Magnetinis laukas elektromagnetinė indukcija
5 (100%) 1 vote

Magnetinis laukas elektromagnetinė indukcija

6.4. MAGNETINIS LAUKAS. ELEKTROMAGNETINĖ INDUKCIJA

□ Magnetinis laukas, jo prigimtis.

□ Magnetinio lauko stipris. Magnetinė indukcija. Magnetinis srautas. Jų

matavimo vienetai.

□ Žemės magnetinis laukas, jo elementai ir jų matavimas.

□ Elektromagnetinės indukcijos reiškinys. Faradėjaus indukcijos dėsnis.

□ Saviindukcija. Abipusė indukcija. Sūkurinės srovės.

□ Transformatoriaus transformacijos ir naudingumo koeficientai.

□ Transformatorių panaudojimas. Rentgeno aparatas.

6.4.1. Magnetiniai laukai, jų prigimtis ir poveikis

Jau 4000 metais pr.m.e. Kinijoje buvo žinoma, kad mineralas magnetitas

(Fe2O3), turi nepaprastų savybių: jis pritraukia geležinius kūnus, laisvai

pakabintas pasisuka šiaurės−pietų kryptimi. Todėl jau tuo metu kinai

naudojo magnetinį kompasą, mokėjo įmagnetintį plieną. Apie 500 metus pr.m.e

šis mineralas buvo aptiktas Magnezijoje ( Mažosios Azijos vietovėje). Todėl

graikai tokių savybių turinčius kūnus pavadino magnetais, o šias jų savybes

− magnetizmu. Ilgai buvo manoma, kad magnetizmas nesusijęs su elektriniais

reiškiniais. 1820 metais H. Erstedas (H. Oersted) ir A. Amperas (A. Ampere)

nustatė, kad magnetinis laukas veikia laidininkus, kuriais tekanti srovė

veikia magnetinę rodyklę, bet ne traukia ar stumia, o pasuka ją statmenai

srovės krypčiai.

Bandymai rodo, kad nuolatiniai magnetai vienas su kitu, ar su elektros

srove sąveikauja būdami vakuume. Magnetiniam poveikiui iš vieno kūno į kitą

perduoti nereikia medžiagos. Ši sąveika aiškinama jėgų lauku. Pirmasis

magnetinio lauko sąvoką 1845 metais pavartojo anglų fizikas M. Faradėjus

(M. Faraday). Bandymai rodė, kad nuolatinis magnetas, elektros srovė ar

judantis įelektrintas kūnas kuria magnetinį lauką. Magnetinio lauko

šaltiniai gana skirtingi, bet lauko kūrimo prasme jie panašūs: laukas

atsiranda arba judant elektringosioms mikrodalelėms, arba dėl kai kurioms

mikrodalelėmis būdingos tam tikros magnetinės savybės, nusakomos savituoju

magnetiniu momentu. Judant elektringajai dalelei, jos elektrinis laukas

kinta laike ir todėl atsiranda magnetinis laukas. Tai − gamtos dėsnis:

kiekvienas laike kintantis elektrinis laukas kuria magnetinį lauką, ir

atvirkščiai − kiekvienas kintantis magnetinis laukas kuria elektrinį lauką.

Magnetinis laukas, kurio kiekvieną tašką apibūdinantys dydžiai laikui

bėgant nekinta, vadinamas stacionariuoju. Pavyzdžiui, stacionarųjį

magnetinį lauką kuria nejudantis nuolatinis magnetas. Tačiau galima rasti

kitą atskaitos sistemą, kurios atžvilgiu šis magnetas judėtų. Tokioje

atskaitos sistemoje jo magnetinis laukas kinta laikui bėgant, todėl joje

egzistuoja elektrinis laukas.

Stipriomis magnetinėmis savybėmis išsiskiria tiktai geležis ir kai

kurios kitos medžiagos, pavyzdžiui, kobaltas, nikelis. Šios medžiagos

vadinamos feromagnetikais (lot. ferrum − geležis). Visi kiti taip pat turi

magnetinių savybių, bet labai silpnų, kurias galima aptikti tik jautriais

prietaisais.

Nejudantys, bet turintys magnetinį momentą kūnai (nuolatinis

magnetas), nuolatinė elektros srovė kuria nuolatinį magnetinį lauką,

kintamoji elektros srovė, kintamas elektrinis laukas – kintamąjį magnetinį

lauką.

Magnetinis laukas biologiškai veikia žmogų, gyvūnus, augalus,

mikroorganizmus, ląsteles. Ištirta, kad silpnas ir vidutinis magnetinis

laukas (daug stipresnis už Žemės magnetinį lauką) slopina nervų sistemos

sąlyginius ir nesąlyginius refleksus, lėtina ritmą, mažina neuronų

elektrinių impulsų dažnį, ląstelėse pakinta biocheminiai procesai.

Pažeidžiama nervų ląstelių mitochondrijų struktūra. Magnetiniam laukui

labai jautri yra didžiųjų pusrutulių žievė. Dėl magnetinio lauko poveikio

sutrinka kai kurių hormonų hipofizėje gamyba, kraujagyslės išsiplečia,

prasideda kraujo išsiliejimai; kraujyje pagausėja leukocitų, pakinta

trombocitai. Stiprus magnetinis laukas slopina augalų šaknų augimą, mažina

fotosintezės intensyvumą, keičia oksidacijos procesus, mikroorganizmų

augimo pobūdį ir spartą, jų fermentinių sistemų aktyvumą, ribonukleino

rūgščių sintezę ir jautrumą aukštesnei temperatūrai.

Neseniai mokslininkai įrodė, kad magnetas gali malšinti skausmus.

Neseniai buvo atliktas tyrimas su 20 pacientų, sveikstančių po riebalų

išsiurbimo procedūrų. Jiems gydyti naudoti magnetiniai pleistrai – jie ne

tik nuslopino diskomforto jausmą, bet ir paskatino sveikimo procedūrą. Po

kelių dienų atlėgo ištinusios vietos, o po trijų sumažėjo mėlynių. Panašūs

tyrimų, atliktų su poliomielito aukomis bei chroniško kojų skausmo

kamuojamais ligoniais, rezultatai. Magnetai gali ne tik malšinti skausmą –

kai kuriais vėžinių susirgimų atvejais jie padeda perduoti chemoterapinius

vaistus į auglių pažeistas vietas.

Geomagnetinis laukas ir jo kitimai gyviems organizmams padeda

orientuotis erdvėje, suvokti laiką (paukščių ir žuvų migracijai, sliekų,

moliuskų, vabzdžių judėjimui), turi įtakos bioprocesams. Kai kurie augalai

šaknų sistemą
nukreipia išilgai magnetinio dienovidinio. Ilgalaikis

dirbtinis geomagnetinio lauko susilpninimas daro neigiamą įtaką gyvūnų,

augalų, mikroorganizmų gyvybinei veiklai.

6.4.2. Magnetinė indukcija. Magnetinio lauko linijos

Svarbiausia magnetinio lauko charakteristika yra magnetinė indukcija B. Iš

Ampero dėsnio

F ( IlBsin(.

Matyti, kad magnetinės indukcijos fizikinė prasmė yra tokia. Magnetinė

indukcija B skaitine verte yra lygi jėgai F, kuria vienalytis magnetinis

laukas veikia 1 m ilgio tiesų laidininką, kai juo teka 1 A stiprio srovė ir

kai laidininkas statmenas magnetinio lauko krypčiai.

Magnetinės indukcijos matavimo vienetas SI sistemoje yra niutonas

amperui metrui –N/(A(m) ir vadinamas tesla (T). Bet kuriame magnetinio

lauko taške magnetinės indukcijos vektoriaus B kryptis sutampa su kryptimi

jėgos, veikiančios šiame lauko taške esantį labai mažos magnetinės rodyklės

šiaurinį polių. Magnetinė indukcija paprastai didžiausia yra ties magneto

poliais. Didelė magnetinė indukcija – stiprus magnetinis laukas. Maža

magnetinė indukcija – silpnas magnetinis laukas. Nulinio magnetinio lauko

taške magnetinė indukcija lygi nuliui. Jis atsiranda tada, kai sąveikauja

du ar daugiau magnetinių laukų, kurių poveikis vienodo stiprumo, bet

priešingų krypčių.

Magnetinį lauką grafiškai vaizduoja magnetinės indukcijos, arba

magnetinio lauko, linijos, kurias galima matyti pabarsčius geležies drožlių

apie magnetą arba įvairiuose taškuose užfiksavus žyminčiojo kompaso (mažo

kompaso, neturinčio pažymėtų krypčių) rodomas kryptis. Magnetinės

indukcijos linijos − tai tokios kreivės, kurių liestinės kiekviename taške

sutampa su magnetinės indukcijos vektoriaus B kryptimi. Magnetinio lauko

kryptimi susitarta laikyti kryptį, kurią rodo magnetinės rodyklės šiaurės

polius. Šioms linijoms būdinga tai, kad jos jokiame lauko taške nenutrūksta

– yra uždaros (arba išeina į begalybę). Tokiomis linijomis apibūdinami jėgų

laukai vadinami sūkuriniais. Vadinasi, ir visi magnetiniai laukai yra

sūkuriniai.

Magnetinės indukcijos linijos gaubia laidą su srove ir yra uždaros.

Srovės kuriamo magnetinio lauko kryptį galima nustatyti ir be magnetinės

rodyklės, tai yra remiantis dešiniosios rankos taisykle (6.4.1 pav.):

dešine ranka apėmus laidininką taip, kad ištiestas nykštys rodytų srovės

kryptį, pirštai rodo magnetinio lauko linijų kryptį.

Magnetinis laukas, kurio visuose taškuose magnetinės indukcijos

vektoriaus didumas ir kryptis vienodi, vadinamas vienalyčiu (homogeniniu).

Vienalyčiame magnetiniame lauke magnetinės indukcijos linijos eina

lygiagrečiai.

Magnetinis laukas yra nevienalytis (nehomogeninis), jei jo įvairiuose

taškuose magnetinės indukcijos vektorius yra skirtingas. Šiuo atveju yra

skirtingas magnetinės indukcijos linijų tankis.

Silpnas ir vidutinis magnetiniai laukai (indukcija B ( 4 T) sukuriami

nuolatiniais magnetais, elektromagnetais, solenoidais (solenoidu vadinama

ritė, kurios ilgis l yra daug didesnis už jos vijų spindulį R),

superlaidžiais magnetais. Naudojamas elektrotechnikoje, elektringųjų

dalelių greitintuvams, jonizuojančio spinduliavimo detektoriams, masės

spektrometrams. Stiprusis magnetinis laukas (B = 4−100 T) sužadinamas

superlaidžiais (iki 20 T), vandeniu šaldomais (iki 25 T), impulsiniais (iki

100 T ir daugiau) solenoidais. Naudojamas kietojo kūno (metalų,

puslaidininkių, superlaidininkų) elektronų energijos spektrams,

feromagnetizmui tirti, magnetohidrodinaminių variklių ir generatorių

plazmai sulaikyti, žemai temperatūrai gauti, elektroninių mikroskopų

elektronų srautams formuoti. Labai stiprūs magnetiniai laukai (B > 100 T)

naudojami stipriuose magnetiniuose laukuose ir dideliuose slėgiuose

vykstantiems procesams tirti; tai leidžia geriau suprasti planetų ir

žvaigždžių gelmėse vykstančius procesus.

6.4.3. Magnetinio lauko stipris

Laidumo srovių kuriamas magnetinis laukas nepriklauso nuo medžiagos

magnetinių savybių ir apibūdinamas magnetinio lauko stiprio vektoriumi H,

kuris nusakomas santykiu

[pic]; (6.4.1)

čia I – srovės stipris, l – magnetinės linijos, einančios per tam tikrą

tašką, ilgis. Magnetinio lauko stiprio matavimo vienetas SI sistemoje yra

amperas metrui (A/m).

Magnetinio lauko stiprio vektoriaus H kryptis nusakoma dešiniosios

rankos taisykle. Apskritiminės srovės magnetiniam laukui taikoma

„atvirkštinė“ taisyklė (6.4.2 pav.): dešine ranka apėmus ritę taip, kad

pirštai rodytų srovės kryptį, ištiestas nykštys rodo magnetinio lauko

linijų kryptį (šiaurės polių).

Magnetinio lauko stiprio vektorius H susijęs su magnetinio indukcijos

vektoriumi B taip:

[pic], arba dydžių moduliams [pic]. (6.4.2)

Čia μ0 − magnetinė konstanta, kurios vertė μ0 = 4((10-7 N/A2 = 1,256637(10-

6 N/A2; μ − magnetinė skvarba. Magnetinė skvarba − tai medžiagos gebėjimo

„praleisti“ magnetinį lauką matas. Minkštosios geležies magnetinė skvarba

yra daug didesnė nei oro, todėl
laukas stengiasi koncentruotis

geležyje.

Magnetinio lauko stipris H apibūdina magnetinio lauko intensyvumą

vakuume, o lauko magnetinė indukcija B − jo intensyvumą medžiagoje.

6.4.4. Magnetinis srautasKertančių ploto vienetą ir statmenų jam magnetinės indukcijos linijų

skaičius vienalyčiame magnetiniame lauke nusako šio ploto vietoje esančią

magnetinę indukciją. Jei magnetinė indukcija tam tikroje vietoje yra lygi

B, tai per statmeno paviršiaus plotą S jam statmenų magnetinės indukcijos

linijų skaičius (6.4.3 pav.) vadinamas magnetinės indukcijos srautu, arba

tiesiog magnetiniu srautu, ir žymimas (. Jis yra lygus magnetinės

indukcijos B ir jos linijoms statmeno paviršiaus ploto S (kai šį plotą

apibrėžia viena vija) sandaugai:

( = BS. (6.1.3)Magnetinis srautas ( per n vijų ritę išilgai jos ašies, kai vienos vijos

apimamas plotas S, yra lygus

( = B S n. (6.4.4)

Nevienalyčiame magnetiniame lauke magnetiniam srautui skaičiuoti

pasirenkamas labai mažas paviršiaus ploto elementas dS. Jeigu toje vietoje

magnetinės indukcijos vektorius yra B ir jo projekcijos į plotelio dS

normalę n skaitinė vertė yra Bn = Bcos ( (( yra kampas tarp B ir n, 6.4.3 a

pav.), tai magnetinis srautas per paviršiaus elementą dS yra lygus:

d( = BndS = Bcos ( dS, (6.4.5)

( = BS cos ( = Bn cos (; (6.4.6)čia B − magnetinė indukcija, S − paviršiaus plotas, ( − kampas tarp

paviršiaus normalės vektoriaus n ir magnetinės indukcijos vektoriaus B

krypčių, Bn – vektoriaus B projekcija į ploto S paviršiaus normalę.

Jeigu magnetinės indukcijos vektorius B statmenas ploto S paviršiui

(6.4.3 b pav., paviršiaus normalės vektoriaus n kryptimis sutampa su

magnetinės indukcijos vektoriaus B kryptimi), tai šiuo atveju kampas ( =

0o, o cos( = 1 ir paviršiaus plotą kertantis magnetinis srautas

skaičiuojamas pagal (6.4.3) formulę.

Magnetinės indukcijos srauto vienetas vadinamas vėberiu: 1 Wb = 1 Tm2.

Vieno vėberio srautas statmenai kerta 1 m2 ploto rėmelius vienalyčiame 1 T

indukcijos magnetiniame lauke.

6.4.5. Žemės magnetinis laukas: kilmė, elementai ir jų matavimas

Žemė ir kosminė erdvė sukuria aplink Žemę magnetinį lauką. Žemei sukantis

apie savo ašį, jos mantija su kietąja pluta, slysdamos branduolio išoriniu

sluoksniu, sukasi šiek tiek greičiau negu vidinis branduolys, todėl

branduolio elektronų ir mantijos bei plutos elektronų greičiai skiriasi.

Toks elektronų judėjimas sukuria gamtinį srovės generatorių, kuris savo

ruožtu kuria magnetinį lauką (6.4.4 pav.), panašiai kaip jį kuria indukcine

rite tekanti elektros srovė. Magnetinio lauko, kurį sukuria Žemės gelmės,

stipris lygus apie 90( Žemės paviršiuje registruojamo magnetinio lauko

stiprio. Likusius 10( sudaro Saulės spinduliuojamų elektringųjų dalelių

srautas ir įmagnetėjusios Žemės plutos uolienos. Iš tikrųjų viskas yra daug

sudėtingiau, kadangi sąveikauja dviejų tipų magnetiniai laukai ir netgi

menki trikdžiai gali pakeisti Žemės magnetinio lauko poliškumą. Magnetinio

lauko anomalijas prie Žemės paviršiaus sukelia maži sūkuriai skystojoje

branduolio masėje; šie sūkuriai lemia ilgalaikius geomagnetinio lauko

trikdžius, kurie pamažu keičia magnetinio lauko kryptį vienoje ar kitoje

vietoje.

Bet kuriame Žemės ir ją supančios erdvės taške Žemės magnetinis laukas

nusakomas jo stiprio vektoriumi H, matuojamu erstedais (Oe), 1Oe (

(1/4π)(103 A/m ( 79,5775 A/m arba gamomis (, 1( ( 10-3Oe. Jo dydis ir

kryptis priklauso nuo trijų komponentų dedamųjų: šiaurės (Hx), rytų (Hy) ir

vertikaliosios (Hz). Stiprio vektorių H taip pat galima apibūdinti trimis

Žemės magnetinio lauko elementais – horizontaliuoju stiprio komponentu

horizontaliąja stiprio dedamąja H0 ([pic]), magnetiniu nuokrypiu (arba

magnetine deklinacija D) ir magnetiniu nuosvyriu (arba magnetine

inklinacija I). Nustačius šiuos tris parametrus tam tikroje Žemės vietoje

galima sudaryti išsamų Žemės magnetinio lauko toje vietovėje, vaizdą.

Per Žemės šiaurės ir pietų polius galima išvesti apskritimines kreives

– magnetinį dienovidinį (meridianą), statmeną poliams – didelio rato liniją

– magnetinį pusiaują (ekvatorių) ir lygiagrečias su magnetiniu pusiauju

mažų ratų linijas – magnetines lygiagretes. Taigi kiekvieną Žemės tašką

atitinka ne tik geografinės, bet ir magnetinės koordinatės.

Kompaso rodyklė nebūtinai nukrypsta tiesiai į šiaurę ir pietus.

Kompaso pietinis polius nukreiptas į tašką, vadinamą pietiniu magnetiniu

poliumi, o šiaurinis polius – į šiaurinį magnetinį polių. Kampas ( tarp

kompaso rodomos pietinio magnetinio poliaus krypties ir Žemės ašies

vadinamas magnetiniu nuokrypiu, arba magnetine deklinacija D (lot.

declinatio − nukrypimas), arba kitaip − tai kampas tarp tiesės, nukreiptos

į tikrąją šiaurę (į geografinį šiaurės polių), ir tiesės, einančios išilgai

magnetinio dienovidinio (pietinio magnetinio poliaus link) tam tikrame

taške (6.4.5 pav). Magnetinio lauko jėgų linijos eina
skleistine iš

Šiaurinio magnetinio poliaus N (esančio šalia geografinio pietinio) ir

sueina į vieną tašką pietiniame magnetiniame poliuje S (esančio šalia

geografinio šiaurinio). Nuokrypį lemia tai, kad tikrasis Žemės magnetinis

laukas nesutampa su teoriniu šio lauko įvaizdžiu. Jo dydis įvairiose Žemės

vietose skirtingas. Skiriamas rytinis ir vakarinis nuokrypis (šiaurinio

ašigalio rodyklė atitinkamai pasisuka į dešinę ar kairę nuo geografinio

dienovidinio).

Magnetiniu nuosvyriu, arba magnetine inklinacija I (lot. inclinatio −

palenkimas), vadinamas kampas ( tarp Žemės paviršiaus horizontaliosios

plokštumos ir Žemės magnetinio lauko stiprio vektoriaus (pastarojo kryptį

rodo magnetinė rodyklė). Magnetiniame pusiaujyje magnetinė inklinacija lygi

0o, o magnetiniuose poliuose (90o (ten magnetinė rodyklė statmena horizonto

plokštumai). Tarp magnetinio pusiaujo ir magnetinio poliaus nuosvyrio dydis

yra nuo 0o iki 90o. Magnetinio lauko nuosvyris (I) (6.4.6 pav.) prie Žemės

paviršiaus siejasi su magnetine platuma (L), nustatoma magnetinės ašies

atžvilgiu. Tarus, kad tikrasis Žemės magnetinis laukas visiškai sutampa su

teoriniu (įsivaizduojamu magnetu, sutampančiu su geografine Žemės ašimi),

iš paleomagnetinių (senovinio magnetizmo) duomenų galima apskaičiuoti

praeities sausumos platumą. Inklinacija matuojama inklinometru – specialiu

kompasu, turinčiu horizontalią ašį. Nuosvyris būna šiaurės, arba pietų

(šiaurės, arba pietų rodyklės galas bus žemiau horizontaliosios

plokštumos).

Tam tikrame Žemės taške laisvai pakabinus magnetinę rodyklę (t.y.

pakabinus jos masės centrą taip, kad ji galėtų pasisukti vertikaliojoje ir

horizontaliojoje plokštumose), ji nukrypsta pagal tos vietovės Žemės

magnetinį lauką.

Bet Žemės magnetinis laukas – tai tiesaus magneto laukas, tada aišku,

kad šio lauko jėgos linijos vertikalios tik magnetiniuose poliuose, o

magnetiniame ekvatoriuje – horizontalios. Bet kuriame kitame Žemės

paviršiaus taške magnetinio lauko jėgos linijos, magnetinio lauko stiprio

liestinė ir laisvai pakabinta rodyklė išsidėsto vertikaliai tam tikru kampu

šiame Žemės taške ir tam tikru kampu horizontaliajai plokštumai. Kadangi

magnetiniai ir geografiniai Žemės poliai nesutampa, tai nesutampa

magnetinių ir geografinių dienovidinių plokštumos, einančios per tą Žemės

tašką. Vadinasi, laisvai išsidėsčiusi magnetinė rodyklė charakterizuojama

anksčiau aprašytais dviem nuokrypio ( ir nuosvyrio ( kampais, nustatytais

tam tikram Žemės taškui.

Šie du – nuokrypio ir nuosvyrio – kampai yra pagrindiniai Žemės

magnetizmo elementai. Pavyzdžiui, Žemės magnetinis laukas jos paviršiuje

Šiuo metu Jūs matote 30% šio straipsnio.
Matomi 2559 žodžiai iš 8498 žodžių.
Peržiūrėkite iki 100 straipsnių per 24 val. Pasirinkite apmokėjimo būdą:
El. bankininkyste - 1,45 Eur.
Įveskite savo el. paštą (juo išsiųsime atrakinimo kodą) ir spauskite Tęsti.
SMS žinute - 2,90 Eur.
Siųskite sms numeriu 1337 su tekstu INFO MEDIA ir įveskite gautą atrakinimo kodą.
Turite atrakinimo kodą?
Po mokėjimo iškart gausite atrakinimo kodą, kurį įveskite į laukelį žemiau:
Kodas suteikia galimybę atrakinti iki 100 straispnių svetainėje ir galioja 24 val.