Elektromagnetväli (0)

Elektromagnetväli.
Tegemist on elektromagnetilist vastastikmõju vahendava ühtse elektromagnetväljaga. Selle välja uurimise muudab keeruliseks protsesside tagasisidestatus. Tagasiside on nähtus, mille korral ühe füüsikalise suuruse muutumine põhjustab teiste suuruste selliseid muutusi, mis omakorda mõjutavad esimest suurust. Elektromagnetvälja korral on igasugune elektrivälja muutus tagasisidestatud temaga kaasneva magnetvälja muutuse kaudu. Kui laetud keha vaatleja suhtes liigub, siis muutub keha elektriväli vaatleja asukohas ning vaatleja registreerib ka magnetvälja. ui magnetvälja tekitaja (püsimagnet) vaatleja suhtes liigub, siis muutub magnetväli vaatleja asukohas ning vaatleja täheldab ka elektrivälja olemasolu. Magnetvälja muutumine tekitab elektrivälja. Seda nimetatakse elektromagnetilise induktsiooni nähtuseks. Märkigem veel, et võõrsõna indutseerima eestikeelseks vasteks ongi tekitama või esile kutsuma. Juba põhikooli Elektriõpetuses saime teada, et elektromagnetilisel induktsioonil põhineb generaatori töö. Tea­ta­­­vasti muundab generaator mehaanilist energiat elektrienergiaks, olles nii keskses rollis elektrienergia tootmisel. Elektromagnetnähtuste tundmaõppimine võimaldab meil mõista seda inimkonnale üliolulist protsessi.
Lorentzi jõud.
Selleks, et kirjeldada laengukandjate liikumist elektriväljas, mis tekib magnetvälja muutumisel, peame kõigepealt tutvuma magnetväljas liikuvale laetud osakesele mõjuva jõuga. Seda jõudu nimetatakse hollandi füüsiku Hendrik Antoon Lorentz'i ( 1853 – 1928) auks Lorentzi jõuks. Juhtmelõigule, mille pikkus on l ja milles kulgeb vool tugevusega I, mõjub teatavasti magnetväljas induktsiooniga B magnetjõud Fm. Selle jõu suurus on leitav Ampère'i seadusest Fm=IlBsinαFm=IlBsin⁡α kus α on nurk voolu suuna ja magnetvälja suuna vahel. Voolu olemasolu tähendab laengukandjate suunatud liikumist keskmise kiirusega v. Mõistagi osalevad laengukandjad ka kaootilises (kindla suunata) liikumises, aga see meid praegu ei huvita. Jõud Ampère'i seaduses summeerub üksikutele liikuvatele laengukandjatele mõjuvatest Lorentzi jõududest. Seega tuleb Lorentzi jõu FL leidmiseks jagada juhtmele kui tervikule mõjuv magnetjõud Fm liikuvate laengukandjate arvuga N: FL=FmNFL=FmN. Kui juhtmelõigu pikkus l on parajasti võrdne korrutisega vt ( Mehaanika kursuse valem s=vt), siis jõuavad kõik silindris sisalduvad laengukandjad aja t jooksul juhtmelõigust läbi tagumise otsapinna väljuda. Laengukandjatel, mis on tagumisele otsale lähemal kui l, kulub selleks mõistagi seda vähem aega, mida väiksem pikkus neil läbida tuleb, aga aja t jooksul väljuvad kõik N laengukandjat. Nende kogulaeng on Nq, kus q on ühe laengukandja laeng. Voolutugevuse definitsiooni I=qtI=qt, põhjal saame, et I=Nqt. järelikult on Lorentzi jõu vektori pikkus esitatav kujul: FL=IlBsinαN=NqltNBsinα=qvBsinαFL=IlBsinαN=NqltNBsinα=qvBsinα, kuna juhtmelõigu pikkuse l ja laengukandjal selle läbimiseks kulunud aja t suhe võrdub laengukandja suunatud liikumise kiirusega v. Niisiis mõjub laengut q omavale ja kiirusega v liikuvale osakesele magnetväljas induktsiooniga B Lorentzi jõud FL=qvBsinα kus α on nurk osakese liikumissuuna (kiirusvektori) ja magnetvälja suuna (B-vektori) vahel. Kuna positiivse laenguga osakesed liiguvad voolu kokkuleppelises suunas, siis võib neile mõjuva Lorentzi jõu suuna määrata vasaku käe reegli abil, mis antud juhul kõlab järgmiselt. Kui vasaku käe väljasirutatud sõrmed näitavad positiivselt laetud osakese liikumise suunda ja magnetvälja jõujooned tulevad peopessa, siis väljasirutatud pöial näitab osakesele mõjuva Lorentzi jõu suunda. Elektroni kui negatiivselt laetud osakese korral on Lorentzi jõu suund eelnevale vastupidine , sest valemisse ilmub miinusmärk- FL=qvBsinα Elektronile mõjuva Lorentzi jõu suunda näitab analoogiliselt paikneva parema käe pöial. Tasub rõhutada, et Lorentzi jõud mõjub laetud osakestele alati risti nii liikumissuuna kui ka magnetvälja suunaga. Seetõttu ei saa Lorentzi jõud liikumisel tööd teha. Ta võib vaid muuta liikumise suunda. Kõige tugevam on Lorentzi jõud liikumissuunaga ristuvas magnetväljas. Sel juhul sinα=1 ja järelikult FL=qvBFL=qvB Kui laengukandja kiirusvektor on risti magnetvälja suunaga (B-vektoriga), siis paneb Lorentzi jõud vaakumis asetseva laengukandja liikuma piki ringjoont ümber magnetvälja suuna, toimides kesktõmbekiirendust andva jõuna. Kui laengukandja liigub piki magnetvälja suunda (v- ja B-vektorid on samasihilised), siis Lorentzi jõudu ei teki, sest on sinα=0 ja seega ka FL=0. Kui v- ja B-vektorite vahel on suvaline nurk, siis võime laengukandja kiiruse lahutada kaheks komponendiks: B-vektoriga ristuvaks vr ja B-vektoriga paralleelseks vp. Ristuva komponendi olemasolu põhjustab laengukandja täiendava ringjoonelise liikumise ümber magnetvälja suuna. Sellega kaasneb laengukandja liikumine kiirusega vp piki magnetvälja suunda. Tulemusena liigub laengukandja mööda kruvijoont (ruumilist spiraali ). Nii liiguvad näiteks kosmilise kiirguse laetud osakesed Maa ionosfääris piki spiraale, mille telgedeks on Maa magnetvälja jõujooned. Pannes kosmilise kiirguse osakesed ümber Maa spiraalima, kaitseb Maa magnetväli otsese kosmilise kiirguse eest kõike elusat Maa peal.
Elektromagnetväljaks nimetatakse elektromagnetilist vastastikmõju vahendavat välja, mille piirjuhtudeks on elektriväli ja magnetväli.
Elektromagnetilise induktsiooni nähtuseks nimetatakse elektrivälja tekkimist magnetvälja muutumisel.
Magnetväljas liikuvale laengule mõjuv jõud
Laengut q omavale ja kiirusega v liikuvale osakesele mõjub magnetväljas induktsiooniga B Lorentzi jõud FL=qvBsinα, kus  α on nurk osakese liikumissuuna ja magnetvälja suuna vahel.
Lorentzi jõud on suunatud alati risti nii liikumise suunaga kui ka magnetvälja suunaga.
Kui kehale mõjuv jõud on risti keha liikumissuunaga, siis kallutab jõud keha algsest liikumissuunast kõrvale. Kuna Lorentzi jõud mõjub risti kiirusega, siis põhjustab Lorentzi jõud ringjoonelist liikumist, pöörates osakest kogu aeg ühes suunas, nii et trajektooriks on ringjoon . See ringjoon tekib samasse tasandisse osakese kiiruse ja Lorentzi jõuga ning on risti magnetinduktsiooni vektoriga.
Pööriselektriväli ja induktsiooni elektromotoorjõud.
Induktsioonivool ja pööriselektriväli.
Juhtme liikumine magnetväljas tekitab juhtmes induktsioonivoolu, mille suund on vastupidine mootori korral toiteallika poolt tekitatud voolule. Nende kahe voolu vastassuunalisuses juhtmelõigu sama liikumissuuna korral avaldub Lenzi reegel. Samas ei tohi unustada, et mootori korral on uuritav mähisekeerd tarviti, generaatoris aga vooluallika rollis. Kui vaatleja täheldab elektrivoolu olemasolu ning teab, et vool on tingitud samas suunas toimivast elektriväljast, siis on vaatleja registreerinud ka elektrivälja. Selle elektrivälja tekkepõhjuseid võib vaatleja edaspidi uurida, kuid tal pole põhjust kahelda välja olemasolus. Magnetvälja muutumisel tekkiva elektrivälja suhtes pole enam rakendatav potentsiaali mõiste. Meil ei ole ju mingit alust eelistada suletud kontuuri mingit kindlat punkti teistele ja väita, et just selle punkti potentsiaal on kõrgem kui mõnel teisel punktil. Tekkiv elektriväli ei ole potentsiaalne, tema jõujooned on alguse ja lõputa kinnised jooned ehk pöörised. Seetõttu nimetatakse niisugust elektrivälja pööriselektriväljaks. Magnetväljas liikuva juhtmelõigu otstel tekkiv pinge
Kui me tekitame selles juhtmes meie poole suunatud voolu I, siis hakkab juhtmele Ampere’i seaduse ja vasaku käe reegli kohaselt mõjuma ülespoole suunatud magnetjõud (J.2.9). Võimaluse korral hakkab juhe selles suunas liikuma.
Kirjeldame nähtust kokkuvõtlikult kujul: elektrivool + magnetväli → liikumine.
mis juhtub siis, kui me niisugust magnetväljas asetsevat juhet ise ülespoole liigutame. Laengukandjad juhtmes liiguvad koos juhtmega üles ja neile hakkab mõjuma meist eemale suunatud Lorentzi jõud FL. Juhtmes tekib induktsioonivool Iind. Nähtust võib kokkuvõtlikult kirjeldada kujul: magnetväli + liikumine → elektrivool. Niisiis on elektromagnetilise induktsiooni näol tegemist omalaadse pöördprotsessiga magnetjõu tekkimisele. Pööriselektrivälja jõujooned on kinnised, alguse ja lõputa jooned, nii nagu magnetvälja jõujoonedki. Jõu Fk mõjul liikuvat juhtmelõiku ümbritseb ja läbib pööriselektriväli E samamoodi nagu magnetväli B ümbritseb ja läbib püsimagnetit. joonisel A- liikuva juhtme pööriselektriväli. Joonisel B- püsimagneti magnetväli.
Vaatleme nüüd isoleeritud juhtmelõiku, mis liigub kiirusega v magnetväljaga ristuvas suunas ning on ka ise risti selle suunaga.Koos juhtmega üles liikuvatele positiivsetele laengukandjatele (laenguga q) mõjub Lorentzi jõud FL=qvB . Laengukandjad liiguvad selle magnetjõu mõjul piki juhet tahapoole, aga juhtmest välja nad ei pääse. Juhtme otsad laaduvad eri märgiliselt ja juhtmes tekib ettepoole suunatud elektriväli. Laengukandjate liikumine kestab seni, kuni neile mõjuv elektrijõud Fe=qE , magnetjõu tasakaalustab. Vastav elektrivälja tugevus E on väljendatav pinge kaudu E=Ul, kus l on juhtmelõigu pikkus ( algkujus tähis d). Tasakaalu tingimuse FL=Fe võib siis esitada kujul qvB=qUl, millest tulenevalt võime juhtmelõigu otstele indutseeritava pinge avaldada kujul U=vlB.
Pinge tekkimine juhtmes, mille liikumissuund moodustab magnetväljaga nurga a.
Elektrijõu Fe ja magnetjõu Fl tasakaal liikuvas juhtmelõigus.
Juhul kui juhtme liikumissuund moodustab magnetväljaga mingi nurga α, mis ei ole täisnurk, siis põhjustab Lorentzi jõudu vaid liikumissuunaga ristuv B-vektori komponent  Br=Bsinα (J.2.13). Liikumisel