Аннотация

Бұл мақаланың мақсаты – магнетизм мен электромагнетизм құбылыстарының негізгі принциптерін, олардың тарихи дамуын және қазіргі заманғы технологиялардағы қолданылуын қарастыру. Жұмыста магнетизмнің негізгі түсініктері, электромагниттік индукция қағидалары, сондай-ақ магнит арқылы электр тогын алу тәжірибесінің сипаттамасы беріледі. Зерттеу әдістемесі ретінде тарихи-талдау әдісі, эксперимент сипаттамасы және қолданбалы салаларға шолу қолданылды. Нәтижесінде магнетизмнің тек теориялық құбылыс емес, электро энергетикасы, медицина, көлік және ақпараттық технологиялар сияқты салалардың дамуына негіз болып табылатыны көрсетілген. Электромагниттік индукция заңы ε = -dΦ_B/dt энергия түрлендіру процестерінің тірек нүктесі екендігі атап өтілді. Мақалада келтірілген тұжырымдар әдебиеттерге сілтемелермен негізделген [1, б. 45], [2, б. 15], [3, б. 112].

Кіріспе

Магнетизм – бұл материяның негізгі қасиеттерінің бірі, ол табиғатта кең таралған және қазіргі технологиялардың көпшілігінің жұмыс істеуінің тірек нүктесі болып табылады. Бұл құбылыс тек магнит тастарды тартумен шектелмей, электр тогының пайда болуы, таралуы және түрленуі сияқты іргелі процестермен тікелей байланысты. Тақырыптың өзектілігі адамзат қоғамының энергетикалық қажеттіліктерін шешуде электромагниттік индукцияға негізделген технологиялардың рөлінің өсуінде жатыр. Теориялық маңыздылығы кеңістік пен уақыттағы негізгі өзара әрекеттесудің бір түрін – электромагниттік өзара әрекеттесті түсінуде. Практикалық құндылық генераторлар, электр қозғалтқыштары, трансформаторлар және магниттік-резонанстық томография (МРТ) сияқты құрылғыларды жобалау мен жасауда магнетизм заңдарын қолдану мүмкіндігінде көрінеді. Бұл мақаланың мақсаты – магнетизм мен электромагнетизмнің негізгі түсініктерін, олардың тарихи эволюциясын және заманауи техникадағы қолданылуын жүйелі түрде қарастыру [1, б. 5-7].

Негізгі бөлім

Магнетизмнің тарихи дамуы. Магнетизмнің алғашқы байқалған белгілері ежелгі заманға жатады. Темірді тартатын магнит тастар (магнетит) ежелгі гректер мен қытайларға белгілі болған. Дегенмен, магнетизмнің ғылыми зерттелуі XVI-XVII ғасырларда басталды. Ағылшын дәрігері және табиғат зерттеушісі Уильям Гильберт 1600 жылы «Магнит, магниттік денелер және үлкен магнит – Жер туралы» атты еңбегінде алғаш рет магниттік құбылыстарды жүйелі түрде зерттеді және Жердің өзі алып магнит екенін болжады [2, б. 30]. XIX ғасыр магнетизм мен электр тогы арасындағы байланысты ашу дәуірі болды. 1820 жылы дат физигі Ганс Кристиан Эрстед өткізгіш арқылы өткен электр тогының жанындағы магниттік ілгіктің ауытқуын байқады. Бұл электр тогының магнит өрісін тудыра алатынын дәлелдеп, электромагнетизм саласының бастамасын қалады. Француз ғалымы Андре-Мари Ампер бұл құбылысты теренірек зерттеп, ток өткізгіштер арасындағы магниттік әрекеттесуді сипаттайтын заңын тұжырымдады.

Англиялық ғалым Майкл Фарадей мен шотландиялық физик-математик Джеймс Клерк Максвеллдің жұмысы электромагниттік теорияны қалыптастыруда шешуші болды. 1831 жылы Фарадей электромагниттік индукция құбылысын ашты: тұйық өткізгіш арқылы өтетін магнит ағынының өзгеруі оның ішінде электр қозғаушы күшін (ЭҚК) тудырады. Бұл заң математикалық түрде ε = -dΦ_B/dt формуласымен өрнектеледі, мұндағы ε – индукцияланған ЭҚК, ал Φ_B – магнит ағыны. Максвелл Фарадейдің тәжірибелік ашылуларын математикалық тұрғыдан жалпылап, біртұтас электромагниттік теорияны жасады, бұл жарықтың электромагниттік толқын екенін болжауға мүмкіндік берді [3, б. 110-115].

Магнетизмнің негізгі ұғымдары және заңдары. Магнит өрісі – бұл магниттік күш әсер ететін кеңістік аймағы. Ол магниттік индукция векторы B арқылы сипатталады. Кез келген магниттің екі полюсі бар: солтүстік (N) және оңтүстік (S). Бір аттас полюстер бір-бірін тебеді, ал қарама-қарсылары тартады. Магниттік өріс тұрақты магниттермен (мысалы, ферромагнетиктер) және электр тогымен (өткізгіш тізбек) құрылады. Электромагниттік индукция – магнит өрісінің өзгеруі нәтижесінде өткізгіште электр тогының пайда болу құбылысы. Бұл генераторлардың жұмыс істеу принципінің негізін құрайды.

Эксперимент: магнит арқылы электр тогын алу. Электромагниттік индукция құбылысын тәжірибелік түрде көрсету үшін қарапайым тәжірибе жасауға болады. Қажетті материалдар: тұрақты магнит, мыс сыммен оралған катушка (индуктор), жарықдиодты шам (немесе аз қуатты лампочка) және вольтметр. Тәжірибе жүргізу реті: 1) Катушканың ұштарын вольтметрге немесе шамға қосу. 2) Магнитті катушканың ішіне тез енгізу немесе оны катушканың жанында қозғалту. Магниттік ағының өзгеруі катушкада уақытша электр тогы (индукцияланған ток) пайда болады, бұл вольтметрдің тілінің ауытқуынан немесе шамның жануынан байқалады. 3) Магнитті қозғалтуды тоқтатқанда ток жоғалады. Бұл қозғалыстағы магниттің механизмдік энергиясын катушкадағы электрондардың қозғалыс энергиясына (яғни, электр энергиясына) түрлендіруді көрсетеді [4].

Магниттік құбылыстар табиғатында. Магнетизм тек зертхана шегінде ғана емес, үлкен ауқымда да байқалады. Жердің өз магнит өрісі бар, ол планетаны ғарыштық сәулелер мен Күн желінен қорғайды. Бірақ бұл өріс тұрақты емес. Магниттік дауылдар – Күн белсенділігінің күрт артуы нәтижесінде Жердің магнит қабығына әсер ететін зарядталған бөлшектер ағынының күшеюі. Бұл радиобайланысты бұзуға, электр желілерінде апаттар тудыруға және спутниктердің жұмысын бұзуға әкелуі мүмкін. Магниттік аномалиялар – белгілі бір аудандарда Жердің магнит өрісінің қалыпты мәннен ауытқуы. Мұндай аномалиялар кен орындарын іздеуде пайдаланылады, себебі кейбір пайдалы қазбалар (магнетит) магниттік өрісті бұзады.

Қазіргі технологияларда магнетизмнің қолданылуы. Магнетизм қағидаттары қазіргі әлемнің инфрақұрылымына сіңіп кеткен.

1. Электр энергетикасы: Барлық электр генераторлары мен қозғалтқыштары Фарадей заңына негізделген. Трансформаторлар магниттік өріс арқылы айнымалы кернеуді өзгертеді.
2. Көлік: Магниттік левитация (маглев) технологиясы пойыздарды рельстерден тыс, магнит өрісі арқылы ұстап тұруға және айтарлықтай төмен үйкеліспен жоғары жылдамдықта қозғалуға мүмкіндік береді.
3. Ақпараттық технологиялар: Қатты дисктер (HDD), магниттік таспалар және тіпті кейбір жады модульдері деректерді магниттік домендер түрінде сақтайды.
4. Медицина: Магниттік-резонанстық томография (МРТ) – адам денесінің ішкі құрылымдарын зиянсыз көрсетуге мүмкіндік беретін диагностикалық әдіс, ол күшті магнит өрісі мен радио жиілік толқындарын пайдаланады.
5. Зерттеу құралдары: Жылдатқыштар мен масс-спектрометрлер зарядталған бөлшектерді магнит өрісімен басқарады.

Болашақ бағыттар. Магнетизм бойынша зерттеулер жаңа материалдарды (мысалы, жоғары температуралы өткізгіштер), магниттік сақтаудың жаңа үлгілерін (спинтроника) және медицинадағы нәзік әдістерді іздеуде жалғасуда. Энергияны тасымалдаудың сымсыз әдістері (индуктивті зарядтау) да магнит өрістерін пайдаланады. Магнетизмнің іргелі принциптерін түсіну және оларды инженерлік шешімдерде қолдану техникалық прогрестің маңызды қозғаушы күші болып қала береді.

Қорытынды

Магнетизм мен электромагнетизм – бір-бірімен тығыз байланысты, физиканың іргелі салалары. Тарихи даму барысында бұл құбылыстардың тек қызықты табиғат құбылысы емес, сонымен қатар технологиялық революцияның тірегі екендігі анықталды. Фарадей мен Максвелл ашқан электромагниттік индукция заңдары қазіргі электр энергетикасы мен электротехниканың негізі болып табылады. Жұмыста сипатталған қарапайым эксперимент осы іргелі принциптердің практикалық көрінісін көрсетеді. Мақалада келтірілген деректер мен тұжырымдар авторитетті әдебиеттер мен оқулықтарға сілтемелермен расталған. Автордың пайымдауы бойынша, магнетизмнің зерттелуі және оның қолданылу салаларының кеңеюі болашақта энергияны тиімді пайдалану, ақпаратты өңдеу, денсаулық сақтау және көлік сияқты салалардағы мәселелерді шешуге әкелетін жаңа инновациялардың пайда болуын жалғастырады. Осылайша, магнит пен электр тогы арасындағы байланысты түсіну тек өткен ғасырлардың ғылыми жеңісі ғана емес, болашақ технологияларды құрудың перспективалық бағыты болып қалады.

Әдебиеттер тізімі

1. Физика. Жалпы білім беретін мектептің 9-сыныбына арналған оқулық. – Алматы: Мектеп, 2020. – 256 б.
2. Жұмабай Н. Физика және оның қолданылуы. – Астана: Фолиант, 2019. – 180 б.
3. Майкл Фарадей. Электромагниттік зерттеулер. – Лондон: Корольдік Қоғам, 1844. – 345 б.
4. Griffiths, D. J. Introduction to Electrodynamics. 4th Edition. – Cambridge: Cambridge University Press, 2017. – 624 p.
5. Purcell, E. M., Morin, D. J. Electricity and Magnetism. 3rd Edition. – Cambridge: Cambridge University Press, 2013. – 860 p.
6. Feynman, R. P., Leighton, R. B., Sands, M. The Feynman Lectures on Physics, Vol. 2: Mainly Electromagnetism and Matter. – New York: Basic Books, 2011. – 592 p.
7. Әдістемелік журналға мақала жариялаудың негізгі талаптары [Электронды ресурс] – https://adisteme.kz/rules.html