Elekter ja magnetism (1)

Elekter ja magnetism
Õppimapp
Oskar Ohakas
Üks Rakvere Gümnaasium
2011
ELEKTER

1. Elekterilaeng

Sõna " elektrilaeng " on füüsikas ja elektrotehnikas kasutusel kolmes tähenduses. Need tähendused on omavahel tihedas seoses. See, millises tähenduses sõna "elektrilaeng" parajasti kasutatakse, oleneb kontekstist. Elektrilaenguks ehk laenguks nimetatakse elementaarosakese omadust osaleda elektromagnetilises vastastikmõjus, samuti osakese või makroskoopilise keha omadust tekitada elektromagnetvälja ja alluda selle toimele. Seda omadust kirjeldatakse ka elektromagnetiliste jõudude tekitamisena ja nendele allumisena. Elektrilaeng esineb kahel kujul, mida tinglikult nimetatakse positiivseks elektrilaenguks ehk positiivseks laenguks ja negatiivseks elektrilaenguks ehk negatiivseks laenguks.

2. Elektrilaeng kui füüsikaline suurus

Elektrilaeng ehk laeng ehk elektrihulk on füüsikaline suurus, mis iseloomustab elektromagnetilises vastastikmõjus ja elektromagnetvälja tekitamise ning sellele allumise intensiivsust ja viisi.Elektrilaengu väärtus on positiivse laengu puhul positiivne arv ja negatiivse laengu puhul negatiivne arv. Neutraalsele osakesele või kehale võidakse omistada elektrilaengu väärtus 0. Elektrilaeng ehk elektrihulk kui füüsikaline suurus iseloomustab ka näiteks muutuva elektrilaenguga keha elektrilaengu muutu ja mingit pinda läbivate osakeste elektrilaengute summat . Ka sel juhul võib elektrilaengu väärtuseks osutuda 0. Elektrilaengu tähis on tavaliselt Q või q. Elektrilaengu mõõtühik SI-süsteemis on kulon (tähis: C).

3. Elementaarlaeng

Elementaarlaeng on prootoni (positiivne) või elektroni (negatiivne) elektrilaeng. Elementaarlaeng on universaalne füüsikaline konstant ja tema tähis on e. ga keha elektilaeng on alati elementaarlaengu täisarvkordne. Sellel reeglil on kaks erandit . Kvarkide elektrilaeng on e/3 täisarvkordne. Samuti võib teoreetiliselt olla murdarvuline kvaasiosakeste elektrilaeng. Teoreetiliselt tõestas elementaarlaengute olemasolu 1881. aastal saksa füüsik Hermann von Helmholtz . Eimesena sai mõõtmistulemused ja tõestas elementaarlaenu olemasolu ameerika füüsik Robert Andrews Millikan aastatel 1909–1916.

4. Elektrivool

Elektrivool on positiivse või negatiivse elektrilaenguga laengukandjate korrapärane liikumine. Laengukandjate korrapärast liikumist elektri- või pooljuhis elektrivälja mõjul nimetatakse juhtivusvooluks. Elektrilaenguga laetud makroosakeste või kehade liikumist vaakumis või keskkonnas, millel puudub elektrijuhtivus , nimetatakse konvektsioonvooluks. Seotud elektrilaengute ehk dielektrikute aatomite ja molekulide koostisse kuuluvate osakeste elektrilaengute ning ioonvõrega kristalliliste dielektrikute ioonide laengute liikumist dielektrikus, mis muudab dielektriku polarisatsiooni, nimetatakse polarisatsioonvooluks.

5. Juhid

Elektrijuht ehk juht on materjal, mis sisaldab liikuvaid elektrilaenguga osakesi (kõige sagedamini elektrone) ning mille elektritakistus (täpsemalt eritakistus ) on seetõttu väike. Tavaliselt loetakse materjali juhiks, kui selle eritakistus ei ületa 10–6 Ω∙m. Elektrijuhtide kohta öeldakse, et nad juhivad elektrit ehk neil on hea elektrijuhtivus. Materjali, mis elektrit ei juhi, nimetatakse isolaatoriks. Kui elektrilised potentsiaalid juhi eri punktides on erinevad, siis vastavalt Ohmi seadusele läbib juhti elektrivool. Juhtide elektrijuhtivust iseloomustatakse tavaliselt eritakistusega. Mida väiksem on eritakistus, seda paremini juht elektrit juhib. Paljud elektrijuhid on metallid, kuid on ka mittemetallilisi elektrijuhte.

6. Dielektrikud

Dielektrik on väga väikese elektrijuhtivusega aine või ainete segu. Dielektrikud võivad olla nii tahked , vedelad kui gaasilised . Elektriväli tekitab dielektrikus dielektrilise polarisatsiooni. Dielektrikute tähtsaimateks omadusteks on dielektriline vastuvõtlikkus, läbitavus ja läbilöögitugevus. Näiteks kasutatakse dielektrikuna kummit , klaasi ja õhku.

7. Pooljuhid

Pooljuhtideks nimetatakse aineid ja elemente, mille elektrijuhtivus on juhtide ja dielektrikute vahepeal . Pooljuht on elektronjuhtivusega keemiline aine, mis juhib elektrit paremini kui dielektrikud ja halvemini kui elektrijuhid. Pooljuhid on väga tundlikud välismõjude ja lisandite suhtes. Peamine iseärasus on elektrijuhtivuse järsk suurenemine temperatuuri kasvades. Pooljuhtide erijuhtivus toatemperatuuril on 10...10–6 S/m. Pooljuhid on enamasti kristalsed ained, aga leidub ka vedelikke ja amorfseid. Pooljuhtide hulka kuuluvad mõned lihtained (räni, germaanium , seleen , telluur, arseen , fosfor ja teised), palju oksiide , sulfiide, seleniide ja telluriide, mõned sulamid , paljud mineraalid jm. Levinumad pooljuhid on germaanium ja räni. Germaaniumi keelutsooni laius on 0,72 eV, ränil 1,12 eV. Germaanium ja räni on nelja valentsed ained nende aatomid paiknevad kuubi tippudel ja on omavahel seotud kovalentse ehk paaris elektroonilise sidemega. Kui pooljuht on puhas siis on ta absoluutse nulli juures dielektrik. Temperatuuri või kiirguse mõjul võib elektron lahkuda kohalt sinna jääb vaba koht ehk nn. auk. Auku vaadeldakse positiivse elementaar laenguna. Elektroni laeng on -1,6*10–19 C augulaeng on +1,6*10–19 C.

8. Coloumbi seadus
Coulombi (kulooni) seadus ehk elektrostaatilise vastasmõju kvantitatiivne seadus on füüsika seadus, mis ütleb, et kaks punktlaengut q1 ja q2 mõjutavad teineteist jõuga Fe , mille moodul on võrdeline nende laengute absoluutväärtuste korrutisega ja pöördvõrdeline nendevahelise kauguse ruuduga.
Võrdetegur k väärtus antud avaldises on .
Seaduse avastas Prantsuse füüsik Charles Coulomb 1785 . aastal.

9. Punktlaeng

Punktlaeng on ideaalne objekt (idealiseeritud mudel) – elektriliselt laetud keha, millel puuduvad mõõtmed.
Punktlaengu mõiste abil lihtsustatakse elektrinähtuste uurimist tavaliselt juhtudel, kui keha või osakese mõõtmed on tühised võrreldes tema kaugusega teistest elektrilaengut omavatest kehadest või osakestest. Neil juhtudel võib mõõtmed arvestamata jätta. Samuti kasutatakse punktmassi mõistet teoreetilistes mudelites ja harjutusülesannetest.

10. Elektriväli

Elektriväli on elektrilaengu poolt tekitatud ruumis leviv pidev väli ja mis mõjutab ruumis paiknevaid teisi elektrilaenguid. Elektrivälja levimiskiirus on võrdne valguse kiirusega vaakumis. Elektriväli on elektromagnetvälja piirjuht. Elektrivälja tekitab ka muutuv magnetväli. Sel juhul on tegemist pööriselektriväljaga.

11. elektrivälja tugevus

Elektrivälja tugevus ehk elektriväljatugevus on füüsikaline suurus, mis võrdub antud väljapunkti asetatud punktlaengule mõjuva jõu ja selle laengu suhtega.
Kui me tähistame elektrivälja tugevuse tähega ja mõõtühikuks SI-süsteemis on volti meetri kohta (V/m), võime kirjutada
on punktlaeng
on punktlaengule mõjuv jõud.

12. Elektrivälja jõujooned

Elektrivälja jõujooneks nimetatakse mõttelist joont, mille igast punktist tõmmatud puutuja siht ühtib väljatugevuse vektorisihiga. Staatilise elektrivälja jõujooned algavad positiivsetel laengutel ja lõppevad negatiivsetel või suunduvad lõpmatusse.

13. Elektrivälja potensiaal

Elektrivälja potentsiaal ehk potentsiaal on füüsikaline suurus, mis võrdub mingisse elektrostaatilise välja punkti asetatud elektrilaengu potentsiaalse energia ja laengu suuruse suhtega. Kui me tähistame potentsiaali tähega φ siis
kus W on laengu potentsiaalne energia ja q on laengu suurus.
Potentsiaal on skalaarne suurus. Kui kahe laengu poolt tekitatud elektriväljade potentsiaalid on vastavalt ja , siis võrdub nende väljade kogupotentsiaal .

14. Elektriline pinge

Pinge ehk elektriline pinge on füüsikas ja elektrotehnikas kasutatav füüsikaline suurus, mis iseloomustab kahe punkti vahelist elektrivälja tugevuse erinevust ning määrab ära kui palju tööd tuleb teha laengu ümberpaigutamiseks ühest punktist teise. Pinge mõiste võttis 1776. aastal kasutusele inglise füüsik Henry Cavendish, kes uuris elekri nähtusi ja elektrilaengute jagunemist. Elektrivälja kahe punkti vaheliseks pingeks, tähisega U, nimetatakse suhet,

kus q on mingi positiivne punktlaeng ja A on töö, mille elektriväli teeb selle laengu ümberpaigutamiseks ühest elektrivälja punktist teise. Seega on elektriline pinge skalaarsuurus.
Pinge ühikuks SI-süsteemis on volt. Üks volt (tähistatakse V) on selline pinge, mille puhul 1 kuloni suuruse laengu ümberpaigutamisel teeb elektriväli tööd 1 džaul.
Elektrivälja kahe mõõdetava punkti vaheline pinge langeb enamasti kokku nende punktide potentsiaalide vahega, kuid ei võrdu süsteemi alguses ja lõpus mõõdetava pingega.

15. Elektrimahtuvus

Mahtuvus ehk elektrimahtuvus on elektrotehnikas ja elektroonikas kasutatav füüsikaline suurus, mis iseloomustab keha võimet säilitada elektrilaengut. Elektrimahtuvus näitab, kui suure laengu üleviimisel ühelt kehalt teisele tekib kehade vahel pinge 1 volt.
Tähis: C (ingl capacitance)
Ühik: 1 F ( farad )
Arvutamise valem: C = q / U
kus:

• C elektrimahtuvus , [C] = F (farad) ,
  

• q laenguhulk , [q] = C (kulon) ,
  

• U potentsiaal , [U] = V (volt) ,
  

Mahtuvus on võrdne laengu ja pinge jagatisega.

16. Kondensaatorid

Kondensaator on kahest või enamast elektroodist ja nendevahelisest dielektrikukihist koosnev seadis. Kondensaatoreid iseloomustav suurus on mahtuvus.
1745. aastal valmistasid E.J. von Kleist ja P. van Musschenbroek teineteisest sõltumatult esimese kondensaatori, mida tuntakse kui leideni purki või kleisti pudelit.

17. Ohmi seadus

Ohmi seadus on üks elektrivoolu põhiseadusi. See on saanud nime saksa füüsiku Georg Simon Ohmi (1789–1854) järgi, kes selle 1827 sõnastas.
Vooluahelat läbiva elektrivoolu tugevus (I) on võrdeline selle lõigu otste potentsiaalide vahega (U) ja pöördvõrdeline lõigu takistusega (R).
, kus
• I on juhis kulgeva ja vooluahelat läbiva voolu tugevus, mida mõõdetakse näiteks amprites (A)
• U on pinge, mida mõõdetakse näiteks voltides (V)
• R on vooluringi lõigu takistus, mida mõõdetakse näiteks oomides (Ω).
Ohmi seadus vooluringe kohta-Suletud mittehargnevas vooluahelas on voolutugevus (I) võrdeline elektromotoorjõudude (E) summaga ja pöördvõrdeline ahela kogutakistusega (r).
Vooluringis, mis koosneb ühest või mitmest järjestikku ühendatud toiteallikast ja ühest või mitmest samasse ahelasse järjestiku ühendatud takistist, saab arvutada voolutugevust järgmiselt:
, kus

• I on vooluahelat läbiva voolu tugevus
  
• E on vooluahelasse ühendatud elektromotoorjõudude algebraline summa
  
• R on vooluahelasse ühendatud takistuste summa
  
• R0 on vooluahelasse ühendatud toiteallikate sisetakistuste summa.
  

18. Takistus

Takistuseks ehk elektritakistuseks nimetatakse juhi omadust avaldada elektrilaengute liikumisele takistavat mõju. Elektritakistuse mõõtühik SI-süsteemis on oom. Elektritakistust mõõdetakse oommeetriga . Alalisvoolu korral nimetatakse juhi poolt põhjustatud elektritakistust täpsemalt oomiliseks takistuseks või ka aktiivtakistuseks. Vahelduvvoolu korral räägitakse näivtakistusest, mille moodustavad aktiivtakistus ja reaktiivtakistus ( mahtuvustakistus ja induktiivtakistus ). Takistus põhjustab pingelangu . Elektritakistuse R pöördväärtus on elektrijuhtivus G:

19. Eritakistus
Eritakistus on füüsikaline suurus, mis iseloomustab elektrijuhi võimet voolu läbi lasta ning on võrdne juhi takistusega juhul, kui juhi pikkus ja ristlõikepindala on ühikulised.
Teisisõnu eritakistus on kindlast materjalist elektrijuhi võime avaldada teda läbivale voolule takistust.
Eritakistuse ühik oom korda meeter ehk oom-meeter (Ω · m) on defineeritud kui antud ainest tehtud 1 m pikkuse ja 1 m2 ristlõikepindalaga juhi takistus.
Eritakistus on üks tähtsamaid juhi elektrilisi omadusi.
Tuntumate elektrimaterjalide ligikaudsed eritakistused on:
raud: 0,098 μΩ·m
alumiinium : 0,028 μΩ·m
vask: 0,017 μΩ·m
hõbe: 0,016 μΩ·m

20. Alalisvool

Alalisvooluks nimetatakse voolu, mille suund ja tugevus ajas ei muutu. Suunaks on valitud positiivsete laengukandjate liikumise suund ( vooluringis plussilt miinusele). Alalisvoolu tekitavad alalispinge allikad, näiteks akud ja patareid .

21. Alalisvoolu töö ja võimsus.

A=IUt; N=IU; N=A/t
Voolumagnetväli ja kruvi reegel.
1820.a. märkas Ostred oma katsetes, et elektrivooluga kasneb elektriväli.
Kui väike magnetnõelake asetada juhtme lähedusse, siis voolu sisselülitamisel magnetnõelake pöördub risti juhtmega. Sellest järeldub ka jõujoonte suund, sest magnetnõel pöördub jõujoone või tema puutuja suunda. Sirgjuhtme ümber, milles on vool, on magnetvälja jõujooned ringjooned. Jõujoontel on suund, mida sirgjuhtme puhul määratakse kruvi reegliga : kui voolu suund on kruvi kulgeva liikumise suunas, siis jõujoonte suund on kruvipea pöördumise suunas (lihtsam definitsioon: kruvi ots näitab voolu suunda ja jõujooned paiknevad mööda vinti, õpetaja ütles, et see on õige). Erinevalt elektrivälja jõujoontest, mis algavad mingil teatud laengul või lõpmatuses, on magnetvälja jõujooned kinnised kõverad. Magnetvälja jõujooned väljuvad põhjapoolusest, suubuvad lõunapoolusesse ja jätkuvad magneti sees kuni põhjapooluseni, kust taas väljuvad jne.
Millele põhineb SI-põhiühiku 1 amper definitsioon?
1 ampri definitsioon põhineb vooluga juhtmete omavahelisel vastastikmõjul: samasuunaliste vooludega juhtmed tõmbuvad ja vastassuunaliste vooludega juhtmed tõukuvad. Kui kahe paralleelse, lõpmata pika ja lõpmata peenikese sirgjuhtme vahel, mille vahekaugus on 1 meeter ja milles voolab ühesuguse tugevusega vool, mõjub vaakumis juhtme pikkuse iga meetri kohta jõud 2·10-7 N, siis on voolutugevus juhtmes 1 amper.
Kuidas on seotud vasaku käe reegel ja elektrimootor ?
Elektrimootori tööpõhimõte põhineb juhtme liikumisel magnetväljas, mis omakorda põhineb vasaku käe reeglil: kui asetada vasak käsi magnetvälja nii, et jõujooned suunduvad peopessa ja väljasirutatud sõrmed näitavad voolu suunda, siis kõrvalesirutatud pöial näitab juhtme liikumise suunda. Ühe juhtme liikumisest praktikas kasu ei ole, juhe tuleb pöörata raamiks. Ka ühest raamist pole kasu. Elektrimootori puhul on pandud jadamisi sadu ja tuhandeid raame (traat on keritud vastavale alusele) ja selle raamide jada pöördumisel magnetväljas muundubki elektrienergia mehaaniliseks energiaks, mis ongi elektrimootori tööülesanne.
Kuidas on seotud parema käe reegel ja elektrigeneraator?
Elektrigeneraatori tööpõhimõte põhineb magnetvälja jõujoonte lõikamisel juhtme poolt, mis omakorda põhineb parema käe reeglil: kui asetada parem käsi magnetvälja nii, et jõujooned suunduvad peopessa ja kõrvalesirutatud pöial näitab juhtme liikumise suunda, siis väljasirutatud sõrmed näitavad induktsioonvoolu suunda. Selleks, et tekiks märgatav hulk elektrienergiat, peame taas juhtme pöörama raamiks ja neid raame suurel hulgal jadamisi kerima. Mingisuguse jõuga seda raamide kogumikku ringi ajades saamegi voolu praktiliseks kasutamiseks. Oleme saanud elektrigeneraatori, mis on elektrimootoriga võrreldes pöördprotsess: nüüd muudetakse mehhaaniline energia elektrienergiaks.
Mida tähendab elektriline inerts Lenzi seadusega seoses?
Olgu meil muutuva vooluga juhe (vool kasvab/kahaneb). Muutuva vooluga juhtme ümber on muutuv magnetväli, st magnetväli ja juhe liiguvad teineteise suhtes. Seda liikumist saab tõlgendada mitte nii hästi juhtme ja jõujoonte lõikumisena, kui magnetvoo muutumisena, mille tulemusena tekib selles samas juhtmes endas eneseinduktsioonvool, mille suuna määrab Lenzi seadus: eneseinduktsioonvool on alati sellise suunaga, et tema magnetväli takistab teda põhjustavat magnetvoo muutumist. Võib õelda, et tekkinud eneseinduktsioonvool püüab takistada voolu muutumist (kui vool kasvab, püüab eneseinduktsioonvool kasvamise kiirust vähendada, kui vool kahaneb, püüab see kahanemise kiirust vähendada).

22. Elektrimootor

Elektrimootor on seade, mida kasutatakse elektrienergia muundamiseks mehaaniliseks tööks.
Enamik elektrimootoreid töötab tänu elektromagnetisminähtusele. Kuid on ka mootoreid millede töö baseerub teistel elektromehaanilistel nähtustel nagu näiteks piesoelektrilisel efektil ja elektrostaatilistel jõududel. Elektromagnetisminähtusel põhinevate mootorite tööpõhimõtteks on pöörleva magnetvälja energia muutmine rootori pöörlemise mehaaniliseks energiaks. Selliste mootorite töö on kirjeldatav Lorentzi seadusega. Kuid eksisteerivad ka lineaarsed elektrimootorid .

23. Vooluallika lühis

Lühis ( inglis short- circuit , saksa Kurzschluß, soome oikosulku) on isolatsioonirike tagajärjel tekkinud elektrit juhtiv ühendus eri pingega või pingega ja pingeta elektrijuhtide vahel, kui rikkevoolu ahel ei sisalda elektritarvitite takistust. Lühise tagajärjel elektriseadmete töö halveneb, rakendub seadmete kaitseaparatuur või lakkavad seadmed üldse töötamast.
MAGNETISM

1.Magnetism

Magnetväli on üks mateeria vorme. Magnetväli esineb iga liiki elekrtivoolu ümber, s.t. kõikjal, kus on tegemist laetud osakeste liikumisega. Magnetvälja tähtsaim omadus on see, et ta avaldab mõju vooluga juhile.

Magnetjõududeks nimetatakse vooluga juhtide (liikuvate elektrilaengute) vahel mõjuvaid vastastikkuseid jõude.

Püsimagnetiteks ehk magnetiteks nimetatakse kehasid, mis säilitavad oma magneeditud oleku pikemaks ajaks.
Nende magnetvälja tekitavad aine aatomisisesed elektrivoolud (elektronide korrapärane liikumine aatomites ja molekulides).

Magneti poolusteks nimetatakse magneti kohti, kus magnetiline toime on kõige suurem. Igal magnetil on kaks poolust: põhjapoolus (N) ja lõunapoolus (S).

Magnetnõel On pöörlemisteljele asetatud magnet, mida kasutatakse näitamaks magnetjõudude suunda.

Magnetvälja jõujoonteks nimetatakse jooni, mida mööda asetuvad magnetväljas väikeste magnetnõelade teljed (põhja- ja lõunapoolusi ühendavad sirglõigud).

• Elektrivool ja magnetväli on teineteisest lahutamatud.
  
• Voolu magnetvälja jõujooned kuijutavad endast juhti ümbritsevaid kinniseid kõveraid. Sirgvoolu magnetvälja jõujooned ümbritsevad juhti kontsentriliste ringjoontena.
  
• Voolu suuna muutmisel juhis pöörduvad kõik magnetnõelad selle magnetväljas 180 võrra. Seega võib voolu magnetväja jõujoontele omistada kindla suuna, mis sõltub voolu suunast juhis.
  Voolu magnetvälja jõujoonte suund määratakse kokkuleppelise kruvireegliga: kui kruvi kulgliikumine ühtib voolu suunaga, siis kruvipea pöörlemise suund ühineb voolu magnetvälja jõujoonte suunaga.
  Vabalt orjenteeruva magnetnõela pooluseid S ja N ühendava sirge suund ühtib magnetvälja suunaga.
  
• Vooluga pooli magnetväli sarnaneb sirge püsimagneti magnetväljaga. Kui pooli pikkus ületab tunduvalt pooli läbimõõdu, on magnetvälja jõujoonedpooli sees üksteisega rööbiti; pooli ots, millest jõujooned väljuvad, on põhjapoolus, pooli ots, millesse jõujooned suubuvad, on lõunapoolus.
  Pooli magnetpooluste vahetamiseks tuleb muuta voolu suunda poolis.
  Voolutugevuse suurendamisel poolis magnetväli tugevneb, vähendamisel aga nõrgeneb.
  
• Magnetite ja vooluga poolide erinimelised poolused tõmbuvad ja samaninelised tõukuvad.
  
• Maa kujutab endast hiigelmagnetit. Maad ümbritsevas magnetväljas võtab vertikaalteljel pöörlev magnetnõel alati kindla asendi. Maa magnetpoolused ei ühti maa geograafiliste poolustega. Maamagnetism on seotud mitmesuguste elektrivooludega, kuid nähtuste olemus ei ole veel lõplikult selgitatud .
  

Elektromagnetiks nimetatakse raudsüdamikuga pooli.

Elektromagneetiline relee on seade, mille abil saab nõrga vooluga sisse ja välja lülitada tugeva vooluga vooluringe.

• Pooli sisse asetatud raudsüdamik tugevdab tunduvalt vooluga pooli magnetvälja. Kui vooluring katkestada, kaob magnetväli poolis ja südamikus.
  
• Elektromagneti magnetväli tugenevneb voolutugevuse suurendamisel ja oleneb raudsüdamiku materjalist ja kujust .
  
• Raua ja terase magneetumise põhjustab elektronide korrapärastatud liikumine aatomites, mis tekib tugeva magnetvälja.
  

2. Magnetiline induktsioon

Magnetiline induktsioon ehk magnetinduktsioon on füüsikaline suurus, mis iseloomustab magnetvälja vastavas ruumipunktis: magnetiline induktsioon on magnetvälja magnetvoo tihedus. Tähiseks on B ja SI-süsteemi ühikuks tesla (T).
Magnetvälja põhjustatav jõud
Magnetväljas liikuvale laetud osakesele mõjuv jõud
kus
F on jõud (njuutonites)
q on osakese elektrilaeng (kulonites)
v on osakese hetkkiirus (m/s)
B on magnetiline induktsioon (T).
Vooluga juhile mõjuv jõud
Kui sirge, liikumatu juhe, milles on elektrivool, asetada välisesse magnetvälja, siis sellele juhile mõjub jõud. See jõud on Lorentzi jõu tulemus (Lorentzi jõud mõjub igale juhis liikuvale elektrilaenguga osakesele). Kogu jõud on seega:
kus
F = jõud, mõõdetuna njuutonites
I = voolutugevus juhis, mõõdetuna amprites
B = magnetvälja vektor , mõõdetuna teslades
L = vektor, mille suurus on võrdne juhi pikkusega (meetrites), ja mille suund ühtib elektrivoolu kokkuleppelise suunaga juhis (positiivse elektrilaenguga osakeste liikumise suund).
Kui juhe on kõver, mitte sirge, siis sellele mõjuva jõu arvutamisel tuleb arvutada igale lõpmatult väikesele juhtme jupile mõjuvat jõudu integreerimise kaudu.

3. Maa magnetväli

Maa magnetväli on peaaegu nagu magneetiline dipool , mille üks poolus asub Maa geograafilise põhjapooluse ning teine lõunapooluse lähedal erinedes Maa pöörlemise teljest 11.3° võrra. Paleomagneetilised kirjed osutavad, et Maa magnetväli on eksisteerinud vähemalt kolm miljardit aastat. Mõned loomad, nende hulgas ka mesilased , kilpkonnad ja linnud , kasutavad Maa magnetvälja navigeerimisel.
Kuid mis kasu toob Maa magnetväli meile kõige rohkem? Nagu kõik väljad, levib ka magnetväli lõpmatuseni kaotades jõudu distantsi pikenedes. Veel ka kümnete tuhandete kilomeetrite kaugusele kosmosesse jäävat välja osa kutsume me magnetosfääriks. Seal kaitseb väli meid päikesetuule (päikeses toimuvate protsesside tagajärjel laengu omandanud osakeste, mis mõjuksid elusorganismidele radioaktiivse kiiritusena) eest suunates osakesi maa pooluste suunas, kus nad siis atmosfääri sisenevad täites taeva virmalistega.
Kuid magnetosfäär võib tekitada ka probleeme. Neljal päeval igas kuus läbib Kuu Maa magnetvälja ning kuupind saab staatilise elektri laengu. Kord kuus möödub Maa kaaslane oma orbiidil läbi magnetvälja saba, mis on suunatud päikesest eemale ning selle saba keskel on laetud osakeste voog . Osakesed tekitavadki kuupinnal staatilise elektri, mida on kinnitanud ka jälgimistulemused NASA Lunar Prospectori nimeliselt kosmosejaamalt aastal 1998. Rutheford Appletoni nimelisest laboratooriumist doktor Mike Hapgoodi mudel pakub välja, et osakeste voog ei ole alati kindla tugevusega ning väli nõrgeneb ja tugevneb 18 aastase perioodiga. Selle põhjal arvab ta, et Apollo programmi ajal oli kiirgusväli väike ning on seda ka praegusel hetkel. Kõrghetk oli aga näiteks 90ndatel ning tõuseb jällegi peale 2012 aastat. USA, Venemaa, India ja Hiina on kõik lubanud saata mehitatud kosmosejaamad Kuu pinnale umbes 2020 aastaks - seega just selleks ajaks kui kuupind peaks olema täis staatilist elektrit. Probleemiks osutub see tõenäoliselt eeskätt kasutuselolevale elektroonikale ning kindlasti ei ole ohutu ka kuutolmu ettearvamatu käitumine. Hapgood selgitab, et staatiline elekter on üks vähem uuritud kosmoselennu ohte ning on väga oluline aru saada, kuidas sellised protsessid toimuvad, et oleks võimalik kosmose laevade projekteerijatel kasutada teaduslike uuringute tulemusi tulevaste kosmoseuurijate kaitsmiseks.

4. Lorentzi jõud

Lorentzi jõuks nimetatakse elektromagnetväljas liikuvale elektrilaengule mõjuvat jõudu. Liikuvale osakesele mõjub nii elektriväljast põhjustatud jõud
kui ka magnetväljast põhjustatud jõud . Kogu osakesele mõjuv jõud on seega:
kus
on osakesele mõjuv jõud jõud (njuutonites N),
on elektrivälja tugevus (voltides meetri kohta V/m),
on magnetiline induktsioon (teslades T),
on osakese laeng (kulonites C),
on osakese kiirus (meetrites sekundis m/s).
Kui osake liigub magnetväljas (st E = 0), saab Lorentzi jõu suunda määrata vasaku käe reegli abil.
Lorentzi jõud on oma nime saanud Hollandi füüsiku Hendrik Lorentzi järgi.

5. Elektromagnetism

Elektromagnetism on elektromagnetvälja füüsika. Elektromagnetväli on väli, mis avaldab mõju elektrilaenguga osakestele ja mis on omakorda mõjutatud nendest osakestest ja nende liikumisest.
Muutuv magnetväli tekitab elektrivälja (see nn. elektromagnetilise induktsiooni nähtus on elektrigeneraatorite, induktsioonmootorite ja trafode tööpõhimõtte alus). Sarnaselt, muutuv elektriväli tekitab magnetvälja. Sellise elektri- ja magnetvälja vastastikuse sõltuvuse tõttu on mõistlik neid käsitleda seotud nähtusena - elektromagnetväljana.
Magnetväli tekib elektrilaengute liikumise ehk elektrivoolu tõttu. Magnetväli põhjustab magnetjõudude tekke, mis seonduvad tavaliselt magnetitega.
Elektromagnetismi teoreetilised järeldused viisid erirelatiivsusteooria väljatöötamiseni Albert Einsteini poolt 1905. aastal.

6. Pööriselektriväli

Pööriselektriväljaks nimetatakse muutuva magnetvälja poolt tekitatud elektrivälja. Pööriselektriväli erineb elektrostaatilisest väljast selle poolest, et ta pole vahetult seotud elektrilaengutega. Tema jõujooned on suletud kõverad. Pööriselektrivälja töö laengu liikumisel mööda suletud kõverat võib olla nullist erinev.
Faraday katsed
Liikuv püsimagnet tekitab voolu lähedalasuvas juhtmes.
Vooluga juhtme liikumine tekitab magnetvälja vahendusel voolu naaberjuhtmes
Voolu muutus juhtmes tekitab vastava magnetväljamuutuse kaudu voolu naaberjuhtmes.

7. Magnetvoog

Jalgratta lambid põlevad seda heledamalt, mida kiiremini pöörleb dünamo võll. See tähendab, mida kiiremini magnetväli muutub, seda suurem elektromotoorjõud.
Vaatleme katset.
Kui tekitame vool esimeses poolis, siis tekitab vool ka teises.

Muudame poolide vaheline kaugus.
Elektromagnetiliste nähtuste kirjeldamiseks vajalik suurus võrdeline magnetinduktsiooniga B

Muudame poolide südamiku ristlõikepindalat.
Elektromagnetiliste nähtuste kirjeldamiseks vajalik suurus võrdeline pindalaga S, mida läbivad muutuva magnetvälja jõujooned.

Muudame poolide vahelist nurka.
Elektromagnetiliste nähtuste kirjeldamiseks vajalik suurus võrdeline koosinusega nurgast β juhtmekeeru normaali ja magnetvälja suuna vahelMagnetvoog Ф näitab, millisel määral läbivad magnetvälja jõujooned vaadeldavat pinda.
B on magnetinduktsioon
S pinna pindala
β nurk pinna normaali ja magnetvälja vahel
Üks veeber (1 Wb) on magnetvoog, mis läbib 1 m2 suurust magnetvälja suunaga ristuvat pinda, kui välja magnetinduktsioon on 1T.

8. Faraday induktsiooniseadus

Induktsioonivool ja ka vastav emj on seda suuremad, mida kiiremini magnetvälja muutus toimub.
ΔФ- on magnetvoo muutus kontuuris
Δt- ajavahemik, mille jooksul see muutus toimus
Faraday induktsiooniseadus:
Juhtmekontuuris tekkiv induktsiooni elektromotoorjõud on võrdeline magnetvoo muutumise kiirusega.
Faraday induktsiooni seadusest järeldub, et
Ülesanne:
Papptorukesele keriti 400 keerust koosnev juhtmepool, mille takistus alalisvoolule oli 4Ω. Pooli otste külge ühendati tester, mis töötas mõõtepiirkonnal 100mV (testri takistus 1kΩ). Kui pooli sisse pisteti 1 sekundi jooksul püsimagnet ristlõike-pindalaga 0,5 cm2, siis hälbis testri osuti väärtuseni 10 mV. Kui palju muutus magnetvoog ühes keerus ? Kui suur on magnetinduktsioon selle püsimagneti sees?

9.Lenzi reegel

Elektromagnetiline induktsioon on oma olemuselt alalhoidlik nähtus. Induktsioonivool soodustab alati olemasoleva olukorra säilimist.
Lenzi reegel:

Induktsioonivool toimib alati vastupidiselt voolu esile kutsuvale põhjusele.

Induktsioonivoolu suund on selline, et tema magnetväli takistaks muutust, mis voolu põhjustab

Kui välismõju tingib magnetvoo kasvu kontuuris, siis on induktsioonivoolu magnetväli välise magnetvälja suhtes vastassuunaline. Kui aga välismõju põhjustab magnetvoo kahanemist, siis on induktsioonivoolu magnetväli välise magnetväljaga samasuunaline.
Lenzi reeglit väljendab miinusmärk Faraday induktsiooniseaduses.
Kui magnetvoog kasvab ehk ΔΦ > 0, siis I Kui magnetvoog kahaneb ehk ΔΦ 0 ja I > 0.
Induktsiooniseaduse rakendusi:

• Magnetiliselt salvestatud andmete, helide, kujutiste taasesitamine
  
• Magnetkaart
  
• Elektrikarjus
  
• Elektridünaamiline mikrofon
  
• Auto spidomeeter
  

10. Endainduktsioon . Induktiivsus

Endainduktsiooni nähtuseks nimetatakse elektromagnetilise induktsiooni alaliiki, mille korral magnetvoo muutus on põhjustatud voolu muutusest vaadeldavas juhis endas
Juhi induktiivsus L näitab, kui suur endainduktsiooni elektromotoorjõud tekib selles juhis voolu ühikulisel muutumisel ajaühiku jooksul

11. Vahelduvvool ja selle kirjeldamine

Vahelduvvooluks nimetatakse elektrivoolu, mille korral voolutugevus perioodiliselt muutub (suund ka muutub).
Euroopa riikides on valitud voolutugevuse perioodiliste muutuste sageduseks 50 herzi ning perioodiks 20 millisekundit.
Laengukandjate suunatud liikumine on vahelduvvoolu korral võnkumine.
Voolutugevuse hetkväärtus i sõltub laiatarbelise vahelduvvoolu korral ajast t kujul
i= Im cos ωt või i= Im sin ωt.
Voolutugevuse suurimat võimalikku väärtust Im nimetatakse amplituudväärtuseks.
Faas ωt näitab võnkeseisundit nurga ühikutes.
Ringsagedus ω näitab ajaühikus läbitavat faasinurka radiaanides.
 Uurida saab elektronostsillograafiga – seade kiirete elektriliste protsesside uurimiseks.12.Vahelduvvoolu tekkimine. Generaator
Generaatoriks nimetatakse seadet, mis muundab mingit teist energiat (kütuse siseenergiat, voolava vee kineetilist energiat vms) vahelduva elektromagnetvälja energiaks.
Mehaaniline generaator sisaldab magnetvälja tekitajat (püsi- või elektromagnetit) ja selle suhtes pöörlevat juhtmemähist.

 13.Takistused vahelduvvooluallikas

Vahelduvvoolu tähtsaimaks erinevuseks võrreldes alalisvooluga on täiendavate takistusliikide olemasolu.

• Aktiivtakistus
  
• Induktiivtakistus
  
• Mahtuvustakistus
  

Aktiivtakistus
Vahelduvvoolu ahela aktiivtakistuseks R nimetatakse takistust, mis on olemas ka alalisvoolu korral.
Aktiivtakistus iseloomustab laengukandjate suunatud liikumisel mõjuvate pidurdusjõudude toimet. Tahkes aines on need jõud tingitud eelkõige laengukandjate vastastikmõjust võnkuvate ioonidega. Elektrivolu säilitamiseks teeb elektriväli pidurdavate jõudude vastu tööd, mille käigus elektrienergia vabaneb soojusena.
Aktiivtakistusel muundub elektrienergia soojuseks.
Aktiivtakistusel muutuvad pinge ja voolutugevus käsikäes. Öeldakse, et pinge ja voolutugevus on omavahel faasis.
Induktiivtakistus
Induktiivtakistust XL = ωL avaldab vahelduvvoolule juhtmepool, mille induktiivsus on L. Seejuures on ω vahelduvvoolu ringsagedus.
Pool hakkab toimima vooluallikana, mis pidurdab väljastpoolt peale sunnitavat voolu muutumist.
Puhtalt induktiivsel takistusel energiat soojusena ei vabane.
Voolu kasvu käigus salvestab induktiivpool energiat ning voolu kahanemisel annab ta selle ära vooluringi teistele osadele.
Voolutugevus jõuab nii oma maksimaal - kui ka minimaalväärtuseni pingest hiljem, sest just voolu muutus põhjustab pooli takistava toime.
Mahtuvustakistus  
Avaldab vahelduvvoolule kondensaator, mille mahtuvus on C.
Vahelduvvool on suuteline kondensaatorit läbima. Laetud osakeste kogunemisel ühele plaadile tugevneb selle plaadi poolt tekitatav elektriväli teise plaadi asukohas. Välja mõjul hakkavad laengukandjat liikuma ka teisel pool mittejuhtivat kihti. See saab võimalikuks tänu plaadi laengu pidevale muutumisele, mis aga toimub vaid vahelduvvoolu korral. Seega avaldab kondensaator laadivale voolule takistust.
Kondensaatori takistus vahelduvvoolule on seda väiksem, mida suurem on kondensaatori mahtuvus C.
Ka puhtalt mahtuvuslikul takistusel energiat soojusena ei vabane. Pinge kasvu käigus salvestab kondensaator energiat ning pinge kahanemisel annab ta selle ära vooluringi teistele osadele.

Kokkuvõte

Sell poolaastal käsitlesime elektri ja magnetismi teemasid . Minu meelest oli õpitu huvitav ja sain tänu sellele palju uut teada. Samas ei olnud need lihtsad teemad.