ELEKTROMAGNETILINE INDUKTSIOON (0)

IV. ELEKTROMAGNETILINE INDUKTSIOON
§18. Induktsioonivoolu suund
Seni vaatlesime ajas muutumatuid elektri- ja magnetvälju. Ajas muutuv magnetväli tekitab elektrivälja ja ajas muutuv elektriväli tekitab magnetvälja. Elektromagnetiline induktsioon on elektrivoolu tekkimine suletud juhtmekeerus kui see paikneb ajaliselt muutuvas magnetväljas. Mida kiiremini muutub magnetvälja jõujoonte arv seda suurem on tekkinud voolu tugevus. Magnetvälja jõujoonte arvu muutumise põhjus ei ole oluline. See võib muutuda näiteks voolutugevuse muutumise tõttu välja tekitavas juhis. See võib muutuda näiteks välja tekitavas juhis või kontuuri liikumise tõttu mittehomogeenses magnetväljas, kus üleminekul ühest ruumipunktist teise jõujoonte tihedus muutub. (Joonis 1). Vaatleme katset- teravikul võib vabalt pöörelda varras , mille otstesse on kinnitatud kaks alumiiniumrõngast. Ühes neist on pilu . Piluga rõnga ja magneti ahel vastastikmõju ei teki, sest pilu tõttu ei teki rõngas induktsioonivoolu. Magneti lähendamisel piluta rõngale tekib selles niisuguse suunaga induktsioonivool, et rõngas tõukub magnetist eemale ja varras pöördub järelikult magneti poolu lähenemisel rõngale tekib rõnga magnetipoolsel küljel samanimeline magnetpoolus, mis tõukab ja magneti eemaldumisel tekib teisenimeline magnetpoolus, mis tõmbab. (Joonis2). Samasuguse katse võib teha juhtmepooliga. Pool, mida läbib induktsioonivool sarnaneb püsimagnetiga. Magneti lähenemise poolile suureneb pooli läbiv magnetvoog ja magneti eemaldumisel väheneb pooli läbiv magnetvoog.
Lenzi reegel: suletud kontuuris tekkiv induktsioonivool on suunatud nii, et tema magnetvoog läbi kontuuri pinna püüab kompenseerida välismõju põhjustatud magnetvoo muutumist.
§19. Elektromagnetilise induktsiooni seadus
Elektrivool tekib ainult sel juhul kui vabadele laengutele mõjuvad kõrvaljõud. Nende jõudude tööd positiivse ühiklaengu ümberpaigutamisel kogu suletud vooluringi ulatuses nimetatakse elektromotoorjõuks. Kontuuri pinda läbiva magnetvoo muutumisel tekivad kõrvaljõud, mille mõju iseloomustab induktsiooni elektromotoorjõud (€i).
Faraday induktsiooniseadus: Induktsiooni elektromotoorjõud suletud kontuuris võrdub magnetvoo muutumise kiirusega €i= - ΔΦ/Δt.
(Joonis 3). Valime kontuuris positiivse suuna. Kontuuri normaali n( vektor ) suund on määratud kruvi reegliga . Kasvagu magnetinduktsiooni vektor B ajas ja olgu ta suund kontuuri normaali suund ajas. Sel juhul Φ˃0 ja ΔΦ/Δt˃0. Vastavalt Lenzi reeglile tekitab induktsioonivool magnetvoo Φ’˂0. See nduktsioonivool on negatiivse suunaga ning induktsiooni elektromotoorjõud on negatiivne. Seetõttu peab induktsiooniseaduse valemis esinema miinusmärk. (joon. 4). Olgu meil transformaator , see on 2 spdamikule asetatud pooli, kui ühendame transformaatori primaar mähise, vaheldubvoolu elektrivõrku tekib suletud sekundaarmähises vool. Magnetväli laenguid liikuma panna ei saa, sest magnetväli mõjub ainult liikuvatele laengutele. Peale magnetvälja avaldab laengutele mõju veel elektriväli., mis mõjub ka liikumatutele laengutele. Paigalseisvas juhis, paneb elektronid liikumaelektriväli, mille tekitab muutuv magnetväli. Elektromagnetilise iduktsiooni nähtuse olemus seiseneb vabadele laengutele mõjuva elektrivälja tekkimises. Muutuva magnetvälja poolt tekitatud elektriväljal on teistsugune struktuur kui elektrostaatilisesl väljal. Selle elektrivälja jõujoontel pole algust ega lõppu vaid need onkinnised kõverad nagu magnetvälja jõujoonedki. Sellist välja nim.pööriselektriväljaks. põõriselektrivälja jõujoonte suund ühtib induktsiooni voolu suunaga. Jõud, millega see väli mõjutab laengut q avaldub endiselt valemiga F˿=qE˿. Pööriselektri välja töö positiivse ühik laengu ümber paiknemisel ,suletud liikumatu juhi ühekordsel läbimisel = induktsiooni elektromotoorjõuga selles. Väga tugevad induktsioonivoolud võivad tekkida massiivsetes juhtides, selliseid voole nim. Foucault (fukoo) vooludeks ehk pöörisvooludeks. Pöörisvoole võib kasutada juhtide soojendamiseks. Paljudel jutudel onpöörisvoolud kahjulikud. Põhjustade energiakadusid, sellepärast ei tehta : transformaatoritele, elektrimootoritele ja generaatoritelemassivseid raudsüdamikke vaid neid koostatakse üksteisest isoleeritud metall -lehtedest.
§20. Induktsiooni elektromotoorjõud liikuvates juhtides.
Kui juht liigub magnetvälja,siis koos juhiga liiguvad ka tema vabad laengud , seetõttu mõjutab magnetväli neid laenguid Lorentzi jõuga, mis kutsub esile laengute liikumise juhis. Seega on induktsiooni elektromotoorjõud nüüd magnetilise päritoluga. Arvutame induktsiooni elektromotoorjõu homogeenses magneväljas paiknevas ristküliku kujulises raamis.(joon. 5) Libisegu raami üks külg pikkusega MN=l, kiirusega v˿, külgedele NC ja MD, jäädes alati küljega CD paralleelseks. Moodustagu magnetinduktsiooni B˿ juhiga täisnurgad ja juhi liikumise kiirusega v˿ nurga α. Magnetväli mõjutab liikuvat laetud osakest Lorentzi jõuga FL=Bq0vsinα. See jõud mõjub pikki juhti MN. Lorentzi jõu töö pikkusel l võrdub W=FLl=Bq0vlsinα. Induktsiooni elektromotoorjõud juhis MN = laengu ümberpaiknemisel tehtud töö ja ja sellelaengu suhtega:€i= W/q0=Bvlsinα. See valem kehtub igasuguses magnetväljas, liikuvajuhi kohta. Raami teistes külgedes induktsiooni elektromotoorjõud=0-ga, sest need on liikumatud. Seega elektrimotoorjõud kogu raamis= €i-ga ning jääb const kiirusel v˿ muutumatuks. Voolutugevus aga suureneb, sest juhi MN liikumisel paremale kontuuri takistus väheneb koos pikkuse vähenemisega. Kui kogu raam MNCD liigub homogeenses magnetväljas säilitades B˿suhtes oma orientatsiooni, siis induktsioonielektromotoorjõud= 0-ga, sest magnetvoog fii läbi raami pinna ei muutu ja varasema valemi järgi €i= Δɸ/Δt=0
§21. Eneseinduktsioon
Kui juhtida pooli vahelduv vool, siis seda läbiv magnetvoog muutub, seetõttu tekib induktsiooni elektromotoorjõud vahelduv voolu võrku ühendatud juhis endas. Seda nähtust nim. eneseinduktsiooniks . Juhtival kontuuril onkahesugune osa: sefa läbib elektromagnetilist induktsiooni esilekutsuv vool ja temas endastekib induktsiooni elektromotoorjõud. Vastavalt Lenzi reeglileonvoolutugevuse kasvamisel pöörielektrivälja tugevuse suund, voolu suunale vastupidi. Pöörielektriväli takistab voolutugevuse kasvamist. Voolutugevuse kahanemisel püüab pööriselektriväli voolu säilitada. Alalisvoolu ringi sulgemisel ei saavuta voolutugevus const.väärtust hetkeliselt vaid teatud ajavahemiku jooksul. Samuti ei katke vool suletud vooluringis, vooluallika väljalülitamise hetkel kuna väljalülitamisel voolutugevus ja voolumagnetväli muutuvad väga kiiresti, siis tekkiv eneseinduktsiooni elektromotoorjõud võib vooluallika ka elektromootrjõu ka ületada. (joonis A) Joonisel A on kujutatud skeemis on ühendatud rööbiti 2 lampi. Ühega neist on ühendatud järjestiku takisti R ja teisega raudsüdamikuga pool L. Vooluringi sulgemisel sütib esimene lamp peaaegu hetkeliselt, teine aga märgatava hilinemisega.süttimist takistab teise lambi ahelas eneseinduktsiooni elektromotoorjõud. Joonisel B on kujutatud vooluringi, mille abil saab vaadelda eneseinduktsiooni elektromotoorjõu tekkimist voolu katkestamisel. Lüliti K avamisel tekib poolis L esialgset voolu säilitada püüdev, eneseinduktsiooni elektromotoorjõud. Seetõttu läbib katkestamise hetkel apmer meetrit vool(punktiir joonega nool), mille suund on vastupidine katkestatud voolu suunale(pidev nool). Induktsioonivoolu tugevus võib-olla suurem esialgsest voolutugevusest. Sel juhul ületab eneseinduktsiooni elektromotoorjõud €ie, patarei elektromotoorjõud €.
§22. Induktiivsus
Kuna suletud kontuuri läbib magnetvoog ɸ on võrdeline magnetvälja induktsiooni vektroi mooduliga B˿ , mis omakorda on võrdeline magnetvälja tekitava voolutugevusega I, siis kehtib seos ɸ=LI, see on magnetvoog läbi suletud kontuuri on võrdeline seda kontuuri läbiva voolutugevusega. Võrdetegurit L nim. voolukontuuri induktiivsuseks ehk eneseinduktsiooni teguriks. Kasutades elektromagnetilist induktsiooni seadus ja viimast valemit saame :
€ie= -Δɸ/Δt= -LΔI/Δt. Induktiivsus on füüsikaline suurus, mis võrdub arvuliselt voolukontuuris tekkiva eneseinduktsiooni elektromotoorjõuga, kui voolutugevus selles muutub ühe ühiku võrra aja ühikus. Induktiivsus sõltub juhi mõõtmetest ja kujust, kuid ei sõltu voolutugevusest juhis. Induktiivsus sõltub veel juhti ümbriteva keskkonna magnetilistest omadustest. Induktiivsuse ühik on 1H(henri). Juhi induktiivsus on 1H, kui voolutugevuse muutumisel 1A võrra, ühes sekundis tekib temas eneseinduktsiooni elektromotoor jõud 1V.
§23. Voolu magnetvälja energia
Vastavalt energia jäävuse seadusele= voolu energia, voolu allika poolt voolu tekitamiseks kulutatud energiaga. Voolu lakkamisel see energiaeraldub mingil kujul. Pärast vooluringi sulgemist voolutugevus suureneb ja juhis tekib pööris elektriväli, mille suund on vastupidine voolu allika poolt tekitatud elektriväljale. Et suurendada voolutugevust väärtuseni I, peab voolu allikas tegema tööd pööriselektrivälja jõudude ületamiseks. Selle töö arvel suurenebki voolu magnetvälja energia. Vooluringi katkestamisel vool katkeb ja pöörislektriväli teeb positiivset tööd, salvestatud energia vabaneb. Sellest annab tunnistust suure induktiivsusega ahela katkestamisel tekkiv võimas sade lülitis. Voolu magnetvälja energia Em avaldub valemiga:
Em= LI2/2, mis on analoogiline punkt massi kineetilise energiaga mv2/2. Juhi induktiivsus L , vastab punkti massile m ja voolutugevus I vastab punkti kiirusele v.