Ocena użytkowników: 0 / 5

Gwiazdka nieaktywnaGwiazdka nieaktywnaGwiazdka nieaktywnaGwiazdka nieaktywnaGwiazdka nieaktywna
 

Magnetyzm jest jednym z najważniejszych elementów naszej cywilizacji - od ponad pół wieku, również obecnie, materiały magnetyczne w postaci dysków i taśm są wykorzystywane jako bardzo pojemne i trwałe nośniki informacji. Obecnie trwają też prace nad MRAM - pamięcią wykorzystującą zdobycze spinotroniki zamiast ładunku elektrycznego jak w zwykłych pamięciach półprzewodnikowych. Magnetyzm służy w napędach elektrycznych, badaniach naukowych i diagnostyce medycznej. Jaka jest więc historia magnetyzmu?

 

Pierwsze wzmianki o skutkach działania pola magnetycznego- zorzy polarnej, możemy znaleźć chociażby w postaci rysunków na ścianach jaskiń w południowej Francji czy w Biblii- w księdze Ezechiela. Drugim zjawiskiem przyrodniczym związanym z polem magnetycznym Ziemi są znane "od zawsze" sezonowe wędrówki ptaków. Ptaki posiadają zmysł pola magnetycznego i kierują się nim w podróży. Oczywiście przez bardzo długi czas tych dwóch obserwowalnych efektów nie wiązano w żaden sposób w ziemskim polem magnetycznym, którego istnienie zresztą stwierdzono dosyć późno.

 

Pierwsze informacje o „przyciągającej” skale związane są z miastem Magnesia (obecnie Manisa), gdzie wydobywano rudę żelaza- stąd jej nazwa- magnetyt. Co ciekawe- w języku angielskim istnieją dwa określenia na magnetyt. Pierwsze określenie- „magnetite” oznacza magnetyt jako minerał o określonej strukturze i stechiometrii. Drugie określenie- „lodestone” dotyczy wyłącznie takiego magnetytu, który jest naturalnie namagnesowany. Obecnie znane są tylko dwa minerały naturalnie namagnesowane- magnetyt oraz pirotyn, który jest znacznie słabszym magnesem niż magnetyt.

 

Większość skał jest niemagnetyczna i kompas nie reaguje na ich obecność, od lewej: wapień, marmur, melafir, magnetyt, piryt, siarka i syntetyczny tlenek żelaza

 

Magnetyt jest dość pospolity i łatwo go znaleźć za pomocą magnesu w miejscach jego występowania. Samych minerałów magnetycznych jest wiele, jednak do odkrycia ich magnetyzmu niezbędny jest magnes i błędne koło się zamyka. Zdolność magnetytu do przyciągania małych kawałków żelaza opisał Tales z Miletu, żyjący na przełomie VII i VI w. p.n.e. Kompasy magnetyczne zaczęto stosować w czasie dynastii Han w Chinach pomiędzy II w. p.n.e. - I w. n.e.

 

Pierwszymi znanymi w historii Europy badaczami zajmującymi się systematycznie badaniem magnetyzmu byli święty Augustyn w IV wieku n.e. oraz Petrus Peregrinus de Maricourt  w XIII wieku. W swoim dziele, skrótowo zwanym „Epistola de magnete”  Maricourt opisał zasady przyciągania i odpychania magnesów a także rozpoznawanie biegunów kompasu, wprowadzając termin „biegun”. Ponadto podał on możliwość i sposób magnesowania i zmiany kierunku namagnesowania żelaza. Działanie kompasu przypisywał działaniu ciał niebieskich, a w zasadzie zwracaniu się biegunów kompasu ku biegunom nieba. Kompas był używany nie tylko do nawigacji, jego wrażliwość na obiekty magnetyczne umożliwiała odkrywanie żył rud żelaza. Sposób ten jest znany co najmniej od XIII wieku. W XVI wieku angielski żeglarz Robert Norman odkrył inklinację magnetyczną, prawdopodobnie przy okazji badań nad budową kompasów. Według innego źródła pierwszym Europejczykiem, który opisał to zjawisko w 1544 roku  był niemiecki inżynier i astronom Georg Hartmann.  Stało się to wszystko 4 wieki po chińskim uczonym Shen Kuo- ponoć pierwszym, który opisał kompas.

 

Kolejnym człowiekiem o którym warto wspomnieć jest William Gilbert. Ten XVI-wieczny Anglik jest pierwszym, który twierdził, że to nie Gwiazda Polarna ani jakaś magnetyczna wyspa na północy przyciąga igłę kompasu, ale wnętrze Ziemi, które jest z żelaza i tworzy ogromny magnes orientujący igłę. Opisał on także możliwość cięcia magnesu na pół i uzyskania tą metodą dwóch magnesów również posiadających oba bieguny. Jego praca „De Magnete, Magneticisque Corporibus, et de Magno Magnete Tellure” została wydana w 1600 roku.  Gilbert zajmował się też elektrostatyką i na podstawie jego określenia „electricus”- „jak bursztyn” 40 lat po jego śmierci Thomas Browne użył  słowa „electricity”. Choć Gilbert upierał się, że elektryczność i magnetyzm to dwa zupełnie niepowiązane ze sobą zjawiska, na jego cześć jednostka siły magnetomotorycznej w układnie CGS nazwana została właśnie gilbert [Gb].

 

Ciężki magnetyt może wisieć nawet na małym magnesie ferrytowym

 

W 1783 roku Charles Coulomb zajął się badaniem magnetyzmu i elektrostatyki, tak jak wielu uczonych w tym czasie. Dwa lata później przedstawił prawo wzajemnego oddziaływania ładunków elektrycznych. Na tej samej podstawie podał następnie prawo działania mas (biegunów) magnetycznych. Prawo Coulomba dla mas magnetycznych jest analogiczne w swojej postaci do prawa ciążenia Newtona i prawa ładunków elektrycznych:  dla biegunów o wymiarach punktowych siła oddziaływań jest wprost proporcjonalna do iloczynu ich mas magnetycznych oraz stałego współczynnika (przenikalność magnetyczna ośrodka) i odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości tych mas. Ponieważ w naturze istnieją jedynie dipole magnetyczne, prawo to nie jest zbyt użyteczne i nadaje się jedynie do opisu oddziaływań długich magnesów o małym przekroju poprzecznym. W 1789 roku Coulomb wprowadził pojęcie momentu magnetycznego jako właściwej miary siły magnetycznej, opierając się zapewne na eksperymentach z wagą skręceń, którą skonstruował w 1777. Niezależnie od niego wagę taką skonstruował John Mitchell przed 1873 rokiem. Wagi o takiej konstrukcji użyto dużo później w innym eksperymencie z dziedziny magnetyzmu- do badania zjawisk magnetomechanicznych. Co ciekawe, pomimo tego, że prawo ciążenia zostało odkryte wcześniej (publikacja 1687) niż prawo Coulomba to doświadczalne sprawdzenie jego działania przy pomocy wagi skręceń Henry Cavendish przeprowadził dopiero w 1798 roku. Stąd też waga skręceń bywa zwana wagą Cavendisha. Pojęcie momentu magnetycznego Coulomb wiązał z iloczynem tzw. masy magnetycznej oraz odległości biegunów magnetycznych. Coulomb również nie powiązał ze sobą zjawisk elektrycznych i magnetycznych. Było na to za wcześnie.

 

Magnesy oddziałują na siebie poprzez przyciąganie i odpychanie a także obrót do pozycji równowagi zależnie od wzajemnego położenia

 

W 1808 roku John Dalton opublikował w dziele „A new system of chemical philosophy" teorię atomowej budowy materii, podstawy tej koncepcji opublikował 4 lata wcześniej Thomas Thomson. Dalton powiązał elektryczność z meteorami, piorunami oraz zorzą polarną (pomijając oczywiście domysły Benjamina Franklina), a z kolei zorzę polarną wiązał z magnetyzmem. Przekłada się to więc na pośrednie powiązanie elektryczności z magnetyzmem.

 

Prawie w tym samym czasie Alessandro Volta, powtarzając eksperymenty Galvaniego, konstruuje pierwsze ogniwo elektryczne. Co ciekawe, jednym z jego „mentorów” był Abraham Bennet, który oprócz naprowadzenia Volty na właściwą drogę ku budowie baterii elektrycznej- stosu Volty, i paru innych pomysłów, skonstruował ulepszony magnetometr (podobnież pierwszy magnetometr skonstruował Carl Friedrich Gauss w 1833 roku). Inny uczony, Francuz Francis Arago, prywatnie przyjaciel Ampere'a, wiązał zorze polarne z burzami magnetycznymi.

 

W tym momencie możemy przejść do odkrycia dokonanego przez Hansa Christiana Oersteda [Ørsteda]. W 1801 roku Oersted dostał stypendium, które umożliwiło mu trzyletnią podróż po Europie. Tak się złożyło, że podczas podróży przez Niemcy spotkał w Jenie Johanna Wilhelma Rittera (notabene urodzonego w obecnych Zamienicach koło Legnicy) i zostali przyjaciółmi. Ritter dużo eksperymentował, między innymi z elektrycznością. Uważał on, że działanie elektryczności na tkanki zwierzęce jest związane z reakcjami chemicznymi, a nie tak jak uważał Galvani z „elektrycznością zwierzęcą”, czy kontaktem z metalami, jak uważał Volta. Badania Rittera wiązały się z poszukiwaniem biegunowości sił natury, podobnie jak z biegunowością ogniw elektrycznych czy magnesów. Między innymi odkrył podczas swoich badań promieniowanie zwane obecnie ultrafioletem. Ritter wiązał elektryczność z magnetyzmem na tyle, że stwierdził dokonanie elektrolizy za pomocą magnesów... Zmarł młodo i biednie w 1810 roku.

 

Ze względu na bezźródłowość pola magnetycznego uzyskanie prostoliniowego pola magnetycznego jest możliwe wewnątrz cewek- będących zwojami drutu, po lewej cewka bez zasilania, po prawej cewka podłączona do prądu

 

21 kwietnia (lub lipca) 1820 roku podczas wykładu Oersted zauważył, że igła kompasu odchyla się od magnetycznej północy kiedy zamyka obwód elektryczny z ogniwa. Odkrycie to nie było zupełnie przypadkowe, bo szukał on związku elektryczności z magnetyzmem od pewnego już czasu. Problemem w odkryciu okazała się specyficzna symetria pomiędzy tymi zjawiskami. Oersted myślał, że magnetyzm promieniuje podobnie jak ciepło ognia czy światło w liniach prostych. Trzy miesiące później po rozpoczęciu intensywnych badań odkrył, że kiedy przez przewodnik płynie prąd, wytwarza on kołowe pole magnetyczne w płaszczyźnie prostopadłej do kierunku przepływu. Niektórzy przypisują to odkrycie Włochowi Gian Domenico Romagnosi 18 lat wcześniej. Ten jednak odkrył wpływ ładunku elektrostatycznego ze stosu Volty na odchylenie igły magnetycznej (choć Joseph Izarn w „Manuel du Galvanisme” (1805) wyraźnie wspomina o prądzie elektrycznym). To samo pisał siostrzeniec Galvaniego - Giovani Aldini w „Essai théorique et expérimental sur le Galvanisme” (1804) kiedy to kontaktował się z Oerstedem.

 

W 1826 roku Francuz Ampere opublikował „Mémoire sur la théorie mathématique des phénomènes électrodynamiques uniquement déduite de l'expérience”- traktat oparty wyłącznie na doświadczeniach. I nadał nazwę opisywanej dziedzinie elektrodynamika, dokonując podziału zjawisk elektrycznych na tę właśnie elektrodynamikę oraz na elektrostatykę. W pracy tej między innymi pokazuje, że cewka z prądem zachowuje się jak magnes oraz że dwa równoległe przewody z prądem również zachowują się jak magnesy i oddziałują na siebie wzajemnie. W dodatku działanie to zależy od kierunku i natężenia prądu w przewodach. Oczywiście pokazał też zgodność swojego doświadczenia z prawem oddziaływań magnetycznych Coulomba. Co najważniejsze- oddziaływanie przewodnika z prądem ujął w prawie zwanym obecnie prawem Ampera. Wracając do Daltona- Ampere wiązał istnienie pola magnetycznego z mikroskopijnymi kołowymi prądami płynącymi w atomach, co jest bardzo ciekawą i poniekąd prawdziwą hipotezą.

 

Obecnie produkowanych jest wiele rodzajów magnesów stałych, na dole ferrytowe, na górze od lewej: SmCo, AlNiCo, neodymowy wiązany żywicą, neodymowy spiekany

 

 

W późniejszym czasie magnetyzmem zajmował się Faraday, a Maxwell dokonał unifikacji oddziaływań magnetyzmu i elektryczności tworząc elektromagnetyzm. W późniejszym okresie w dziedzinie magnetyzmu pojawiły się takie osoby jak bracia Curie, Joseph Larmor, Paul Langevin, Pierre Weiss i w końcu Heisenberg. Znanych nazwisk pojawia się znacznie więcej przy okazji omawianych gdzie indziej zjawisk magnetycznych.

 

Nadprzewodnik YBCO lewitujący nad kostką magnesów

 

Magnetyzm można wytwarzać przy pomocy elektryczności. W ten sposób wytwarza się głównie zmienne pole magnetyczne wykorzystywane w urządzeniach mechanicznych. Stałe pole magnetyczne wytwarzane przez elektryczność ma zastosowanie głównie w elementach przekaźnikowych oraz między innymi w magnesach nadprzewodnikowych do ich rozruchu. Głównym źródłem stałego pola magnetycznego zarówno w urządzeniach elektrycznych jak i innych sprzętach są magnesy stałe. Przez bardzo długi okres jedynymi magnesami były magnesy na bazie stali czy ferrytów- półprzewodnikowej ceramiki o słabych właściwościach magnetycznych, jednak łatwych w produkcji z ogólnodostępnych surowców. W latach 1930. pojawiły się magnesy AlNiCo, a w 1960. magnesy samarowo-kobaltowe. Samar jest jednak drogim metalem ze względu na pochodzenie i trudności w otrzymywaniu. Magnesy neodymowe pojawiły się dopiero w latach 1980. Obecnie wyparły inne magnesy w zastosowaniach wymagających silnego pola magnetycznego, są one też znacznie tańsze niż magnesy SmCo. W tej chwili nie ma mocniejszych komercyjnie dostępnych magnesów niż neodymowe, natomiast istnieje możliwość wytworzenia bardzo silnych pól magnetycznych w cewkach nadprzewodzących. Bardzo interesującym tematem są badania nad otrzymaniem magnetycznych materiałów organicznych (np. TCNE). Materiały te nie mogą być trwale namagnesowane ale reagują na zewnętrzne pole magnetyczne w widocznym stopniu. Jak widać historia odkryć związanych z magnetyzmem jest długa i zawiera w sobie kilka bardzo znanych nazwisk. Nazwiska te będą się jeszcze pojawiać w kontekście eksperymentów.


Źródła:

http://finland.fi/Nature_Environment/aurora/history2.html

http://www.phy6.org/earthmag/lodeston.htm

http://www.wikipedia.org

„Z fizyką za pan brat”, H. Backe, PW Iskry, 1974

"Encyklopedia odkryć i wynalazków", pr. zbiorowa, Wiedza powszechna, 1979