VII. MAGNETNÄHTUSED

Püsimagnetid

Selliseid kehi, millel on võime tõmmata enda poole kergeid rauast esemeid, nimetatakse magnetiteks.

Kui magnetiga kokku puutuval kehal ilmnevad pärast seda samuti magnetilised omadused, siis öeldakse, et see keha magneetub, kui magneetunud keha mingil põhjusel (tugev löök, kuumutamine) oma magnetomadused kaotab, siis öeldakse, et ta demagneetus.

Kehi, mis suudavad säilitada magnetilised omadused ka pärast magneti eemaldamist, nimetatakse püsimagnetiteks.

Punkte, kus püsimagneti magnetiline toime raudesemetele on kõige tugevam, nimetatakse magneti poolusteks. Magneti seda osa, kus magnetmõju puudub, nimetatakse magneti neutraalseks piirkonnaks.

Vabalt pöörelda saav magnet asetub maapinnal alati põhja-lõuna suunaliselt. Seepärast nimetatakse magneti seda otsa, mis näitab põhja suunas põhja- ja seda, mis lõuna suunas lõunapooluseks.

Magnetitel on alati paarisarv (tavaliselt kaks) poolusi – see tähendab põhja- ja lõunapoolust pole võimalik teineteisest eraldada.

Kaks magnetit mõjutavad teineteist tõmbe- ja tõukejõududega. Kui üksteist mõjutavad magnetite erinimelised poolused, siis magnetid tõmbuvad, kui aga samanimelised poolused, siis tõukuvad.

Elektrivoolu magnettoime

1820. aastal tegi taani teadlane Hans Christian Ørsted [örsted] katse (Ørstedi katse), millega näitas, et vooluga juhe mõjutab püsimagnetit (magnetnõela).

Vooluga juhe mõjutab püsimagnetit (magnetnõela)

Püsimagnet mõjutab vooluga juhet

Ørsted’i katsetest innustununa tõestas prantsuse teadlane Andre Marie Ampere oma katsetega (Ampere’i katsed), et püsimagnet võib mõjutada vooluga juhti ja et ka kaks vooluga juhti mõjutavad teineteist magnetiliste jõududega.

Erisuunalised voolud tõukuvad

Samasuunalised voolud tõmbuvad

Järeldused Ampere’i ja Oersted’i katsetest: vooluga juht mõjutab tema läheduses asuvat püsimagnetit ja vastupidi. Seda mõju uurides ei ole võimalik vahet teha kas keha mõjutajaks on teine püsimagnet või hoopis elektrivooluga juhe.

Nähtust saab mikrotasandil kirjeldada järgmiselt: igas aatomis tiirlevaid elektrone võib vaadelda kui väikesi vooluringe, mis tekitavad kehas hulgaliselt magnetilisi toimeid, mis korrapäraselt asetudes võivad üksteist võimendada (püsimagnet) või kui nad on korrapäratult, siis nõrgestada (mittemagnet).

Magnetväli

Kui kaks keha mõjutavad teineteist, siis võib see mõju olla: (1) vahetu (näiteks kehade otsene kokkupõrge) või (2) läbi vahendaja (näiteks läbi metallvarda või siis kehi ümbritseva erilise mateeriaobjekti – välja kaudu)

Magnetid ja vooluga juhid mõjutavad teineteist magnetiliste tõmbe- ja tõukejõududega tänu sellele, et neid ümbritseb magnetväli. Magnetväli on magnetiliste jõudude vahendajaks. Nii nagu elektriväljagi, ei tunneta inimene oma meeleorganitega ka magnetvälja olemasolu.

Magnetvälja olemasolu saab kindlaks teha magnetnõela abil, mis pöördub magnetvälja mõjul kindlasse asendisse. Magnetvälja erinevates punktides on magnetnõelale mõjuv jõud ja tänu sellele ka magnetnõela suund erinev. Jooni, mida mööda asetuvad (väikeste) magnetnõelte teljed, nimetatakse magnetvälja jõujoonteks.

Sirgmagneti “jõujoooned”

U-magneti “jõujoooned”

Elektromagnet

Vooluga pooli nimetatakse ka elektromagnetiks, sest nagu püsimagnetid, suudab ka tema tõmmata enda külge rauast esemeid.

Elektromagneti magnetilised omadused sõltuvad: (1) raudsüdamiku olemasolust (südamikuga on tugevamad), (2) juhtmekeerdude arvust poolis (mida rohkem keerde, seda tugevamad omadused) ja (3) voolutugevusest poolis (mida tugevam vool, seda tugevamad omadused).

Elektromagneteid kasutatakse: (1) raud- ja terasesemete tõstmisel (nt vanaraua ladudes), (2) mikrofonides, (3) valjuhääldites ja kuularites (4) elektrimõõteriistades ning (5) elektrimootorites.

Mikrofon. Kõlar

Hääleks (heliks) nimetatakse õhus (või muus keskkonnas) levivaid pikilaineid, mille võnkesagedus jääb vahemikku 20 … 20 000 Hz. Häälelained, kui ei ole just tegemist väga valju (suure amplituudiga) võnkumistega sumbuvad keskkonnas kiiresti.

Selleks, saata häälele vastavaid võnkumisi kaugete vahemaade taha, tuleb need esmalt muuta elektromagnetvõnkumisteks.

Selleks kasutatakse mikrofone, kus tekitatakse häälelainete (õhuosakeste võnkumiste) abil tänu seal asuvatele elektromagnetile ning kergesti muudetava elektrijuhtivusega keskkonnale muutuva tugevusega elektrivool.

Mikrofoni tähtsaimad koostisosad on (2) membraan, selle taga asuv (3) kergesti muutuva juhtivusega keskkond (tavaliselt imepeen söepuru), (4) pingestatud pool (elektromagnet) ning (5) ühendusjuhtmed.

Kui (1) häälelained panevad membraani võnkuma, muutub membraani taga asuva keskkonna elektritakistus ning koos sellega ka mähist läbiva voolu tugevus, kusjuures selle voolu muutumise sagedus vastab teda esile kutsunud heli sagedusele, voolu muutumise ulatus aga teda esile kutsunud hääle valjusele.

Kui soovitakse mikrofonis tekkinud voolu saata lühema või ka pikema maa taha ning seda seal siis taasesitada, ühendatakse mikrofon tavaliselt võimendiga, kus toimub mikrofonivoolu tugevdamine.

Võimendatud häälevõnkumistele vastav mikrofonivool suunatakse seejärel juhtmeid pidi kõlaritesse, kus see elektro- ja püsimagneti vastastikmõju tulemusena muudetakse tagasi õhuvõnkumisteks ehk heliks.

Kõlarid koosnevad (1) võnkuva membraaniga ühendatud (2) raudsüdamikuga (3) elektromagnetist, mis saab oma toite mikrofoniga (läbi võimendi) ühendatud (4) juhtmete kaudu ning (5) püsimagnetist, mille ülesanne on tekitada muutumatu magnetinduktsiooniga magnetväli, mis mõjutab elektromagneti südamikku.

Kui elektromagnetit läbib mikrofonivool, tekib selles mikrofonivoolu muutumisi (sagedus, amplituud) „peegeldav“ magnetväli ning nii tõmbub või tõukub elektromagneti südamik püsimagnetist samas rütmis ja sarnase amplituudiga, nagu võnkus mikrofoni membraani läheduses olnud õhk.

Kuna elektromagnet on ühendatud kõlari membraaniga, hakkab koos sellega liikuma ka membraani lähedal olev õhk ning tekivad taas häälelained.

Peale mikrofonide ja kõlarite leiutamist edastatigi häälega seotud infot lähemate ja kaugemate vahemaade taha läbi juhtmete, mille ühes otsas oli mikrofon, teises aga kõlar. Nii toimis näiteks telefoniside veel 20. sajandi lõpukümnenditelgi.

Galvanomeeter (volt- ja ampermeeter)

Galvanomeeter on mõõteriist määramaks elektrivoolu olemasolu, suurust ja suunda elektrijuhis. Galvanomeetriga on võimalik kindlaks teha ka väga nõrga voolu olemasolu juhis. Galvanomeetri töö põhineb Ørsted’i ja Ampere’i poolt avastatud asjaolul, et vooluga juht mõjutab püsimagnetit ja vastupidi.

Kui galvanomeetri mähist (2), milles on pöörlemisteljel asuv ferromagneetiline südamik (1) läbib elektrivool, püüab see püsimagneti (3) magnetväljas asetuda selliselt, et mähise keerud oleksid magnetvälja jõujoontega risti. Mähisega ühendatud vedrukesed (4) takistavad mähisel vabalt pöörelda. Mida tugevam vool mähist läbib, seda tugevam jõumoment magnetväljas mähisele mõjub ja seda rohkem mähis ja sellega ühendatud osuti (5) skaalal tasakaaluasendist (nullasendist) kõrvale pöördub.

Kui voolu suund mähises muutub, muutub ka jõumomendi suund ning mähis pöördub teisele poole.

Elektrimootor. Dünamo

Ampere’i katsetest on teada, et vooluga juhtmele mõjub magnetväljas jõud. Tänu Ampere’i jõule võib vooluga juht hakata magnetväljas liikuma. Kui asetada magnetvälja vooluga raam, hakkab see magnetväljas pöörlema. Nimetatud nähtusel põhinebki elektrimootorite töötamine.

Elektrimootor on elektromehaaniline seade, mis muundab elektrienergia mehaaniliseks tööks.

Elektromagnetismi nähtusel põhinevad mootorid tekitavad jõudu magnetvälja ja voolu all oleva juhti vastastikmõjust.

Vastupidise saavutamiseks – elektrienergia tekitamiseks mehhaanilisest energiast, kasutatakse generaatoreid või dünamoid. Mõnda elektrimootorit saab kasutada ka generaatorina, näiteks sõiduki veomootor võib olla kasutusel mõlemal eesmärgil. Elektrimootoreid ja generaatoreid kutsutakse ühisnimega elektrimasin.

Lihtsaim elektrimootor koosneb järgmistest osadest: (1) magnetvälja tekitav püsi- või elektromagnet, (2) pöörlemistelje omav vooluga raam, tavaliselt raudsüdamikule keritud mähis (3) ühendusklemmid (harjad) voolu juhtimiseks raami ning (4) vooluallikas elektrivoolu tekitamiseks raamis.

Lühike videoõpetus sellest kuidas käepärastest vahenditest elektrimootorit valmistada (Kaido Reivelt Hommikutelevisoonis)

Maa magnetväli

Magnetnõela omadust asetuda alati põhja-lõuna suunaliselt teatakse Euroopas juba vähemalt 12. sajandist (Hiinas veelgi kauem). Seega – Maad võib tema metallist tuuma tõttu käsitleda hiiglasliku magnetina.

Kompassiga põhja-lõuna suuna määramisel tuleb arvestada:

inklinatsiooniga – so magnetnõel ei asetse kunagi (välja arvatud ekvaatoril) maapinna suhtes horisontaalselt, vaid on suunatud maapinna poole ning
deklinatsiooniga – Maa geograafilised ja magnetilised poolused ei lange ühte, vaid on teineteise suhtes nihutatud.

Maa magnetvälja abil saab selgitada virmaliste (Aurora Borealis) teket – kosmosest, peamiselt Päikeselt tulevad laetud osakesed satuvad Maa magnetväljas “lõksu” ning nad suunatakse jõujooni mööda poolustele. Maa magnetväljas liikudes kiirgavad nad energiat, mida silm tajub valgusena.

Elektromagnetism

Ampere tõestas oma katsetega, et püsimagnet võib mõjutada vooluga juhti ning panna selle magnetväljas liikuma. Kusjuures vooluga juhtmele magnetväljas mõjuv jõud on risti nii magnetvälja kui elektrivooluga, pikki magnetvälja jõujooni asuvale vooluga juhtmele jõud ei mõju.

Magnetväljas vooluga juhtmele mõjuval jõul põhineb elektrimootorite töötamise põhimõte: elektrimootor töötab sellepärast, et vooluga raamile (mähisele) mõjub magnetväljas jõud, mis sunnib raami pöörduma.

Elektrimootori valmistamiseks on tarvis: (1) veidike juhet millest valmistada mähis, (2) (püsi)magnetit mis tekitab magnetvälja ja (3) vooluallikat, mis tekitab mähises elektrivoolu.

Elektromagnetiline induktsioon

Elektromagnetilise induktsiooni nähtuse avastas 1831. aastal Michael Faraday, kes avastas, et juhtme liigutamine magnetväljas tekitab juhtmes elektrivoolu, mille suund sõltub juhtme liikumise suunast.

Järeldused Faraday katsetest: (1) magnetväljas liikuvas juhtmes tekib elektrivool kui juhe lõikab magnetvälja jõujooni; (2) elektromagnetilise induktsiooni voolu tekitab mitte magnetväli ise, vaid magnetvälja muutumine ning (3) mida kiiremini magnetväli muutub, seda tugevam elektrivool tekib.

Faraday esitas ka põhimõtte kuidas kasutada elektromagnetilist induktsiooni elektrivoolu (vahelduvvoolu) tootmiseks.

Vahelduvvoolu generaator koosneb põhimõtteliselt samadest osadest, millest elektrimootorgi – mähis, magnetväli – erinevus on vaid selles, et generaatoris ajab mähist (raami) ringi mingi väline jõud ning mähise liigutamine (pöörlemine) magnetväljas kutsub esile raami läbiva muutuse, see omakorda aga (vahelduv) pinge mähise otste vahel.

Trafo

Trafo on seadeldis, mille töö põhineb elektromagnetilise induktsiooni nähtusel. Trafo koosneb kahest ühisele raudsüdamikule mähitud poolist – primaarmähisest, mis on ühendatud vahelduvpinge allikaga ning sekundaarmähisest, mis asub primaarmähisega samas magnetväljas.

Kui primaarmähist läbib muutliku tugevusega vool, tekitab see raudsüdamikus muutliku tugevusega magnetvälja. Muutlik magnetväli aga indutseerib sekundaarmähises pinge.

Kui juhtmekeerdude arv mõlemas mähises on sama, siis on samasugune ka pinge mõlema mähise otstel. Kui mähises olevate keerdude arv erineb, siis erineb ka pinge – nii mitu korda, kui on suurem/väiksem juhtmekeerdude arv primaarmähises, on suurem/väiksem ka tema otstele rakendatud pinge.

Seega saab trafoga suurema vaevata suurendada või vähendada vahelduvpinge väärtust. Koos pingega muutub ka voolutugevus. Saab näidata, et nii mitu korda kui suureneb trafos pinge, väheneb voolutugevus, sest voolu töö (võimsus) mõlemas mähises peab energia jäävuse seaduse tõttu jääma samaks.

Elektrienergia tootmine

Tehaseid, milles toodetakse elektrienergiat, nimetatakse elektrijaamadeks – neid muundatakse mingisugune teine energia liik generaatorite abil elektrienergiaks.

Elektrijaamu liigitatakse selle järgi, millist energiat kasutatakse elektrigeneraatori liikuma panemiseks (järgnevas tabelis erinevate jaamade töötamise põhimõtted):

(1) hüdroelektrijaamades (HEJ) paneb generaatori liikuma ülespaisutatud vee voolamise energia; (2) tuuleelektrijaamades (TEJ) paneb generaatori liikuma tuule kineetiline energia; (3) soojuselektrijaamades (SEJ) paneb generaatori liikuma kütuse põlemisel vabanev siseenergia; (4) aatomielektrijaamades (AEJ) paneb generaatori liikuma tuumareaktsioonides vabanev tuumaenergia; (5) loodeteelektrijaamades paneb generaatori liikuma ookeani tõusu- ja mõõnavoolude energia; (6) päikeseelektrijaamades muundatakse elektrienergiaks Päikeselt tulev kiirgusenergia. (5) geotermaalelektrijaamades muundatakse elektrienergiaks maasoojuse energia; (7) ja (8) laineenergiaelektrijaamades muundatakse elektrienergiaks ookeanilainete energia.