Στον κόσμο της Φυσικής, υπάρχουν κάποιες σταθερές που λειτουργούν σαν θεμέλια για την κατανόηση του Σύμπαντος. Πρόκειται για αριθμούς που δεν αλλάζουν, και τους οποίους οι επιστήμονες χρησιμοποιούν για να περιγράψουν πώς λειτουργούν οι δυνάμεις της φύσης.
Ανάμεσά τους ξεχωρίζει η λεγόμενη «μαγνητική σταθερά» ή αλλιώς «διαπερατότητα του κενού» (magnetic constant, μ0). Μπορεί να μην είναι τόσο γνωστή όσο η ταχύτητα του φωτός ή η παγκόσμια σταθερά της βαρύτητας, ωστόσο χωρίς αυτήν δεν θα υπήρχε φως, ηλεκτρισμός ή οι συσκευές που κάνουν την καθημερινότητά μας λειτουργική.
Σταθερές: οι «τυχαίοι» αριθμοί που εξηγούν τα πάντα
Οι φυσικές σταθερές είναι ακριβείς αριθμοί που μοιάζουν αυθαίρετοι. Για παράδειγμα, η παγκόσμια σταθερά της βαρύτητας έχει την τιμή G = 6.6743 × 10−11 m3/kg⋅s2. Δεν γνωρίζουμε γιατί είναι ακριβώς αυτός ο αριθμός και όχι κάποιος άλλος, το μόνο βέβαιο είναι ότι οι μετρήσεις συμφωνούν με αυτή την τιμή και μας επιτρέπουν να περιγράφουμε με ακρίβεια το πώς πέφτουν τα σώματα ή πώς κινούνται οι πλανήτες.
Το ίδιο ισχύει και για τη μαγνητική σταθερά. Δεν είναι μια θεωρητική υπόθεση, αλλά ένας αριθμός που μετριέται με ολοένα μεγαλύτερη ακρίβεια καθώς βελτιώνονται τα όργανα των επιστημόνων. Η τιμή της έχει καθοριστεί σήμερα ως μ0 = 1.256637061272 × 10–6 N/A2, σύμφωνα με τη Διεθνή Επιτροπή Μέτρων και Σταθμών.
Η αόρατη συγγένεια ηλεκτρισμού και μαγνητισμού
Το φως που βλέπουμε γύρω μας δεν είναι τίποτε άλλο παρά ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία, ένας συνδυασμός ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων που αλληλεπιδρούν μεταξύ τους. Χωρίς τη μαγνητική σταθερά, δεν θα μπορούσαμε να περιγράψουμε αυτή τη θεμελιώδη σχέση.
Στην πράξη, η ύπαρξη της μαγνητικής σταθεράς μας επιτρέπει να εκμεταλλευτούμε αυτή τη σύνδεση σε πλήθος εφαρμογών: από την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας μέχρι τη λειτουργία των κινητήρων, των ηχείων ή ακόμη και των ανεμιστήρων που δροσίζουν τα σπίτια μας.
Από πού προκύπτει η τιμή της;
Οι φυσικές σταθερές συχνά συνδέονται μεταξύ τους. Η ταχύτητα του φωτός (c) σχετίζεται άμεσα με την ηλεκτρική σταθερά (ε0) και τη μαγνητική σταθερά (μ0). Αν γνωρίζουμε δύο από αυτές, μπορούμε να υπολογίσουμε την τρίτη. Οι φυσικοί έχουν ορίσει την ταχύτητα του φωτός ως ακριβώς 299.792.458 μέτρα το δευτερόλεπτο. Από εκεί, μετρώντας τη μαγνητική σταθερά, υπολογίζουν και την ηλεκτρική σταθερά.
Μπορεί να ακούγεται σαν «παραδοχή από το πουθενά», αλλά στην πραγματικότητα όλες οι μονάδες μέτρησης στηρίζονται σε ορισμούς που κάποτε επινοήθηκαν. Η συνέπεια και η ακρίβεια των μετρήσεων είναι αυτό που δίνει στη φυσική τη δύναμη να εξηγεί το Σύμπαν.
Η δημιουργία μαγνητικών πεδίων
Τα μαγνητικά πεδία, με το σύμβολο Β, δεν δημιουργούνται μόνο από μαγνήτες. Ο νόμος Biot-Savart περιγράφει πώς ένα κινούμενο ηλεκτρικό φορτίο παράγει μαγνητικό πεδίο γύρω του. Στην εξίσωση αυτού του νόμου εμφανίζεται η μαγνητική σταθερά, η οποία καθορίζει την ένταση του πεδίου σε σχέση με το φορτίο και την ταχύτητά του.
Στην καθημερινή ζωή δεν μετράμε μεμονωμένα ηλεκτρόνια, αλλά ηλεκτρικά ρεύματα – δηλαδή ροές φορτίων. Έτσι, η εξίσωση μπορεί να γραφτεί με όρους έντασης ρεύματος: B = μ0I/(2πr). Αυτό σημαίνει ότι κάθε ηλεκτρικό ρεύμα δημιουργεί γύρω του μαγνητικό πεδίο.
Από τα εργοστάσια μέχρι τα ηχεία
Η ιδιότητα αυτή είναι θεμέλιο για πλήθος τεχνολογιών. Τα ηλεκτρομαγνητικά πεδία αξιοποιούνται σε βιομηχανίες, για να μετακινούνται βαριά μεταλλικά αντικείμενα μέσω ηλεκτρομαγνητών. Στα ηχεία, το ηλεκτρικό σήμα μετατρέπεται σε κίνηση ενός μαγνητικού διαφράγματος, το οποίο με τη σειρά του παράγει ηχητικά κύματα.
Οι μαγνητικές δυνάμεις παίζουν επίσης καθοριστικό ρόλο στους ηλεκτρικούς κινητήρες. Ένα πηνίο με ρεύμα μέσα σε μαγνητικό πεδίο δέχεται δύναμη που το αναγκάζει να περιστραφεί. Έτσι λειτουργούν από τους μικρούς ανεμιστήρες μέχρι τις μηχανές των ηλεκτρικών αυτοκινήτων.
Αντίστοιχα, η παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας στηρίζεται στο αντίστροφο φαινόμενο: μια κινούμενη μαγνητική ροή δημιουργεί ηλεκτρικό ρεύμα. Οι γεννήτριες, είτε κινούνται από ατμό, νερό ή αέρα, περιστρέφουν πηνία μέσα σε μαγνητικά πεδία, μετατρέποντας μηχανική ενέργεια σε ηλεκτρική.
Πώς μετριέται η μαγνητική σταθερά
Η μέτρηση της μ0 μπορεί να γίνει με μια διάταξη που ονομάζεται «ζυγός ρεύματος». Σε αυτή, δύο παράλληλα σύρματα διαρρέονται από ηλεκτρικό ρεύμα σε αντίθετες κατευθύνσεις. Τα μαγνητικά πεδία που δημιουργούνται τα απωθούν μεταξύ τους, μέχρις ότου οι δυνάμεις ισορροπήσουν με την τάση των νημάτων που κρατούν τα σύρματα.
Μετρώντας την ένταση του ρεύματος και την απόσταση μεταξύ των συρμάτων, οι επιστήμονες μπορούν να υπολογίσουν με ακρίβεια τη μαγνητική σταθερά. Από εκεί, με δεδομένη την ταχύτητα του φωτός, προκύπτει και η ηλεκτρική σταθερά.
Γιατί έχει σημασία
Η μαγνητική σταθερά δεν είναι απλώς ένας αριθμός στα βιβλία Φυσικής. Είναι ο παράγοντας που καθορίζει τη σχέση ανάμεσα σε ηλεκτρικά ρεύματα και μαγνητικά πεδία, άρα και τη λειτουργία όλων των συστημάτων που στηρίζονται στον ηλεκτρομαγνητισμό. Από τα εργοστάσια παραγωγής ρεύματος μέχρι τις καθημερινές μας συσκευές, το μ0 βρίσκεται παντού.
Χωρίς αυτό το «μαγικό» νούμερο, ο κόσμος μας θα ήταν σκοτεινός και αθόρυβος, χωρίς ηλεκτρισμό, χωρίς φως και χωρίς τις τεχνολογίες που θεωρούμε δεδομένες.
[via]
