Elektromagnetism (2)

Elektromagnetism.
1. Pööriselektriväli.
Elektromagnetism käsitleb laetud osakeste mitteühtlast liikumist ning elektri- ja magnetvälja muundumist teineteiseks.
Elektromagnetilise induktsiooni nähtuseks nimetatakse elektrivälja tekkimist magnetvälja muutumisel.
Elektrivool + magnetväli 
Liikumine
Magnetväli + liikumine 
Elektrivool
Elektromagnetilise induktsiooni teel paneb laengukandjad liikuma jõud, mis nihutab juhet magnetväljas. Kui liikuv juhe on osa vooluahelast, siis esineb selles ahelas induktsioonivool.
Induktsiooni elektromotoorjõuks nimetatakse tööd, mis juhet liigutav jõud teeb ühikulise positiivse laengu läbiviimisel vooluringist.
Katkestatud vooluringi korral võrdub induktsiooni elektromotoorjõud juhtmelõigu otstel tekkiva pingega U( klemmipinge ).
Pöörisväljaks nimetatakse elektrivälja, mille jõujooned on kinnised jooned ehk pöörised. Selline elektriväli tekib magnetvälja muutumisel.
***Voolu puudumise korral juhtmelõigu otstel tekkiv pinge U avaldub kujul
U = v l B sin γ
V- juhtmelõigu liikumise kiirus magnetvälja tekitaja suhtes
B- magnetinduktsioon
l- juhtmelõigu pikkus
γ- nurk liikumise suuna ning magnetvälja suuna vahel
 
***Näide:
Tartu-Tallinna kiirrong sõidab kiirusega 108 km/h piki magnetilist meridiaani kulgeval teelõigul. Kui suur pinge tekib elektromagnetilise induktsiooni tõttu vaguniratta telje otstele? Rööbaste vahekaugus on 1524 mm ja Maa magnetinduktsiooni vertikaalkomponent Eestis 48 μT.
2. 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
 
3. 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 vahel.
Magnetvoog 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. Seega 1 Wb= 1T * 1m2
4. 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?
5. 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
  

6. 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
 
5. 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.
6. 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.
 
video
7. TAKISTUSED VAHELDUVVOOLUAHELAS
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.
Jääb alati faasis maha see suurus, mis määrab energiat.
8. VAHELDUVVOOLU VÕIMSUS
Vahelduvvoolu abil ajaühikus saadavat soojust ja valgust või tehtavat mehaanilist tööd iseloomustab võimsus, mis on leitav voolutugevuse ja pinge korrutamisel. 
P = I ∙ U
Meie koduseid vahelduvvoolu elektriseadmeid võib jagada kolme rühma.
Esimene rühm: audio-, video- ja muud infoseadmed (raadio, teler, magnetofonid, CD-mängija, arvuti, telefon). Nende energiavajadus pole reeglina kuigi suur.
Teine rühm: seadmed , mis kasutavad elektrivoolu soojuslikku toimet ( elektripliidid ja ahjud, triikraud , keedukann, kohvimasin , hõõglambid). Nende seadmete takistus on reeglina puhtalt aktiivne. Elektrivoolu töö A = I U t ja vabanev soojushulk Q = I2R t on võrdsed.
Kolmas rühm: seadmed, mis sisaldavad elektrimootorit (külmik, pesumasin, tolmuimeja ). Elektrienergia arvel tehakse neis mehaanilist tööd Am, kusjuures elektrivoolu kogu töö on esitatav summana A = Am + Q.
9. TRAFO
Trafo on seade vahelduva pinge ja voolutugevuse muutmiseks konstantsel sagedusel.
Trafo koosneb primaar - ja sekundaarmähisest, mis paiknevad ühisel kinnisel raudsüdamikul.
Trafo primaar- ja sekundaarpinge suhe võrdub vastavate mähiste keerdude arvude suhtega.
Voolutugevuse suhe trafos võrdub vastavate mähiste keerdude arvude pöördsuhtega.
Trafo rakendusi.
Elektrienergia ülekandel rakendatakse laialdaselt trafosid.
Elektrivoolu töö valemi A = I U t kohaselt kulgeb kõrge pinge U korral liinis suhteliselt nõrk vool I. Joule’i – Lenzi seaduse Q = I2 R t põhjal on siis suhteliselt väikesed ka soojuslikud energiakaod.
Seetõttu tästetakse elektrijaamas trafode abil pinget ning enne energia jõudmist tarbijani madaldatakse pinge alajaamades trafode vahendusel sobiva väärtuseni.
Ülesanne:
Elektrijaama generaatori nimipinge on 13,2 kV ja nimivõimsus 66 MW. Elektrijaamast tarbimisrajooni viiva elektriliini takistus 2 Ω. Leiame soojusliku võimsuskao elektriliinis juhul, kui energaiülekanne toimub generaatori nimipingel. Leiame võimsuskao ka siis, kui ülekandeliini pinge on tragode abil tõstetud väärtuseni 330 kV. Eeldame, et cos φ = 1 ja seega P = I U
 
10. Elektromagnetvõnkumine võnkeringis.
Võnkering on kondensaatorit ja induktiivpooli sisaldav vooluring , milles kondensaatori elektrivälja energia ja pooli magnetvälja energia muunduvad perioodiliselt teineteiseks
"Reaalne vooluring" koosneb mahtuvusest (kondensaatorist) C, induktiivsusest L ja oomilisest takistist R. Sellises võnkeringis tekivad sumbuvad elektrivõnked.
L on võnkeringi induktiivsus ja C - mahtuvus.
Võnkeringis toimuvate elektrovõnkumiste omavõnkeperioodi määrab Thomsoni valem
 
11. Elektromagnetväli ja elektromagnetlained.
Elektromagnetväli on elektriliselt vastastikmõju vahendav ühtne väli, mille piirjuhtudeks on elektriväli ja magnetväli.
Elektromagnetväli levib ruumis elektromagnetlainena, milles elektriväli ja magnetväli perioodiliselt muutuvad.
Elektromagnetlaine on ristlaine (ristlaine on laine, kus keskkonna osakesed võnguvad risti lainete levimise suunaga, levivad ka vaakumis ).
Elektromagnetlainete põhiliikideks on madalsageduslained, raadiolained , optiline kiirgus, röntgenikiirgus ja gammakiirgus .
Elektromagnetlaineid rakendatakse infokandjaina raadio- ja telefonisides, televisioonis, mobiiltelefonides, peilerites, raadiotes, asukoha määramiseks süsteemides ja mujal.