Μαγνητικά αποτελέσματα ηλεκτρικού ρεύματος

Όλοι έχουμε παρατηρήσει ότι οι μαγνήτες έλκουν σιδερένια αντικείμενα όπως καρφίτσες, συνδετήρες, ρινίσματα κ.α. Λέμε ότι οι μαγνήτες ασκούν  ελκτικές μαγνητικές δυνάμεις  στα σιδηρομαγνητικά υλικά. Επίσης μεταξύ δύο μαγνητών, ασκούνται μαγνητικές δυνάμεις που μπορεί να είναι ελκτικές ή απωστικές.

Σε προηγούμενες ενότητες περιγράψαμε τις ηλεκτρικές δυνάμεις με τη βοήθεια της εύνοιας του ηλεκτρικού πεδίου. Όμοια μπορούμε να περιγράψουμε τις μαγνητικές δυνάμεις με τη βοήθεια του μαγνητικού πεδίου.

Μαγνητικό πεδίο λέγεται ο χώρος στον οποίο ασκούνται μαγνητικές δυνάμεις. Για παράδειγμα, η γη ασκεί μαγνητικές δυνάμεις και έτσι μπορούμε να πούμε ότι στο χώρο σύρω από τη γη υπάρχει μαγνητικό πεδίο. Πράγματι τα μαγνητικό πεδίο της γης προσανατολίζει στη διεύθυνση βορρά – νότου την μαγνητική βελόνα όταν βρεθεί τοποθετημένη σε κατακόρυφο άξονα μέσα στο μαγνητικό πεδίο της γης.

Ηλεκτρισμός και Μαγνητισμός

Μέχρι το 1820 οι επιστήμονες πίστευαν ότι τα ηλεκτρικά και μαγνητικά φαινόμενα ήταν ανεξάρτητα μεταξύ τους. Το 1820 ο Δανός Καθηγητής Φυσικής Ερστεντ, εκτελώντας πειράματα μπροστά σε φοιτητές, έκανε μάλλον τυχαία τη μεγάλης σημασίας ανακάλυψη ότι το ηλεκτρικό ρεύμα προκαλεί μαγνητικά φαινόμενα. Αυτή η ανακάλυψη ήταν η αφετηρία ενοποίησης των ηλεκτρικών και μαγνητικών φαινομένων.

Λίγο αργότερα ο Γάλλος φυσικός Αμπέρ, διατύπωσε την άποψη ότι κάθε μαγνητικό φαινόμενο οφείλεται στο ηλεκτρικό ρεύμα. Ο Σκοτσέζος φυσικός Μάξουελ, αξιοποίησε την άποψη του Αμπέρ, ενσωματώνοντάς τη στη θεωρία του για τον ηλεκτρομαγνητισμό. Ο Αϊνστάιν στο πλαίσιο της θεωρίας   της σχετικότητας, εμβάθυνε στην ερμηνεία της ηλεκτρομαγνητικής θεωρίας.

Οι παραπάνω παρατηρήσεις και ιδέες, αξιοποιήθηκαν σε σημαντικές εφαρμογές όπως στον ηλεκτρομαγνήτη. Ηλεκτρομαγνήτες συναντούμε τόσο σε ηλεκτρικές όσο σε ηλεκτρονικές συσκευές, για παράδειγμα τον ηλεκτρομαγνητικό γερανό, στους ηλεκτρονικούς υπολογιστές, στις συσκευές αναπαραγωγής εικόνας και ήχου.

Το πείραμα Eρστεντ

Από μία μαγνητική βελόνα η οποία είναι προσανατολισμένη κατά τη διεύθυνση βορρά – νότου περνάμε παράλληλα και πάνω της ένα αγωγό που μέσω ενός διακόπτη τον συνδέουμε με μια μπαταρία. Όταν κλείνουμε το διακόπτη και ηλεκτρικό ρεύμα διέρχεται από τον αγωγό, παρατηρούμε τη μαγνητική βελόνα να αποκλίνει από τη θέση της. Όταν ανοίξουμε το διακόπτη και διακόψουμε το ηλεκτρικό ρεύμα από τον αγωγό, η μαγνητική βελόνα επανέρχεται στη θέση της.

Συμπεραίνουμε το εξής: όταν από ένα αγωγό διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα, δημιουργείται γύρω από τον αγωγό ηλεκτρικό πεδίο, συνεπώς αυτός ασκεί μαγνητική δύναμη. Το γενικό συμπέρασμα που προκύπτει από το πείραμα Ερνέστ είναι το εξής: Το ηλεκτρικό ρεύμα δηλαδή τα κινούμενα ηλεκτρικά φορτία δημιουργούν μαγνητικό πεδίο, επομένως κατά τη κίνηση ενός ηλεκτρικού φορτίου αυτό δημιουργεί και ηλεκτρικό και μαγνητικό πεδίο. Δηλαδή δεν υπάρχουν μαγνητικά φορτία αλλά μόνο ηλεκτρικά φορτία τα οποία δημιουργούν τόσο το ηλεκτρικό όσο και το μαγνητικό πεδίο.

Ο ηλεκτρομαγνήτης

Για να αυξήσουμε τη μαγνητική δύναμη που ασκεί ένας αγωγός που διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα, τυλίζουμε τον αγωγό πάνω σε μονωμένο κύλινδρο και με αυτό το τρόπο έχουμε πολλούς κυκλικούς αγωγούς. Αυτή η διάταξη αγωγών ονομάζεται σωληνοειδές ή πηνίο. Σωληνοειδές ή πηνίο ονομάζουμε κάθε διάταξη που αποτελείται από πολλούς κυκλικούς αγωγούς.

Όταν ένα πηνίο διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα , τότε αυτό συμπεριφέρεται σαν μαγνήτης και γι’ αυτό το λόγο ονομάζεται ηλεκτρομαγνήτης. Πράγματι αν σε ένα πηνίο που διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα πλησιάσουμε μία μαγνητική βελόνα τότε το ένα άκρο του πηνίου έλκει το βόρειο πόλο της μαγνητικής βελόνας ενώ το άλλο άκρο το νότιο πόλο. Αν στο χώρο του πηνίου ρίξουμε ρινίσματα σιδήρου, αυτά διατάσσονται παρόμοια με εκείνα του μαγνητικού πεδίου του ραβδόμορφου μαγνήτη.

Επομένως η μορφή των γραμμών του μαγνητικού πεδίου του ηλεκτρομαγνήτη είναι παρόμοια με εκείνων του ραβδόμορφου μαγνήτη. Στο εσωτερικό του πηνίου οι μαγνητικές γραμμές έχουν παράλληλη διάταξη και είναι πυκνότερες απ΄ ότι οι μαγνητικές γραμμές στο εξωτερικό χώρο του πηνίου.

Ενέργεια μαγνητικού πεδίου

Συνδέουμε ένα πηνίο παράλληλα με ένα λαμπάκι και αυτό δια μέσου ενός διακόπτη στα άκρα μιας μπαταρίας, όπως φαίνεται στο σχήμα. Όταν ο διακόπτης είναι κλειστός από το λαμπάκι και στο πηνίο διέρχεται ηλεκτρικό ρεύμα, κι έτσι το λαμπάκι φωτοβολεί και στο πηνίο δημιουργείται μαγνητικό πεδίο. Επομένως η χημική ενέργεια της μπαταρίας μετατρέπεται σε ηλεκτρική και αυτή με τη σειρά της σε θερμική και φωτεινή στο λαμπάκι καθώς και σε ενέργεια μαγνητικού πεδίου στο πηνίο.

Όταν ανοίξουμε το διακόπτη το κύκλωμα σταματά να διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα, το λαμπάκι σταματά να φωτοβολεί και δεν υπάρχει μαγνητικό πεδίο. Όμως παρατηρούμε ότι το λαμπάκι ανάβει για λίγο ακόμη και όταν αποσυνδέσουμε τη μπαταρία. Για να ερμηνεύσουμε το φαινόμενο αυτό δεχόμαστε ότι η ηλεκτρική ενέργεια που έκανε το λαμπάκι να ανάψει για λίγο μετά την αποσύνδεση της μπαταρίας προέρχεται από την ενέργεια που είναι αποθηκευμένη στο μαγνητικό πεδίο γύρω από το πηνίο.

Το μαγνητικό πεδίο ασκεί δυνάμεις στους ρευματοφόρους αγωγούς.

Είδαμε στο πείραμα του Ερστεντ ότι ένας αγωγός που διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα, δημιουργεί γύρω του μαγνητικό πεδίο δηλαδή συμπεριφέρεται σαν μόνιμος μαγνήτης. Γνωρίζουμε ότι δύο μαγνήτες αλληλεπιδρούν μεταξύ τους, μέσω των δυνάμεων που ασκούνται μέσω των μαγνητικών τους πεδίων. Στο ακόλουθο πείραμα  θα δείξουμε ότι αν τοποθετήσουμε ένα ρευματοφόρο αγωγό μέσα σε μαγνητικό πεδίο θα του ασκηθεί μαγνητική δύναμη.

Τοποθετούμε ένα ευθύγραμμο σύρμα μεταξύ των πυλών ενός (πεταλοειδή) μαγνήτη και το συνδέουμε διαμέσου ενός διακόπτη στους πόλους μιας ηλεκτρικής πηγής. Όταν κλείνουμε το διακόπτη και το σύρμα διαρρέεται από ηλεκτρικό ρεύμα, παρατηρούμε ότι το σύρμα εκτρέπεται από την αρχική θέση ισορροπίας. Συνεπώς, το μαγνητικό πεδίο ασκεί δύναμη στο σύρμα.  Με τον τρόπο αυτό επαληθεύεται η υπόθεση του Αμπερ ότι σε έναν αγωγό που βρίσκεται μέσα σε μαγνητικό πεδίο και διαρρέεται από ρεύμα, τότε το μαγνητικό πεδίο ασκεί δύναμη στον αγωγό.