Maan magneettikenttä on erityinen aineen olemassaolon muoto, joka on vaikuttanut elämän syntyyn ja säilymiseen. Tämän kentän sirpaleet, raudan puoleensa vetämät malmipalat, johtivat siihen, että sähkö ihmiskunnan palveluksessa. Ilman sähköä selviytyminen olisi mahdotonta.
Sisältö
Mitä ovat magneettiset induktiolinjat
Magneettikenttä määritellään sen voimakkuuden mukaan sen avaruuden jokaisessa pisteessä. Käyriä, jotka yhdistävät samansuuruisia modulojännitteisiä kenttäpisteitä, kutsutaan magneettisiksi induktiolinjoiksi. Magneettikentän voimakkuus tietyssä pisteessä on voiman ominaisarvo, ja sen arviointiin käytetään magneettikentän vektoria B. Sen suunta tietyssä pisteessä magneettisen induktiolinjan tangentiaalinen.
Jos avaruuden pisteeseen vaikuttaa useita magneettikenttiä, voimakkuus määritetään laskemalla yhteen kunkin vaikuttavan magneettikentän induktiovektorit. Tällöin intensiteetti tietyssä pisteessä summautuu modulo, ja magneettisen induktion vektori määritellään kaikkien magneettikenttien vektoreiden summana.
Vaikka magneettiset induktiolinjat ovat näkymättömiä, niillä on tiettyjä ominaisuuksia:
- Oletetaan, että magneettikentän voimaviivat lähtevät navasta (N) ja palaavat navasta (S).
- Magneettisen induktiovektorin suunta on tangentiaalinen linjaan nähden.
- Monimutkaisesta muodosta huolimatta käyrät eivät risteä keskenään ja ovat välttämättä oikosulussa.
- Magneetin sisällä oleva magneettikenttä on homogeeninen ja viivatiheys on suurin.
- Kentän pisteen läpi kulkee vain yksi magneettinen induktiolinja.
Magneettisten induktiolinjojen suunta kestomagneetin sisällä
Historiallisesti on jo pitkään havaittu monissa paikoissa maapallolla tiettyjen kivien luontainen ominaisuus vetää puoleensa rautaa. Ajan myötä muinaisessa Kiinassa rautamalmipaloista (magneettisesta rautakivestä) tietyllä tavalla veistetyt nuolet muuttuivat kompasseiksi, jotka osoittivat suunnan maapallon pohjois- ja etelänavoille ja mahdollistivat suunnistamisen maassa.
Tämän luonnonilmiön tutkiminen on osoittanut, että rautaseoksilla on vahvempi magneettinen ominaisuus pidempään. Heikompia luonnonmagneetteja ovat nikkeliä tai kobolttia sisältävät malmit. Tutkiessaan sähköä tutkijat oppivat valmistamaan keinotekoisesti magnetoituja esineitä rautaa, nikkeliä tai kobolttia sisältävistä seoksista. Tätä varten ne asetettiin suoran sähkövirran tuottamaan magneettikenttään ja tarvittaessa demagnetoitiin vaihtovirralla.
Luonnossa magnetisoiduilla tai keinotekoisesti valmistetuilla tuotteilla on kaksi eri napaa - paikat, joihin magnetismi on keskittynyt eniten. Magneetit vaikuttavat toisiinsa magneettikentän avulla siten, että samannimiset navat hylkivät toisiaan ja erisnimiset vetävät puoleensa. Tämä muodostaa pyöriviä momentteja niiden suuntautumiselle voimakkaampien kenttien, esimerkiksi maapallon kentän, avaruudessa.
Heikosti magnetoituneiden elementtien ja vahvan magneetin vuorovaikutuksesta saa visuaalisen kuvan klassisesta kokemuksesta, jossa teräslastuja on ripoteltu pahville ja alla on litteä magneetti. Varsinkin jos sahanpuru on pitkänomainen, voidaan selvästi nähdä, miten se asettuu magneettikentän voimaviivojen suuntaisesti. Muuttamalla magneetin asentoa kartongin alla havaitaan muutos niiden kuvan konfiguraatiossa. Kompassin käyttö tässä kokeessa lisää entisestään magneettikentän rakenteen ymmärtämisen vaikutusta.
Yhden magneettikenttäviivojen ominaisuuksista löysi M. Faraday ehdottaa, että ne ovat suljettuja ja jatkuvia. Kestomagneetin pohjoisnavasta lähtevät viivat tulevat etelänavaan. Magneetin sisällä ne eivät kuitenkaan ole avoimia, vaan ne tulevat etelänavasta pohjoisnapaan. Tuotteen sisällä olevien viivojen määrä on maksimoitu, magneettikenttä on homogeeninen ja induktio voi heikentyä, kun se puretaan.
Magneettisen induktiovektorin suunnan määrittäminen poraussäännön avulla
1800-luvun alussa tiedemiehet havaitsivat, että magneettikenttä syntyy johtimen ympärille, jonka läpi virtaa virtaa. Näin syntyvät voimaviivat käyttäytyvät samojen sääntöjen mukaan kuin luonnonmagneetti. Lisäksi sähkömagneettisen dynamiikan perustana oli johtimen sähkökentän ja magneettikentän välinen vuorovaikutus.
Vuorovaikutuskenttien voimien suuntautumisen ymmärtäminen avaruudessa mahdollistaa aksiaalivektoreiden laskemisen:
- Magneettinen induktio;
- Induktiovirran suuruudet ja suunnat;
- Kulmanopeus.
Tämä ymmärrys muotoiltiin booraksin säännöllä.
Yhdistämällä oikeanpuoleisen borawlikin translaatioliike ja johtimessa kulkevan virran suunta saadaan magneettikenttäviivojen suunta, joka näkyy kampiakselin pyörimisestä.
Sähkötekniikassa käytettyä veistäjän sääntöä, joka ei ole fysiikan laki, käytetään paitsi johtimessa olevan virran vektorista riippuvien magneettikenttäviivojen suunnan määrittämiseen, myös päinvastoin magneettisten induktioviivojen pyörimisestä johtuvan virran suunnan määrittämiseen magneettijohtimissa.
Tämän suhteen ymmärtämisen ansiosta Ampere pystyi perustelemaan pyörivien kenttien lain, joka johti erilaisten periaatteiden mukaisten sähkömoottoreiden kehittämiseen. Kaikki induktiiviset laitteet, joissa käytetään induktiivisia käämejä, noudattavat booraksisääntöä.
Oikean käden sääntö
Johtimen magneettikentässä (suljetun johtimien käämin toisella puolella) liikkuvan virran suunnan määrittäminen käy selvästi ilmi oikean käden säännön avulla.
Siinä sanotaan, että kun oikea kämmen käännetään kohti N-napaa (sähköjohdot tulevat kämmeneen) ja peukalo taivutetaan 90 astetta osoittamaan johtimen suuntaa, magneettikenttä indusoi suljetussa silmukassa (käämi) sähkövirran, jonka liikevektorin osoittavat neljä sormea.
Tämä sääntö osoittaa, miten tasavirtageneraattorit alun perin syntyivät. Jokin luonnonvoima (vesi, tuuli) pyöritti suljettua johtimien silmukkaa magneettikentässä tuottaen sähköä. Sitten moottorit, jotka saivat sähkövirran jatkuvassa magneettikentässä, muuttivat sen mekaaniseksi liikkeeksi.
Oikean käden sääntö pätee myös induktorikäämien tapauksessa. Niiden sisällä olevan magneettisydämen liike tuottaa induktiovirtaa.
Jos oikean käden neljä sormea on linjassa kelan käämien virran suunnan kanssa, 90 astetta taivutettu peukalo osoittaa pohjoisnapaan.
Booraksisääntö ja oikean käden sääntö osoittavat onnistuneesti sähkö- ja magneettikenttien vuorovaikutuksen. Niiden avulla sähkötekniikan eri laitteiden toiminnan ymmärtäminen on lähes kaikkien, ei vain tutkijoiden, ulottuvilla.
Aiheeseen liittyvät artikkelit:
