Elektros ir magnetizmo jėgos yra tos gamtos jėgos, dėl kurių žmonės, nieko nežinantys apie elektros ir magnetizmą, gali paaiškinti viską.
Egonas Fridellis
Šiuolaikiniame pasaulyje magnetai naudojami daugybėje sričių, tad juos matome praktiškai kasdien: nuo šaldytuvo durelių iki ausinių, nuo elektros generavimo iki automobilio variklio veikimo. Magnetinė jėga vienaip ar kitaip dalyvauja beveik visur ir lydi kone kiekvieną mūsų žingsnį.
Be magnetų mūsų civilizacija būtų žymiai silpnesnė ir nebūtų sugebėjusi tiek pažengti mokslo srityje. Pavyzdžiui, be magnetų negalėtume perduoti elektros srauto per visą šalį, neveiktų elektros varikliai, o apie pokalbius telefonu ar per kompiuterį su artimaisiais bei draugais galėtume tik pasvajoti.
Dėl šios priežasties magnetizmo nereikėtų priimti kaip savaime suprantamo dalyko. Kiekvienam iš mūsų (ne tik mokslininkams) svarbu turėti suvokimą, kaip veikia magnetizmas, kokia sąsaja yra tarp elektros ir magnetizmo bei kaip visa tai veikia mūsų kasdienį pasaulį bei planetą.
Būtent tam ir skirtas šis straipsnių ciklas: padėti suprasti, kodėl elektronai turi magnetinį momentą, kodėl elektros srovė gali sukurti magnetinį lauką ir kaip magnetinis srautas gali sukelti elektros krūvį.
Tad šiame straipsnyje trumpai apžvelgsime visus šiuos reiškinius: nuo magnetinio lauko pagrindų iki svarbiausių technologijų, paremtų magnetizmu.
Kas yra elektra ir magnetizmas?
Pradėkime ties magnetizmo sąvoka.
Magnetizmas – tai jėga, kuri atsiranda dėl elektronų judėjimo ir veikia visus objektus, sukeldama jų tarpusavio trauką arba atostūmį. Tai vadinamoji „bekontaktė“ jėga, galiojanti visoms medžiagoms: vienoms stipriau, kitoms silpniau. Ji kyla iš subatominių dalelių, elektronų bei jų elektrinio krūvio judėjimo.
Elektronai, magnetiniai momentai ir trys magnetizmo tipai
Kiekvienas atomas sudarytas iš dalelių: neutronų, protonų ir elektronų. Kalbant apie magnetizmą, būtent elektronai atlieka pagrindinį vaidmenį.
Elektronai juda aplink atomo branduolį ir kiekvienas jų turi teigiamą arba neigiamą kruvį.
Paprastai elektronai „susiporuoja“ su priešingo krūvio dalelėmis: neigiamas elektronas su teigiamu.
Tokiu būdu krūviai vienas kitą neutralizuoja, todėl medžiaga tampa gana stabili ir neturi magnetinių savybių.
Medžiagos, kurių elektronai yra susiporavę, vadinamos diamagnetinėmis.
Tačiau yra ir tokių medžiagų kaio deguonis, kuriose dalis elektronų lieka nesuporuoti. Tokiu atveju elektronai gali išsirikiuoti ta pačia kryptimi ir medžiaga tampa labiau magnetinė. Vis dėlto dažniausiai taip nenutinka, nes šių elektronų magnetiniai momentai nėra vienodi, nebent veikiant išoriniam magnetiniam laukui.
Tokios medžiagos, kurios magnetines savybes įgyja tik esant išoriniam laukui, vadinamos paramagnetinėmis.
Tai reiškinys, kai tokios medžiagos kaip geležis, nikelis ar kobaltas įgyja stiprų magnetiškumą, nes jų atomų magnetiniai momentai išsirikiuoja ta pačia kryptimi. Taip susiformuoja nuolatinis magnetinis laukas, kuris išlieka net ir pašalinus išorinį magnetinį šaltinį.
Taip pat egzistuoja ir medžiagos, vadinamos feromagnetinėmis. Jose esantys neporuoti elektronai turi vienodus magnetinius momentus, todėl šios medžiagos gali savaime tapti magnetinės ir išlaikyti savo magnetines savybes net ir pašalinus išorinį lauką.
Kas yra magnetinis laukas?
Kiekvienas magnetas ar magnetinė medžiaga sukuria aplink save magnetinį lauką – erdvę, kurioje jaučiama magnetinė jėga.
Pastovieji magnetai ir elektromagnetai turi nuolatinius laukus, kurių formą galima pamatyti, jei šalia pabarstysime geležies drožlių. Jos išsidėsto pagal magnetinio lauko linijas, einančias nuo šiaurinio iki pietinio poliaus.
Kuo magnetas stipresnis, tuo tankesnės jo lauko linijos ir stipresnis poveikis aplinkai.
Kas yra elektromagnetas?
Be elektronų magnetinių momentų, magnetinius laukus kuria ir elektriniai krūviai. Šis atradimas, padarytas dar 1830-aisiais, buvo vienas svarbiausių mokslo istorijoje, nes būtent tada buvo atrastas ryšys tarp magnetizmo ir elektros.
Jau žinome, kad elektronai turi magnetinį krūvį dėl savo judėjimo magnetinėje medžiagoje.
Tačiau vieta, kur elektronai iš tiesų juda, yra elektrinė srovė. Iš esmės, tai tas pats elektronų judėjimas. Kai srovė teka laidu, šis įsielektrina ir tampa magnetinis, nes elektronų judėjimas sukuria magnetinį lauką.
820 m. Hansas Kristianas Ørstedas atsitiktinai pastebėjo, kad elektros srovė, tekėdama laidu, nukreipia šalia esančią kompaso rodyklę, taip pirmą kartą įrodydamas tiesioginį elektros ir magnetizmo ryšį.
Šį reiškinį atrado André-Marie Ampère’as. Jis parodė, kad lygiagrečiai išdėstyti laidai gali vienas kitą traukti arba stumti, priklausomai nuo to, kokia kryptimi teka srovė. Beje, būtent jo vardu vėliau buvo pavadintas elektros srovės matavimo vienetas – amperas.
Kaip pagaminti elektromagnetą
Elektromagnetų veikimo principas beveik nepasikeitė nuo jų sukūrimo laikų. Pasikeitė tik jų galia.
Elektromagnetas sudarytas iš vielos ritės, apvyniotos aplink metalinį branduolį (dažniausiai geležinį). Kai per ritę teka elektros srovė, susidaro magnetinis laukas, sutelktas į ritės centrą, geležies šerdį. Tokia struktūra vadinama solenoidu.
Vos tik elektros srovė išjungiama, magnetinis laukas išnyksta.
Ryšys tarp magnetizmo ir elektros
Nors dažnai kalbame apie magnetizmą ir elektrą kaip apie du atskirus reiškinius, iš tiesų jie yra vienas ir tas pats fizikinis principas, dvi to paties reiškinio pusės.
Elektromagnetizmas yra viena iš keturių fundamentaliųjų visatos jėgų, o jų tarpusavio ryšys paaiškina, kaip veikia daugelis mūsų technologijų.
Kas yra elektromagnetinė indukcija?
Vieną iš svarbiausių ir naudingiausių atradimų elektromagnetizmo istorijoje XIX amžiuje padarė britų mokslininkas Maiklas Faradėjus. Šis reiškinys tapo žinomas kaip elektromagnetinė indukcija ir iki šiol yra vienas iš pagrindinių elektromagnetizmo principų.
Faradėjaus eksperimentai buvo skirti išsiaiškinti, kaip magnetiniai laukai gali paveikti elektrinius krūvius. Jis nustatė, kad keičiant magnetinį lauką galima sukelti elektros srovę.
Nors tai gali skambėti kiek painiai, patys Faradėjaus bandymai buvo gana paprasti. Jis paėmė geležinį žiedą ir ant priešingų jo pusių apvyniojo du laidus, taip sukūrdamas du solenoidus ant to paties geležies gabalo.
Vieną laidą jis prijungė prie baterijos, o kitą – prie galvanometro, prietaiso, matuojančio elektros krūvį. Kai Faradėjus prijungdavo ir atjungdavo laidą nuo baterijos, galvanometras užfiksuodavo pokyčius elektros srovėje. Tai įrodė, kad magnetinio lauko pokytis geležies žiede gali sukelti elektros srovę kitoje grandinėje.
Norėdamas dar labiau patvirtinti savo išvadas apie ryšį tarp elektros ir magnetizmo, Faradėjus atliko dar vieną bandymą. Jis paėmė solenoidą be šerdies (tik laidų ritę) ir judino magnetą pirmyn ir atgal per ritės vidų. Pastebėta, kad kuo greičiau judinamas magnetas, tuo stipresnė elektros srovė susidaro.
Kodėl šis atradimas buvo toks reikšmingas? Todėl, kad Faradėjus pirmasis įrodė, jog elektros srovė gali būti sukurta ne tik tiesiogiai per laidą, bet ir paveikiant magnetinį lauką. Jo atradimai padėjo pagrindus šiuolaikiniam elektros energijos gamybos principui.
Kas yra transformatorius?
Transformatoriai – tai itin svarbūs įrenginiai, veikiantys pagal elektromagnetinės indukcijos principą. Be jų neįsivaizduojama nė viena elektros energijos sistema. Beveik visa pagaminama ir naudojama elektra keliauja per bent vieną transformatorių.
Energija niekada nedingsta – ji tik keičia savo pavidalą.
Maiklas Faradėjus
Transformatorius yra stacionarus įrenginys, kuris paverčia aukštos įtampos srovę į žemesnės įtampos srovę. Tai daroma pasitelkiant dvi gretimas rites (solenoidus) ir Faradėjaus aprašytą elektromagnetinės indukcijos reiškinį.
Elektros energija perduodama didelės įtampos tinkle, nes taip sumažinami energijos nuostoliai ir galima naudoti plonesnius laidus. Tačiau tokia elektra netinka buitiniam naudojimui, todėl prieš ją paskirstant vartotojams, įtampa sumažinama transformatoriuose.
Įtampos keitimas ir Faradėjaus dėsnis
Faradėjaus dėsnis paaiškina, kaip elektromagnetinė indukcija leidžia keisti elektros srovės įtampą.
Jo eksperimente buvo dvi ritės. Kuomet kito magnetinis laukas tarp jų, antrojoje susidarydavo elektros srovė. Jei keičiamas apvijų skaičius, galima reguliuoti įtampą: pavyzdžiui, jei pirmoje ritėje yra dešimt vijų, o antroje tėra penkios, tuomet įtampa sumažėja perpus.
Būtent taip ir veikia transformatoriai.
Jei nori giliau suprasti, kaip fizika ir matematika susijusios elektromagnetizmo reiškiniuose, apsvarstyk kursų galimybę su Superprof fizikos ar matematikos korepetitoriumi: tai padės lengviau perprasti šių sričių sąveiką ir pritaikyti turimas žinias praktikoje.
Ar jums patiko šis straipsnis? Pasižymėkite!
Loading...
