene škole, njegove bilješke o magnetizmu reproducirane su u desecima popisa, a s pojavom tiskanja objavljene su u obliku brošure. Navodili su ih mnogi prirodnjaci sve do 17. stoljeća.

S poteškoćama je Marikura dobro poznavala i engleskog prirodoslovca, znanstvenika i liječnika Williama Hilberta. Godine 1600. objavio je rad On Magnet, Magnetic Body and the Big Magnet - the Earth.U ovom je radu Hilbert citirao sve poznate informacije o svojstvima prirodnih magnetskih materijala i magnetiziranog željeza, a opisao je i vlastite eksperimente s magnetskom kuglom u kojima je reproducirao model zemaljskog magnetizma.

Konkretno, eksperimentalno je utvrdio da se na oba pola "male zemlje" igla kompasa okreće okomito na njegovu površinu, paralelno je postavljena na ekvatoru, a na srednjim širinama se okreće u međufazni položaj. Na taj je način Hilbert mogao simulirati magnetski nagib koji je u Europi bio poznat više od 50 godina (1544. opisao ga je Georg Hartman, mehaničar iz Nürnberga).

Hilbert je također reproducirao geomagnetsku deklinaciju, što je pripisivao ne savršeno glatkoj površini kugle, već je na planetarnom planu objasnio taj efekt privlačenjem između kontinenata. Otkrio je koliko vruće željezo gubi svoja magnetska svojstva, a kad se ohladi, obnavlja ih. Napokon, Hilbert je bio prvi koji je jasno razlikovao privlačnost magneta i privlačnost jantara natopljenog vunom, što je nazvao električnom silom. Bio je to uistinu inovativan rad, cijenjen od strane suvremenika i potomaka. Hilbert je otkrio da će se Zemlja s pravom smatrati "velikim magnetom".

Do samog početka 19. stoljeća nauka o magnetizmu napredovala je vrlo malo. Godine 1640. Benedetto Castelli, Galileov student, objasnio je privlačnost magnetita mnogim vrlo malim magnetskim česticama koje ga čine.

Godine 1778. Sebald Brugmans, rodom iz Nizozemske, primijetio je kako bizmut i antimon odbijaju motke magnetske igle, što je bio prvi primjer fizičkog fenomena kojeg će Faraday kasnije nazvati diamagnetism.

Charles-Augustin Coulomb 1785. godine točnim mjerenjima torzijske vage dokazao je to sila interakcije magnetskih polova jedan s drugim obrnuto je proporcionalna kvadratu udaljenosti između polova - isto toliko koliko i sila interakcije električnih naboja.

Od 1813, danski fizičar Oersted marljivo pokušava eksperimentalno uspostaviti vezu između električne energije i magnetizma. Istraživač je koristio kompase kao pokazatelje, ali dugo vremena nije mogao postići cilj, jer je očekivao da je magnetska sila paralelna sa strujom, te je postavljao električnu žicu pod pravim kutom u odnosu na iglu kompasa. Strelica nije reagirala na pojavu struje.

U proljeće 1820. godine, tijekom jednog od predavanja, Oersted je povukao žicu paralelno sa strelicom i nije jasno što ga je dovelo do te ideje. I tako je strijela zamahnula. Iz nekog razloga, Oersted je nekoliko mjeseci zaustavio eksperimente, nakon čega se vratio njima i shvatio da je "magnetski učinak električne struje usmjeren duž krugova koji okružuju ovu struju".

Zaključak je bio paradoksalan, jer se prije toga rotirajuće sile nisu očitovale ni u mehanici ni na drugom mjestu u fizici. Oersted je napisao članak u kojem je iznio svoja otkrića, i nikad se više nije bavio elektromagnetizmom.

U jesen iste godine, Francuz Andre-Marie Ampère započeo je eksperimente. Prije svega, ponovio je i potvrdio rezultate i zaključke Oersteda, početkom listopada otkrio je privlačnost vodiča ako su struje u njima usmjerene na isti način i odbijanje ako su struje suprotne.

Ampère je također proučavao interakciju nesparalelnih vodiča sa strujom, nakon čega ga je opisao kasnije nazvanom formulom Amperov zakon. Znanstvenik je također pokazao da se namotane žice sa strujom vrte pod utjecajem magnetskog polja, kao što se događa i sa kompasom igle.

Napokon, iznio je hipotezu o molekularnim strujama, prema kojima unutar magnetiziranih materijala postoje neprekidne mikroskopske kružne struje paralelne jedna s drugom, koje uzrokuju magnetsko djelovanje materijala.

Istodobno, Bio i Savard zajedno su razvili matematičku formulu koja omogućava izračunavanje intenziteta istosmjernog magnetskog polja.

I tako je kraj 1821. Michael Faraday, koji je već radio u Londonu, napravio uređaj u kojem se strujni vodnik rotira oko magneta, a drugi magnet rotira oko drugog vodiča.

Faraday je sugerirao da su i magnet i žica obavijeni koncentričnim linijama sile koje određuju njihov mehanički učinak.

S vremenom se Faraday uvjerio u fizičku stvarnost magnetskih linija sile. Krajem 1830-ih, znanstvenik je već bio jasno svjestan da se energija stalnih magneta i strujnih vodiča raspodjeljuje u prostoru koji ih okružuje, koji je bio ispunjen magnetskim linijama sile. U kolovozu 1831. istraživaču uspjeli steći magnetizam za stvaranje električne struje.

Uređaj se sastojao od željeznog prstena s dva nasuprotna namotaja. Prvo namotavanje moglo se kratko spojiti na električnu bateriju, a drugo je bilo povezano s vodičem postavljenim iznad strelice magnetskog kompasa. Kad je jednosmjerna struja tekla kroz žicu prvog svitka, strelica nije promijenila položaj, već je počela da se ljulja u trenucima isključivanja i uključivanja.

Faraday je zaključio da u tim trenucima u žici drugog namota postoje električni impulsi povezani sa nestankom ili pojavom linija magnetskog polja. Otkrio je to uzrok nastajanja elektromotorne sile je promjena magnetskog polja.

U studenom 1857. Faraday je napisao pismo Škotskoj profesoru Maxwellu sa zahtjevom da se matematičkom obliku da znanje o elektromagnetizmu. Maxwell je ispunio zahtjev. Pojam elektromagnetskog polja pronašao mjesto 1864. u svojim memoarima.

Maxwell je uveo pojam "polje" da bi se odnosio na dio prostora koji ga okružuje i sadrži tijela koja su u magnetskom ili električnom stanju, te je naglasio da taj sam prostor može biti prazan i ispunjen apsolutno bilo kojom vrstom materije, ali polje će i dalje imati mjesto.

1873. Maxwell je objavio Traktat o električnoj energiji i magnetizmu, gdje je uveo sustav jednadžbi koji kombiniraju elektromagnetske pojave. Dao im je naziv općih jednadžbi elektromagnetskog polja, a do danas ih nazivaju Maxwell-ove jednadžbe. Prema Maxwell-ovoj teoriji magnetizam je posebna vrsta interakcije između električnih struja, To je temelj na kojem se grade sva teorijska i eksperimentalna djela vezana za magnetizam.

Pročitajte i na ovu temu:Induktori i magnetska polja