Magnetism, magnet referaat (1)

JAKOB WESTHOLMI GÜMNAASIUM
Füüsika referaat
Insert name here
9.a
Tallinn 2009
Sisukord
Sissejuhatus...............................................................................................................3
Magnetväli..................................................................................................................4
Voolu magnetväli........................................................................................................6
Magnetinduktsioon .....................................................................................................7
Magnetvälja jõujooned...............................................................................................8
Magnetvoog ................................................................................................................9
Vooluga pooli magnetväli. .......................................................................................10
Maa magnetväli........................................................................................................11
Lorentz’i jõud............................................................................................................14
Aine magneetilised omadused.................................................................................15
Elektromagneetiline pomm .......................................................................................16
Pööriselektriväli........................................................................................................18
Endainduktsioon .......................................................................................................19
Kasutatud kirjandus..................................................................................................20
Sissejuhatus
Magnetid saavad oma magnetväljade tõttu üksteist eemalt läbi ruumi külge tõmmata ja eemale tõugata. Seda efekti kutsutakse magnetismiks. Magnetism on saanud nime magneesiakivi järgi antiikaja linnast Magnesiast. Üle 2000 aasta tagasi leidsid iidsed kreeklased , et magneesiakivi tükid tõmbavad külge mõningaid metalle. See kivi oli magnetiit , mis on rauamaagi liik. Magnet on objekt, mis käitub samal moel nagu magnetiit.Mõned metallid, nende hulgas kroom, muutuvad nõrgalt magnetiliseks, kui läheduses on magnet. Seda magnetismi, mis kaob, kui magnet on eemaldatud , kutsutakse paramagnetismiks. Ainult kolm metalli – koobalt , raud ja nikkel – on võimelised muutuma püsivalt magnetiseerituks, kui magnet on lähedale asetatud ja siis eemaldatud. Seda omadust kutsutakse ferromagnetismiks. Varbmagnet võib külge tõmmata, üles korjata ja püsti hoida naelu, kirjaklambreid ja teisi väikesi rauast, niklist või terasest esemeid. (Teras on raua ja väikese hulga süsiniku ning teiste ainete segu.) Iga raua või terasetükk võib muutuda magnetiks, kui seda varvakujulise püsimagneti ühe otsaga mitu korda ühes suunas hõõruda. Kui objekt tõmmatakse varbmagneti külge, siis ta jääb kokku varbmagneti otstega või poolustega, kus magnetväli on kõige tugevam. Magneti üks pool püüdleb põhja poole, teine lõuna poole. Kahe magneti põhja- ja lõunapoolus tõmbavad teineteist külge. Samanimelised poolused põhi ja põhi või lõuna ja lõuna tõukuvad, surudes teineteist eemale.
Magnetväli
Magnetväli - eksisteerib alati vooluga juhtme ümber. Magnetväljaks nimetatakse liikuva laetud keha poolt tekitatavat välja. Paigalseisev laeng kutsub esile elektivälja, liikuv laen aga täiendavalt ka magnetvälja. Magnetvälja olemasolu täpselt niisama suhteline, kui liikumine. Laengu liikumine vaatleja suhtes tähendab aga seda, et laengu elektriväli vaatleja asukohas muutub. Elektrivälja muutumine tekitab magnetvälja. Siit võiks järeldada, et mingit erilist magnetvälja polegi olemas. On vaid elektrivälja muutumisega kaasnevad nähtused, mida on saanud kombeks nimetada magnetväljaks.
Püsimagnet - keha, mis säilitab magnetilised omadused pikema aja vältel.
Sõna magnet on tulnud Kreeka linna Magnesia nime järgi.
Magneti poolused- kohad, kus magnetiline toime on kõige tugevam.
Magnetnõela põhjapooluseks nim. poolust, mis pöördub põhja poole.
Magnetvälja kokkuleppelist suunda näitab magnetnõela põhjapoolus. Magnet võib magnetilised omadused kaotada kahel juhul:
1)     kui teda tugevasti koputada
2)     kui teda kõrge temperatuurini kuumutada.
Magneetumine- nähtus, mille korral magnetvälja paigutamise tulemusel tekitab aine ka ise magnetvälja.
Mis põhjustab püsimagnetil magnetvälja?
Magnetvälja tekitavad osakesed,millest püsimagnet koosneb.
Magnetvälja põhiomadused:
1)     magnetvälja tekitab elektrivool
2)     magnetväli avaldab mõju elektrivoolule.
Voolu magnetväli
Elektrivoolu magnetvälja uurimise alguseks võib lugeda aastat 1820. Oma töö tulemuse avaldas Hans Christian Oestred. Nimelt avastas Oestred, et juhet läbiv elektrivool avaldab magnetnõelale ojenteeruvat mõju. Magnetnõel pöördub juhtmega ristuvasse asendisse. Orienteerunud magnetnõel ei ole aga risti mitte ainult juhtme endaga, vaid ka tasandiga, mille määravad juhe ning magnetnõela keskmine kinnituspunkt.
Vooluga juhe avaldab magnetväljale orienteeruvat mõju.
Ampere’i hüpotees - aine magnetilised omadused on ära määratud temas toimuvate ringvooludega.
Kahe ühepikkuse vooluga juhtme vahel esinevad järgmised seaduspärasused:
1)     paralleelsete juhtmete vahel on jõud maksimaalne
2)     eristuvate juhtmete korral jõud ei mõju.
Kui voolusuunad on samasuunalised mõjub juhtmete vahel tõmbejõud. Kui voolusuunad on vastassuunalised mõjub neile tõukejõud.
Jõud on alati risti juhtmelõiguga, millele ta mõjub.
Juhtmelõikude vahel mõjuv jõud:
1)     on võrdeline voolutugevusega
2)     on võrdeline juhtmelõikude pikkusega
3)     on pöördvõrdeline juhtmelõikude kaugusega
Magnetinduktsioon
Magnetinduktsioon iseloomustab magnetvälja suurust.
Magnetinduktsiooni suund on magnetväljas magnetnõela lõunapooluselt põhjapoolusele.
Kruvireegel - kui kruvi teravik liigub tera suunas, siis kruvipea pöördumise suund näitab magnetinduktsiooni suunda.
Magnetinduktsioon - magnetväljas vooluga raamile mõjuva pöördmomendi ja voolutugevuse ning raami pindala suhe.B=M/IS.
Magnetinduktsiooni ühiku sõnastus - magnetinduktsioon on 1 T, kui raamile, mille pindala 1 ruutmeeter ja mida läbib vool 1 A, mõjub pöördemoment 1 Nm.
Ampere’i seadus - magnetväljas vooluga juhtmele mõjuv jõud on võrdne magnetinduktsiooni, voolutugevuse, juhtmelõigu pikkuse ja juhtme ning magnetinduktsiooni vahelise nurga siinuse korrutisega.F=BILsin alfa.
Vasaku käe reegel - vasak käsi tuleb asetada nii,et magnetinduktsioon suubub peopessa, väljasirutatud sõrmed (4) näitavad voolusuunda, siis sõrmedega täisnurga moodustav pöial näitab juhtmele mõjuva jõu suunda.
Magnetvälja jõujooned
Magnetvälja jõujooned - mõttelised jooned, mille igas punktis on magnetinduktsioon suunatud piki selle joone puutujat. Jõu joonel on ka suund, mis ühtib B-vektori suunaga antud punktis. Ja mida järelikult näitab orienteerunud magnetnõela põhjapoolus. Niisiis on magnetnõelte abil lihtne jõujoonte kuju uurida. Veel paremini saab jõujoonte paigutus nähtavaks muuta rauapuuriga. Väikesed rauatükikesed käivad mahnetväljas kui magnetnõelad. Nad pöörduvad oma pikima mõõtmega magnetvälja suunas, üritades püsimagnetite kombel moodustada ahelaid, milles ühe tükikese põhjapoolus on tõmbunud vastu teise lõunapoolust. Sellised ahelad kujutavadki jõujooni
1. Sirgvoolu magnetvälja jõujooned:
Suunda saab kindlaks teha:
1)     kruvireegel -kui kruvi teravik liigub voolu suunas, siis kruviga pöördumise suund näitab jõujoone suunda.
2)     parema käe kuldreegel - kui parema käe välja sirutatud pöial näitab voolusuunda, siis korraldatud sõrmed näitavad jõujoone suunda.
2. Ringvoolu magnetvälja jõujooned.
1)     Kruvireege l- kui kruvipea pöördumise suund näitab voolusuunda, siis kruvi teraviku liikumise suund näitab jõujoone suunda.
2)     parema käe rusikareegel - kui parema käe kõverdatud sõrmed näitavad voolusuunda, siis väljasirutatud pöial näitab jõujoone suunda.
3. Solenoid - koosneb kõrvuti asetsevatest juhtmekeerdudest.
4. Püsimagneti jõujooned - kulgevad väljaspool magnetit magnetnõela põhjapooluselt lõunapoolusele.
Magnetväli on pöörisväli, s.t.tema jõujooned on kinnised ilma alguse ja lõputa.
Magnetinduktsioon iseloomustab magnetvälja igas ruumi punktis.
Magnetvoog
Magnetvoog iseloomustab magnetvälja läbi terve pinna.
Magnetvoog on võrdne magnetinduktsiooni, pinna pindala ja magnetinduktsiooni ning pinna normaali vahelise nurga koosinuse korrutisega.
Magnetvoo ühiku sõnastus- magnetvoog on 1 Wb, kui läbi 1 ruutmeetri suuruse pinna läheb magnetinduktsioon 1 T pinnaga risti.
Tähis: (Fii)
Ühik: 1 Wb (veeber)
Põhivalem:
kus (Fii) on magnetvoog, on pinna magnetinduktsioon on pinna pindala ja (beeta) on nurk pinna normaali ja magnetvälja suuna vahel.
Vooluga pooli magnetväli
Pool - dielektrikus südamikule keritud traat.
Elektromagnet - raudsüdamikuga pool.
Vooluga pooli magnetväljas raudsüdamik magneetub ja sellega magnetväli tugevneb.
Elektromagnetil on püsimagnetiga võrreldes järgmised eelised:
1) tema magnetvälja tugevust ja suunda saab muuta voolutugevuse suuna muutmise teel.
2) voolu välja lülitamisel elektromagneti magnetväli kaob.
Elektromagnetväli sõltub:
1)     voolutugevusest (mida tugevam vool seda tugevam magnetväli).
2)     keerdude arvust (mida rohkem keerde seda tugevam magnetväli).
 Elektromagneti kasutamine:
1) elektromagnetkraana
2) elektrikõlisti
3) telefon
4) mikrofon
5) elektromagnetiline relee
Maa magnetväli
Algselt arvati, et kompassi mõjutab Põhjanael. XVI saj. kummutas selle müüdi W. Gilbert . Järelikult Maa erineb magnetrauast kerast ainult suuruse poolest ja Maa on suur magnet.
Deklinatsioon - nurk, mille võrra erinevad geograafilised poolused magnetpoolustest. 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. 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. 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. Tänasel päeval on Maa magnetväli umbes 10% nõrgem, kui see oli 1845. aasta, mil Carl Friedrich Gauss hakkas esimesena arvet pidama tema tugevuse kohta. Tuginedes tardunud laava uurimistele üle maailma on pakutud, et Maa magnetväli vahetab oma pooluseid intervalliga, mis ulatub kümnetest tuhandetest kuni mitmete miljonite aastateni (keskmiselt 250 tuhat aastat). Viimane selline sündmus, antud nimega Brunhes-Matuyama reversal, leidis teoorias aset 780 tuhat aastat tagasi. Kui osa vedelast rauast tardub sisetuuma külge vabanevad kergemad metallid ning seda soojusenergia arvelt – toimub jahtumine , mis põhjustab lisa elektrivoo. Sammuti mõjutab ka Maakera pöörlemine sulanud raua voolusid tehes neisse kurve, mis omakorda siis väänavad magnetvälja tekkekuju. Tavaliselt joonduvad uued magnetväljad olemasolevaga, kuid aeg-ajalt võivad tekkinud väljad võtta ka vastupidise suuna. Selline sündmuste kulg võib viia vana magnetvälja nõrgenemiseni ning uue välja kasvades võivad nad üksteist nullida. Maa magnetväli kukuks kokku ning siis, võib-olla, pöörduks ümber uue välja suunale. Pöördumisprotsess võib aega võtta aga mõnest sajast kuni paari tuhande aastani. Tõenäolisem on aga ikkagi see, et olemasolev väli taastab oma stabiilsuse ning midagi ei juhtu.
Inklinatsioon - nurk, mis tekib Maa magnetvälja ja horisontaaltasandi vahel.
Päikese mõjuga Maale kaasnevad järgmised nähtused:
1.     Magnettormid - tekivad Päikeselt tulevate laetud osakeste jõudmisel Maa magnetvälja, viimase poolt haaratakse ja tekivad häired magnetväljas
2.     Virmalised - Päikeselt tulevad elektronid jõudes Maa magnetvälja, mis on Maa atmosfääris ioniseerivad õhu molekule.
Lorentzi jõud
Lorentzi jõud - magnetväljas liikuvale laengule mõjuv jõud on võrdne laengu,
laengukiiruse, magnetinduktsiooni ja laengu liikumise kiiruse ning magnetinduktsiooni vahelise nurga vahelise siinuse korrutisega.
Vasaku käe reegel - vasak käsi tuleb asetada nii, et magnetinduktsioon suubub peopessa, väljasirutatud sõrmed näitavad positiivse laengu liikumise suunda (negatiivse laengu liikumise vastassuunda) , siis sõrmedega täisnurga moodustav pöial näitab laengule mõjuva jõu suunda.
Aine magnetilised omadused
Ampere’i hüpotees - aine magnetilised omadused on määratud tema sees toimuvate ringvooludega.
Kui ringvoolude tasandid on korrapäraselt ilmnevad ainel magnetilised omadused, kui korrapäratult siis ei ilmne.
Curie temperatuur - temperatuur, millest kõrgemal aine magnetilised omadused kaovad.
Magnetiline läbitavus - näitab, mitu korda on magnetinduktsioon aines suurem kui vaakumis .
Magnetilise läbitavuse järgi jagatakse ained:
1) diamagneetikud - ( magn . läbitavus on väiksem 1- st) ained, mis veidi nõrgendavad talle mõjuvat magnetvälja.N: kuld ,hõbe,vask.
2) paramagneetikud - (magn. läbitavus on 1- st veidi suurem) ained, mis veidi tugevdavad talle mõjuvat magnetvälja.N: alumiinium ,volfram, mangaan ,kaalium, naatrium .
3)ferromagneetikud - (magn. läbitavus on 1- st palju palju suurem) ained, mis tugevdavad talle mõjuvat magnetvälja tuhandeid kordi.N:raud,nikkel,koobalt.
Ferromagneetiku ühe osakese magnetväli on väga tugev, seetõttu suudavad ferromagneetiku osakesed vastastikku üksteise magnetvälja tugevdada, mille tulemusel tekivad iseeneseliku magneetumise piirkonnad, mida nim.domeenideks.
Ferromagneetikud jagatakse:
1)     magnetiliselt kõvad - nende domeenid säilitavad kindlalt magneetumisel omandatud seisundi.
2)     magnetiliselt pehmed - neid kasutatakse magnetvälja tugevdamisel.
Elektromagnetiline pomm
Tegu pole tavalises mõttes pommiga, sest suurt pauku ei kosta ja plahvatust pole ka näha. Elektromagnetiline pomm tekitab lühiajalise ja väga tugeva magnetvälja. Inimesi ega ehitisi magnet väli ei kahjusta, küll aga hävitab elektriseadmed. Kiire ja suur magnetinduktsiooni muutus tekitab elektriseadmetes induktsioon ­ voolu, mis on palju kordi suurem aparaatidele ettenähtud voolutu­ gevusest ja seadmed hävivad ülekoormuse tõttu. Häving ei piirdu üksnes plahvatuse lähedal olevate elektriseadmete purunemisega, sest magnetvoo muutus indutseerib voolu ka elektriliinides ja plahvatuse mõju liigub kaugele. Kahju tekitab ka indutseeritud voolutugevuse hääbumine, sest sellega kaasneb samuti suur mag­netvoo muutus ja induktsioonvool. Tundlikemad on elektromagnetilise pommi suhtes pooljuhtseadmed, mis töötavad milli- ja mikroamprilistel voolutugevus ­tel (selliste seadmete hävitamiseks piisab ka töötava mikrolaineah­ju ukse avamisest). Mootorid ja trafod on palju töökindlamad, kuna neis on voolutugevus ka tavaliselt suur. Elektromagnetilises pommis kasutatakse ülijuhtidest teh­tud pooli, milles tekitatakse lühiajaliselt voolutugevus umbes 106 A (välgus on tavaliselt voolutugevus 20 kA). Nii suurel voolutugevusel hävivad ka juhtmed pommis endas. Teiseks võimaluseks elektro­magnetilise pommi efekti saamiseks on aatompommi lõhkamine kõrgel atmosfääris. Plahvatusel tekkinud gammakiirgus ioniseerib atmosfääris hapniku ja lämmastiku aatomeid, millest vabanenud elektronid tekitavad vastasmõjus Maa magnetväljaga tugeva vahel­duvvoolu ja muutuva magnetvälja maapinnal. Elektromagnetilisepommi idee tekkiski pärast esimesi tuumapommikatsetusi, kui Vaikse ookeani kohal atmosfääris toimunud plahvatus lõhkus sama­aegselt Hawaii tänavavalgustuse ja halvas raadiosideme Austraalias.
Pööriselektriväli
Kui elektromagnetiline induktsioon tekib elektriahela suuruse või asendi muutumise tõttu, siis on elektromootorjõu põh­ juseks Lorentzi jõud. Nii kontuuri asendi kui ka suuruse muutumisel liigub ka elektriahel ning selles olevad elektronid. Kuna kontuur on magnetväljas, siis mõjub liikuvatele elektronidele Lorentzi jõud, mis sunnib elektrone juhtmes edasi liikuma. Tulemuseks on elektronide suunatud liikumine ja elektromotoorjõu ning voolu teke. Kui muutub magnetinduktsiooni tugevus, siis on indukt­ siooni elektromotoorjõu tekkepõhjus teistsugune. Muutuv mag­netinduktsioon tekitab uue välja: pööriselektrivälja.Pööriselektrivälja jõujooned moodustavad suletud kõ­veraid nagu magnetinduktsioonigi jõujooned. Kui laeng liigub tava­lises elektriväljas, siis sõltub elektrivälja poolt laengu liigutamiseks tehtud töö vaid laengu alg- ja lõpp-punktist, mitte aga sellest, kui­das elektrilaeng ühest punktist teise jõudis. Pööriselektrivälja kor­ral sõltub laengu liigutamiseks tehtud töö ka laengu trajektoorist. Kui elektroni trajektooriks on ringjoon , siis on tavalise elektrivälja töö null, kuid mitte pööriselektrivälja töö. Pööriselekt­ riväljas mõjuvad laengutele jõud välja jõujoonte sihis ja kuna pööriselektrivälja jõujoonteks on silmused nagu magnetväljalgi, siis sunnib pööriselektriväli elektrone ringiratast ühes suunas lii­kuma. Seega on elektronide liikumine vooluahelas suunatud ja selles tekivad nii elektromotoorjõud kui ka induktsioonvool.
Endainduktsioon
Endainduktsiooniks nimetatakse induktsiooni elektro­motoorjõu tekkimist elektriahelas, kui voolutugevus muutub samas ahelas. Kui vooluringis muutub voolutugevus, siis muutub ka voolu tekitatud magnetinduktsioon ja magnetvoog. Viimase muutus põhjus­tab juhtmes endas induktsiooni elektromotoorjõu, mida nimetatak­segi endainduktsiooniks Induktiivsuse ühik on 1 H [henri]. Ühik on nime saanud USA füüsiku Joseph Henry järgi, kes 1832 . aastal avastas endainduktsiooni. Kontuuri induktiivsus on üks henri, kui voolutugevus üks amper tekitab juhtme ümber magnetvoo üks veeber. 1 H = 1 Wb/A = 1 T · m2/A.
Kasutatud kirjandus
1) Saveljev, I., Füüsika üldkursus II, Tallinn, Valgus, 1979 Isaacs, A. ( editor ), Dictionary of Physics , 4th ed, Oxford , Oxford University Press, 2003
2) Kudu, K., Üldfüüsika ülesannete kogu, 4. trükk, Tartu, Tartu Riiklik Ülikool, 1981
3) Harris , T., „How E-Bombs Work“,
4) http://science.howstuffworks.com/e-bomb.htm/printable
5) www.miksike.ee
6) Õpilase entsüklopeedia
7) Õpilase teadusentsüklopeedia
8) D. Kindersley “ Illustreeritud lasteentsüklopeedia”