Magnetväli (0)

3. MAGNETVÄLI
§12. Voolude vastastikmõju
Liikumatud laengud tekitavad enda ümber elektrivälja ning ühe laengu väli mõjutab teist laengut ja vastupidi. Need jõud on määratud Coulomb ’I seadusega.
Elektrilaengute vahel võivad mõjuda ka teistsuguse olemusega jõud. Kiniitame kaks painduvat juhti vertikaalselt ja ühendame nende ühed otsad vooluallikaga (joonis 1 – A, B, C).
Kuna juhtides pole voolu, siis nadd ei mõjuta teineteist (joonis A). Kui juhtide vabad otsad omavahel ühendada, siis läbivad neid vastassuunalised voolud ja juhid tõukuvad teineteisest eemale (joonis B). Kui ühendada juhid nii, et neid läbivad samasuunalised voolud, siis nad tõmbuvad (joonis C). Kahe ristuvad vooluga juhtide vahel jõud ei mõju. Vooluga juhtide liikuvate laengute vastasikmõju nimetatakse magnetiliseks vastastikmõjuks.
Jõude, millega vooluga juhid üksteist mõjutavad nimetatakse magneetilisteks jõududeks. Kui laengud ümbritsevas ruumis esineb elekttriväli, siis elektrivoole ümbritsevas ruumison väli, mida nimetatakse magnetväljaks. Vool ühes juhis tekitab enda ümber magnetvälja, mis mõjub voolue teises juhis ja vastupidi. Võib öelda ka, et elektrivälja muutumine tekitab magnetvälja
Magnetväli on eriline mateeria vorm, mille vahendusel toimub voolude vastastikmõju. Magnetväljal on kaks põhiomandust

Magnetvälja tekitab elektrivool (liikuvad laengud)

Magnetväli avaldab mõju elektrivoolule (liikuvatele laengutele) (joonis 2 - D)
Magnetvälja on sobiv uurida suvalise kujuga väikese suletud voolukontuuri abil. Raami vooluallikaga ühendavad juhtmed tuleb paigutada teineteise lähedale või kokku põimida, et nendes vastasuunalistele vooludele magnetväljas mõjub resultantjõud võrduks nulliga. Riputame ülesse sellise tasapinnalise raami ja selle kõrvale vertikaalse sirgjuhtme. Kui lasta vool sirgjuhtmesse ja raami, siis pöördub raam asendisse, milles raam ja sirgjuhe on ühes tasapinnas ( joonis D ). Voolusuuna muutmisel sirgjuhtmes pöördub raam 180 kraadi võrra.
Püsimagnet on keha , mida alati ümbritseb magnetväli. Asetame raami püsimagneti pooluste vahele ja laseme raamist läbivoolu ( joonis E ). Raam pöördub selissesse asendisse, et raamitasand on poolusi ühendava sirgega risti.
Ühe püsimagneti põhjapoolus ja teise lõunapoolus tõmbuvad, sama liiki poolused aga tõukuuvad. Raudesemete tõmbumist püsimagneti mistahes pooluse suunas põhjustab rauatüki ajutine magnetiks. Seejuures tekitab püsimaagneti üks poolus rauatüki endapoolses küljes vastupidise magnetpooluse ja kutsub esile tõmbejõu. Nähtust ,mille puhul magnetvälja paigutatud aine tekitab ka ise magnetvälja nimetatakse aine magneetumiseks. Püsimagneti poolitamisel ei teki kaks lahutatud magnetpoolust vaid kaks uut püsimagnetit, millel on kummalgi oma põhjapoolus ja lõunapoolus.
Väikest pöörlemisvõimelist püsimagnetit nimetatakse magnetnõelaks. Magnetnõela põhjapoolus näitab põhja suunas ja lõunapoolus lõuna suunas. Maa magnetiline lõunapoolus asub geograafilise põhjapooluse läheduses ja Maa magnetiline põhjapoolus asub geograafilise lõunapooluse läheduses.
§13. Magnetinduktsioon
Magnnetvälja iseloomustamiseks kasutatakse suurust, mida nimetatakse magnetinduktsiooni lõunapoolus S ja põhjapoolus N. Magnetinduktsiooni vektori suunaks loetakse suunda magnetväljas paikneva magnetnõela lõunapooluselt põhjapoolusele (Joonis A). Sama suunda näitab ka vabalt rippuva vooluraami positiivne normaal n-> ( vektor ) , mida saab määrata kruvi reegli abil
Vooluraami või magnetnõela abil saab määrata magnetinduktsioni vektori suuna suvalisses magnetvälja punktis. Vooluga sirgjuhi ehk sirgvoolu magnetväljas asetub magnetnõel sellise ringjoone puutuja sihis, mille tasand on juhiga risti (joonis B). Induktsiooni vektori suunda saab määrata kruvi reegli abil: magnetnõelte põhjapooluste suunad ehk magnetinduktsiooni vektorite suunad ringjoontel ühtivad kruvi pööramise suunaga kui kruvi liigub voolu suunas. Püsimagneti pooluste vahele asetatud magnetnõela põhjapoolus on suunatud püsimagneti lõunapooluse suunas (joonis C). Järelikult on selles magnetväljas magnetinduktsiooni vektor suunatud püsimagneti põhjapoolusest lõunapooluse suunas. Asetame vooluraami püsimagneti pooluste vahele, kus on homogeenne magnetväli. Kui vooluraami positiivse normaali n-> (vektor) suund ei ühti magnetinduktsiooni vektori B -> (vektor) suunaga, siis raam ei ole tasakaalus ja hakkab pöörlema (joonis D). Järelikult raamile mõjuvate jõudude moment on nullist erinev. Jõudude momendi väärtus sõltub raami asendist vektori B-> (vektor) suhutes, kui raami normaali n-> (vektor) suund ühtib normaali B-> (vektor) sunaga (raamitasand on rist vektoriga B->), siis jõu moment võrdub nulliga ja raam on tasakaalus. Jõumoment on suurim, kui vektor N on risti vektoriga B (Joonis D). Katseliselt on kindlaks tehtud, et magnetväljas paiknevale vooluraamile mõjub suurim jõumoment. M on võrdeline voolutugevusega ja raami pindalaga. Suhe M/ I*A ei sõltu voolutugevusest ja raami pindalast ning iseloomustab magnetvälja kohas, kus raam asub. Magnetinduktsiooni vektori mooduliks nimetatakse suhet B= M/ I*A , kus I on voolutugevus raamis ja A on raami pindala. Magnetinduktsiooni ühikuks on võetud sellise välja magnetinduktsioon, kus vooluraamile pindalaga 1m2 (üks meeter ruudus) voolutugevusega 1A (amper) mõjub maksimaalne jõumoment 1 N*m ( njuuton * meeter).
1 T ( tesla ) : 1T = 1 N*m / A*m²→ = 1N/ A*m
Magnetinduktsiooni mõõtmiseks kasutatakse magnetomeetreid, milles tajuriks on väike püsimagnet ja magnetinduktsiooni üle otsutatakse jõumomendi järgi, mis mõjub magnetiile.
§14. Magnetvälja jõujooned
Magnetvälja võime näitlikult kujuta magnetinduktsiooni joonte ehk magnetvälja jõujoonte abil. Magnetvälja jõujooneks nimetatakse joont, mille igas punktis puutuja siht ühtib vektori B-> (vektor) sihiga antud punktis (joonis A). Sirgvoolu magnetvälja jõujooned on kontsetrilised ringjooned , mille tasandid on voolusuunaga risti. Nooled näitavad kummale poole jõujoone puutuja sihil on suunatud magnetinduktsiooni vektor B-> (Joonis B). Magnetvälja jõujoonte tihedus on suurem seal, kus väli on tugevam. Vaatleme vooluga pooli (solemoidi) magnetvälja pilti (joonis C). Solenoid on kujutatud lõikes, kui solenoidi pikkus on tema diameetriga võrreldeks küllalt suur, siis võib välja solenoidi sees lugeda homogeenseks.
Joonisel D on kujutatud püsimagneti magnetvälja jõujooned. Magnetvälja jõujooned on alati kinnised, neil ei ole algust ega lõppu. Kinniste jõujoontega välja nimetatakse pöörisväljaks, magnetväli on seega pöörisväli. Looduses ei ole magnetlaenguid, mis sarnaneksid elektrilaengutega. Magnetinduktsiooni vektor B-> iseloomustab magnetvälja igas ruumipunktis. Võtame nüüd kasutusele suuruse, mis iseloomustab magnetvälja. Suletud tasapinnalise juhtme kontuuri poolpiiratud pinna ulatuses tervikuna .Vaatleme homogeensesse magnetvälja asetatud suletud tasapinnalist juhti (kontuuri). Kontuuri pindala olgu A ja kontuuri positiivne normaal n-> (vektor) moodustagu vektoriga B-> nurga α (APLHA) (joonis E).
Magnetvooks läbi pindala A nimetatakse suurust, mis võrdub magnetinduktsiooni vektori mooduli B, pindala A ning vektorite B-> ja n-> vahelise nurga α koos sin. Korrutisega. Magnetvoo ühik on 1Wb (veeber). Magnetvoo 1Wb tekitab homogeenne magnetväli induktsiooniga 1T läbi 1m² suuruse magnetinduktsiooniga ristuva pinna
§15. Ampèire’I seadus
Magnetväli mõjub vooluga juhi kõikidele osadele, seaduse, mis määrab üksikule juhi lõigule (vooluelemendile) mõjuva jõu avastas 1820. aastal Ampère. Ta paigutas hoburaud magneti pooluste vahele sirge juhi, millele mõjuvat jõudu sai mõõta. Katsetest nähtub, et voolutugevuse suurenemisel kaks korda suureneb ka juhile mõjuv jõud kaks korda. Lisades ühele hoburaudmagnetile veel teise suureneb magnetväljas paikneva juhilõigu pikkus kaks korda. Selgub , et ka juhile mõjuv jõud suureneb kaks korda. Kasutades erinevaid magneteid saab kindaks teha, et juhilõigule magnetväljas mõjuv jõud on võrdeline induktsioonivektori mooduliga B. Ampère’I jõud sõltub ka vektori B ja juhi vahelisest nurgast. Vooluelemendi suunaks loeme voolusuuna
Olgu vektori B ja vooluelemendivaheline nurk alfa. Katsed näitavad, et magnetväli, mille induktsiooni vector ühtib vooluelemendi suunaga ei avalda voolule mingit mõju, seega sõltub jõu moodul vektori B juhiga ristuva kompnendi moodulist B(rist) = B* sin alfa. Magnetväljas paiknevale vooluelemendile mõjub jõud F väljendub valemiga F = B*I’l * sin α, kus B on magnetinduktsiooni vektori moodul, I voolutugevus juhis, l magnetväljas paikneva vooluelemendi pikkus ja α inuktsioonivektori ja vooluelemendi vaheline nurk. Seda valemit nimetatakse Ampèire’I seaduseks. Jõud F→ on risti nii vooluelemendiga, kui ka vektoriga B→. Tema suunua võib määrata vasaku käe reegliga: kui vasak käsi asetada nii, magnetinduktsiooni vektori juhiga ristuv component B→(rist) suundub peopessa ja neli väljasirutatud sõrme näitavad voolusuunda, siis sõrmedega täisnurga moodustava pöial näitab vooluelemendile mõjuva jõu suunda. Magnetvälja mõju vooluga juhtmele kasutatakse elektrimootoris. Alalisvoolumootori pöörlev osa ehk rootor sisaldab juhtmekeerde (1), mis on sümmentrilised rootori pöörlemistelje (2) suhtes. Juhtmekeerud lülitavad kordamööda vooluringi läbi grafiitvarraste, mida nimetatakse harjadeks (3), vedrud (4) suruvas harjasid vastu rootori kontaktrõngast (5), kontaktrõngal paiknevad vaskplaadid on juhtmekeerdude otsteks. Vooluringi osaks on just see juhtmekeerd , mille plaadid on kontaktis harjadega . Rootor koos oma juhtmekeerdudega asub püsimagneti (6) magnetväljas. Juhtmekeeru kõikudele AB ja CD mõjuvad Ampèire’I seaduse kohaselt jõud F→ ja F→’ , need jõud panevad rootori pöörlema. On oluline, et juht läbib just seda juhtmekeerdu, mis antud hetkel asetseb paralleelselt magnetvälja jõujoontega. Sel juhul on magnetjõudude pöörav toime maksimaalne. Kui vool läbiks magnetvälja jõujoontega ristuvat raami, siis mõjuksid jõud F→ ja F→’ samal sirgel. Nad vaid venitakse juhtmekeerdu laiemaks, kuid ei suudaks teda pöörata.
§16. Lorentzi jõud
Magnetvälja mõju vooluga juhile on põhjustatud välja mõjust juhis liikuvatele laetud osakestele. Jõudu, millega magnetväli mõjutab laetud osakest nimetatakse Lorentzi jõuks. Lorentzi jõu võib leida Ampèire’I seaduse abil, see võrdub vooluga juhtme lõigule mõjuva jõu mooduli F ja selles lõigus suunatud liikuvate positiivsete laetud osakeste arvu N suhtega. FL = F ÷ N. Vaatleme peent vooluga sirgjuhi lõiku, olgu selle pikkus l ja ristlõikepindala A nii väikesed, et juhilõigu ulatuses võib magnetinduktsiooni vektori B→ konstantseks lugeda. Voolutugevus juhis on seotud osakese laenguga q0, laetud osakeste arvuga ruumalaühikus n ja suunatud kiirusega v järgmiselt I = q0nvA . Magnetväli mõjutab vooluelementi jõuga F = BIl sin α. Kahest viimasest vlamist same F=Bq0nvAlsinα = Bq0vNsinα , kus N = nAl on laetud osakeste arv vaadetavas ruumalas. Seega mõjutab magnetväli iga liikuvat laenguosakest Lorentzi jõuga FL = F ÷ N = Bq0vsinα, kus α on kiirusvektori v ja magnetinduktsiooni vektori B vaheline nurk. Lorentzi jõud on risti vektoritega B ja v