Magnetyzm

Od bardzo dawna znano dobrze magnes jako strzałkę kompasu, która mogła się obracać na ostrzu i ustawiała się zawsze w polu magnetycznym Ziemi w kierunku z północy na południe. Marynarze używali kompasu już od wielu setek lat, ażeby na morzu rozpoznawać kierunek, w którym ich statek płynął, czyli kurs tego statku.

Magnes posiada bieguny północny i południowy. Ogniwo galwaniczne również posiada bieguny dodatni i ujemny. W obu przypadkach mamy do czynienia z pewna biegunowością- jednakże ten fakt nie był jeszcze tak bardzo uderzający. Natomiast faktu, że bieguny magnetyczne jednakowego rodzaju odpychają się nawzajem, podobnie jak ładunki elektryczne jednakowego znaku, oraz że różne bieguny magnetyczne i elektryczne przyciągają się nawzajem- nie można było wyjaśnić. Nad tymi oddziaływaniami trzeba się było zastanowić. Trudziło się nad tym bardzo wielu mądrych ludzi. Przeprowadzano doświadczenia mające na celu wykrycie sił magnetycznych w stosie Volty. Wieszano na przykład stos Volty poziomo na jedwabnej nici w ten sposób, że mógł się poruszać. Powinien się on był wtedy ustawić z południa na północ, podobnie jak igła magnetyczna. Próba nie mogła się udać, gdyż nie zrozumiano jeszcze, że w tym przypadku nowym i decydującym zjawiskiem jest przepływ prądu i że wymaga on istnienia zamkniętego obwodu prądowego.
Jednak tylko jeden człowiek zrozumiał, o co chodziło; był to Hans Christian Oersted (1777-1851). Nieprzypadkowo dokonał on swego odkrycia. Wiedział on, że prąd elektryczny wywiera działanie chemiczne- na przykład rozkłada wodę; cienki drut platynowy, włączony w obwód prądowy silnego stosu Volty, rozżarzył się; igła magnetyczna znajdująca się w pobliżu piorunochronu zaczęła drgać w czasie silnej burzy. Wszystko to pobudziło Oersteda do zastanowienia się. Ponadto robił on bardzo chętnie i często różne doświadczenia, na przykład w czasie swoich licznych wykładów, które wygłaszał jako profesor uniwersytetu w Kopenhadze. Ażeby zbadać doświadczalnie związek zachodzący pomiędzy magnetyzmem i prądem elektrycznym Oersted przygotował bardzo rozbudowany układ. Zastosował on baterię Volty złożona z 20 dużych ogniw, którą nieco zmodyfikował. Oesterd przeciągnął platynowy drut równolegle do igły magnetycznej znajdującej się w spoczynku, a więc wskazującej kierunek północ- południ, a następnie przepuścił przez drut silny prąd ze swej baterii. Igła zaczęła „tańczyć”. Było to 21 lipca 1820 roku.

Oersted następnie uczynił to, co czynią wszyscy badacze w podobnej sytuacji: zaczął sprawdzać swoje odkrycie za pomocą licznych potwierdzających je doświadczeń, udowadniając jego słuszność oraz rozszerzać je w ramionach swoich wiadomości. Powtarzał najpierw wielokrotnie doświadczenie i stwierdził z całą pewnością, że przy odległości pomiędzy przewodnikiem i igłą magnetyczną wynoszącej około 3 cm ta ostatnia obraca się o około 45. Przy większej odległości odchylenie igły jest mniejsze i odwrotne.

Ponadto: im silniejszy jest prąd w przewodniku, tym bardziej wychyla się igła. W ten sposób Oersted podał zasadę budowy galwanometru oraz umożliwił określanie natężenia prądu w sposób bardziej niezawodny i dokładniejszy od metod stosowanych do czasu tego odkrycia. Oersted zaobserwował przy tym jednoznacznie, że wielkość wychylenia igły nie zależy od napięcia, ale od natężenia prądu. Wyjaśnił to „obniżeniem się siły przewodzącej, które należy przypisać zwielokrotnieniu ogniw w aparacie”. W przypadku, gdy drut przewodzący znajduje się nad igłą magnetyczną i prąd płynie z południa na północ, to biegun północny wychyla się na zachód (a biegun południowy na wschód), jeżeli przewodnik leży pod igłą, to wychyla się ona w kierunku przeciwnym.

Andrzej Ampĕre (1775-1836) wyraził to za pomocą swojej „reguły pływaka” w następujący sposób: jeśli wyobrazić sobie, że ktoś płynie zgodnie z kierunkiem prądu elektrycznego (od + do - ), z twarzą zwróconą ku igle magnetycznej, to wyciągnięte lewe ramię wskazuje kierunek, w jakim porusza się północny biegun igły. „Płynie zgodnie z kierunkiem prądu, od plusa do minusa”- i tu występuje sprzeczność. Wiemy przecież, że prąd elektryczny jako ruch elektronów przepływa od minusa do plusa. Dawniej nic nie wiedziano o elektronach i mylono się, co do kierunku prądu, gdy chodziło o zewnętrzny obwód prądu.

Oersted stwierdził, że siła odchylająca igłę magnetyczną musi być magnetyzmem, a więc czymś odmiennym od elektryczności . Ten magnetyzm jest wynikiem działania prądu elektrycznego na „ciała magnetyczne”, jak np. żelazko.

A zatem już trzy najważniejsze rodzaje oddziaływania prądu elektrycznego były znane już w 1820 roku: działanie chemiczne, działanie cieplne i działanie magnetyczne. Mimo to jest to dopiero początek rozwoju tej dziedziny...

Oersted chciał dokładnie wiedzieć, w jaki sposób przejawia się to magnetyczne działanie prądu elektrycznego. Umieścił on drut dla odmiany prostopadle i przepuścił przez niego silny prąd. Wtedy wyraźnie zaszło coś dziwnego: sam drut nie przyciągał w ogóle igły magnetycznej w ten sposób, żeby jeden jej koniec wskazywał na drut lub całkiem do niego przylegał jak do magnesu naturalnego. Igłę magnetyczną można było przesuwać po okręgu dookoła drutu, po czym obiegała ona to koło w taki sposób, że zawsze stanowiła jego część.
Znowu Oersted, zgodnie z rzeczywistym stanem rzeczy, stwierdził, że pole magnetyczne otaczające przewodnik ma postać koncentrycznych, kół, które nazywamy liniami pola; wspólny środek kół zawsze znajduje się na przewodniku.

Wychodzimy z założenia, że w przypadku magnezu linie pola zawsze wychodzą z bieguna północnego, przebiegają przez pole magnetyczne i przez biegun południowy, po czym wchodzą z powrotem do magnezu. W magnesującej się stali linie pola przebiegają niewidocznie dalej.

Dotychczas Oersted zawsze naciągał drut silniej lub słabiej i pozwalał igle magnetycznej poruszać się. Łatwo, więc można było wpaść na pomysł, żeby zrobić odwrotną próbę: umożliwić poruszanie się drutu w pobliżu umocowanego na stałe magnezu. Oersted przypuszczał, że wtedy oba pola magnetyczne: pole magnetyczne prądu przepływającego przez przewodnik oraz pole stałego magnesu będą na siebie wzajemnie oddziaływały. Jeżeli tylko drut będzie nieruchomy, będzie on musiał się przesunąć. Być może drut okaże się nawet czymś w rodzaju igły magnetycznej i ustawi się w kierunku północ- południe.

Niestety cały układ był za ciężki, zbyt mało ruchliwy. Z tego powodu Oersted nie mógł osiągnąć tego, by pętla, przez która płynął prąd, zachowywała się jak igła magnetyczna. Próba taka udała się dopiero (w tym samym roku) drezdeńskiemu lekarzowi generalnemu Raschigowi oraz fizykowi Ermanowi. Oersted osiągnął jednak duży sukces, gdy umieścił obok swej pętli z drutu silny magnes: pętla poruszyła się. Było to podstawowe odkrycie.

Stałe pole magnetyczne wprawia w ruch przewodnik, przez który płynie prąd. Mówimy tu o zasadzie elektrodynamicznej, zgodnie, z którą pracują prawie wszystkie silniki elektryczne; silne pola magnetyczne wytwarzane przez elektromagnesy w „stojanie” silnika wprawiają w ruch obrotowy „wirnik” posiadający zwojnice, przez które płynie prąd. Zasadniczą sprawą jest tutaj proste zjawisko, że dwa pola magnetyczne działają nawzajem na siebie.