물리학의 자기 현상 - 역사, 예 및 흥미로운 사실
자기와 전기
자석의 첫 번째 실제 적용은 물이나 기름에 담긴 플러그 위에 떠 있는 자화된 강철 조각의 형태였습니다. 이 경우 자석의 한쪽 끝은 항상 북쪽을 가리키고 다른 쪽 끝은 남쪽을 가리킵니다. 선원들이 사용한 최초의 나침반이었습니다.
오래 전, 우리 시대보다 몇 세기 전에 사람들은 양모로 문지르면 호박색의 수지 물질이 종이 조각, 실 조각, 보풀과 같은 가벼운 물체를 끌어들이는 능력을 잠시 동안 받았다는 것을 알고있었습니다. 이 현상을 전기라고 합니다("전자"는 그리스어로 "황색"을 의미함). 나중에 마찰에 의해 대전 호박색뿐만 아니라 유리, 왁스 스틱 등 다른 물질도 사용할 수 있습니다.
오랫동안 사람들은 자기와 전기라는 두 가지 특이한 자연 현상 사이의 연관성을 보지 못했습니다. 끌어당기는 속성: 자석은 철을 끌어당기고 유리 막대는 양모 종이 조각으로 문지릅니다.사실, 자석은 지속적으로 작동하고 전기가 통하는 물체는 잠시 후 속성을 잃지 만 둘 다 "유인"합니다.
그러나 이제 17세기 말에 번개 — 전기 현상 — 강철 물체 근처에 부딪히면 물체가 자화될 수 있습니다. 예를 들어, 나무 상자에 누워있는 강철 칼이 번개가 상자를 치고 부러진 후 소유자의 형언 할 수없는 놀라움으로 자화 된 것으로 판명되었습니다.
시간이 지남에 따라 점점 더 많은 사례가 관찰됩니다. 그러나 이것은 여전히 전기와 자기 사이에 강한 연관성이 있다고 생각하는 이유를 제공하지 않습니다. 이러한 연결은 약 180년 전에 확립되었습니다. 그런 다음 나침반의 자기 바늘이 근처에 전선을 놓으면 즉시 이탈하는 것이 관찰되었습니다. 전류가 흐른다.
거의 동시에 과학자들은 그다지 눈에 띄지 않는 또 다른 현상을 발견했습니다. 전류가 흐르는 전선이 작은 철 부스러기를 끌어당길 수 있다는 것이 밝혀졌습니다. 그러나 톱밥이 즉시 떨어져서 와이어가 자기 특성을 잃기 때문에 와이어의 전류를 멈출 가치가 있습니다.
마지막으로 전류의 또 다른 특성이 발견되어 마침내 전기와 자기의 연결을 확인했습니다. 전류가 흐르는 와이어 코일의 중앙에 강철 바늘이 놓여 있음이 밝혀졌습니다 (이러한 코일을 솔레노이드)는 마치 천연 자석으로 문지른 것과 같은 방식으로 자화됩니다.
전자석과 그 사용
스틸바늘과의 경험으로부터 탄생했습니다 전자석... 과학자들은 와이어 코일 중앙에 바늘 대신 연철 막대를 배치하여 코일에 전류가 흐르면 철이 자석의 성질을 얻고 전류가 멈추면 이 성질을 잃는다고 확신했습니다. . 동시에 솔레노이드의 와이어가 더 많이 감길수록 전자석이 더 강해집니다.
움직이는 자석의 영향으로 와이어 코일에 전류가 생성됩니다.
처음에 전자석은 많은 사람들에게 재미있는 물리적 장치로 보였습니다. 사람들은 가까운 장래에 가장 광범위한 응용 프로그램을 찾고 많은 장치와 기계의 기초 역할을 할 것이라고 의심하지 않았습니다. 전자기 유도 현상의 실용화).
전자기 릴레이의 작동 원리
전류가 와이어에 자기적 특성을 부여한다는 사실이 밝혀진 후 과학자들은 다음과 같은 질문을 던졌습니다. 전기와 자기 사이에 반비례 관계가 있습니까? 예를 들어, 와이어 코일 내부에 강한 자석을 배치하면 해당 코일을 통해 전류가 흐르게 됩니까?
실제로 고정 자석의 작용으로 전선에 전류가 나타난다면 이것은 완전히 모순됩니다 에너지 보존 법칙… 이 법칙에 따르면 전류를 얻기 위해서는 전기 에너지로 변환될 다른 에너지를 소비해야 합니다. 자석의 도움으로 전류가 생성되면 자석의 움직임에 소비된 에너지가 전기 에너지로 변환됩니다.
자기 현상 연구
XIII 세기 중반에 호기심 많은 관찰자들은 나침반의 자기 손이 서로 상호 작용한다는 사실을 발견했습니다. 같은 방향을 가리키는 끝은 서로 밀어 내고 다른 방향을 가리키는 끝은 끌어 당깁니다.
이 사실은 과학자들이 나침반의 작용을 설명하는 데 도움이 되었습니다. 지구본은 거대한 자석이고 나침반 바늘의 끝은 지구의 한 자극에 의해 쫓겨나고 다른 자극에 끌리기 때문에 완고하게 올바른 방향으로 회전한다고 가정합니다. 이 가정은 사실로 밝혀졌습니다.
자기 현상 연구에서 어떤 힘을 가진 자석에 붙는 작은 철가루가 큰 도움이 되었습니다. 우선, 대부분의 톱밥이 자석의 두 특정 위치, 즉 자석의 극에 달라붙는다는 사실을 알게 되었습니다. 모든 자석에는 항상 적어도 두 개의 극이 있으며 그 중 하나는 북쪽(C)이고 다른 하나는 남쪽(S)이라고 합니다.
철가루는 자석 주변 공간의 자기장선 위치를 보여줍니다.
막대 모양의 자석에서 극은 대부분 막대의 끝에 위치합니다. 관찰자들이 자석이 놓인 유리나 종이에 철가루를 뿌린다고 가정했을 때 특히 생생한 그림이 관찰자들의 눈앞에 나타났습니다. 부스러기는 자석의 극에 밀접하게 간격을 두고 있습니다. 그런 다음 철 입자가 함께 묶인 가는 선의 형태로 한 극에서 다른 극으로 뻗어나갔습니다.
자기 현상에 대한 추가 연구에 따르면 자석 주변 공간에 특별한 자기력이 작용하거나 자기장… 자기력의 방향과 강도는 자석 위에 있는 철가루로 표시됩니다.
톱밥 실험은 많은 것을 가르쳐주었습니다. 예를 들어, 철 조각이 자석의 극에 접근합니다. 동시에 톱밥이 놓인 종이를 조금 흔들면 톱밥 패턴이 바뀌기 시작합니다. 자력선이 보이는 것처럼 됩니다. 그들은 자석의 극에서 철 조각으로 이동하고 철이 극에 접근함에 따라 두꺼워집니다. 동시에 자석이 철 조각을 끌어 당기는 힘도 증가합니다.
전자석의 쇠막대의 어느 쪽 끝이 코일에 전류가 흐를 때 형성되는 N극이고 S극은 어느 쪽입니까? 코일의 전류 방향으로 쉽게 결정할 수 있습니다. 전류(음전하의 흐름)는 소스의 음극에서 양극으로 흐르는 것으로 알려져 있습니다.
이것을 알고 전자석의 코일을 보면 전자석의 권선에서 전류가 흐르는 방향을 상상할 수 있습니다. 전류가 시계 방향으로 원형 운동을 하는 전자석의 끝 부분에는 N극이 형성되고, 전류가 시계 반대 방향으로 움직이는 스트립의 다른 쪽 끝에는 S극이 형성됩니다. 전자석 코일의 전류 방향을 바꾸면 극도 바뀝니다.
또한 영구 자석과 전자석은 직선 막대 형태가 아니라 반대 극이 서로 가까워지도록 구부러져 있을 때 훨씬 더 강하게 끌어당긴다는 사실도 관찰되었습니다.이 경우 하나의 극이 끌어당기는 것이 아니라 두 개의 극이 끌어당기며, 게다가 자력선은 공간에 덜 분산되어 극 사이에 집중됩니다.
끌리는 철제 물체가 양쪽 극에 달라붙으면 말굽형 자석이 힘선을 공간으로 분산시키는 것을 거의 멈춥니다. 이것은 종이에 같은 톱밥으로 쉽게 볼 수 있습니다. 이전에는 한 극에서 다른 극으로 확장되었던 자기력선이 이제는 마치 공기보다 철을 통과하는 것이 더 쉬운 것처럼 끌리는 철 물체를 통과합니다.
연구에 따르면 이것이 실제로 사실입니다. 새로운 개념이 등장했습니다. 투자율, 자력선이 어떤 물질을 통과하는 것이 공기를 통과하는 것보다 몇 배나 더 쉬운지를 나타내는 값입니다. 철과 일부 합금은 자기 투자율이 가장 높습니다. 이것은 금속 중에서 철이 자석에 가장 많이 끌리는 이유를 설명합니다.
또 다른 금속인 니켈은 자기 투자율이 더 낮은 것으로 밝혀졌습니다. 그리고 자석에 덜 끌립니다. 어떤 다른 물질은 공기보다 투자율이 더 커서 자석에 끌리는 것으로 밝혀졌습니다.
그러나 이러한 물질의 자기 특성은 매우 약하게 표현됩니다. 따라서 전자석이 어떤 식 으로든 작동하는 모든 전기 장치 및 기계는 오늘날까지 철 없이는 철을 포함하는 특수 합금 없이는 할 수 없습니다.
당연히 전기공학 초기부터 철과 철의 자기적 특성에 대한 연구에 많은 관심을 기울였습니다.사실, 이 분야에서 엄격한 과학적 계산은 1872년 러시아 과학자 Alexander Grigorievich Stoletov가 수행한 연구 이후에만 가능해졌습니다. 그는 각 철 조각의 자기 투자율이 일정하지 않다는 것을 발견했습니다. 그녀는 변하고 있다 이 조각의 자기화 정도.
Stoletov가 제안한 철의 자기 특성을 테스트하는 방법은 큰 가치가 있으며 우리 시대의 과학자와 엔지니어가 사용합니다. 자기 현상의 본질에 대한 더 깊은 연구는 물질 구조 이론이 발전한 후에야 가능해졌습니다.
자성에 대한 현대적 이해
우리는 이제 모든 화학 원소가 원자로 이루어져 있다 - 비정상적으로 작은 복잡한 입자. 원자의 중심에는 양전하를 띤 핵이 있습니다. 음전하를 띤 입자인 전자가 그 주위를 돌고 있습니다. 전자의 수는 다른 화학 원소의 원자에 대해 동일하지 않습니다. 예를 들어, 수소 원자는 핵 주위를 돌고 있는 전자가 단 하나인 반면 우라늄 원자는 92개입니다.
다양한 전기 현상을 주의 깊게 관찰함으로써 과학자들은 전선의 전류가 전자의 움직임에 지나지 않는다는 결론에 도달했습니다. 이제 전류가 흐르는, 즉 전자가 움직이는 전선 주위에는 항상 자기장이 발생한다는 것을 기억하십시오.
따라서 자기장은 전자의 운동이 있는 곳에 항상 나타난다. 즉, 자기장의 존재는 전자의 운동의 결과이다.
질문이 생깁니다. 모든 물질에서 전자는 원자핵 주위를 지속적으로 회전하고 있는데, 이 경우 각 물질이 자기 주위에 자기장을 형성하지 않는 이유는 무엇입니까?
현대 과학은 이에 대해 다음과 같이 대답합니다. 각 전자는 단순한 전하 이상의 것을 가지고 있습니다. 그것은 또한 자석의 성질을 가지고 있는데, 그것은 작은 원소 자석이기 때문에 전자가 핵 주위를 이동할 때 생성된 자기장이 자신의 자기장에 더해집니다.
이 경우 접히는 대부분의 원자의 자기장은 완전히 파괴되고 흡수됩니다. 그리고 철, 니켈, 코발트, 그리고 그보다 훨씬 덜한 다른 원자와 같은 소수의 원자에서만 자기장이 불균형한 것으로 판명되며 원자는 작은 자석입니다. 이러한 물질을 강자성 ("Ferrum"은 철을 의미합니다).
강자성 물질의 원자가 무작위로 배열되면 서로 다른 방향으로 향하는 서로 다른 원자의 자기장이 결국 서로 상쇄됩니다. 그러나 자기장이 합산되도록 회전시키면(자화에서 우리가 하는 일입니다) 자기장은 더 이상 상쇄되지 않고 서로 합산됩니다.
몸 전체(철 조각)가 주변에 자기장을 생성하여 자석이 됩니다. 유사하게, 전자가 한 방향으로 이동할 때, 예를 들어 와이어에 전류가 흐르면 개별 전자의 자기장이 전체 자기장에 추가됩니다.
차례로 외부 자기장에 갇힌 전자는 항상 후자에 노출됩니다. 이를 통해 자기장을 사용하여 전자의 이동을 제어할 수 있습니다.
위의 모든 것은 대략적이고 매우 단순화된 체계일 뿐입니다. 실제로 와이어와 자성체에서 발생하는 원자 현상은 더 복잡합니다.
자석과 자기 현상의 과학(자기학)은 현대 전기 공학에 매우 중요합니다.이 과학의 발전에 큰 공헌을 한 것은 전 세계적으로 "Akulov의 법칙"으로 알려진 중요한 법칙을 발견한 자기학자 Nikolay Sergeevich Akulov였습니다. 이 법칙을 통해 전기 전도성, 열 전도성 등과 같은 금속의 중요한 특성이 자화 중에 어떻게 변하는지 미리 결정할 수 있습니다.
여러 세대에 걸쳐 과학자들은 자기 현상의 신비를 파헤치고 이러한 현상을 인류에게 제공하기 위해 노력해 왔습니다. 오늘날 수백만 개의 가장 다양한 자석과 전자석이 다양한 전기 기계 및 장치에서 인간의 이익을 위해 작동합니다. 그들은 힘든 육체 노동에서 사람들을 해방시키고 때로는 없어서는 안될 종입니다.
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