Magnetism konspekt (0)

8
Magnetism
MAGNETILINE VASTASTIKMÕJU.
MAGNETVÄLI.
Magnetiline vastastikmõju – laetud kehade vahel esinev vastastikmõju, mis on põhjustatud nende kehade liikumisest .
Magnetväli – magnetilist vastastikmõju edasiandev väli, mis ümbritseb vooluga juhte ja liikuvaid laenguid.
Magnetvälja asetatud vooluga kontuurile (raamile) mõjub kontuuri pöörav jõumoment, mis orienteerib kontuuri kindlasse tasakaalulisse asendisse.
Kontuuri pinna positiivse normaali suund selles asendis loetakse magnetvälja suunaks kontuuri asukohas .
Kontuuri pinna positiivse normaali suund määratakse kontuuris kulgeva voolu suunaga “kruvireegli” järgi.
suund tasakaaluasendis
α (magnetvälja suund)
I
Kontuuri pöörav jõumoment M (jõu F ja jõuõla l korrutis) avaldub:
kus B on magnetvälja magnetiline induktsioon ;
I – voolutugevus kontuuris;
S – kontuuri poolt piiratud pinna pindala;
α – nurk pinnanormaali suuna ja tasakaalses asendis selle suuna vahel.
Tasakaalses asendis α = 0 ja M = 0.
Jõumoment on maksimaalne (Mmax), kui α = 90o. Siis
kus pm = I ּ S on kontuuri magnetmoment.
Magnetiline induktsioon B on magnetvälja mingit punkti iseloomustav vektoriaalne suurus, mille suund määratakse magnetvälja sellesse punkti asetatud vooluga kontuuri positiivse pinnanormaali suunaga kontuuri tasakaalses asendis ja mille moodul leitakse kontuurile mõjuva maksimaalse jõumomendi ja kontuuri magnetmomendi suhtena.
Magnetilise induktsiooni B ühik SI-s:
1 T ( tesla ) on magnetvälja sellise punkti magnetiline induktsioon, millesse asetatud vooluga kontuurile magnetmomendiga 1 A∙m2 mõjub seda kontuuri pöörav maksimaalne jõumoment 1 N ּ m.

LAETUD OSAKESE LIIKUMINE

MAGNETVÄLJAS.
Magnetväljas liikuvale laetud osakesele mõjub jõud – Lorentzi jõud FL:
kus q on osakese laeng;
v – osakese kiirus;
B – välja magnetiline induktsioon;
α – nurk osakese liikumise suuna (kiiruse) ja magnetvälja suuna vahel.
Lorentzi jõud on suunatud risti laengu liikumise suunaga ja risti magnetvälja suunaga. Positiivse laenguga osakesele mõjuva Lorentzi jõu suund määratakse “vasaku käe reegliga ”:
Kui magnetväli suunata vasaku käe peopessa ja neli väljasirutatud sõrme on osakese liikumise suunas, siis sõrmedega täisnurga all sirutatud pöial näitab Lorentzi jõu suunda.
α
+q
Piki magnetvälja liikuvale (α = 0) osakesele Lorentzi jõudu ei mõju s.t. magnetväli ei mõjuta osakese liikumist.
Risti magnetväljaga (α = 90o) liikuvale laetud osakesele mõjuv Lorentzi jõud FL on kesktõmbejõuks Fk ja osake liigub selle jõu mõjul mööda ringjoont :
kus R on ringjoone raadius.
Suvalise nurga α all magnetvälja suhtes liikuva osakese kiiruse
võib lahutada magnetvälja suunaliseks
ja sellega risti olevaks
kiiruse komponendiks.
Piki magnetvälja liikuvale laetud osakesele Lorentzi jõudu ei mõju, risti magnetväljaga liikumine toimub mööda ringjoont, nende kahe liikumise summana liigub laetud osakese mööda spiraali.
MAGNETILISE INDUKTSIOONI JOONED – MAGNETVÄLJA JÕUJOONED.
Magnetilise induktsiooni vektori
jooned – magnetvälja graafiliseks kujutamiseks konstrueeritud jooned, millele magnetilise induktsiooni vektorid on igas joone punktis puutuja suunas.
Sirgvoolu poolt tekitatud magnetväli:
I
MAGNETVÄLJAS ASETSEVALE VOOLUGA JUHILE MÕJUV JÕUD – AMPERE´I JÕUD.
Asetsegu juhi lõik pikkusega l, milles kulgeb vool tugevusega I, nurga α all magnetvälja suhtes, mille magnetiline induktsioon on B.
I
l
Juhis voolu põhjustavad laengukandjad liiguvad magnetväljas ja neile mõjub Lorentzi jõud:
Magnetväljas asetsevale vooluga juhi lõigule mõjuv Ampere´i jõud FA on selles lõigus olevatele laengukandjatele mõjuvate Lorentzi jõudude FL summa. Võib näidata, et see avaldub järgmiselt:
Ampere´i seadus:
Magnetväljas asetsevale vooluga juhi lõigule mõjub jõud, mis võrdub voolutugevuse, lõigu pikkuse, magnetilise induktsiooni ja voolu suuna ning magnetvälja suuna vahelise nurga siinuse korrutisega. Ampere´i jõu suund määratakse “vasaku käe reegli” abil.
VOOLUGA JUHTIDE VAHEL MÕJUV JÕUD.
Asetsegu kaks paralleelset vooluga juhi lõiku pikkusega l teineteisest kaugusel r. Voolutugevused olgu I1 ja I2.
l
I1 I2
r
Kumbki vool tekitab enda ümber magnetvälja, milles asub teine vooluga juht, millele mõjub Ampere´i jõud. Need kaks vooluga juhi lõiku mõjutavad teineteist jõuga F, mis avaldub järgmiselt:
kus võrdetegur k´= 10-7 N/A2 ja on avaldatav:
milles μo = 4πּ10-7 N/A2 on magnetiline konstant;
k = 9,00ּ109 Nm2/C2 (võrdetegur Coulomb´i seaduses);
c = 3,00ּ108 m/s - elektrodünaamiline konstant, mida tunneme paremini vaakumis valguse levimise kiiruse nime all.
Samasuunaliste voolude puhul juhid tõmbuvad, vastassuunaliste puhul - tõukuvad.

ELEKTRI- JA MAGNETVÄLJA ENERGIA

Laetud kehad mõjutavad teineteist elektrivälja kaudu ja omavad potentsiaalset energiat. Laetud kondensaator mahtuvusega C, mille plaatidel on laeng q, omab potentsiaalset energiat Wp. See võrdub tööga, mida on vaja teha, et laeng viia ühelt plaadilt teisele, mille tulemusel tekkib plaatide vahel pinge U. Laengute potentsiaalne energia on nende poolt plaatide vahel tekitatud elektrivälja energiaks WE:
Vooluga juhid mõjutavad teineteist magnetvälja kaudu. Iga juht omab potentsiaalset energiat teistes juhtides kulgevate voolude poolt tekitatud magnetväljas. Vool tugevusega I juhtivas kontuuris induktiivsusega L tekitab enda ümber magnetvälja, mis omab energiat WL:
VOOLU JA LIIKUVA LAENGU POOLT TEKITATUD MAGNETVÄLI
Lõpmata pika sirgvoolu poolt tekitatud magnetvälja induktsioon kaugusel b sirgjuhist:
MAGNETVÄLJA JA AINE VASTASTIKMÕJU
Keha asetamisel magnetvälja mõjutab väli ainet, mille tulemusena toimuvad aines muutused, mis muudavad ka magnetvälja aine sees.
Aine molekulide koostises olevad elektronid kujutavad ringvoolusid (mikroskoopilisi vooluga kontuure), mis omavad magnetmomente ja tekitavad mikroskoopilisi magnetvälju. Molekulide kaootilise soojusliikumise tõttu on need väljad suunatud korrapäratult ja kõikide molekulide summaarne magnetväli on null (aine ei ole magnetvälja tekitajaks ).
Keha asetamisel välisesse magnetvälja püüab see väli orienteerida molekulide mikroskoopilisi välju. Sellisele välise välja mõjule alluvuse (magneetumise) seisukohalt on kõik ained liigitatavad kolme rühma:

Paramagneetikud – ained, mille molekulide magnetväljad orienteeruvad välise välja suunas, kuid orienteeritud molekulide osa molekulide koguarvust on väike. Nüüd tekitab keha nõrga magnetvälja, mis liitub välisega, mistõttu välja magnetiline induktsioon keha sees on veidi (tavaliselt kuni mõned korrad ) suurem kui vaakumis. Sellisteks aineteks on leelismetallid, leelis -muldmetallid, üleminekumetallid ja mõned gaasilised ained.

Diamagneetikud – ained, mille molekulide magnetväljad orienteeruvad välisele väljale vastupidises suunas, kuid ka nende molekulide osa on väike. Väljade liitumise tulemusena on välja magnetiline induktsioon aines väiksem kui vaakumis (need ained nõrgendavad veidi magnetvälja). Sellisteks aineteks on inertgaasid , vesi, vask, kuld, hõbe ja paljud anorgaanilised ning orgaanilised ühendid.

Ferromagneetikud – ained, milles suure osa molekulide magnetväljad orienteeruvad välise välja suunas ja seetõttu välja magnetiline induktsioon aines võib olla kümneid tuhandeid kordi suurem kui vaakumis (oluliselt tugevdavad magnetvälja). Sellisteks aineteks on raud, nikkel , koobalt ja nende sulamid . Peale omaduse oluliselt tugevdada magnetvälja säilitavad ferromagneetikute molekulide magnetväljad oma orientatsiooni välise välja suunas ka peale välise välja kadumist – säilitavad omaduse olla ise magnetvälja tekitajaks. Sellistest ainetest valmistatakse püsimagnetid.
Ainete omadust nõrgendada või tugevdada magnetvälja võrreldes väljaga vaakumis iseloomustatakse aine (keskkonna) suhtelise magnetilise läbitavusega
 = B/Bo.
See näitab, mitu korda on magnetvälja induktsioon aines B suurem välja magnetilisest induktsioonist vaakumis Bo.
Diamagneetikutel   1;
Paramagneetikutel   1;
Ferromagneetikutel   1.
Küsimused:

Millist kehadevahelist vastastikmõju nimetatakse magnetiliseks?

Mille kaudu antakse edasi kehadevaheline magnetiline vastastikmõju?

Kuidas teha kindlaks magnetvälja olemasolu ruumi mingis osas?

Mis suurus iseloomustab magnetvälja selle mingis punktis?

Kuidas on määratletud selle vektoriaalse suuruse moodul ja suund?

Millisel tingimusel on vooluga kontuurile mõjuv jõumoment maksimaalne, millal null?

Mis on Lorentzi jõud?

Kuidas arvutatakse Lorentzi jõu suurust ja kuidas määrata selle suunda?

Millisel tingimusel on Lorentzi jõud maksimaalne, millal null?

Mis on Ampere´i jõud?

Kuidas arvutatakse Ampere´i jõu suurust ja suunda?

Kuidas arvutatakse kahe vooluga juhi vahel mõjuvat jõudu ja milline on selle suund?

Kus kasutatakse Lorentzi ja Ampere´i jõudu?
Heiti Aarna
2008