Магнетизам - од Тхалеса до Маквелл-а

Хиљаду година пре првих опажања електричних појава, човечанство се већ почело нагомилавати знање о магнетизму. И тек пре четири стотине година, када је формирање физике као науке тек започело, истраживачи су одвојили магнетна својства супстанци од њихових електричних својстава, а тек након тога почели су их самостално проучавати. Тиме су постављени експериментални и теоријски темељи, који су постали основа е средином 19. векатеорија електричних и магнетних појава.

Изгледа да су необична својства магнетне руде гвожђа била позната још из бронзаног доба у Мезопотамији. И након почетка развоја металургије гвожђа, људи су приметили да она привлачи производе од гвожђа. Древни грчки филозоф и математичар Тхалес из града Милетуса (640–546. Пр. Кр.) Такође је размишљао о разлозима за ову привлачност, а привлачност је приписао анимацији минерала.

Грчки мислиоци замишљали су како невидљиви парови омотавају магнетит и гвожђе, како ти парови привлаче супстанце једни другима. Реч "Магнет" могло се догодити да се име града Магнесиа-у-Сипила у Малој Азији налази близу магнетита. Једна од легенди каже да се пастир Магнис некако појавио са својим овцама поред стијене, које су повукле гвоздени врх свог штапа и чизме до њега.

У древном кинеском трактату „Пролећни и јесењи записи о мајстору Лиуу“ (240. пне) помиње се својство магнетита да привлачи гвожђе у себе. Након сто година, Кинези су приметили да магнетит не привлачи бакар или керамику. У 7-8 веку приметили су да се магнетизована гвожђа игла, слободно суспендована, окреће ка Северној звезди.

Дакле, у другој половини 11. века Кина је почела да производи морске компасе, које су европски морнари савладали само стотину година после Кинеза. Тада су Кинези већ открили способност магнетизоване игле да одступа у правцу источно од севера и тако открили магнетну деклинацију, испред европских морнара у овоме, који су до таквог закључка дошли тек у 15. веку.

У Европи је први описао својства природних магнета филозоф из Француске, Пјер де Марикорт, који је 1269. служио у војсци сицилијанског краља Карла Анжујског. Током опсаде једног од италијанских градова, послао је пријатељу Пицардију документ који је у историји науке ушао под именом „Писмо о магнету“, где је говорио о својим експериментима са магнетном рудом гвожђа.

Марикур је приметио да у било ком комаду магнетита постоје две области које посебно привлаче гвожђе. Приметио је у овој сличности са половима небеске сфере, па је позајмио њихова имена како би означио подручја максималне магнетне силе. Одатле је традиција почела називати полове магнета јужним и северним магнетним половима.

Марикур је написао да ако разбијете било који комад магнетита на два дела, сваки пол ће имати своје поре.

Марикур је први пут повезао ефекат одбојности и привлачности магнетних полова са интеракцијом супротних (јужни и северни), односно истоимених полова. Марикур се с правом сматра зачетником европске експерименталне научне школе, његове белешке о магнетизму репродуковане су у десетинама листа, а с појавом штампања објављене су у облику брошуре. Многи природњаци цитирали су их до 17. века.

Марикура је са потешкоћама добро познавала и енглеског природословца, научника и лекара Вилијама Хилберта. 1600. године објавио је дело „О магнету, магнетним телима и великом магнету - Земљи“.У овом раду Хилберт је цитирао све познате информације о својствима природних магнетних материјала и магнетизованог гвожђа, а описао је и сопствене експерименте са магнетном куглом, у којима је репродуковао модел земаљског магнетизма.

Конкретно, експериментално је утврдио да се на оба пола "мале земље" игла компаса ротира окомито на њену површину, паралелно је постављена на екватору, а на средњим ширинама је закретана у средњи положај. На овај начин Хилберт је могао да симулира магнетни нагиб који је у Европи био познат више од 50 година (1544. године га је описао Георг Хартман, механичар из Нирнберга).

Хилберт је такође репродуковао геомагнетну деклинацију, што је приписивао не савршено глаткој површини кугле, али је на планетарној скали објаснио овај ефекат привлачењем између континената. Открио је колико вруће гвожђе губи магнетна својства, а када се охлади, обнавља их. Најзад, Хилберт је био први који је јасно разликовао привлачност магнета и привлачност амбера натопљеног вуном, што је назвао електричном силом. Био је то заиста иновативан рад, кога су уважавали и савремени и потомци. Хилберт је открио да ће се Земља с правом сматрати „великим магнетом“.

До самог почетка 19. века, наука о магнетизму напредовала је врло мало. 1640. Бенедетто Цастелли, Галилеов студент, објаснио је привлачност магнетита многим веома малим магнетним честицама које га чине.

Године 1778. Себалд Бругманс, родом из Холандије, приметио је како бизмут и антимон одбијају полове магнетне игле, што је био први пример физичке појаве коју ће Фарадаи касније назвати дијамантизам.

Цхарлес-Аугустин Цоуломб 1785. године, тачним мерењима торзијске равнотеже, то је доказао сила интеракције магнетних полова међусобно је обрнуто пропорционална квадрату растојања између полова - тачно колико је и сила интеракције електричних набоја.

Од 1813, дански физичар Оерстед марљиво покушава експериментално успоставити везу између електричне енергије и магнетизма. Истраживач је користио компасе као показатеље, али дуго времена није могао да достигне циљ, јер је очекивао да је магнетна сила паралелна са струјом, и постављао је електричну жицу под правим углом у односу на иглу компаса. Стрелица није реаговала на појаву струје.

У пролеће 1820. године током једног од предавања Оерстед је повукао жицу паралелно са стрелицом и није јасно шта га је довело до ове идеје. И тако је стрела замахнула. Из неког разлога, Оерстед је неколико месеци зауставио експерименте, након чега се вратио њима и схватио да је "магнетни ефекат електричне струје усмерен дуж кругова који окружују ову струју".

Закључак је био парадоксалан, јер се пре тога ротирајуће силе нису манифестирале ни у механици ни на било којем другом месту у физици. Оерстед је написао чланак у коме је изнео своје налазе и више се није бавио електромагнетизмом.

У јесен исте године Француз Андре-Марие Ампере започео је експерименте. Прво и најважније, понављајући и потврђујући резултате и закључке Оерстеда, почетком октобра открио је привлачност проводника ако су струје у њима усмерене на исти начин и одбијање ако су струје супротне.

Ампер је такође проучавао интеракцију између паралелних проводника са струјом, након чега је то описао формулом која је касније названа Амперов закон. Научник је такође показао да се намотане жице са струјом ротирају под утицајем магнетног поља, као што се догађа са иглом компаса.

На крају, изнео је хипотезу о молекуларним струјама, према којима унутар магнетизованих материјала постоје непрекидне микроскопске кружне струје паралелне једна са другом, које изазивају магнетно дејство материјала.

Истовремено, Био и Савард заједно су развили математичку формулу која омогућава израчунавање интензитета истосмерног магнетног поља.

И тако је крај 1821. Мицхаел Фарадаи, који је већ радио у Лондону, направио уређај у коме се проводник са струјом ротира око магнета, а други магнет ротира око другог проводника.

Фарадаи је сугерисао да су и магнет и жица обавијени концентричним линијама силе које одређују њихов механички утицај.

Временом, Фарадаи се уверио у физичку стварност магнетних линија силе. На крају 1830-тих научник је већ био јасно свестан да се енергија сталних магнета и струјних проводника дистрибуира у простору који их окружује, који је био испуњен магнетним линијама силе. Августа 1831. истраживачу успео да стекне магнетизам за генерисање електричне струје.

Уређај се састојао од гвозденог прстена са два супротна намотаја. Прво намотавање је могло бити скраћено на електричну батерију, а друго је повезано са проводником постављеним изнад стрелице магнетног компаса. Када је једносмерна струја текла кроз жицу првог намотаја, стрелица није променила свој положај, већ је почела да се љуља у тренуцима искључивања и укључивања.

Фарадаи је закључио да у тим тренуцима у жици другог намотаја постоје електрични импулси повезани са нестанком или појавом линија магнетног поља. Открио је то узрок настајања електромоторне силе је промена магнетног поља.

У новембру 1857. Фарадаи је написао писмо у Шкотску професору Маквеллу са захтевом да се математичком облику да знање о електромагнетизму. Маквелл је испунио захтев. Концепт електромагнетног поља место је пронашао 1864. године у својим мемоарима.

Маквелл је представио термин "поље" да би се односио на део простора који га окружује и садржи тела која су у магнетном или електричном стању, и нагласио је да и сам тај простор може бити празан и испуњен апсолутно било којом врстом материје, али поље ће и даље имати место.

Године 1873. Маквелл је објавио Трактат о електричној енергији и магнетизму, где је увео систем једначина који комбинује електромагнетске појаве. Дао им је име опћих једнаџби електромагнетног поља и до данас их називају Маквелл-ове једначине. Према Маквелл-овој теорији магнетизам је посебна врста интеракције између електричних струја. То је темељ на којем су изграђена сва теоријска и експериментална дела везана за магнетизам.

Прочитајте и на ову тему:Индуктори и магнетна поља