11.2: Magnetism na Uvumbuzi wake wa Kihistoria
- Page ID
- 176692
Mwishoni mwa sehemu hii, utaweza:
- Eleza kivutio na kupinduliwa na sumaku
- Eleza maombi ya kihistoria na ya kisasa ya sumaku
Magnetism imejulikana tangu wakati wa Wagiriki wa kale, lakini daima imekuwa ya ajabu sana. Unaweza kuona umeme katika flash ya bolt umeme, lakini wakati sindano dira inaelekea kaskazini magnetic, huwezi kuona nguvu yoyote kusababisha ni mzunguko. Watu walijifunza kuhusu mali za magnetic hatua kwa hatua, zaidi ya miaka mingi, kabla ya fizikia kadhaa ya karne ya kumi na tisa kushikamana na magnetism na umeme. Katika sehemu hii, tunaangalia mawazo ya msingi ya sumaku na kuelezea jinsi yanavyofaa kwenye picha ya shamba la magnetic.
Historia fupi ya Magnetism
Sumaku hupatikana kwa kawaida katika vitu vya kila siku, kama vile vidole, hangers, elevators, doorbells, na vifaa vya kompyuta. Majaribio juu ya sumaku hizi inaonyesha kwamba sumaku wote wana fito mbili: Moja ni kinachoitwa kaskazini (N) na nyingine ni kinachoitwa kusini (S). Miti ya magnetic inarudia ikiwa ni sawa (N au wote S), huvutia ikiwa ni kinyume (moja N na nyingine S), na miti yote ya sumaku huvutia vipande vya chuma visivyosumaku. Jambo muhimu la kumbuka hapa ni kwamba huwezi kutenganisha pole ya magnetic ya mtu binafsi. Kila kipande cha sumaku, bila kujali ni ndogo, ambayo ina pole ya kaskazini lazima pia iwe na pole ya kusini.
Ziara tovuti hii kwa ajili ya maandamano maingiliano ya magnetic kaskazini na kusini fito.
Mfano wa sumaku ni sindano ya dira. Ni tu sumaku nyembamba ya bar imesimamishwa katikati yake, hivyo ni bure kugeuka katika ndege isiyo na usawa. Dunia yenyewe pia hufanya kama sumaku kubwa sana ya bar, na pole yake ya kusini-kutafuta karibu na Pole ya Kaskazini ya kijiografia (Kielelezo\(\PageIndex{1}\)). Ncha ya kaskazini ya dira inavutiwa kuelekea Ncha ya Kaskazini ya kijiografia ya Dunia kwa sababu pole ya magnetic iliyo karibu na Ncha ya Kaskazini ya kijiografia ni kweli pole Kuchanganyikiwa hutokea kwa sababu neno la kijiografia “Ncha ya Kaskazini” limekuja kutumiwa (kimakosa) kwa pole ya magnetic iliyo karibu na Ncha ya Kaskazini. Hivyo, “kaskazini magnetic pole” ni kweli misnomer-ni lazima kuitwa kusini magnetic pole. [Kumbuka kuwa mwelekeo wa uga sumaku wa Dunia si wa kudumu bali hubadilika (“flips”) baada ya vipindi vya muda mrefu. Hatimaye, Dunia ya kaskazini magnetic pole inaweza kuwa iko karibu na kijiografia yake Ncha ya Kaskazini.]
Nyuma katika 1819, Denmark mwanafizikia Hans Oersted alikuwa akifanya hotuba maandamano kwa baadhi ya wanafunzi na kugundua kuwa sindano dira wakiongozwa wakati wowote sasa ikatoka katika waya karibu. Uchunguzi zaidi wa jambo hili uliamini Oersted kwamba sasa umeme inaweza kwa namna fulani kusababisha nguvu ya magnetic. Aliripoti kutafuta hii kwa mkutano wa 1820 wa Chuo cha Sayansi cha Kifaransa.
Muda mfupi baada ya ripoti hii, uchunguzi wa Oersted ulirudiwa na kupanuliwa na wanasayansi wengine. Miongoni mwa wale ambao kazi yao ilikuwa muhimu hasa walikuwa Jean-Baptiste Biot na Felix Savart, ambao walichunguza vikosi vilivyotumika kwenye sumaku kwa mikondo; André Marie Ampère, ambaye alisoma vikosi vinavyotumiwa na sasa moja juu ya mwingine; François Arago, ambaye aligundua kwamba chuma inaweza kuwa sumaku na sasa; na Humphry Davy, ambaye aligundua kwamba sumaku ina nguvu juu ya waya kubeba sasa umeme. Ndani ya miaka 10 ya ugunduzi wa Oersted, Michael Faraday aligundua kuwa mwendo wa jamaa wa sumaku na waya wa metali ikiwa sasa katika waya. Utafutaji huu hauonyeshe tu kwamba sasa ina athari ya magnetic, lakini kwamba sumaku inaweza kuzalisha umeme wa sasa. Utaona baadaye kwamba majina ya Biot, Savart, Ampère, na Faraday yanahusishwa na baadhi ya sheria za msingi za electromagnetism.
Ushahidi kutoka kwa majaribio haya mbalimbali ulisababisha Ampère kupendekeza kwamba umeme wa sasa ni chanzo cha matukio yote ya magnetic. Ili kuelezea sumaku za kudumu, alipendekeza kuwa suala hilo lina loops za sasa za microscopic ambazo zimeunganishwa kwa namna fulani wakati nyenzo ni sumaku. Leo, tunajua kwamba sumaku za kudumu zinaundwa kwa kuunganishwa kwa elektroni zinazozunguka, hali sawa kabisa na ile iliyopendekezwa na Ampère. Mfano huu wa sumaku za kudumu ulianzishwa na Ampère karibu karne moja kabla ya asili ya atomia ya suala haieleweki. (Kwa full quantum mitambo matibabu ya spins magnetic, angalia Quantum Mechanics na Atomic Muundo.)
Matumizi ya kisasa ya Magnetism
Leo, magnetism ina majukumu mengi muhimu katika maisha yetu. Uelewa wa Fizikia wa sumaku umewezesha maendeleo ya teknolojia zinazoathiri watu binafsi na jamii. Kibao umeme katika mfuko wako au mkoba, kwa mfano, bila kuwa inawezekana bila matumizi ya magnetism na umeme kwa kiwango kidogo (Kielelezo\(\PageIndex{2}\)). Mabadiliko dhaifu katika uwanja wa magnetic katika filamu nyembamba ya chuma na chromium yaligunduliwa kuleta mabadiliko makubwa zaidi katika upinzani, inayoitwa magnetoresistance kubwa. Taarifa inaweza kisha kurekodi magnetically kulingana na mwelekeo ambao safu ya chuma ni sumaku. Kutokana na ugunduzi wa magnetoresistance kubwa na matumizi yake kwa hifadhi ya digital, Tuzo ya Nobel ya 2007 katika Fizikia ilitolewa kwa Albert Fert kutoka Ufaransa na Peter Grunberg kutoka Ujerumani.
Motors zote za umeme—na matumizi kama tofauti kama nguvu friji, kuanzia magari, na elevators kusoga-yana sumaku. Jenereta, ikiwa huzalisha nguvu za umeme au taa za baiskeli, tumia mashamba ya magnetic. Vifaa vya kuchakata huajiri sumaku ili kutenganisha chuma na kukataa nyingine. Utafiti wa kutumia containment magnetic ya fusion kama chanzo baadaye nishati imekuwa ikiendelea kwa miaka kadhaa. Imaging resonance magnetic (MRI) imekuwa chombo muhimu cha uchunguzi katika uwanja wa dawa, na matumizi ya sumaku kuchunguza shughuli za ubongo ni somo la utafiti wa kisasa na maendeleo. Orodha ya maombi pia inajumuisha anatoa ngumu za kompyuta, kurekodi mkanda, kugundua asbestosi iliyoingizwa, na kuinua treni za kasi. Magnetism inahusika katika muundo wa viwango vya nishati ya atomia, pamoja na mwendo wa mionzi ya cosmic na chembe za kushtakiwa zilizowekwa kwenye mikanda ya Van Allen kote duniani. Mara nyingine tena, tunaona kwamba matukio haya yote tofauti yanahusishwa na idadi ndogo ya kanuni za kimwili za msingi.