Magnetväli, magnetid ja elektromagnetism on looduslikud nähtused, kuid elektromagnetid seda ei ole – need tuli leiutada. Tegemist on seadmetega, mis kasutavad elektrivoolu abil loodud magnetvälja. Võrreldes paljude teiste teadusavastustega jõudsid need meie igapäevasesse kasutusse suhteliselt hilja.
Tänapäeval kuuluvad elektromagnetid aga meie käsutuses olevate kõige võimsamate magnetite hulka. Just seetõttu on neist saanud hädavajalikud tööriistad tööstuses, tehnoloogias ja paljudes igapäevastest seadmetes, mida kodus kasutame.
Elektromagnetism ei ole lihtsalt huvitav füüsikateooria või laborikatse kõrvalprodukt. Tegemist on fundamentaalse nähtusega, mille rakendused on praktilised, ulatuslikud ja mõnes valdkonnas lausa asendamatud. Ka selle toimimise aluseks olev teadus on iseäranis põnev.
Millal leiutati elektromagnet?
Elektromagnetid leiutati 1820. aastatel, mil kaks eri teadlast – üks Taanist ja teine Inglismaalt – hakkasid uurima elektrivoolu ja magnetismi omavahelist seost. Taani füüsik Hans Christian Ørsted avastas, et elektrivool tekitab magnetvälja. Inglane William Sturgeon valmistas esimese lihtsa elektromagneti, kasutades vasktraadist mähist ja rauast südamikku.
Kuid selle kohta, kuidas mähise sees täpsemalt magnetväli tekib, ei olnud teadlastel veel ligi terve sajand selget vastust. Alles 1906. aastal pakkus prantsuse füüsik Pierre-Ernest Weiss välja teooria magnetiliste domeenide kohta. See aitas oluliselt paremini mõista, mis toimub traadimähise sees, kui seda läbib elektrivool.
Elektromagnetismi ajaloost rääkides ei saa mööda minna kahest võtmeisikust: Michael Faradayst ja André-Marie Ampère'st.
Faraday avastas elektromagnetilise induktsiooni.
André-Marie Ampère omakorda uuris elektrivoolude vahelist mõju ja tõestas, et kaks paralleelset juhet võivad teineteist kas tõmmata või tõugata sõltuvalt selles voolava elektrivoolu suunast.
Tema tööd panid aluse elektrivoolu ja magnetismi vahelise seose mõistmisele ning tema auks nimetati ka elektrivoolu mõõtühik – Amper.
Et paremini mõista, miks need avastused nii olulised olid, vaatame kõigepealt, mis on magnetism ja kuidas see toimib.
Ülevaade magnetismist
Elektromagnetismi aluseks on magnet ja sellega seotud nähtused, sealhulgas magnetilised poolused, magnetjõud ning laetud osakesed, mis mõjutavad kõiki neid protsesse aatomitasandil.
Magnetism tekib tänu paaristumata elektronidele. Kuigi elektronid on aatomi osakesed, millel on elektrilaeng, esinevad need enamikes materjalides paaridena. Sellistel juhtudel on nende spinnid vastassuunalised ja neutraliseerivad teineteise magnetilise mõju.
- Kui elektronid on paaris, siis nende magnetilised momendid tasakaalustuvad ja aine ei avalda magnetilisi omadusi.
- Kui aga aines on elektronid paaristumata, siis nende magnetiline moment ei ole tasakaalustatud. Sellistes ainetes – mida nimetatakse ferromagnetilisteks – võivad elektronide spinnid samas suunas joonduda, muutes kogu aine tervikuna magnetiliseks.
Tüüpilised ferromagnetilised materjalid on näiteks raud, koobalt ja nikkel. Ferromagnetilistes ainetes avalduvad magnetism ja magnetväljad selgemini kui muudes ainetest, mistõttu kasutatakse neid sageli magnetiliste omaduste uurimiseks ja rakendamiseks.
Mis on elektromagnetism ja kuidas elektromagnetid toimivad?
Kui magnetism toimib looduses tänu aine omadustele ja elektronide joondumisele, siis elektromagnetid töötavad mõnevõrra teisiti. Just tänu Ørstedi, Ampère'i ja Faraday avastustele saadi aru, et magnetism ei pea olema tingimata loomulik nähtus ning et selle saab esile kutsuda ka elektrivoolu abil.
Ampère näitas, et kaks paralleelset juhet, milledes vool vastassuunaliselt liigub, tõmbuvad üksteise poole. See tõestas, et elektrivool tekitab magnetvälja.
Elektromagnetismi puhul muutub kogu elektrivoolu juhtiv juhe magnetiliseks. Ka siin on määrav roll elektronidel. Ent erinevatelt püsimagnetitest ei ole elektronid aatomites seotud ega joondunud, vaid nad „voolavad“ vabalt mööda juhti. See liikuvate laengute voog annab elektromagnetile tema jõu.
Siiski on elektromagnetism palju enamat kui ainult elektromagnetite tööpõhimõte.
Elektromagnetism on üks neljast fundamentaalsest alusjõust, millel põhineb kogu universumi toimimine – koos gravitatsioonilise, tugeva ja nõrga vastastikmõjuga. Elektromagnetism on neist aga ainus, mida saame aktiivselt juhtida ja rakendada.
Elektromagnetism ei vastuta üksnes magnetväljade ja elektrivoolu eest, vaid hoiab koos aatomite struktuuri ning võimaldab keemiliste sidemete ja valguse olemasolu.
Magnetism ja elektromagnetism on tõepoolest kõikjal ning selle avastamine ja rakendamine on olnud üks tähtsamaid etappe inimkonna teaduslikus arengus.
Kuidas elektromagnetid töötavad?
Oleme nüüd elektromagnetite taustaga tuttavad. Nüüd on aeg uurida, kuidas elektromagnet tegelikult töötab.
Elektromagnet töötab põhimõtteliselt samal viisil nagu tavaline püsimagnet. Tal on põhjapoolus ja lõunapoolus, mis tõukuvad teiste sarnaselt suunatud poolustega magnetitega ning tõmbuvad vastassuunaliste poolustega magnetite poole. Nagu tavaline magnet, tekitab ka elektromagnet magnetvälja.
Oluline erinevus seisneb aga selles, et elektromagneti magnetväli on märksa tugevam kui püsimagnetil. Ja mis kõige olulisem: elektromagnetit saab elektrivoolu katkestades või taastades hõlpsalt sisse ja välja lülitada.
| Tunnus | Püsimagnet | Elektromagnet |
|---|---|---|
| Magnetväli | Alaline, ei sõltu välistest teguritest | Tekib ainult siis, kui juhis voolab vool |
| Lülitatavus | Ei saa sisse ega välja lülitada | Saab sisse ja välja lülitada |
| Tugevuse reguleerimine | Ei ole võimalik | Saab muuta voolutugevuse kaudu |
| Tüüpilised materjalid | Raud, nikkel, koobalt | Vasktraat mähisena + raudsüdamik |
| Kasutusvaldkonna | Kompassid, kõlarite magnetid | Elektrimootorid, trafod, generaatorid jms |
Need kaks omadust – tugevus ja juhitavus – muudavad elektromagnetid paljudes rakendustes ülimalt praktiliseks.
Elektromagneti ehitus
Nagu eelnevalt selgitatud, on püsimagneti ja elektromagneti puhul magnetilise jõu tekkepõhjus erinev. Püsimagnetites on elektronide spinnid joondunud, samas kui elektromagneti puhul tekib magnetväli elektrivoolu liikumisest ehk liikuvate elektronide voost.
Ampère tõestas juba 19. sajandil, et isegi tavalised voolujuhtmed on magnetilised, kui neis voolab vool. Kuid selleks, et luua tugev ja suunatud elektromagnet, kasutatakse veidi keerukamat lahendust.
See põhineb traadimähistel. Võetakse näiteks silindrikujuline ferromagnetiline materjal, näiteks rauast südamik, ja selle ümber keritakse mitmekordne vasktraadist mähis. Niipea kui elektrivool sisse lülitatakse, hakkab see läbi mähise liikuma ja magnetiseerib raudsüdamiku – just nagu oleks tegemist püsimagnetiga.
Kui vool välja lülitada, kaob ka magnetväli ning südamik ei ole enam magnetiline.
Põhimõtteliselt on see üsna lihtne. Tegelikult ei ole rauast südamik isegi tingimata vajalik, sest juba traadimähise enda tekitatud magnetväli koondub läbi selle keskosa. Kuid kui kasutada rauast südamikku (mida sageli nimetatakse ka magnetiliseks südamikuks), siis muutub elektromagnet oluliselt tugevamaks, lausa tuhandekordselt.
Sellise elektromagneti saaksid soovi korral ka ise kodus valmis meisterdada, kuid ole kindlasti ettevaatlik ja tee seda ainult kas täiskasvanud juhendaja järelevalve all.
Mille jaoks me elektromagneteid kasutame?
Mõtle korraks sellele, milline näeks välja maailm, kui elektromagneteid poleks kunagi leiutatud. Või küsi hoopis: millised tänapäevased seadmed ja tehnoloogiad sellisel juhul üldse eksisteeriks?
Vastus sellele küsimusele on pikem, kui esmapilgul arvata võiks. Elektromagnetism on aluseks paljudele meie igapäevaelus nähtamatuks jäänud, kuid kriitilise tähtsusega tehnoloogiatele.
Elektrimootorid ja generaatorid
Elektrimootorid on peidus kõikjal, alates autodest ja kodumasinatest kuni arvutite, kõlarite ja isegi elektrihambaharjadeni välja. Need töötavad tänu magnetvälja ja elektrivoolu koostoimele.
Tüüpiline elektrimootor koosneb kahest põhikomponendist:
- staator ehk statsionaarne osa – püsiv magnet, mis on paigal
- rootor ehk pöörlev osa – toimib sisuliselt elektromagnetina
Kui rootorisse juhitakse elektrivool, tekib selle ümber magnetväli, mis reageerib staatori väljaga ning paneb rootori pöörlema. Nii muundatakse elektrienergia mehaaniliseks tööks ehk kineetiliseks energiaks.
Elektrigeneraatorites toimub see kõik vastupidi. Seal tekitab liikumine (näiteks turbiini pöörlemine) magnetvälja muutuse, mis indutseerib traadis elektrivoolu. Teisisõnu: kineetiline energia muudetakse elektrienergiaks.
Trafod
Elektriliinid kannavad elektrit pingega, mis võib ulatuda sadade tuhandete voltideni. Kodused seadmed vajavad aga oluliselt madalamat pinget, näiteks röster töötab vaid umbes 230 voldise pinge juures.
Selleks et pinget ohutult ja efektiivselt madaldada, kasutatakse trafosid ehk transformaatoreid. Need seadmed kasutavad kahte traadimähist, mida nimetatakse primaar- ja sekundaarmähiseks. Kui primaarmähist läbib suure pingega vool, tekib magnetväli, mis indutseerib väiksema pingega voolu sekundaarmähises.
Ilma trafodeta ei saaks me kodus kasutada ühtegi elektriseadet, kuna need ei peaks kõrgele võrgu pingele vastu.
Given that electrical power lines carry hundreds of thousands of electrical volts, before that electricity enters your toaster (which only needs some two hundred volts), it needs to be reduced in voltage. That’s what a transformer does.
It works through the placement of two coils. That huge electrical voltage passes through the first coil. If you put a coil with fewer turns in it alongside it, the electrical current will jump across to the next coil – but will have a lower voltage.
Without this thing, you wouldn’t be able to use any electrical equipment in your house.
Magnetlevitatsioon
Üks visuaalselt kõige muljetavaldavamaid elektromagnetismi rakendusi on magnetlevitatsioon ehk maglev.
Maglev-rongid ei sõida mitte tavapärastel rööbastel, vaid nad sõna otseses mõttes hõljuvad neist millimeetri kõrgusel tänu väga tugevale magnetväljale. See vähendab hõõrdumist, võimaldades suuremat kiirust ja sujuvamat liikumist.
Magnetlevitatsiooni põhimõttel töötavad rongirööpad kasutavad kahte magnetite komplekti: üks tõstab rongi rööbastelt üles ja teine tõukab selle edasi. Selle tulemusena saavad rongid liikuda kiirusega üle 500 km/h, ning teevad seda vaiksemalt ja energiasäästlikumalt kui traditsioonilised rongid.
Elektromagnetism ja selle rakendused on tänapäeva maailmas asendamatud. Alates elektrimootoritest ja generaatoritest kuni trafode ja magnetlevitatsioonini – elektromagnetid võimaldavad meil toota, edastada ja kasutada elektrienergiat tõhusamalt kui kunagi varem.
Kuigi elektromagnetid võivad tunduda lihtsa ehitusega, peitub nende taga sügav ja põnev teadus. See nähtamatu jõud, mis tuleneb liikuva elektrivoolu ja magnetvälja seosest, mõjutab nii meie igapäevaelu kui ka kogu universumi toimimist.
Kas sulle meeldis see artikkel? Jäta hinnang
Laadin...
