Από τον ηλεκτρισμό στο μαγνητισμό ⚡🧲

Ένας αγωγός γίνεται μαγνήτης

Όταν μέσα από έναν αγωγό ρέει ηλεκτρικό ρεύμα, ο αγωγός αποκτά μαγνητικές ιδιότητες. Αν πλησιάσουμε αυτόν τον αγωγό σε μια πυξίδα, θα δούμε τη μαγνητική βελόνα της να στρέφεται, ακριβώς όπως θα γινόταν κοντά σε έναν κανονικό μαγνήτη.

Τα μαγνητικά φαινόμενα γίνονται πιο έντονα όταν ο αγωγός έχει σχήμα πηνίου, δηλαδή όταν είναι τυλιγμένος σαν ελατήριο. Κι αν τοποθετήσουμε μια ράβδο από σίδηρο μέσα στο πηνίο, φτιάχνουμε έναν ηλεκτρομαγνήτη, στον οποίο οι μαγνητικές ιδιότητες είναι ακόμα πιο έντονες.

Ο ηλεκτρομαγνήτης έλκει μαγνητικά υλικά και έχει βόρειο και νότιο μαγνητικό πόλο, ακριβώς όπως ένας μόνιμος μαγνήτης. Η μεγάλη διαφορά είναι ότι διαθέτει μαγνητικές ιδιότητες μόνο όσο ρέει μέσα του ηλεκτρικό ρεύμα· μόλις το ρεύμα σταματήσει, ο ηλεκτρομαγνήτης παύει να είναι μαγνήτης.

Γιατί συμβαίνει αυτό;

Οι μαγνητικές ιδιότητες των μόνιμων μαγνητών οφείλονται στον τρόπο που κινούνται τα ηλεκτρόνια γύρω από τους πυρήνες μέσα στα άτομα των υλικών αυτών. Και στους ηλεκτρομαγνήτες η αιτία είναι η ίδια: η κίνηση ηλεκτρονίων, συγκεκριμένα των ελεύθερων ηλεκτρονίων του μεταλλικού αγωγού.

Τα ελεύθερα ηλεκτρόνια κινούνται κατά μήκος του αγωγού, άρα κινούνται κυκλικά γύρω από τη σιδερένια ράβδο στο εσωτερικό του πηνίου. Η διαφορά είναι ότι εδώ η κίνηση των ελεύθερων ηλεκτρονίων διαρκεί μόνο όσο η πηγή είναι συνδεδεμένη στο κύκλωμα. Με λίγα λόγια, οι μαγνητικές ιδιότητες, μόνιμες ή προσωρινές, οφείλονται πάντα στην κίνηση ηλεκτρικών φορτίων.

Το πείραμα του Oersted 🔬

Το 1820 ο Δανός καθηγητής Hans Christian Oersted έκανε πειράματα ηλεκτρισμού στη διάρκεια ενός μαθήματος και έκανε τυχαία μια εκπληκτική ανακάλυψη: η μαγνητική βελόνα μιας πυξίδας, που είχε ξεχάσει κοντά σε έναν αγωγό, μετακινήθηκε τη στιγμή που μέσα από τον αγωγό άρχισε να ρέει ηλεκτρικό ρεύμα.

Ο Oersted κατάλαβε αμέσως τη σημασία αυτής της παρατήρησης. Ήταν ο πρώτος που συσχέτισε τα μαγνητικά με τα ηλεκτρικά φαινόμενα, επιβεβαιώνοντας πειραματικά ότι ένας αγωγός αποκτά μαγνητικές ιδιότητες όταν μέσα του ρέει ηλεκτρικό ρεύμα.

Ο ηλεκτρικός κινητήρας

Η λειτουργία των ηλεκτρικών κινητήρων στηρίζεται ακριβώς σε αυτές τις μαγνητικές ιδιότητες που αποκτούν οι αγωγοί όταν μέσα τους ρέει ηλεκτρικό ρεύμα. Ηλεκτρικοί κινητήρες κρύβονται μέσα σε πάρα πολλές συσκευές και μηχανές: ένα μικρό αυτοκινητάκι-παιχνίδι, μια κούκλα με κινούμενα μέρη, μια ηλεκτρική οδοντόβουρτσα, ένα κινητό τηλέφωνο με δόνηση, έναν ανεμιστήρα, τον μηχανισμό των ηλεκτρικών παραθύρων ενός αυτοκινήτου, ένα πλυντήριο, ένα ψυγείο, έναν ανελκυστήρα, μια κυλιόμενη σκάλα, ακόμα και ένα τρόλεϊ.

Πετρέλαιο ή ηλεκτρική ενέργεια στα μέσα μεταφοράς;

Μια άμαξα χωρίς άλογα και ένα τρένο χωρίς ατμομηχανή ήταν το όνειρο των εφευρετών του 19ου αιώνα, κι αυτό το όνειρο έγινε γρήγορα πραγματικότητα. Οι μηχανές άρχισαν να κινούν οχήματα στις αρχές του περασμένου αιώνα. Δύο τύποι μηχανών χρησιμοποιούνται ακόμα και σήμερα: οι ηλεκτροκινητήρες και οι μηχανές εσωτερικής καύσης.

Τα περισσότερα μέσα μεταφοράς —αυτοκίνητα, λεωφορεία, πλοία, αεροπλάνα— χρησιμοποιούν μηχανές εσωτερικής καύσης με καύσιμο το πετρέλαιο ή παράγωγά του. Στις πόλεις όμως κυκλοφορούν παράλληλα τα τρόλεϊ, το μετρό, το τραμ και ο σιδηρόδρομος, που λειτουργούν με ηλεκτροκινητήρες.

Το πρώτο ηλεκτρικό τραμ εγκαινίασε το 1881 ο Werner Siemens στο Βερολίνο, με ανώτατη επιτρεπόμενη ταχύτητα τα 20 χιλιόμετρα την ώρα. Το 1886, στην ίδια πόλη, κυκλοφορούσε πια και μετρό.

Η χρήση ηλεκτροκινητήρων είναι πολύ πιο φιλική για το περιβάλλον, αφού δεν εκπέμπουν ρύπους και είναι λιγότερο θορυβώδεις. Το μεγαλύτερο εμπόδιο για την ευρύτερη χρήση τους είναι η αποθήκευση της ενέργειας. Στα τρόλεϊ, στο τραμ, στο μετρό και στο τρένο όμως αυτό δεν αποτελεί πρόβλημα, γιατί είναι μέσα σταθερής τροχιάς: κινούνται σε προκαθορισμένη διαδρομή, μέσα από την οποία τροφοδοτούνται συνεχώς με ηλεκτρική ενέργεια.

Εφαρμογές των ηλεκτρομαγνητών 🧲

Οι ηλεκτρομαγνήτες έχουν πολλές εφαρμογές στη σύγχρονη τεχνολογία. Χρησιμοποιούνται σε ρελέ, σε γερανούς για την ανύψωση βαριών σιδερένιων αντικειμένων, σε μηχανήματα αναπαραγωγής ήχου και σε συστήματα σήμανσης των σιδηροδρόμων.

Μια εντυπωσιακή εφαρμογή τους είναι τα εναέρια τρένα, που δεν ακουμπούν καθόλου στις ράγες. Τόσο στα τρένα όσο και στις ράγες υπάρχουν τοποθετημένοι ισχυροί ηλεκτρομαγνήτες. Τα τρένα αιωρούνται σε απόσταση περίπου ενός εκατοστού από τις ράγες, χάρη στην άπωση των όμοιων μαγνητικών πόλων που βρίσκονται στο πάνω μέρος της τροχιάς και στο κάτω μέρος του τρένου.