Me kasutame tänapäeval magneteid uskumatult mitmel moel. Alates sellest, kuidas külmkapiuks kinni püsib, kuni selleni, kuidas kõrvaklapid heli edastavad. Magnetjõud mängib olulist rolli nii elektri tootmises ja edastamises kui ka auto mootori töös. Kõik need nähtused tuginevad ühel või teisel viisil magnetismile.
Arvestades magnetite kõikjalolekut, oleks meie tsivilisatsioon ilma nendeta üsna abitu. Meil puuduks võimalus juhtida elektrivoolu üle riigi, elektrimootorid lakkaksid töötamast ning me ei saaks erinevates paikades viibides omavahel suhelda (vähemalt mitte nii iseenesestmõistetavalt ja hõlpsalt, nagu me praeguseks harjunud oleme).
Seetõttu ei tohiks me neid nähtuseid enesestmõistetavatena võtta. Me kõik – mitte ainult teadlased – võiksime püüda aru saada, kuidas see kõik toimib: milline on elektri ja magnetismi vaheline seos ning kuidas need nähtused meie maailma „töös“ hoiavad.
Meie eesmärk on teha arusaadavaks, miks on elektronil magnetmoment või miks elektrivool tekitab magnetvälja. Miks võib magnetvoog indutseerida elektrilaengu ja miks see kõik on meie elude jaos nii määrava tähtsusega.
Vaatame lähemalt, alustades magnetvälja põhialustest kuni kõige olulisemate magnetiliste tehnoloogiateni välja.
Mis on magnetism?
Alustame algusest ehk magnetismist. Magnetism on jõud, mis esineb kõikide objektide sees ja vahel ning mida põhjustab elektronide liikumine. See jõud toob endaga kaasa esemete vastastikuse tõmbumise või tõukumise.
Tegemist on nii-öelda kontaktivaba jõuga, mis mõjutab suuremal või väiksemal määral kõiki objekte kogu maailmas. Magnetism tuleneb aatomisisesest osakeste, eelkõige elektronide liikumisest ja nende elektrilaengust.
Elektronid, magnetmoment ja magnetismi kolm tüüpi
Iga aine koosneb osakestest: laenguta neutronitest, positiivse laenguga prootonitest ja negatiivse laenguga elektronidest. Just elektronid on need, mis mängivad magnetismi puhul võtmerolli.
Elektronid liiguvad aatomituuma (neutronite ja prootonite) ümber ning lisaks negatiivsele laengule on neil ka spinn, mis tekitab nende magnetmomendi. See on justkui tilluke magnet igas elektronis. Enamasti kipuvad elektronid paiknema paarikaupa nii, et nende spinnid on vastassuunalised. Kui kõik elektronid on selliselt paaris, tasakaalustavad nende magnetilised mõjud üksteist, ning aine on magnetiliselt neutraalne.
Seda nähtust nimetatakse diamagnetismiks.
Mõnedel ainetel - näiteks hapnikul - leidub aga paardumata elektrone. Sellisel juhul võib aine muutuda magnetiliseks, sest need elektronid saavad end ühtemoodi joondada. Tavaliselt see siiski iseenesest ei juhtu, kuna nende magnetmomendid jäävad erinevateks. Kui asetada aine välise magnetvälja mõju alla, siis võivad need elektronid ajutiselt joonduda.
Selliseid aineid nimetatakse paramagneetilisteks.
Lõpuks on olemas ka ferromagneetilised ained, näiteks raud, nikkel ja koobalt. Nendes on palju paardumata elektrone, mille magnetmomendid on omavahel ühtlaselt joondunud. Need ained võivad magnetiliseks muutuda ka ilma välise mõjuta.
Diamagnetism
- Kõik elektronid on paaris
- Magnetmomendid tasakaalustavad üksteist
- Magnetiline mõju väga nõrk
- Reageerib välisele väljale vastassuunas
Paramagnetism
- Leidub paardumata elektrone
- Magnetmomendid on juhuslikud
- Muutub magnetiliseks ainult välise välja mõjul
- Magnetiline mõju kaob kohe pärast välise mõju eemaldamist
Ferromagnetism
- Palju paardumata elektrone
- Magnetmomendid on joondunud samas suunas
- Magnetiline ka ilma välise mõjuta
- Säilitab magnetvälja ka pärast välise mõju kadumist
Mis on magnetväli?
Igal magnetil või magnetilisel objektil on oma magnetväli. See on ala magneti ümber, kus tema magnetjõud avaldub. Teisisõnu on see ruum, mis on magneti olemasolust mõjutatud.
Püsimagnetitel ja elektromagnetitel on püsivad magnetväljad. Neid saab visuaalselt hästi näha näiteks rauaviilmete abil: kui puistad neid magnet ümber, moodustavad need jooni, mis näitavad magnetvälja suunda ja kuju. Välja jooned kulgevad alati magneti põhjapoolusest (N) lõunapooluse (S) poole.
Magnetvälja tugevus ja ulatus sõltuvad magneti enda tugevusest.
Mis on elektromagnet?
Lisaks elektronide magnetmomendile on olemas veel üks oluline nähtus, mis tekitab magnetvälju – liikuvad elektrilaengud. See avastus tehti juba 1820. aastatel ning see oli üks tähtsamaid teadusajaloos, sest just see avastus sidus omavahel elektri ja magnetismi.
Nagu äsja nägime, on elektronidel magnetiline omadus, mis tuleneb nende liikumisest aines.
Ent elektronid liiguvad eriti aktiivselt elektrivoolus, mis ongi sisuliselt elektronide liikumine. Kui vool kulgeb läbi juhtme, muutub juhe magnetiliseks, kuna elektronide liikumine tekitab selle ümber magnetvälja.
Selle nähtuse avastas André-Marie Ampère, kes näitas, et kaks paralleelset voolujuhet võivad üksteist kas tõmmata või tõugata, sõltuvalt sellest, kummas suunas vool neis liigub. Muide, just tema järgi on saanud nime elektrivoolu mõõtühik amper (A).
Kuidas elektromagnet töötab?
Alates esimestest elektromagnetitest pole nende toimimispõhimõte oluliselt muutunud. Nad on küll muutunud tugevamaks, kuid seadmete üldine ehitus on jäänud üldjoontes samaks.
Elektromagnet koosneb juhtmetraadist, mis on keritud ümber metallist südamiku. Tavaliselt kasutatakse selleks ferromagneetilist materjali, näiteks rauda. Kui juhtmesse lasta elektrivool, tekib selle ümber magnetväli, mis koondub südamikku.
Selle toimimist juhib elektrivool: kui vool liigub, on magnet aktiivne. Kui vool katkeb, kaob ka magnetism.
Seda juhtmetraadi ja südamiku kombinatsiooni nimetatakse solenoidiks ning just selline lahendus on kasutusel kõikjal, kus elektromagnetismi rakendatakse.
Kui elektrivool katkeb, kaob ka magnetväli ning solenoid lakkab magnetine toimimast.
Tähelepanek magnetismi ja elektri suhte kohta
Kuigi me teame, et elekter tekitab magnetvälja ja et magnetväli sõltub elektronidest, on sageli levinud eksiarvamus, et magnetism ja elekter on täiesti eraldiseisvad nähtused.
Tegemist ei ole kahe eraldiseisva nähtusega, vaid ühe ja sama füüsikalise printsiibi kahe küljega (justkui ühe mündi kaks poolt). Elektromagnetism ongi see, mis ühendab nad tervikuks, ning see kuulub universumi nelja fundamentaalse loodusseaduse hulka.
Mis on elektromagnetiline induktsioon?
Briti teadlane Michael Faraday tegi 19. sajandil ühe elektromagnetismi ajaloo oluliseima avastuse: elektromagnetiline induktsioon. See on siiani üks selle valdkonna keskseid põhimõtteid.
Faraday katsetas, kuidas saab elektrilaenguid mõjutada magnetvälja abil. Ta jõudis järeldusele, et muutused magnetväljas võivad tekitada elektrivoolu.
Ehkki see kõlab mõnevõrra keeruliselt, olid tema katsed üllatavalt lihtsad. Faraday võttis rauast rõnga ja keeras selle mõlemale poolele erinevad juhtmepoolid. Teisisõnu, ta lõi kaks solenoidi samale metallist südamikule.
Seejärel ühendas ta ühe juhtme patareiga ja teise juhtme galvanomeetriga (seade, mis mõõdab elektrivoolu). Ta märkas järgmist: iga kord, kui vool patareist sisse või välja lülitada, registreeris galvanomeeter voolu muutuse. See tõestas Faraday jaoks, et muutuv magnetväli raudrõngas indutseeris elektrivoolu ka teises juhtmes, mis polnud patareiga ühendatud.
Teooria kinnitamiseks tegi ta veel ühe katse. Seekord kasutas ta solenoidi ilma südamikuta, ehk lihtsalt juhtmepooli. Selle sisse magnetit edasi-tagasi liigutades avastas ta, et mida kiiremini ta magnetit liigutas, seda suurem oli vool, mis juhtmes tekkis.
Miks see niivõrd oluline oli? Sest Faraday sillutas tee teadmiseni, et elektrivool ei teki ainult juhtmetest vaid seda saab tekitada ka magnetvälja muutmise kaudu. Just sellel põhimõttel toodetakse tänapäeval elektrienergiat, näiteks generaatorites.
Mis on transformaator ehk trafo?
Trafod on võtmetehnoloogia, mis põhineb Faraday avastatud elektromagnetilisel induktsioonil.
Tegemist on ilmselt kõige levinumate elektriseadmetega maailmas, sest peaaegu kogu elektrienergia, mida me toodame ja kasutame, läbib vähemalt ühe trafo enne seda, kui see tarbijani jõuab.
Mis on trafo täpsemalt? Trafo on statsionaarne seade, mis muudab kõrgepingelise elektrivoolu madalapingeliseks. See toimub kahe lähestikku asuva solenoidi kaudu ning kasutab ära Faraday avastatud elektromagnetilise induktsiooni nähtust.
Elekter liigub üle kogu maa ulatuslike elektrivõrkude kaudu. Et seda võimalikult väikeste kadudega transportida, edastatakse elektrit väga kõrge pingega. See aitab hoida elektrikulu madalana ja tähendab, et juhtmed ei pea olema väga jämedad.
Samas ei saa me kõrgepingelist elektrit kodudes tarbimiseks kasutada. Enne kui elekter jõuab meie majadesse ja seadmetesse, tuleb see muuta madalapingeliseks. Just selle jaoks ongi trafod mõeldud.
Kuidas pinget vähendatakse?
Faraday seadus näitab, kuidas elektromagnetilist induktsiooni saab kasutada elektrivoolu pinge tõstmiseks või alandamiseks.
Tuleta meelde tema eksperimenti: ta kasutas kahte eraldi juhtmepooli, kus muutuv magnetväli ühes poolis indutseeris voolu teises poolis.
Kui aga muuta juhtmepoolide keerude arvu, saab kontrollida ka seda, kui suur on tekitatud pinge. Näiteks kui esimesel poolil on kümme keeret ja teisel poolil viis, siis on teise juhtme pinge umbes kaks korda väiksem.
Just sel põhimõttel trafod töötavadki.
Magnetism ja elektromagnetism ei ole lihtsalt füüsikaseadused. Need on nähtused, mis võimaldavad kogu tänapäevast elu alates kodumasinatest kuni elektrivõrkudeni. Nende mõistmine aitab meil paremini mõista ka maailma toimimist ning seda, kuidas elekter liigub ja muundub.
Kas sulle meeldis see artikkel? Jäta hinnang
Laadin...
