物理学における磁気現象 - 歴史、例、興味深い事実
磁気と電気
磁石の最初の実用化は、水または油中のプラグ上に浮かぶ磁化された鋼片の形でした。この場合、磁石の一方の端は常に北を指し、もう一方の端は南を指します。それは船乗りによって使用された最初のコンパスでした。
私たちの時代の数世紀前、人々は、樹脂状の物質、つまり琥珀を羊毛でこすると、しばらくの間、紙片、糸片、綿毛などの軽い物体を引き寄せる能力があることを知っていました。この現象は電気と呼ばれます（「電子」はギリシャ語で「琥珀」を意味します）。後で気づいたのですが、 摩擦により帯電する 琥珀だけでなく、ガラス、ワックススティックなどの他の物質も使用できます。
長い間、人々は磁気と電気という 2 つの異常な自然現象の間に何の関連性があるとは考えていませんでした。共通しているのは外部の兆候だけであるように見えました。つまり、磁石が鉄を引き付ける、そして羊毛の紙切れでこすられたガラス棒という、引き付ける性質だけです。確かに、磁石は常に作用しており、帯電した物体はしばらくするとその特性を失いますが、両方とも「引き付けます」。
しかし、17世紀末になって、次のことに気づきました。 雷 — 電気現象 — 鋼製の物体の近くに衝撃を与えると磁化することがあります。したがって、たとえば、木の箱の中に横たわっていた鋼製のナイフが、雷が箱に落ちて壊れた後、磁化されていることが判明し、所有者は言葉では言い表せない驚きを覚えました。
時間が経つにつれて、そのようなケースがますます多く観察されます。しかし、これは依然として電気と磁気の間に強い関係があると考える理由にはなりません。このようなつながりが確立されたのは、わずか約 180 年前です。その後、コンパスの磁針の近くにワイヤーを置くとすぐに磁針がずれることが観察されました。 電流が流れる.
ほぼ同時に、科学者たちは別の、同様に衝撃的な現象を発見しました。電流が流れるワイヤー自体が小さな鉄の削りくずを引き寄せることができることが分かりました。ただし、おがくずはすぐにバラバラになり、ワイヤーの磁気特性が失われたため、ワイヤーの電流を止める価値がありました。
最後に、電流の別の性質が発見され、電気と磁気の関係が最終的に確認されました。電流が流れるワイヤーコイルの真ん中に鋼の針が配置されていることが判明しました（このようなコイルはと呼ばれます） ソレノイド）は自然の磁石で擦ったのと同じように磁化されます。
電磁石とその使用
鋼針の経験から生まれました 電磁石…針の代わりに軟鉄の棒をワイヤーコイルの中央に配置することにより、科学者たちは、コイルに電流が流れると鉄は磁石の性質を獲得し、電流が止まるとこの性質を失うと確信しました。 。同時に、ソレノイド内のワイヤーの巻き数が増えるほど、電磁石が強くなることがわかりました。
動く磁石の影響で、ワイヤーコイルに電流が発生します。
当初、多くの人にとって、電磁石は単なる面白い物理的な装置に見えました。人々は、近い将来、それが最も幅広い用途に使用され、多くのデバイスやマシンの基礎として機能することを疑うことはありませんでした (—を参照) 電磁誘導現象の実用化).
電磁リレーの動作原理
電流がワイヤに磁気特性を与えることが確立された後、科学者は次のような疑問を投げかけました：電気と磁気の間には逆の関係はあるのでしょうか？たとえば、ワイヤーのコイル内に強力な磁石を配置すると、そのコイルに電流が流れるでしょうか?
実際、固定磁石の作用によりワイヤに電流が発生した場合、これは完全に矛盾します。 エネルギー保存の法則…この法則によれば、電流を得るには、電気エネルギーに変換される他のエネルギーを消費する必要があります。磁石の助けを借りて電流が生成されると、磁石の動きに費やされるエネルギーが電気エネルギーに変換されます。
磁気現象の研究
13 世紀の半ば、好奇心旺盛な観察者たちは、コンパスの磁気針が相互に作用していることに気づきました。同じ方向を向いた端は互いに反発し、異なる方向を向いた端は引き付け合うのです。
この事実は、科学者がコンパスの動作を説明するのに役立ちました。地球は巨大な磁石であり、方位磁石の針の端は地球の 1 つの磁極によって反発され、もう 1 つの磁極によって引き付けられるため、頑固に正しい方向を向いていると考えられます。この仮定は真実であることが判明しました。
磁気現象の研究では、あらゆる力の磁石に付着する小さな鉄のやすりが非常に役に立ちます。まず第一に、ほとんどのおがくずは磁石上の 2 つの特定の場所、またはいわゆる磁石の極に付着していることがわかりました。すべての磁石には常に少なくとも 2 つの極があることが判明し、そのうちの 1 つは北 (C)、もう 1 つは南 (S) と呼ばれるようになりました。
鉄粉は磁石の周囲の空間における磁力線の位置を示します
棒状の磁石では、ほとんどの場合、その極は棒の端にあります。観察者が鉄やすりをガラスや紙の上に振りかけ、その下に磁石を置くと仮定すると、特に鮮やかな絵が目の前に現れました。削りくずは磁石の極に狭い間隔で配置されます。そして、それらは細い線、つまり結合した鉄粒子の形で、一方の極からもう一方の極まで伸びました。
磁気現象のさらなる研究により、特殊な磁力が磁石の周囲の空間に作用することがわかりました。 磁場… 磁力の方向と強さは、磁石の上にある鉄のやすりによって示されます。
おがくずを使った実験は多くのことを教えてくれました。たとえば、鉄片が磁石の極に近づきます。同時におがくずが置かれている紙を少し振ると、おがくずのパターンが変化し始めます。磁力線が見えるようになります。それらは磁石の極から鉄片まで通過し、鉄が極に近づくにつれて厚くなります。同時に、磁石が鉄片をそれ自体に引き寄せる力も増加します。
コイルに電流が流れると、電磁石の鉄棒のどちらの端にN極が形成され、どちらの端にS極が形成されますか?コイルに流れる電流の方向によって簡単に判断できます。電流（マイナス電荷の流れ）は電源のマイナス極からプラス極に流れることが知られています。
これを知って電磁石のコイルを見ると、電磁石の巻線で電流がどの方向に流れるかを想像できます。電流が時計回りに円運動する電磁石の端には N 極が形成され、電流が反時計回りに流れるストリップのもう一方の端には S 極が形成されます。電磁石のコイルに流れる電流の方向を変えると、その極も変わります。
さらに、永久磁石と電磁石の両方が真っ直ぐな棒の形ではなく、反対の極が互いに近づくように曲げられている場合、より強く引き合うことが観察されました。この場合、1 つの極が引き合うのではなく 2 つの極が引き付けられ、さらに磁力線が空間に分散することが少なくなり、磁力線は極間に集中します。
引き付けられた鉄の物体が両極に付着すると、馬蹄形磁石は空間への力線の散逸をほぼ停止します。これは、同じおがくずを紙に書くと簡単にわかります。以前は一方の極からもう一方の極まで伸びていた磁力線は、あたかも空気を通過するよりも鉄を通過しやすいかのように、引き寄せられた鉄の物体を通過します。
研究によると、これが実際に当てはまることがわかっています。新しい概念が登場しました — 透磁率は、磁力線が空気を通過する場合に比べて、物質を通過しやすいことを示す値を示します。鉄とその合金の一部は、最も高い透磁率を持っています。これは、金属の中で鉄が磁石に最も引き付けられる理由を説明します。
別の金属であるニッケルは、透磁率が低いことが判明しました。そして磁石に引き寄せられにくいです。他の特定の物質は空気よりも透磁率が大きいため、磁石に引き寄せられることがわかっています。
しかし、これらの物質の磁気特性は非常に弱く表現されます。したがって、今日に至るまで、電磁石が何らかの形で機能するすべての電気機器や機械は、鉄または鉄を含む特殊な合金なしでは機能しません。
当然のことながら、電気工学のほぼ初期から、鉄とその磁気特性の研究には多くの注意が払われてきました。この分野における厳密な科学的計算は、1872 年にロシアの科学者アレクサンダー・グリゴリエヴィチ・ストレトフが行った研究の後にのみ可能になりました。彼は、各鉄片の透磁率が一定ではないことを発見しました。彼女は変わりつつある この作品の磁化の程度については.
ストレトフによって提案された鉄の磁気特性をテストする方法は非常に価値があり、現代の科学者や技術者によって使用されています。磁気現象の性質についてのより深い研究は、物質の構造理論の発展後にのみ可能になりました。
磁気の現代的な理解
私たちは今、あらゆる化学元素が 原子で構成されています — 異常に小さい複雑な粒子。原子の中心には、プラスの電気を帯びた原子核があります。マイナスの電荷を帯びた粒子である電子がその周りを回っています。電子の数は、異なる化学元素の原子では同じではありません。たとえば、水素原子には原子核の周りを回る電子が 1 つだけありますが、ウラン原子には 92 の電子があります。
科学者たちは、さまざまな電気現象を注意深く観察することにより、電線に流れる電流は電子の動きにすぎないという結論に達しました。ここで、電流が流れる、つまり電子が移動するワイヤの周囲には常に磁場が発生することを思い出してください。
電子の運動があるところには常に磁場が現れるということになります。言い換えれば、磁場の存在は電子の運動の結果です。
どのような物質においても、電子は常に原子核の周りを回転しているのに、なぜ各物質はそれ自身の周りに磁場を形成しないのかという疑問が生じます。
現代科学はこれに対して次のような答えを与えています。各電子は単なる電荷以上のものを持っています。また、小さな磁石単体であるため、電子が原子核の周りを移動する際に生成する磁場が、電子自体の磁場に加えられるという磁石の性質も持っています。
この場合、ほとんどの原子の磁場は折り畳まれて完全に破壊され、吸収されます。そして、鉄、ニッケル、コバルトなどの少数の原子だけで、他の原子では磁場のバランスが崩れていることが判明し、原子は小さな磁石になります。これらの物質はと呼ばれます 強磁性の （「フェルム」とは鉄を意味します）。
強磁性体の原子がランダムに配置されている場合、異なる方向を向いた異なる原子の磁場は最終的に互いに打ち消し合います。しかし、磁場が加算されるようにそれらを回転すると、磁場はもはや相殺されず、互いに加算されます。
体全体（鉄片）が周囲に磁場を作り、磁石になります。同様に、電子が一方向に移動する場合、たとえばワイヤ内の電流で発生すると、個々の電子の磁場が全体の磁場に加わります。
同様に、外部磁場に閉じ込められた電子は常に外部磁場にさらされます。これにより、磁場を使用して電子の動きを制御できるようになります。
上記はすべて、非常に単純化された近似的なスキームにすぎません。実際には、ワイヤや磁性材料で発生する原子現象はさらに複雑です。
磁石と磁気現象の科学、つまり磁気学は、現代の電気工学にとって非常に重要です。この科学の発展に多大な貢献を果たしたのは、「アクロフの法則」として世界中で知られる重要な法則を発見した磁気学者ニコライ・セルゲイビッチ・アクロフです。この法則により、電気伝導率や熱伝導率などの金属の重要な特性が磁化中にどのように変化するかを事前に判断することが可能になります。
何世代にもわたる科学者は、磁気現象の謎を解明し、これらの現象を人類の役に立てるように取り組んできました。今日、何百万もの最も多様な磁石や電磁石が、さまざまな電気機械や装置において人間の利益のために働いています。彼らは人々を重労働から解放し、時には欠かせない奉仕者となることもあります。
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