MAGNETISM

1. MAGNETISM

2. Teema: magnetism 1. MAGNETVÄLI. Püsimagnetid

3. 1. MAGNETVÄLI. PÜSIMAGNETID (1) • Elektriväli ja magnetväli eksisteerivad alati koos – sellepärast nimetataksegi neid koos (või ka eraldi) ELEKTROMAGNETVÄLJAKS! • SEISEV elektrilaeng tekitab ainult elektrivälja • Kui laeng LIIGUB, siis tekib lisaks elektriväljale alati ka magnetväli

4. 1. MAGNETVÄLI. PÜSIMAGNETID (2) • Selliseid kehi, mis tekitavad enda ümber elektromagnetvälja ka laetud osakeste liikumise (nähtaval) puudumisel, nimetatakse PÜSIMAGNETITEKS • Magnetnähtused on inimkonnale tuntud samast ajast kui elektrinähtused. Magnetism on nimetuse saanud kreekakeelsetest sõnadest μαγνήτιςλίθος [magnḗtislíthos], mis tähendab Magnesia kivi

5. 1. MAGNETVÄLI. PÜSIMAGNETID (3) • Püsimagnetite omadusi: • Ümber oma telje vabalt pöörelda saav magnet asetub Maal alati põhja-lõuna suunaliselt • NB! Magnetite neid piirkondi, kus tema magnetiline toime on kõige tugevam, nimetatakse MAGNETI POOLUSTEKS (põhja- ja lõunapooluseks) • Magnetid mõjutavad üksteist magnetiliste jõududega • Kahe magneti samanimeliste pooluste vahel mõjuvad tõuke-, erinimeliste pooluste vahel aga tõmbejõud. • Püsimagnetil on alati paarisarv (tavaliselt kaks) poolusi – so magneti tükeldamisel säilivad igal tükil põhja- ja lõunapoolused jm magnetilised omadused

6. 1. MAGNETVÄLI. PÜSIMAGNETID (4) Oersted’i [örsted] katsed ja Ampere’i teooria Oerstedi katsed näitasid, et vooluga juhi ja püsimagneti magnetväljal on ühesugune olemus Vastavalt Ampere’i teooriale, on elektroni liikumine aatomituuma ümber mikrovool, mis sarnaneb vooluga suletud ahelas – seega eksisteerib iga molekuli ümber nõrk magnetväli. Aine magnetilised omadused sõltuvad sellest kuidas molekulid (aatomid) üksteise suhtes paiknevad

7. Teema: magnetism 2. VOOLUGA JUHT MAGNETVÄLJAS

8. 2. VOOLUGA JUHT MAGNETVÄLJAS (1) Oerstedi katsed näitasid, et vooluga juht mõjutab püsimagnetit ja vastupidi. André Marie Ampere püstitas hüpoteesi, et ka kaks vooluga juhti mõjutavad tänu magnetväljadele üksteist. Ampere’i katsed kinnitasid, et kui juhtmetes on samasuunalised elektrivoolud, siis juhtmed tõmbuvad teineteise poole et kui juhtmetes on vastassuunalised elektrivoolud, siis juhtmed tõukuvad teineteisest eemale I1 I2 I1 I2 ning et jõud on alati risti juhtmelõiguga, millele ta mõjub

9. 2. VOOLUGA JUHT MAGNETVÄLJAS (2) • Ampere’ määras kindlaks vooluga juhtmete vahel vaakumis mõjuvate jõudude suuruse: • kus • F – on vooluga juhtmele mõjuv jõud (N) • I1 ja I2– voolutugevused vastavalt esimeses ja teises juhis (A) • l - juhtmelõikude pikkused NB! on võrdsed (m) • d – juhtmelõikude vaheline kaugus (m) • K = 2·10-7 N/A2 on nn magnetiline konstant

10. 2. VOOLUGA JUHT MAGNETVÄLJAS (3) Voolutugevuse ühiku – ampri – definitsioon: • Kui kahe paralleelse, lõpmata pika ja lõpmata peenikese sirgjuhtme vahel, mille vahekaugus on 1 meeter ja milles voolab ühesuguse tugevusega vool, mõjub vaakumis juhtmete pikkuse iga meetri kohta jõud 2·10-7 njuutonit, siis on voolutugevus juhtmetes 1 amper

11. 2. VOOLUGA JUHT MAGNETVÄLJAS (4) Ampere’ sõnastas seaduspärasuse, mille abil on võimalik kirjeldada vooluga juhtmele mistahes magnetväljas mõjuva jõu suurust: AMPERE’I SEADUS: Vooluga juhtmele mõjuv jõud (F) on võrdeline juhet läbiva voolu tugevuse (I) ja magnetväljas asuva juhtmelõigu pikkusega (l) ning sõltub nurgast (α) voolu suuna ja magnetvälja vahel: l α I

12. 2. VOOLUGA JUHT MAGNETVÄLJAS (5) • Võrdetegur B iseloomustab magnetvälja ning seda nimetatakse magnetinduktsiooniks. • Vooluga juhtmele magnetväljas mõjuva jõu suund määratakse vasaku käe reegliga: • Kui vasaku käe välja sirutatud sõrmed osutavad voolu suunda ja magnetväli on suunatud vasaku käe peopessa, siis näitab välja sirutatud vasaku käe pöial juhtmele mõjuva jõu suunda

13. Teema: magnetism 3. MAGNETVÄLJA JÕUJOONED. MAA MAGNETVÄLI

14. 3. Magnetvälja jõujooned. Maa magnetväli (2) • Ampere’i seaduses sisalduv võrdetegur B tähistab magnetvälja tugevust iseloomustavat suurust – magnetinduktsiooni. • Magnetinduktsiooni füüsikaline sisu: • Magnetinduktsioon iseloomustab jõudu, mis mõjub ühikulise (1A) tugevusega vooluga ning ühikulise (1m) pikkusega juhtmelõigule selle juhtmega ristuvas magnetväljas • Magnetinduktsiooni vektor näitab selles magnetväljas orienteeritud magnetnõela põhjapooluse suunas • Magnetinduktsiooni ühikuks on TESLA

15. 3. Magnetvälja jõujooned. Maa magnetväli • Magnetvälja, nagu elektriväljagi võib kujutada graafiliselt jõujoonte abil • Magnetvälja jõujoonteks nimetatakse mõttelisi jooni, mille puutuja suund igas punktis ühtib magnetinduktsiooni vektori B suunaga. • Jõujoonte omadused: • Magnetvälja jõujooned ei lõiku üksteisega • Mida tihedamad on jõujooned, seda tugevam on magnetvälja mõju selles piirkonnas • Magnetvälja jõujooned on kinnised kõverad ning on suunatud põhjapooluselt lõunapoolusele – magnetväli on pöörisväli

16. 3. Magnetvälja jõujooned. Maa magnetväli (2) • Magnetvälja jõujooni on võimalik “materialiseerida” peenikese rauapuru abil – rauatükikesed magneetuvad ning hakkavad käituma nagu magnetnõelakesed • Mõnede magnetväljade jõujoonte pildid: • Sirgmagneti magnetvälja jõujooned (joonis) • U-magneti magnetvälja jõujooned (joonis) • Vooluga sirgjuhi magnetvälja jõujooned (joonis) • Vooluga ringjuhi magnetvälja jõujooned (joonis) • Vooluga pooli magnetvälja jõujooned (joonis)

17. 3. Magnetvälja jõujooned. Maa magnetväli (3) • Ka magnetväljade kohta kehtib superpositsiooniprintsiip: • Kui ühes ruumipunktis on korraga mitu erinevat magnetvälja, siis liituvad nende väljade magnetinduktsioonid (nagu vektorid) • Kui magnetväljad nõrgendavad teineteist, siis avaldub see välja tekitavate kehade/voolude tõukumises, kui väljad tugevdavad teineteist, siis mõjuvad kehade/voolude vahel tõmbejõud

18. 3. Magnetvälja jõujooned. Maa magnetväli (4) • Magnetnõela omadust asetuda alati põhja-lõuna suunaliselt teatakse Euroopas juba vähemalt 12. sajandist (Hiinas veelgi kauem). • Seega: Maad võib 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. • DEKLINATSIOONIGA – Maa geograafilised ja magnetilised poolused ei lange ühte, vaid on teineteise suhtes nihutatud. • Maa magnetvälja abil saab selgitada virmaliste teket (Aurora Borealis)

19. Teema: magnetism 4. Laetud osake magnetväljas

20. 4. Laetud osake magnetväljas (1) Vooluga juhtmele mõjub magnetväljas Ampere’i jõud (F): kus B – magnetinduktsioon, I – voolutugevus, l – juhtmelõigu pikkus ja α – nurk voolu suuna ja magnetinduktsiooni vahel Voolutugevus juhtmes (I) on samal ajal arvutatav valemist: kus q – vabade laengukandjate laengu suurus, n – laengukandjate kontsentratsioon, v – laengukandjate suunatud liikumise kiirus ja S – juhtme ristlõikepindala

21. 4. Laetud osake magnetväljas (2) • Leiame ühele laetud osakesele mõjuva jõu suuruse. Selleks: • Asendame voolutugevuse valemi Ampere’i seadusesse: • Arvutame osakeste arvu juhtmelõigus arvestades, et: • laengukandjate kontsentratsioon: • juhtmelõigu ruumala:

22. 4. Laetud osake magnetväljas (3) asendades saadud avaldised Ampere’i jõu valemisse saame: ehk Seega kui vooluga juhtmele, milles on N osakest mõjub magnetväljas äsjakirjeldatud jõud, siis ühele osakesele selles juhtmes mõjub jõud:

23. 4. Laetud osake magnetväljas (4) • Oleme näidanud, et laetud osakesele mõjub magnetväljas nn Lorenz’i jõud: kus: B – magnetinduktsioon, q – laengu suurus, v – laengu liikumiskiirus ja α– nurk (NB! positiivse!) laengu liikumissuuna ja magnetinduktsiooni vahel • Lorenzi jõu suund määratakse vasaku käe reegliga: • kui vasaku käe sõrmed näitavad positiivse osakese liikumise suunda või negatiivse osakese liikumisele vastassuunda ja • magnetinduktsiooni vektor (välja jõujooned) on suunatud vasaku käe peopessa, siis • välja sirutatud pöial näitab Lorenzi jõu suunda