Elektromagnetizmas – tai ne tik jėga, kuri tiekia energiją mūsų pasauliui, bet ir nematomas ryšys, laikantis Visatą vienoje visumoje.
Maiklas Faradėjus
Elektromagnetizmo mokslas – vienas svarbiausių mūsų laikų fizikos sričių. Tiek pramonėje, tiek mūsų supratime apie Visatos struktūrą elektromagnetizmas užima kertinę vietą.
Galbūt niekada apie tai nesusimąstėte, tačiau be elektromagnetizmo mes negalėtume nei perduoti, nei generuoti elektros energijos. Tai būtų tiesiog neįmanoma. Nebūtų įmanoma perduoti ir tiek didelių kiekių elektros, kurie mus pasiekia visoje šalyje: nuo elektrinių iki kiekvieno iš mūsų namų. Prisiminkite tai kiekvieną kartą, kuomet įjungiate šviesą, darotės arbatą ar žiūrite televizorių.
Beje, elektromagnetizmas yra viena iš pagrindinių, kertinių jėgų, laikančių visatą vienoje visumoje. Būtent todėl negalime sakyti, kad elektromagnetizmą kas nors „išrado“. Teisingiau būtų sakyti, kad jis buvo atrastas, o dar vėliau buvo apskaičiuota, kad tai yra jėga, kuri sujungia atomus. Ji yra atsakinga už cheminių junginių susidarymą ir netgi už šviesos atsiradimą.
Tad belieka pripažinti, kad elektromagnetizmas mus supa visur. Tačiau šiame straipsnyje pažvelgsime į vieną konkretų reiškinį, vadinamą būtent elektromagnetine indukcija – elektromotorinės jėgos (įtampos) atsiradimą dėl kintančio magnetinio lauko.
Kas yra elektromagnetizmas?
Pradėkime nuo pradžių – kas gi yra tas elektromagnetizmas?
Prisiminkime magnetizmą
Mes žinome, kas yra magnetizmas, tiesa? Kai kurios medžiagos yra magnetinės, t. y. jos veikia magnetine jėga, o kitos – ne. Magnetinėse medžiagose, kurios išlieka magnetinės net ir be išorinio magnetinio lauko (vadinamos feromagnetinėmis medžiagomis), neporiniai elektronai yra išsidėstę ta pačia kryptimi, todėl šie sukuria bendrą magnetinį lauką.
Norint geriau suprasti šiuos pagrindinius dėsnius, verta pasikonsultuoti su profesionaliu fizikos ar matematikos korepetitoriumi, kurį lengvai išsirinksite mūsų Superprof platformoje.
Tuo tarpu nemagnetinėse medžiagose elektronai dažniausiai poruojasi arba jų kryptys išsidėsto atsitiktinai.
Feromagnetinės medžiagos, tokios kaip geležis ar nikelis, gali tapti magnetinėmis atsitiktinai arba būdamos magnetinio lauko poveikyje. Tačiau šie magnetai tėra įdomūs gamtos reiškiniai. Daug naudingesni yra būtent elektromagnetai, kuriuos galima įjungti ir išjungti bei kurie yra kur kas stipresni.
O kas yra elektromagnetizmas?
Elektromagnetas – tai magnetas, veikiantis elektros srove.
Pati elektra turi magnetinį lauką. Net ir paprastas varinis laidininkas, kuriuo teka srovė, sukuria magnetinį lauką. Tačiau mokslininkai atrado būdų, kaip šią jėgą padaryti gerokai stipresnę.
Elektromagnetas – tai ritė su srove, kuri aplink feromagnetinę šerdį sukuria stiprų magnetinį lauką. Jį galima įjungti ir išjungti, keičiant elektros srovę.
Paprastai elektromagnetai gaminami iš vielos ritės, apvyniotos aplink metalinę šerdį. Dažnaiusi ši yra geležinė. Šis įrenginys vadinamas solenoidu. Kai per laidą teka srovė, susidaro magnetinis laukas, kurio centras yra metalinė šerdis. Elektros srovę išjungus, magnetizmas išnyksta.
Iš esmės elektromagnetas yra tiesiog labai stiprus magnetas. Tačiau šis elektros ir magnetizmo derinys yra nepaprastai naudingas. Vienas svarbiausių jo pritaikymų yra vadinamas elektromagnetine indukcija, kai dėl kintančio magnetinio lauko atsiranda elektromotorinė jėga (EMJ) arba įtampa.
Jame gimsta Žemės magnetizmas!
Trumpai tariant, šie magnetai geba generuoti elektrą, būtent todėl jie ir yra tokie naudingi mūsų visuomenei bei kasdieniams jos procesams.
Elektromagnetinės indukcijos dėsnis
Kad geriau suprastume šio reiškinio esmę, verta trumpai atsigręžti į istoriją: į 1830-uosius metus, kai buvo atlikti pirmieji eksperimentai, atskleidę šį procesą.
Tuo metu jau egzistavo pasagos formos elektromagnetas, išrastas Williamo Sturgeon’o ir buvo žinoma, kad elektros srovė sukuria magnetinę jėgą. Tai patvirtino Ampère’o ir Ørsted’o darbai.
Tačiau būtent Michaelas Faradėjus atrado elektromagnetinės indukcijos principus, kai 1831 m. atliko savo garsųjį eksperimentą.
Michaelas Faradėjus
Michaelas Faradėjus tapo vienu įtakingiausiu visų laikų mokslininku. Jo darbai apie magnetizmą parodė, kaip ši jėga veikia net šviesos spindulius. Tačiau svarbiausias jo atradimas yra būtent elektromagnetinė indukcija.
Faradėjus paėmė geležinį žiedą ir apvyniojo jį dviem skirtingais vielos ritiniais iš priešingų pusių. Vieną laidą jis prijungė prie baterijos, o kitą – prie galvanometro, prietaiso, matuojančio elektros krūvį.
Vėliau jis pakartojo šį eksperimentą, traukdamas ir stumdamas magnetą per vielos ritę. Šio eksperimento metu galvanometras vėl fiksavo elektros srovę. Taip Faradėjus įrodė, kad magnetinio lauko pokytis sukelia elektros srovę.
Kai jis įjungdavo ir išjungdavo bateriją, galvanometras parodydavo srovę tik tuo momentu, kai magnetinis laukas keisdavosi – t. y. įjungimo ir išjungimo akimirkomis. Kai srovė būdavo stabili, galvanometras nieko nerodydavo. Faradėjus padarė išvadą, kad šį reiškinį sukelia kintantis magnetinis srautas geležinėje šerdyje.
Faradėjaus dėsnis ir Maxwello lygtys
Nors Faradėjus atliko visus praktinius darbus, jo rezultatai iš pradžių nebuvo itin vertinami, kadangi jis jų nepagrindė matematiškai.
Faradėjus neturėjo oficialaus mokslinio išsilavinimo – jis buvo savamokslis knygrišys, savo atradimais pakeitęs fizikos istoriją.
Praėjus trims dešimtmečiams, Jamesas Clerkas Maxwellas išreiškė Faradėjaus atradimus matematinėmis formulėmis. Šios lygtys iki šiol vadinamos Maxwello lygtimis, aprašančiomis elektromagnetinės indukcijos dėsnius.
Kaip veikia elektromagnetinė indukcija?
Taigi, ką tiksliai atrado Faradėjus? Paprastai tariant, jis patvirtino faktą, kad magnetinio lauko pokyčiai gali sukelti elektros srovę.
Kaip žinome, pati elektros srovė sukuria magnetinį lauką. Tačiau jei šį lauką paveiktumėte kitu magnetu, kartu pasikeis ir įtampa arba srovės stipris.
Jei įstumsite ir ištrauksite magnetą iš vielos ritės, pajausite pasipriešinimą, kadangi tuo metu atsiras srovės srautas. Kuo greičiau judinsite magnetą arba kuo stipresnis bus magnetinis laukas, tuo stipresnė bus indukuota srovė.
Šis procesas leidžia paversti mechaninę energiją į elektrinę. Būtent taip veikia generatoriai. Jie juda magneto lauke ir taip sukuria elektros energiją.
Kaip pritaikome elektromagnetinę indukciją?
Norint geriau suprasti šį reiškinį, pažvelkime į vieną svarbiausių jo pritaikymų, vadinamą elektriniu generatoriumi. Tai vienas iš dažniausiai naudojamų įrenginių: nuo elektrinių iki automobilių ir net mažų buitinės technikos variklių.
Elektros generatoriai
Generatorių veikimas pagrįstas tuo, kad viename magnetiniame lauke juda kitos magnetinės ritės.
Pavyzdžiui, automobiliuose naudojamas kintamosios srovės generatorius (alternatorius), kuris palaiko įkrautą akumuliatorių. Kintamoji srovė teka nuolat keisdama kryptį, todėl ir yra vadinama „kintamąja“.
Įsivaizduokite magnetinį lauką, kurio centre sukasi vielos ritė, kuria teka srovė.
Kai viena ritės pusė juda aukštyn yra indukuojama teigiama srovė, kai žemyn, indukuojama neigiama srovė.
Taip gaunamas nuolat besikeičiantis srovės signalas.
Tuo tarpu nuolatinės srovės (DC) generatoriuose mechanizmas užtikrina, kad magnetinio lauko judėjimas būtų pakeistas taip, jog srovės kryptis išliktų pastovi.
Kodėl naudojame kintamąją srovę (AC)?
Kintamoji srovė plačiai naudojama dideliuose elektros tinkluose, nes ją daug lengviau perduoti nei nuolatinę. Ji leidžia padidinti įtampą ir sumažinti srovę, todėl energijos nuostoliai būna mažesni.
Tačiau dėl šios aukštos įtampos reikalingi transformatoriai, kad srovė taptų saugi ir tinkama naudoti.
Ar jums patiko šis straipsnis? Pasižymėkite!
Loading...
