Magnētisms - no Thales līdz Maxwell

Tūkstoš gadus pirms pirmajiem elektrisko parādību novērojumiem cilvēce jau ir sākusi uzkrāties zināšanas par magnētismu. Un tikai pirms četrsimt gadiem, kad tikko bija sākusies fizikas kā zinātnes veidošanās, pētnieki atdalīja vielu magnētiskās īpašības no to elektriskajām īpašībām, un tikai pēc tam viņi sāka tās patstāvīgi pētīt. Tas lika eksperimentālo un teorētisko pamatu, kas 19. gadsimta vidū kļuva par e pamatuelektrisko un magnētisko parādību teorija.

Šķiet, ka magnētiskās dzelzs rūdas neparastās īpašības bija zināmas jau kopš bronzas laikmeta Mesopotāmijā. Un pēc dzelzs metalurģijas attīstības sākuma cilvēki pamanīja, ka tā piesaista dzelzs izstrādājumus. Arī senās grieķu filozofs un matemātiķis Thales no Miletus pilsētas (640–546 BC) domāja par šīs pievilcības iemesliem, viņš šo atrakciju attiecināja uz minerāla animāciju.

Grieķijas domātāji iedomājās, kā neredzamie pāri apņem magnetītu un dzelzi, kā šie pāri piesaista vielas viens otram. Vārds "Magnēts" tas varētu notikt ar Magnesia-u-Sipila pilsētas nosaukumu Mazajā Āzijā, pie kuras atradās magnets. Viena no leģendām vēsta, ka gans Magnis kaut kā parādījās ar savām aitām blakus klintis, kas viņam pievilka personāla dzelzs galu un zābakus.

Senajā ķīniešu traktātā "Meistara Liu pavasara un rudens pieraksti" (240. g. P.m.ē.) ir minēts magneta īpašums, kas sev pievelk dzelzi. Pēc simts gadiem ķīnieši atzīmēja, ka magnetīts nepiesaista varu vai keramiku. 7-8 gadsimtā viņi pamanīja, ka magnetizētā dzelzs adata, brīvi piekārtota, pagriežas pret Ziemeļzvaigzni.

Tātad līdz 11. gadsimta otrajai pusei Ķīna sāka ražot jūras kompasus, kurus Eiropas jūrnieki apguva tikai simts gadus pēc ķīniešiem. Tad ķīnieši jau ir atklājuši magnetizētās adatas spēju novirzīties virzienā uz ziemeļiem uz ziemeļiem un tādējādi atklājuši magnētisko deklināciju, apsteidzot Eiropas jūrniekus, kuri tieši pie šāda secinājuma nonāca tikai 15. gadsimtā.

Eiropā pirmais, kas aprakstīja dabisko magnētu īpašības, bija filozofs no Francijas Pjērs de Marikurts, kurš 1269. gadā dienēja Sicīlijas karaļa Kārļa Anjou armijā. Vienas Itālijas pilsētas aplenkuma laikā viņš nosūtīja draugam Pikardijai dokumentu, kas zinātnes vēsturē nonāca ar nosaukumu “Vēstule par magnētu”, kur viņš stāstīja par saviem eksperimentiem ar magnētisko dzelzs rūdu.

Marikurs atzīmēja, ka jebkurā magneta gabalā ir divas zonas, kuras sevišķi spēcīgi piesaista dzelzi. Viņš pamanīja šo līdzību ar debess sfēras poliem, tāpēc viņš aizņēmās to nosaukumus, lai norādītu maksimālā magnētiskā spēka apgabalus. Turpinot tradīciju, magnētu stabi sāka saukt par dienvidu un ziemeļu magnētiskajiem stabiem.

Marikurs rakstīja: ja jūs kādu magnīta gabalu sadalīsit divās daļās, tad katram polim būs savi stabi.

Marikurs pirmo reizi saistīja magnētisko polu atgrūšanu un pievilcību ar pretējo (dienvidu un ziemeļu) vai tāda paša nosaukuma polu mijiedarbību. Marikuru pamatoti uzskata par Eiropas eksperimentālās zinātniskās skolas pionieri, viņa piezīmes par magnētismu tika reproducētas desmitiem sarakstu, un, parādoties drukāšanai, tās tika publicētas brošūras veidā. Viņus citēja daudzi dabaszinātnieki līdz 17. gadsimtam.

Ar grūtībām Marikura bija labi pazīstams arī ar angļu dabaszinātnieku, zinātnieku un ārstu Viljamu Hilbertu. 1600. gadā viņš publicēja darbu par magnētu, magnētiskajiem ķermeņiem un lielo magnētu - zemi.Šajā darbā Hilberts citēja visu tajā laikā zināmo informāciju par dabisko magnētisko materiālu un magnetizētās dzelzs īpašībām, kā arī aprakstīja savus eksperimentus ar magnētisko bumbiņu, kurā viņš reproducēja zemes magnētisma modeli.

Jo īpaši viņš eksperimentāli atklāja, ka abos "mazās zemes" polos kompasa adata griežas perpendikulāri tās virsmai, tā ir uzstādīta pie ekvatora paralēli, un vidējā platuma grādos tā tiek pagriezta starpstāvoklī. Šādā veidā Hilberts spēja simulēt magnētisko slīpumu, kas Eiropā bija pazīstams vairāk nekā 50 gadus (1544. gadā to aprakstīja Nirnbergas mehāniķis Džordžs Hartmans).

Hilberts reproducēja arī ģeomagnētisko deklināciju, kuru viņš attiecināja nevis uz perfekti gludo bumbiņas virsmu, bet planētu mērogā viņš šo efektu skaidroja ar pievilcību starp kontinentiem. Viņš atklāja, cik daudz karstā dzelzs zaudē magnētiskās īpašības, un, atdzesējot, atjauno tās. Visbeidzot, Hilberts bija pirmais, kurš skaidri nošķīra magnēta pievilcību un ar vilnu noberztās dzintara pievilcību, ko viņš sauca par elektrisko spēku. Tas bija patiesi novatorisks darbs, ko novērtēja gan laikabiedri, gan pēcnācēji. Hilberts atklāja, ka Zeme pamatoti tiks uzskatīta par “lielu magnētu”.

Līdz pašam 19. gadsimta sākumam magnētisma zinātne bija attīstījusies ļoti maz. 1640. gadā Benedetto Castelli, Galileo students, magnīta pievilcību skaidroja ar daudzām ļoti mazām magnētiskām daļiņām, kas to veido.

1778. gadā Holandes dzimtais Sebalds Brugmans pamanīja, kā bismuts un antimons atgrūž magnētiskās adatas stabiņus, kas bija pirmais fiziskās parādības piemērs, kuru Faraday vēlāk sauca diamagnētisms.

Charles-Augustin Coulomb 1785. gadā, veicot precīzus vērpes līdzsvara mērījumus, to pierādīja magnētisko polu mijiedarbības spēks viens ar otru ir apgriezti proporcionāls attāluma kvadrātam starp poliem - tikpat precīzi kā elektrisko lādiņu mijiedarbības spēks.

Kopš 1813. gada dāņu fiziķis Oersteds centīgi eksperimentēja, lai izveidotu savienojumu starp elektrību un magnētismu. Pētnieks kā indikatorus izmantoja kompasus, taču ilgu laiku nespēja sasniegt mērķi, jo gaidīja, ka magnētiskais spēks ir paralēls strāvai, un elektrisko vadu novietoja taisnā leņķī pret kompasa adatu. Bultiņa nereaģēja uz strāvas rašanos.

1820. gada pavasarī vienas no lekcijām laikā Oersteds stiepja stiepli paralēli bultiņai, un nav skaidrs, kas viņu noveda pie šīs idejas. Un tā bulta pagriezās. Oersted kāda iemesla dēļ vairākus mēnešus pārtrauca eksperimentus, pēc tam viņš atgriezās pie tiem un saprata, ka "elektriskās strāvas magnētiskais efekts ir vērsts gar lokiem, kas ieskauj šo strāvu".

Secinājums bija paradoksāls, jo iepriekš rotējošie spēki neizpaudās ne mehānikā, ne citur fizikā. Oersteds uzrakstīja rakstu, kurā viņš izklāstīja savus atklājumus, un vairs nekad nenodarbojās ar elektromagnētismu.

Tā paša gada rudenī francūzis Andre-Marie Ampère sāka eksperimentus. Pirmkārt un galvenokārt, atkārtojis un apstiprinājis Oersteda rezultātus un secinājumus, oktobra sākumā viņš atklāja vadītāju pievilcību, ja strāvas tajos ir vērstas vienādi, un atgrūšanu, ja straumes ir pretējas.

Ampère arī izpētīja ne paralēlu vadītāju mijiedarbību ar strāvu, pēc tam viņš to aprakstīja ar formulu, ko vēlāk sauca Amperes likums. Zinātnieks arī parādīja, ka satītie vadi ar strāvu griežas magnētiskā lauka ietekmē, kā tas notiek ar kompasa adatu.

Visbeidzot, viņš izvirzīja molekulāro straumju hipotēzi, saskaņā ar kuru magnetizēto materiālu iekšpusē ir nepārtrauktas mikroskopiskas apļveida strāvas, kas atrodas paralēli viena otrai, kas izraisa materiālu magnētisko darbību.

Tajā pašā laikā Bio un Savards kopīgi izstrādāja matemātisko formulu, kas ļauj aprēķināt līdzstrāvas magnētiskā lauka intensitāti.

Un tā, līdz 1821. gada beigām Maikls Faradejs, jau strādājot Londonā, izgatavoja ierīci, kurā strāvu nesošs vadītājs rotēja ap magnētu, bet cits magnēts - ap citu vadītāju.

Faraday ierosināja, ka gan magnēts, gan vads ir pārklāti ar koncentriskām spēka līnijām, kas nosaka to mehānisko iedarbību.

Laika gaitā Faraday pārliecinājās par magnētisko spēka līniju fizisko realitāti. Līdz 1830. gadu beigām zinātnieks jau skaidri zināja, ka gan pastāvīgo magnētu, gan strāvas vadītāju enerģija tiek izplatīta telpā, kas tos ieskauj, un kas bija piepildīta ar magnētiskām spēka līnijām. 1831. gada augustā pētniekam izdevās iegūt magnētismu, lai radītu elektrisko strāvu.

Ierīce sastāvēja no dzelzs gredzena ar diviem pretējiem tinumiem, kas atradās uz tā. Pirmo tinumu varēja saīsināt ar elektrisko akumulatoru, bet otrais tika savienots ar vadītāju, kas novietots virs magnētiskā kompasa bultiņas. Kad caur pirmās spoles vadu plūda līdzstrāva, bultiņa nemainīja savu stāvokli, bet gan tās izslēgšanas, gan ieslēgšanas brīžos sāka šūpoties.

Faraday secināja, ka šajos mirkļos otrā tinuma vadā bija elektriski impulsi, kas saistīti ar magnētiskā lauka līniju pazušanu vai rašanos. Viņš atklāja, ka topošā elektromotora spēka cēlonis ir izmaiņas magnētiskajā laukā.

1857. gada novembrī Faraday rakstīja vēstuli Skotijai profesoram Maksvelam ar lūgumu dot matemātisku formu zināšanām par elektromagnētismu. Maksvels izpildīja lūgumu. Elektromagnētiskā lauka jēdziens savos memuāros atrada vietu 1864. gadā.

Maksvels ieviesa terminu “lauks”, lai apzīmētu telpas daļu, kas ieskauj un satur ķermeņus, kuri atrodas magnētiskā vai elektriskā stāvoklī, un viņš uzsvēra, ka pati šī telpa var būt tukša un piepildīta ar absolūti jebkura veida matēriju, taču laukam joprojām būs vieta.

1873. gadā Maksvels publicēja traktātu par elektrību un magnētismu, kurā viņš ieviesa vienādojumu sistēmu, apvienojot elektromagnētiskās parādības. Viņš viņiem deva elektromagnētiskā lauka vispārīgo vienādojumu nosaukumu, un līdz šai dienai tos sauc par Maksvela vienādojumiem. Pēc Maksvela teorijas magnētisms ir īpaša veida mijiedarbība starp elektriskajām strāvām. Uz šī pamata tiek veidoti visi ar magnētismu saistītie teorētiskie un eksperimentālie darbi.

Lasiet arī par šo tēmu:Induktori un magnētiskie lauki