Jei tik pažintume energijos paslaptis, suprastume visatą, žmogų ir Dievą.
Nikola Teslas
Štai įdomus klausimas, kurį galima iškelti nagrinėjant šią temą: koks būtų pasaulis, jei neturėtume elektromagnetų?
Nors patys magnetai ir apskritai magnetinis laukas, yra natūraliai egzistuojantys reiškiniai, elektromagnetai tokie nėra. Juos reikėjo išrasti. Kadangi šie įtaisai jungia elektros srovę su magnetine medžiaga, jie žmonijos gyvenime atsirado gana vėlai.
Elektromagnetai yra vieni galingiausių magnetų, kokius turime. Dėl šios priežasties jie tapo itin svarbūs pramonei, technologijoms ir net daugybei kasdienių dalykų, kuriuos naudojame namuose.
Tad žinios apie elektromagnetus yra ne tik teorinis smalsumas ar beprasmis mokslas. Jie yra itin naudingi mūsų žmonijai, kadangi atlieka funkcijas, kurių negali atkartoti jokia kita technologija. Be to, pats elektromagnetizmo mokslas yra išties įspūdingas.
Grįžkime prie klausimo: kur būtume šiandien be elektromagnetų galios? Neturėtume generatorių, negalėtume kaupti ar perduoti elektros energijos.
Bet prie šio klausimo dar sugrįšime. Dabar trumpai apžvelkime į elektromagnetų teoriją.
Elektromagnetai ir kada jie atsirado
Be elektromagnetų tikriausiai vis dar gyventume panašiai kaip 1820-aisiais metais.
Ši technologija nebuvo sukurta iki XIX a. trečiojo dešimtmečio, kai du skirtingi mokslininkai, vienas Danijoje, o kitas, Williamas Sturgeonas, Anglijoje, pradėjo tyrinėti elektros ir magnetizmo sąveiką. Hansas Christianas Ørstedas (dar vadinamas Oerstedu) pirmasis pastebėjo, kad elektros srovė sukuria magnetinį lauką, o Sturgeonas sukūrė pirmąjį paprastą elektromagnetą.
Elektromagnetai nustoja veikti vos išjungus elektros srovę. Todėl juos lengva valdyti: juos galima įjungti ir išjungti akimirksniu.
Tačiau dar beveik šimtmetį niekas tiksliai nesuprato, kaip vario vielos ritinys gali sukurti magnetinį lauką, kol 1906 m. prancūzų fizikas ėmėsi spręsti šią mįslę. Jo „magnetinių sričių“ teorija (angl. magnetic domain theory) atvedė mus arčiau atsakymo į klausimą, kas iš tikrųjų vyksta to susukto laido viduje.
Vis dėlto ši istorija nebūtų išsami be dviejų svarbiausių vardų elektromagnetizmo istorijoje: Michaelo Faradėjaus ir André-Marie Ampère’o. Faradėjus atrado elektromagnetinės indukcijos principą, o Ampère’as įrodė, kad lygiagrečiai išdėstyti laidai gali vienas kitą traukti arba stumti, priklausomai nuo to, kokia kryptimi teka srovė. Jo vardu vėliau pavadintas elektros srovės matavimo vienetas – amperas.
Nuo to laiko elektromagnetizmas tapo technologija, kuri nuolat tobulėja, pripildydama mūsų pasaulį dalykais, kurių svarbos dažnai nė nepastebime.
Kas yra magnetizmas?
Elektromagnetizmo mokslas remiasi magneto reiškiniu ir visais su juo susijusiais procesais: magnetiniais poliais, magnetine jėga ir įkrautų dalelių judėjimu subatominiame lygmenyje.
Magnetizmas atsiranda dėl neporinių elektronų. Elektronai – tai dalelės, sudarančios atomus. Daugumoje medžiagų elektronai poruojasi su priešingo krūvio elektronais. Šie krūviai vadinami „sukimais“ (angl. spins) – vieni yra teigiami, kiti neigiami.
Kai elektronai suporuoti, jų magnetiniai momentai vienas kitą neutralizuoja, todėl tokia medžiaga nėra magnetinė.
Tačiau kai elektronai nesuporuoti, jų poveikis išlieka. Tokiose medžiagose, vadinamose feromagnetinėmis, elektronai gali išsidėstyti viena kryptimi ir tai suteikia joms stiprias magnetines savybes.
Feromagnetizmas būdingas geležiai, nikeliui ir kai kurioms kitoms medžiagoms.
Kas yra elektromagnetizmas?
Jeigu magnetizmas yra natūralus reiškinys, tai elektromagnetizmas yra jo „dirbtinis giminaitis“. Ampère’o, Faradėjaus ir Ørstedo atradimai parodė, kad magnetizmas gali kilti ne tik iš feromagnetinių medžiagų, bet ir iš elektros srovės.
Elektros srovė pati savaime sukuria magnetinį lauką. Ampère’as įrodė, kad du laidai, kuriuose srovė teka priešingomis kryptimis, traukia arba stumia vienas kitą. Tai reiškia, kad pats srovės tekėjimas yra magnetinis reiškinys.
Kai srovė teka laidu, visas laidas tampa magnetizuotas. Taip nutinka dėl to, kad elektronai, tekėdami per laidą, juda tam tikra kryptimi. Šis judėjimas sukuria magnetinį poveikį.
Pagrindinės sąveikos
Vis dėlto elektromagnetizmas yra ne tik elektromagnetai ar magnetiniai laukai. Tai viena iš keturių fundamentaliųjų sąveikų, kurios apibūdina visus fizinius reiškinius (kitos trys yra gravitacinė, silpnoji ir stiprioji sąveikos).
Elektromagnetizmas yra jėga, kuri laiko atomus kartu, sukuria šviesą ir leidžia formuotis cheminiams junginiams. Tai viena svarbiausių Visatos jėgų. Jos atradimas ir gebėjimas ją valdyti buvo vienas reikšmingiausių žmonijos mokslo pasiekimų.
Kaip veikia elektromagnetai?
Kaip tiksliai veikia elektromagnetai? Nors teoriškai jie panašūs į paprastus magnetus, jų veikimo principas turi kelis esminius skirtumus.
Elektromagnetas, kaip ir paprastas magnetas, turi šiaurinį ir pietinį polius, kurie traukia priešingus ir stumia vienodus polius. Kaip ir nuolatinis magnetas, jis sukuria tokį patį magnetinį lauką, kokį galima pamatyti geležies drožlėmis.
Tačiau elektromagnetas turi kelis pranašumus: jo magnetinis laukas yra kur kas stipresnis, o jį galima įjungti arba išjungti tiesiog valdant elektros srovę. Tai paverčia jį nepaprastai naudingu įvairiausiose technologijų srityse.
Elektromagneto struktūra
Kaip jau minėjome anksčiau, paprasto magneto magnetizmas atsiranda dėl sulygiuotų elektronų, o elektromagneto – dėl elektros srovės.
Kaip jį pagaminti? Imamas cilindrinis feromagnetinis metalas, pavyzdžiui, geležis, aplink kurį apvyniojama varinė viela, sudaranti ritinį.
Kai per laidą paleidžiama elektros srovė, srovės sukurtas magnetinis laukas magnetizuoja centrinį metalą.
Kai srovė išjungiama, magnetizmas išnyksta.
Net jei geležies šerdies nebūtų, pats ritinys jau sukuria magnetinį lauką skylėje jo centre. Tačiau geležies šerdis šį lauką sustiprina tūkstančius kartų.
Kam naudojami elektromagnetai?
Dabar grįžkime prie klausimo – kaip atrodytų mūsų pasaulis be elektromagnetų?
Atsakymas gana paprastas: be jų neturėtume daugybės svarbiausių šiuolaikinių technologijų.
Elektros varikliai ir generatoriai
Elektros varikliai, kuriuos randame automobiliuose ir įvairiuose mechanizmuose, veikia dėl magnetinio lauko ir elektros srovės sąveikos.
Variklį sudaro statorius – nejudantis magnetas aplink variklio kraštą, ir rotorius – besisukantis elektromagnetas, labai panašus į ritinį, aprašytą anksčiau.
Didžiausi pramoniniai elektromagnetai gali pakelti net iki 30 tonų metalo – tiek sveria mažas lokomotyvas!
Kai per ritinį teka srovė, jis pritraukiamas prie statoriaus, o tada atstumiamas. Dėl to ritinys nuolat sukasi ir gamina mechaninę energiją.
Tokie varikliai yra visur: nuo jūsų kompiuterio ir ausinių iki orkaitės ar kietojo disko.
Generatoriai yra mechaniniu požiūriu identiški, tik veikia atvirkščiai, kadangi iš judesio sukuria elektros energiją.
Transformatoriai
Kadangi elektros perdavimo linijomis keliauja šimtai tūkstančių voltų įtampos, prieš patekdamas į jūsų buitinę techniką šis įtampos lygis turi būti sumažintas iki maždaug 230 voltų. Tai atlieka transformatoriai.
Jie veikia naudodami du ritinius. Didelės įtampos srovė praeina pro pirmą ritinį, o jei šalia yra antras ritinys su mažiau vijų, elektros srovė „peršoka“ į jį, tačiau su mažesne įtampa.
Be transformatorių mes paprasčiausiai negalėtume naudotis jokia elektros technika namuose.
Magnetinė levitacija
Vienas įspūdingiausių elektromagnetų pritaikymų yra magnetinė levitacija (angl. maglev). Tai transporto sistema, kurioje traukiniai levituoja virš bėgių ir gali važiuoti daug greičiau dėl visiško trinties nebuvimo.
Šiai technologijai naudojami du itin galingų magnetų rinkiniai: vienas kelia traukinį nuo bėgių, o kitas stumia jį į priekį.
Kai kurios pažangios traukinių sistemos pasaulyje jau taiko šią technologiją, kad padidintų greitį ir energijos efektyvumą.
Elektromagnetai yra vieni iš svarbiausių išradimų žmonijos istorijoje. Be jų nebūtų elektros variklių, generatorių, transformatorių ar net jūsų kompiuterio. Jie – neatsiejama modernios civilizacijos dalis.
Ar jums patiko šis straipsnis? Pasižymėkite!
Loading...
