α) Περιγραφή

Πάνω σε μία γυάλινη επιφάνεια απλώνουμε ρινίσματα σιδήρου. Κάτω από την επιφάνεια τοποθετούμε ένα ραβδόμορφο μαγνήτη, ώστε τα ρινίσματα σιδήρου να μαγνητιστούν. Κτυπάμε λίγο τη γυάλινη επιφάνεια με το χέρι μας και βλέπουμε τα ρινίσματα να παίρνουν μία καθορισμένη μορφή. Η εικόνα που σχηματίστηκε είναι ανάλογη με αυτή των δυναμικών γραμμών ενός ηλεκτρικού πεδίου. Μπορούμε να πούμε ότι πρόκειται για δυναμικές γραμμές ενός μαγνητικού πεδίου.

Οι περιοχές όπου τα ρινίσματα σιδήρου είναι περισσότερο συγκεντρωμένα, εκεί δηλαδή όπου πυκνώνουν οι δυναμικές γραμμές, ονομάζονται πόλοι του μαγνήτη.

Η μορφή που βλέπουμε πάνω στη γυάλινη επιφάνεια, το σύνολο δηλαδή των δυναμικών γραμμών, ονομάζεται μαγνητικό φάσμα (Εικ. 1).

Κάθε μαγνήτης έχει δύο διαφορετικούς πόλους που τους ονομάζουμε βόρειο και νότιο. Οι ομώνυμοι πόλοι απωθούνται, ενώ οι ετερώνυμοι έλκονται. Διαπιστώνουμε ότι όσο απομακρυνόμαστε από τους πόλους και πλησιάζουμε προς το μέσο του μαγνήτη, οι μαγνητικές δυνάμεις εξασθενούν (Εικ. 2).

Αν κόψουμε ένα μαγνήτη σε δύο μέρη προκύπτουν δύο νέοι μαγνήτες. Όσες φορές και αν επαναληφθεί αυτό θα προκύπτουν πάντοτε νέοι μαγνήτες. Έτσι, συμπεραίνουμε ότι οι μαγνητικοί πόλοι υπάρχουν πάντα σε ζευγάρια.

Έχουν γίνει εκτεταμένες έρευνες για να βρεθούν μαγνητικά μονόπολα, χωρίς όμως επιτυχία μέχρι σήμερα.

Αν τοποθετήσουμε μία μαγνητική βελόνα σε διαφορετικά σημεία ενός χώρου που υπάρχουν μαγνητικές γραμμές, παρατηρούμε ότι η μαγνητική βελόνα προσανατολίζεται, με τον άξονά της εφαπτόμενο σε κάθε σημείο των δυναμικών γραμμών.

Ο χώρος στον οποίο μία μαγνητική βελόνα δέχεται δυνάμεις με αποτέλεσμα να προσανατολίζεται ονομάζεται μαγνητικό πεδίο. Η διεύθυνση του πεδίου σε κάποιο σημείο του είναι η διεύθυνση του άξονα της βελόνας, όταν αυτή είναι ελεύθερη να κινηθεί.

Επειδή δεν είναι δυνατό να απομονωθεί ένας μαγνητικός πόλος (Βόρειος ή Νότιος) οι μαγνητικές δυναμικές γραμμές είναι πάντοτε κλειστές. Οι μαγνητικές γραμμές στο χώρο έξω από το μαγνήτη εξέρχονται από το βόρειο και εισέρχονται στο νότιο πόλο (Εικ. 3).

Όπως στο ηλεκτρικό πεδίο χρησιμοποιούμε το διανυσματικό μέγεθος της έντασης E→ για να περιγράφουμε το πεδίο και να εκφράσουμε το πόσο ισχυρό είναι, έτσι και στο μαγνητικό πεδίο αντίστοιχα εισάγουμε το διανυσματικό μέγεθος B→ που ονομάζεται ένταση του μαγνητικού πεδίου ή μαγνητική επαγωγή.

Το διάνυσμα της έντασης B→ του μαγνητικού πεδίου σε ένα σημείο του έχει διεύθυνση τη διεύθυνση του άξονα της μαγνητικής βελόνας (αυτή ισορροπεί με την επίδραση του πεδίου) και φορά από το νότιο προς το βόρειο πόλο της. (Εικ. 3).

Η μονάδα της έντασης του μαγνητικού πεδίου στο S.I. ονομάζεται Tesla 1Tesla = 1NA·m και ο πλήρης ορισμός της θα δοθεί σε επόμενη παράγραφο.

Κατ' αναλογία λοιπόν με το ηλεκτρικό πεδίο, ορίζουμε δυναμική γραμμή του μαγνητικού πεδίου τη γραμμή που σε κάθε σημείο της το διάνυσμα της έντασης του μαγνητικού πεδίου είναι εφαπτόμενο σ' αυτή.

'Οταν σε ένα πεδίο, η ένταση παραμένει σταθερή κατά διεύθυνση φορά και μέτρο, το πεδίο λέγεται ομογενές (Εικ. 5).

Στο πεδίο αυτό οι δυναμικές γραμμές είναι παράλληλες και ισόπυκνες.

Όπως στο ηλεκτρικό, έτσι και στο μαγνητικό πεδίο, οι δυναμικές γραμμές δεν τέμνονται.

•

Μαγνητικό πεδίο ονομάζεται ο χώρος μέσα στον οποίο εμφανίζονται μαγνητικές δυνάμεις. Τις δυνάμεις αυτές πιστοποιούμε εύκολα με τη βοήθεια μίας μαγνητικής βελόνας.

•

Δυναμική γραμμή λέμε τη γραμμή εκείνη σε κάθε σημείο της οποίας το διάνυσμα της έντασης του πεδίου είναι εφαπτόμενο σε αυτή.

•

Η ένταση του μαγνητικού πεδίου μας δείχνει πόσο ισχυρό ή ασθενές είναι το πεδίο.

•

Οι δυναμικές γραμμές του μαγνητικού πεδίου δεν τέμνονται και είναι πάντοτε κλειστές.

•

Ομογενές είναι το πεδίο εκείνο στο οποίο η ένταση του μαγνητικού πεδίου είναι ίδια σε όλα τα σημεία του.

β) Το ηλεκτρικό ρεύμα δημιουργεί μαγνητικό πεδίο

Μόλις τον 19^o αιώνα έγιναν καινούριες ανακαλύψεις σχετικά με το μαγνητικό πεδίο. Αρχικά, ο Alessandro Volta εφεύρε την ηλεκτρική στήλη, με την οποία διευκολύνθηκαν σημαντικά τα πειράματα. Ο Δανός φυσικός Christian Oersted (1777-1851) (Ερστεντ) πραγματοποιούσε πειράματα αναζητώντας ένα σύνδεσμο ανάμεσα στον ηλεκτρισμό και στο μαγνητισμό, επηρεασμένος από τη φιλοσοφία η οποία δεχόταν ότι όλα τα φυσικά φαινόμενα αποτελούν μία ενότητα.

Ο Oersted μετά από πολλές προσπάθειες και κατά τη διάρκεια μίας διάλεξής του το 1820 στην Κοπεγχάγη ανακάλυψε το φαινόμενο για το οποίο τόσο είχε πειραματιστεί.

Συγκεκριμένα, τοποθέτησε παράλληλα σε έναν ευθύγραμμο αγωγό μία μαγνητική βελόνα στο ίδιο με τον αγωγό κατακόρυφο επίπεδο. Όταν από τον αγωγό διαβίβασε ρεύμα, παρατήρησε ότι η βελόνα εκτρέπεται και ισορροπεί σε μία νέα θέση. Όταν διέκοπτε το ρεύμα, η βελόνα γύριζε πάλι στην αρχική της θέση (Εικ. 6).

Όταν διαβίβαζε ρεύμα αντίθετης φοράς η βελόνα εκτρεπόταν αντίθετα προς την αρχική εκτροπή. Διαπίστωσε επίσης ότι, όταν αύξανε την ένταση του ρεύματος, αυξανόταν και η εκτροπή της βελόνας όχι όμως ανάλογα.

Είναι φανερό ότι, για να υποστεί εκτροπή η μαγνητική βελόνα, πρέπει πάνω της να ασκηθεί δύναμη. Δύναμη όμως, δέχεται ένας μαγνήτης μόνο όταν βρεθεί μέσα σε μαγνητικό πεδίο. Συμπεραίνουμε λοιπόν ότι: γύρω από ρευματοφόρο αγωγό δημιουργείται μαγνητικό πεδίο.

Μπορούμε να δούμε τη μορφή αυτού του πεδίου με το παρακάτω πείραμα:

Περνάμε ένα κατακόρυφο αγωγό μέσα σ' ένα οριζόντιο χαρτόνι στην επιφάνεια του οποίου σκορπίζουμε ρινίσματα σιδήρου. Διοχετεύουμε ρεύμα στον αγωγό οπότε τα ρινίσματα μαγνητίζονται, διατάσσονται κυκλικά γύρω από το ρευματοφόρο αγωγό και συμπεριφέρονται ως μικρές μαγνητικές βελόνες (Εικ. 7). Με τη βοήθεια μίας μαγνητικής βελόνας, πιστοποιούμε τη φορά των δυναμικών γραμμών που δημιουργούνται γύρω από το ρευματοφόρο αγωγό. Ο βόρειος πόλος της μαγνητικής βελόνας δείχνει τη φορά των δυναμικών γραμμών του πεδίου.

Το πείραμα του Oersted μας έδειξε ότι οι μαγνήτες, όταν βρεθούν κοντά σε ρευματοφόρο αγωγό, εκτρέπονται. Το ρεύμα λοιπόν, ασκεί δύναμη πάνω στους μαγνήτες. Σύμφωνα όμως με το νόμο δράσης - αντίδρασης θα πρέπει να ισχύει και το αντίστροφο. Δηλαδή, οι μαγνήτες πρέπει να ασκούν δύναμη σε αγωγό που διαρρέεται από ρεύμα.

Για να το αποδείξουμε, κρεμάμε ένα μικρού μήκους αγωγό μεταξύ των πόλων ενός πεταλοειδούς μαγνήτη κάθετα στις δυναμικές γραμμές του και τον συνδέουμε με μία μπαταρία (Εικ. 8). Όταν κλείσουμε το διακόπτη το κύκλωμα διαρρέεται από ρεύμα, παρατηρούμε ότι ο αγωγός εκτρέπεται από την αρχική θέση ισορροπίας του και ισορροπεί σε μία νέα θέση. Αν βάλουμε τον αγωγό παράλληλα στις δυναμικές γραμμές, παρατηρούμε ότι δεν εκτρέπεται άρα δεν ασκείται πάνω του καμία δύναμη. Το ίδιο θα συμβεί, αν ανοίξουμε το διακόπτη και δε διαρρέεται από ρεύμα το κύκλωμα.

Συμπεραίνουμε λοιπόν ότι:

Γύρω από ρευματοφόρους αγωγούς δημιουργείται μαγνητικό πεδίο και οι μαγνήτες που θα βρεθούν μέσα σ' αυτό θα δεχτούν δύναμη. Αλλά και ο ρευματοφόρος αγωγός, όταν βρεθεί μέσα σε μαγνητικό πεδίο, δέχεται δύναμη από αυτό.

Δύναμη δέχονται επίσης και φορτία που κινούνται μέσα σε μαγνητικό πεδίο. Το τελευταίο μπορούμε να το διαπιστώσουμε εύκολα, αν βάλουμε ένα ομογενές μαγνητικό πεδίο κάθετα στις καθοδικές ακτίνες ενός σωλήνα Crookes.

Οι καθοδικές ακτίνες είναι κινούμενα ηλεκτρόνια, τα οποία δέχονται δύναμη από το μαγνητικό πεδίο τέτοια, ώστε να εκτρέπονται κάθετα στις δυναμικές γραμμές του πεδίου (Εικ. 9).

γ) Πού οφείλονται οι μαγνητικές ιδιότητες των σωμάτων

Τρίβουμε το βόρειο πόλο ενός μαγνήτη πάνω σε ένα μεταλλικό χαλύβδινο έλασμα (η ατσαλίνα) με την ίδια πάντα φορά. Παρατηρούμε ότι, ενώ τρίβουμε μόνο το βόρειο πόλο του μαγνήτη, το έλασμα έχει μαγνητιστεί και έχει αποκτήσει και τους δύο πόλους.

Δημιουργήσαμε έτσι ένα μαγνητικό δίπολο, δηλαδή μαγνήτη με δύο πόλους.

Αν προσπαθήσουμε να χωρίσουμε τους πόλους κόβοντας το μαγνητισμένο έλασμα στο μέσο του, διαπιστώνουμε ότι στο σημείο τομής δήμιουργούνται ένας νότιος και ένας βόρειος πόλος.

Σε όσα κομμάτια κι αν χωρίσουμε το έλασμα, ακόμα και αν ήταν εφικτό να φτάναμε σε απειροελάχιστα σωματίδια, αυτά θα αποτελούν πάντοτε μαγνήτη με δύο πόλους (δίπολο) (Εικ. 10).

Τα απειροελάχιστα αυτά δίπολα που δε μπορούμε να αντιληφθούμε με τις αισθήσεις μας τα ονομάζουμε στοιχειώδεις μαγνήτες.

Ως στοιχειώδεις μαγνήτες μπορούμε να θεωρήσουμε τα άτομα του υλικού. Η ύπαρξη αυτών των μαγνητών οφείλεται αφενός στην περιστροφή του ηλεκτρονίου γύρω από τον πυρήνα και αφετέρου στην περιστροφή του πυρήνα και του ηλεκτρονίου γύρω από τον άξονά τους (Εικ. 11).

Η περιστροφή του ηλεκτρονίου γύρω από τον πυρήνα μπορεί να θεωρηθεί σαν ένα κυκλικό ρεύμα, το οποίο θεωρήσαμε αρχικά ότι ήταν υπεύθυνο για τις μαγνητικές ιδιότητες των σωμάτων. Σύντομα όμως επικράτησε η άποψη, ότι οι μαγνητικές ιδιότητες σε πολλά σώματα οφείλονται κυρίως στην περιστροφή των ηλεκτρονίων γύρω από τον άξονά τους (spin).

Όλα τα ηλεκτρόνια έχουν spin. Στις περισσότερες περιπτώσεις σχηματίζουν ζευγάρια με αντίθετο spin, με αποτέλεσμα η συνολική μαγνητική τους επίδραση να εξουδετερώνεται.

Το άτομο του σιδήρου, για παράδειγμα, έχει συνολικά 26 ηλεκτρόνια. Από αυτά, όμως, τα 22 αποτελούν ζευγάρια με αντίθετο spin, ώστε το ένα να εξουδετερώνει το μαγνητικό πεδίο του άλλου. Στην εξωτερική όμως στοιβάδα, υπάρχουν 4 ηλεκτρόνια τα οποία περιστρέφονται με το ίδιο spin, με αποτέλεσμα η συνολική μαγνητική τους επίδραση να αθροίζεται. Στα 4 αυτά ηλεκτρόνια οφείλονται κυρίως οι μαγνητικές ιδιότητες του σιδήρου.

Μέσα στα μαγνητικά υλικά, δημιουργούνται με πολύπλοκο τρόπο, μικρές μαγνητικές περιοχές που συμπεριφέρονται σαν μικροί μόνιμοι μαγνήτες. Κάθε τέτοια μαγνητική περιοχή περιέχει 10¹⁰ άτομα και έχει εύρος 10^-3mm περίπου.

Ένα κομμάτι μαγνητίσιμου υλικού που δεν είναι μαγνητισμένο έχει αυτές τις μαγνητικές περιοχές σε κατάσταση αταξίας (Εικ. 12α). 'Οταν όμως, το υλικό αυτό μαγνητιστεί τότε, όλες οι μαγνητικές περιοχές προσανατολίζονται ομοιόμορφα (Εικ. 12β).

Ενδιαφέρον παρουσιάζει το φαινόμενο κατά το οποίο, αν θερμάνουμε ένα μαγνητισμένο υλικό πάνω από κάποια θερμοκρασία, χάνει τις μαγνητικές του ιδιότητες (Εικ. 13). Η θερμοκρασία αυτή λέγεται θερμοκρασία Curie. Αυτό συμβαίνει, επειδή πάνω από αυτή τη θερμοκρασία οι μαγνητικές περιοχές χάνουν τον προσανατολισμό που είχαν. Το ίδιο θα παρατηρήσουμε, αν σφυρηλατήσουμε ένα μαγνητισμένο υλικό (π.χ. μεταλλικό έλασμα) (Εικ. 14). Η σφυρηλάτηση καταστρέφει τη διάταξη που είχαν οι μαγνητικές περιοχές με αποτέλεσμα να απομαγνητιστεί.

δ) Τρόποι μαγνήτισης υλικών

α) Με επαφή

Κρεμάμε στο νότιο πόλο ενός μαγνήτη ένα σιδερένιο καρφί και βλέπουμε ότι το άκρο του καρφιού, μπορεί να συγκρατήσει ένα δεύτερο καρφί. Συνεχίζοντας να κρεμάμε καρφιά φτιάχνουμε μία αλυσίδα (Εικ. 15). 'Οταν όμως απομακρύνουμε το μαγνήτη, βλέπουμε ότι αν το καρφί ήταν από μαλακό σίδηρο η αλυσίδα καταστρέφεται και τα καρφιά χάνουν τις μαγνητικές τους ιδιότητες, ενώ αν ήταν από ατσάλι η αλυσίδα παραμένει. Ο τρόπος μαγνήτισης των καρφιών λέγεται μαγνήτιση με επαφή.

Όταν τα καρφιά είναι σε επαφή με το μαγνήτη, οι μαγνητικές περιοχές ευθυγραμμίζονται, όταν όμως χάνουν την επαφή τους με το μαγνήτη οι μαγνητικές περιοχές, επανέρχονται σε κατάσταση αταξίας και το καρφί χάνει τη μαγνήτισή του.

β) Με επαγωγή

Πλησιάζουμε ένα κομμάτι σιδήρου κοντά σε έναν ισχυρό μαγνήτη και παρατηρούμε ότι ο σίδηρος έλκει τα ρινίσματα σιδήρου που βρίσκονται κοντά του. Συμπεραίνουμε ότι ο σίδηρος μαγνητίστηκε. Αυτός ο τρόπος μαγνήτισης λέγεται μαγνήτιση με επαγωγή.

Η μαγνήτιση του σιδήρου οφείλεται στον προσανατολισμό των μαγνητικών περιοχών του, επειδή βρίσκεται στο μαγνητικό πεδίο του μαγνήτη (Εικ. 16).

γ) Με τριβή

Τρίβουμε ένα μαγνήτη πάνω σ' ένα ατσάλινο καρφί, πάντα κατά την ίδια φορά (Εικ. 17). Διαπιστώνουμε ότι το καρφί μαγνητίζεται. Σήμερα, ξέρουμε ότι αυτό συμβαίνει, επειδή οι μαγνητικές περιοχές του καρφιού προσανατολίζονται. Κάποτε πίστευαν ότι ο μαγνήτης προσδίδει στο καρφί ένα μέρος από τη «μαγνητική ουσία» που διέθετε. Αυτό όμως καταρρίφτηκε με τον απλό συλλογισμό ότι όταν τρίψουμε το μαγνήτη με πολλά καρφιά η απώλεια «μαγνητικής ουσίας» από το μαγνήτη θα ήταν πολλαπλάσια και έτσι ο μαγνήτης θα εξασθενούσε σημαντικά. Κάτι τέτοιο όμως δε συμβαίνει.