Elektromagnetism VIII OSA ELEKTROMAGNETILINE INDUKTSIOON Elektri- ja magnetvälja ei saa vaadelda teineteisest lahus, sest vooluga juhtme ümber on alati magnetväli. Kui elektriliselt laetud keha vaatleja suhtes liigub, siis muutub keha elektriväli vaatleja asukohas ning liikuv laeng tekitab ka magnetvälja. Saab ka vastupidi, kus püsimagnet pannakse vaatleja suhtes liikuma, mille tagajärjel muutub ka magnetväli vaatleja asukohas ning liikuv magnetväli tekitab elektrivälja. Kui liigutada elektrijuhti magnetväljas, siis mõjub vabadele laengutele Lorentz i jõud, mis sunnib osakesed suunatult liikuma. Nii toimubki juhis elektrilaengute eraldumine ühte ossa koguneb negatiivne laeng, teise aga positiivne (ehk negatiivse laengu puudujääk). Kahe erinevate osade vahel tekib pinge (tulevikus vaadeldav kui elektromotoorjõud). Elektromagnetiliseks induktsiooniks nimetatakse nähtust, kus magnetvälja muutumise tulemusena tekitatakse elektriväli. Seega laengukandjate liikumine ehk elektrivool kestab seni, kuni neile mõjuv elektrijõud tasakaalustab magnetjõu. Magnetväljas liikuva juhtme otstel indutseeritava pinge saab avaldada valemiga: Elektromagnetilise induktsiooni nähtuse avastas 1831. aastal inglise füüsik ja keemik Michael Faraday (1791-1867), kes avastas, et juhtme liigutamine magnetväljas tekitab juhtmes elektrivoolu, mille suund sõltub juhtme liikumise suunast. Vaata ära video: https://www.youtube.com/watch?v=2b_jc0ygw5k Magnetvälja muutmise kaudu tekitatud voolu nimetatakse induktsioonvooluks. Induktsioonvoolu suund on vastupidine mootori korral toiteallika poolt tekitatud voolule! Sellel nähtusel põhineb näiteks generaatorite töö, kus mehaaniline energia muudetakse elektrienergiaks sel teel, et juhtmete ja magnetväljade omavahelise asendi muutmise teel tekitatakse juhtmes elektrivool. LIIKUMINE + MAGNETVÄLI = ELEKTRIVOOL (tuulegeneraator või dünamo) ELEKTRIVOOL + MAGNETVÄLI = LIIKUMINE (ventilaator) Induktsioonvool takistab selle sama magnetvälja kasvu, mis vool esile kutsus. Induktsioonvool eksisteerib seni, kuni juhtmekeerd püsimagneti jõujoonte suhtes liigub. Kui lõppeb juhtmekeeru liikumine, siis on laengukandjatele mõjuv Lorentzi jõud null, mistõttu ka elektrivoolu ei ole. Magneti asemel võib kasutata ka raudsüdamikuga juhtmepooli. Kui koos asuvad 2 paralleelset juhet, siis, voolu sisselülitamise hetkel indutseeritakse naaberjuhtmes vastupidise suunaga vool.
Induktsioonvoolu suund juhtmes määratakse parema käe reegli abil: Kui magnetvälja jõujooned suunduvad peopessa ja pöial näitab juhi liikumise suunda, siis väljasirutatud sõrmed näitavad induktsioonvoolu suunda. Jooniseallikas: http://www.ene.ttu.ee/leonardo/elektro_alused/4induktsioon.pdf Enne Faradayd teati taani füüsiku ja keemiku Hans Christian Ørstedi (1777-1851) ning prantsuse füüsiku ja matemaatiku André-Marie Ampère (1775-1836) katsetest tulenenud elektrivoolu ja magnetnähtuste vahelisest seosest seda, et vooluga juhtme ümber on magnetväli. Faraday seadis eesmärgiks teostada vastupidist ehk tekitada protsess, kus magnetvälja abil oleks võimalik saada elektrivoolu. See temal ka edukalt õnnestus. Faraday mõistis, et elektrivälja tekitamiseks ei piisa niisama magnetvälja olemasolust, vaid oluliseks teguriks on selle muutumine. Järeldused Faraday katsetest: (1) magnetväljas liikuvas juhtmes tekib elektrivool kui juhe lõikab magnetvälja jõujooni; ehk kui liigutada juhet magnetvälja jõujoontega samas suunas, siis voolu ei teki; (2) elektromagnetilise induktsiooni voolu tekitab mitte magnetväli ise, vaid magnetvälja muutumine; (3) mida kiiremini magnetväli muutub, seda tugevam elektrivool tekib. Vaata ära videod: https://www.youtube.com/watch?time_continue=1&v=uwmznnzyqke https://www.youtube.com/watch?v=hajiighpeuu (ajavahemik 0-7.00) https://www.youtube.com/watch?v=vwidzjjd8fo&t=99s Magnetvälja muutumist saab teostada lihtsate katsetega. Alustuseks tuleb ehitada pool, mis kujutab endast alusele rulliks kokkukeeratud mähist ehk juhet. Pooli, mille pikkus on läbimõõduga võrreldes suur, nimetatakse solenoidiks. Kui pooli otsad ühendada vooluallikaga, siis käitub selline see nagu tavaline magnet. Kui mähisele sisse lisada rauast südamik, siis tugevneb elektriväli seal märgatavalt ja nii saadakse elektromagnet. Poolid Solenoid Pildiallikad: https://et.wikipedia.org/wiki/induktiivpool https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/4/45/solenoid-1.png
Induktsioonvoolu saamise viisid: 1) Kui magnetit liigutada risti juhtme suhtes või juhet liigutada risti magnetvälja jõujoonte suhtes või kui pooli sisse asetatud püsimagnetit edasi tagasi liigutada, siis muutuva magnetvälja tõttu tekib elektrijuhtmes vool. Kusjuures oluline on see, et magneti sisseviimisel ja magneti väljaviimisel on voolu suunad erinevad. Galvanomeeter on väikeste voolutugevuste mõõtmiseks kasutatav ampermeeter. Joonisteallikad: https://www.slideshare.net/makadelhi/electromagnetic-induction-1026656 http://spmphysics.onlinetuition.com.my/2008/06/electromagnetic-induction.html Vaata animatsiooni: https://i.stack.imgur.com/65xyz.gif 2) Teisel juhul on võimalik voolu saada selliselt, kus kaks pooli asetatakse lähestikku. Esimene pool on otstega ühendatud vooluallikaga, mille tagajärjel on juhtmekeerdude ümber magnetväli. Kui esimeses poolis vool sisse või välja lülitada, siis magnetväli selle ümber vastavalt kas tekib või kaob. Muutuva magnetvälja tõttu tekib kõrvalasuvas poolis vool. Samuti tekib kõrvalasuvas poolis vool, kui voolutugevust muuta esimeses poolis. Jooniseallikas: http://www.engineering-timelines.com/how/electricity/transformer.asp Vaata videot (ajavahemik 0-3.55): https://www.youtube.com/watch?v=y0wrkt45zzu https://www.youtube.com/watch?v=hxtyso_4nbk&t=84s
3) Kolmandal juhul on võimalik voolu saada, kui muuta poolide asendit teineteise suhtes. Magnetvälja muutumine tekitab taas elektrivoolu teises poolis. Paremal asuval fotol asetatakse väiksem voolu all olev pool suurema sisse, mille tagajärjel suuremas poolis indutseeritakse elektrivool, mille registreerib suurema pooliga ühenduses olev galvanomeeter. Mida kiiremini väikesemat pooli suurema sisse või välja viia, seda suurem vool induktseeritakse. Jooniseallikas: http://skipper.physics.sunysb.edu/~physlab/doku.php?id=phy124:bfield Vaata videot: https://www.youtube.com/watch?v=14xemltemti NB! Kokkuvõte: mida kiiremini magnetväi muutub, seda suurem vool saadakse! Elektrivool tekib juhtmes ainult siis, kui magneti harude vahel liikuv juhe lõikab magnetvälja jõujooni. INDUKTSIOONI ELEKTROMOTOORJÕUD Elektrivälja jõujooned on mõttelised jooned, mille igas punktis on elektrivälja tugevus suunatud pikki selle joone puutujat. Laengute poolt tekitatava välja jõujooned algavad positiivsel laengul ning lõppevad negatiivsel. Elektromagnetilise induktsiooni elektriväli erineb laengute poolt tekitatud elektriväljast selle poolest, et tema jõujooned on kinnised kõverad sellist välja nimetatakse pööriselektriväljaks. Kuna indutseeritud elektrivälja jõujoontel pole algust ega lõppu see tähendab pole eelistatud punkte, ei saa me kõnelda pööriselektrivälja potentsiaalide vahest (pingest), vaid rääkida tuleks hoopis elektromotoorjõust.
Voolu olemasoluks on tarvilikud kolm tingimust: 1) vooluallikas; 2) kinnine vooluting; 3) vabade laengute olemasolu juhis. Voolusuunda loetakse kokkuleppeliselt plussilt miinusele. Elektronid on sellised laengukandjad, mis liiguvad voolusuunale vastupidises suunas ehk miinuselt plussile. Vooluallikas negatiivsele poolusele jõudnud positiivsed laengud tuleb viia läbi vooluallika uuesti positiivsele poolusele. Seega on vaja mingisuguseid jõude, mida kutsutakse kõrvaljõududeks, mis liigutavad positiivseid laenguid voolusuunale vastupidises suunas. Laengukandjate liikumapanemiseks on vaja teha tööd. Elektromotoorjõud iseloomustabki tööd, mida tuleb teha elektrivälja vastu. Elektromotoorjõud (ε ) iseloomustab vooluallikas toimivate kõrvaljõudude ehk mitteelektriliste jõudude poolt laengute ümberpaigutamisel tehtavat tööd. Kõrvaljõud panevadki vooluallikas positiivsed laengud liikuma miinus-klemmilt tagasi pluss-klemmile. Elektromotoorjõud (lühend EMJ ehk inglise keeles electromotive force ja lühend emf) on võrdne kõrvaljõudude töö ja mingi kindla suurusega laengu vooluringist läbiviimise suhtega. Elektromotoorjõudu mõõdetakse elektrivälja potentsiaaliga samas ühikus ehk voltides ning seda võib käsitleda ka kui kõikide pingete summat kinnises vooluringis. EMJ on tähtsaim vooluallika parameeter ja selle suurust näitab voltmeeter. Keemilise vooluallika korral on laengukandjate liikumine vahetult kõvaljõu toimel vooluallika sees ja elektrijõust põhjustatud laengukandjate liikumine vooluringi välisosas ruumiselt eraldatud. Lihtne elektriline vooluring, milles EMJ tekitatav seade teeb tööd laengukandjate nihutamisel ja säilitab takistis R ajas muutumatu voolu I. Jooniseallikas: http://õpik.füüsika.ee/index.php/book/view/15/vertical#/section/1450
Elektromagnetilise induktsiooni korral võib aga üksainus kinnine juhtmerõngas olla üheaegselt nii vooluallika kui ka vooluringi välisosa rollis. Siin kõrvaljõudude ja elektrijõu toimete ruumist lahutatust ei ole. Seni vaadeldud näidetes on kõrvaljõuks just seesama jõud, mis liigutab juhet või pöörab generaatori võlli magnetväljas. Induktsiooni elektromotoorjõud (indutseeritud elektromotoorjõud) on töö, mida juhet liigutav kõrvaljõud teeb mingi kindla väärtusega positiivse laengu ühekordse läbiviimisel vooluringist. FARADAY KATSED Loe läbi materjal ja tutvu Faraday poolt sooritatud katsetega järgmisel leheküljel: http://www.physic.ut.ee/instituudid/efti/loengumaterjalid/ainelom/faraday%20katsed%20ja %20Lenzi%20reegel.pdf NB! Kirjelda lühidalt kolme Faraday katset ning kirjuta üles seosed-järeldused, mis antud katsetes tõestust leidsid. MAGNETVOOG (magnetic flux) Magnetvoog iseloomustab pinda läbivate magnetvälja jõujoonte arvu. Magnetvoog sõltub magnetvälja magnetinduktsioonist, vaadeldava pinna pindalast ja nurgast magnetvälja jõujoonte suuna ja pinnanormaali vahel. Magnetvoogu tähistatakse tähega fii Φ ning magnetvoo ühikuks on veeber (Wb). Magnetvoog on 1 veeber, kui magnetväljaga risti asuvat 1 m 2 suurust pinda läbib magnetväli induktsiooniga 1 T. Pinnanormaal (n) on joon, mis on risti vaadeldava pinnaga (antud juhul juhtmekeeruga).
Magnetvoog on skalaarne ehk arvulise väärtusega, kuid suunata suurus. Sõltuvalt magnetvälja suunast võib magnetvoog olla nii positiivne kui ka negatiivne suurus. Vaata videot: https://www.youtube.com/watch?v=hajiighpeuu (ajavahemik 7.00- lõpuni) https://www.youtube.com/watch?v=3nyg34_vy7k https://www.youtube.com/watch?v=ehiltancmje FARADAY INDUKTSIOONISEADUS JA LENZI REEGEL Induktsioonivool ja ka vastav elektromotoorjõud on seda suuremad, mida kiiremini ehk lühema ajavahemiku jooksul magnetvälja muutus toimub. Sellega seoses võib Faraday katsete tulemusi üldistamiseks kasutada Faraday induktsiooniseadust, mis samal ajal on ka elektromagneetilise induktsiooni põhiseaduseks: juhtmekontuuris tekkiv induktsiooni elektromotoorjõud on võrdeline magnetvoo muutuse kiirusega. Kasutades viimast valemikuju, saab magnetvoo ühiku 1 Wb defineerida ka järgmiselt: 1 Wb = 1 V * 1 s Ehk sõnadega selgitatuna on 1 veeber selline magnetvoo muutus, mis 1 sekundi jooksul toimudes tekitab induktsiooni elektromotoorjõu väärtusega 1 V. Vaata videot: https://www.youtube.com/watch?v=4vibopvap1m https://www.youtube.com/watch?v=s0wbel7caty https://www.youtube.com/watch?v=kgtzptnzbfe https://www.youtube.com/watch?v=pqp6bmjpu_0&t=372s https://www.youtube.com/watch?v=10zw77k4aou https://www.youtube.com/watch?v=2_m83gnooeg
Newtoni kolmas seadus ütleb seda, et igale jõule on olemas oma vastujõud. Sarnaselt toimib see ka siin. Induktsioonivool soodustab alati olemasoleva olukorra säilumist ehk induktsioonivool toimib alati vastupidiselt voolu esile kutsuvale põhjusele. Sel põhjusel saab määrata induktsioonivoolu suunda Lenzi reegli abil: induktsioonivoolu suund on selline, et tema magnetväli takistab teda esilekutsunud magnetvoo muutumist. Lenzi reeglit väljendab miinusmärk Faraday induktsiooniseaduses. Vaata videot: https://www.youtube.com/watch?v=xsuhhtx1akk Emil Lenz (1804-1865) oli Tartus sündinud baltisaksa füüsik, kes õppis Tartu Ülikoolis füüsikat ja keemiat aastatel 1820-23. Ta katkestas oma ülikooliõpingud, sest ta võttis mitmeid kordi osa ümbermaailma reisidest ning seal sai ta palju tegeleda füüsikalise geograafia uurimisega. Hiljem töötas ta Peterburi ülikooli õppejõuna ning ka ülikooli rektorina 1863-65. Rohkem hakkas teda huvitama elektromagnetism, mille tulemusena avastas 1833 aastal omanimelise Lenzi seaduse. Lisaks 1842. aastal avastas inglise füüsiku James Prescott Joule`st sõltumatult elektrivoolu soojusliku toime seaduse, mistõttu antud seadust nimetatakse Joile`-Lenzi seaduseks. Peaaegu kõik elektrisoojendusseadmed töötavad Joule'i-Lenzi seaduse põhimõttel. Lenzi reegli toimimise kohta võib tuua järgmiseid näiteid: 1) Kui viia püsimagnet vabalt teravikul asuval alumiiniumrõngasse, siis tõukub rõngas magnetist eemale. Kui rõngast magnet eemaldada, siis tõmbub rõngas magnet poole. 2) Ühes poolis tekkiva induktsioonvoolu suund on vastupidine voolu suunale teises poolis, mida esimesele lähendatakse. 3) Voolu sisselülitamisel ühes juhtmes indutseeritakse vastupidise suunaga vool naaberjuhtmes. Kui magnetväli kahaneb, siis on kõik vastupidine: 1) Püsimagnet eemaldamisel poolist on induktsioonvoolu magnetväli samasuunaline püsimagneti väljaga ja püüab takistada magnetvälja kahanemist. 2) Juhtmepoolide eemaldamisel teineteisest on ühes poolis induktseeritav vool samasuunaline vooluga teises poolis. 3) Voolu väljalülitamisel ühes juhtmes induktseeritakse samasuunaline vool naaberjuhtmes. Analoogiat võib leida ka mehaanikast - kui viia pendel tasakaalusasendist välja, siis kohe tekib jõud, mis takistab seda protsessi ja püüab pendlit viia tasakaaluasendi poole. NB! Muutuva magnetvälja poolt tekitatud elektrivälja nimetatakse pööriselektriväljadeks. Selle töö laengute ümberpaigutamisel ongi kõrvaljõudude töö ja induktseeritud elektromotoorjõu allikas. Selle jõujooned on suletud kinnised kõverad. Pöörisvooludel põhinevad näiteks induktsioonahjud ja induktisoonpliidid, kus keha sisse tekitatakse pöörisvoolud, mille tulemusena see võib kuumeneda kuni hõõgumiseni. Vaata ära videod: https://www.youtube.com/watch?v=ltcdj6tnxrq https://www.youtube.com/watch?v=n0-tr-bpzpw https://www.youtube.com/watch?v=qlizg5kqhqc https://www.youtube.com/watch?v=o7h0jhiieiq Lisamaterjalid induktsiooniseadmete kohta: http://web.zone.ee/eda/induktsioon/sissejuhatus.html