Voolu kandvale juhtmele mõjuv magnetjõud
Magnetjõu rakendamine voolu kandvale juhtmele on elektromagnetismi, füüsika haru, põhimõiste. Selle nähtuse avastas esmakordselt Hans Christian Ørsted 1820. aastal, kui ta märkas, et läbi juhtme voolav elektrivool mõjutab lähedalasuvat kompassinõela. See avastus näitas elektri ja magnetismi vahelist tihedat seost, mida hiljem arendasid edasi sellised teadlased nagu André-Marie Ampère ja Michael Faraday.
Selles artiklis arutame voolu kandvale juhtmele mõjuva magnetjõu põhiprintsiipe, selle jõu toimimist, füüsikaseadusi ja mõningaid praktilisi rakendusi, mis näitavad selle kontseptsiooni mõju igapäevaelus.
Magnetjõu põhiprintsiibid
Kui elektrivool voolab läbi juhtme, tekib juhtme ümber magnetväli. Seda saab seletada Biot-Savarti seadusega, mis ütleb, et juhtmes oleva vooluelemendi I poolt tekitatud magnetvälja \(\mathbf{B}\) saab arvutada järgmise võrrandi abil:
\[ d\mathbf{B} = \frac{\mu_0 I}{4\pi} \frac{d\mathbf{s} \times \mathbf{\hat{r}}}{r^2} \]
Kus:
– \(\mu_0\) on vaakumi läbilaskvus,
– \(d\mathbf{s}\) on traadi pikkuselement,
– \(\mathbf{\hat{r}}\) on ühikvektor, mis osutab praegusest elemendist punkti, kus välja arvutatakse,
– \(r\) on kaugus praeguse elemendi ja punkti vahel.
See võrrand näitab, et voolu kandva juhtme tekitatud magnetväli sõltub lisaks voolutugevusele ka kaugusest ja asendist voolu kandva elemendi suhtes. Tekkiv magnetväli on juhtme ümber olev kontsentriline ring ja selle suunda saab määrata parema käe reegli abil.
Voolu kandvale juhtmele mõjuv magnetjõud
Välises magnetväljas voolu kandvale juhtmele mõjuvat magnetjõudu saab kirjeldada Ampère'i seadusega, mis sätestab, et voolu I kandvale juhtmeelemendile magnetväljas (\mathbf{B}) mõjuv jõud \(\mathbf{F}\) on antud järgmise valemiga:
\[ d\mathbf{F} = I (d\mathbf{l} \times \mathbf{B}) \]
See seadus näitab, et juhtmele mõjuv jõud sõltub mitte ainult voolutugevusest ja juhtmeelemendi pikkusest, vaid ka juhtmeelemendi orientatsioonist magnetvälja suhtes. Kui magnetväli ja juhtmevoolu suund moodustavad teatud nurga, on tekkiv jõud mõlema vektoriga risti.
Selle jõu integreerimine kogu juhtme pikkuse ulatuses annab magnetväljas juhtmele mõjuva kogujõu. Mõned rakendused, mis seda kontseptsiooni illustreerivad, hõlmavad elektrimootoreid, generaatoreid ja solenoidid.
Ampère'i seadus ja Lorentzi jõud
Ampère arendas ülaltoodud seadust edasi üldisemaks seaduseks, mida tuntakse integraalsel kujul Ampère'i seadusena, mis väidab, et magnetvälja joonintegraal \(\mathbf{B}\) mööda suletud rada \(\mathbf{C}\) on võrdeline läbi selle pinna voolava koguvooluga:
\[ \oint_{\mathbf{C}} \mathbf{B} \cdot d\mathbf{l} = \mu_0 I_{\text{enc}} \]
Peaaegu samaaegselt selle formuleeringuga andis Lorentz välja seaduse, mis kirjeldab liikuvale laengule elektriväljas \(\mathbf{E}\) ja magnetväljas \(\mathbf{B}\) mõjuvat jõudu. Kiirusega \(\mathbf{v}\) liikuva laengu \(q\) Lorentzi jõud on:
\[ \mathbf{F} = q(\mathbf{E} + \mathbf{v} \times \mathbf{B}) \]
Voolu juhtiva juhtme puhul on juhtmes olevate laengute kiirus \(\mathbf{v}\) tingitud voolust, seega see Lorentzi jõud aitab tegelikult kaasa juhtmele mõjuvale magnetilisele jõule.
Praktilised rakendused
Elektrimootor
Üks tuntumaid magnetjõu rakendusi voolu kandvates juhtmetes on elektrimootor. Elektrimootorid töötavad põhimõttel, et voolu kandvale juhtmele mõjub magnetväljas jõud, mis põhjustab liikumist. Näiteks lihtsas alalisvoolumootoris kasutatakse kommutaatorit, et tagada voolu liikumine läbi magnetväljas asuvate juhtmelõikude, hoides seeläbi rootori pöörlemas.
Elektrigeneraator
Peaaegu elektrimootori vastand, elektrigeneraator, kasutab mehaanilist liikumist elektrivoolu tekitamiseks magnetvälja asetatud juhtmes. Teisisõnu, kui traat magnetväljas pöörleb, põhjustab läbi selle liikuv muutuv magnetväli Faraday elektromagnetilise induktsiooni seaduse kohaselt juhtmes pinge indutseerimise.
Solenoidid ja elektromagnetid
Solenoid on seade, mis koosneb traatmähisest, mis tekitab elektrivoolu läbimisel magnetvälja. Solenoide kasutatakse sageli ajamitena erinevates mehaanilistes ja elektroonilistes rakendustes. Solenoidi tekitatud magnetvälja saab reguleerida, muutes juhtmes voolava voolu hulka.
Sulgemine
Voolu kandvale juhtmele mõjuv magnetjõud on elektromagnetismi põhimõiste, millel on arvukalt rakendusi tänapäeva tehnoloogias. Elektrimootoritest generaatorite ja solenoidideni tuginevad paljud meie igapäevased seadmed ja masinad sellele põhimõttele. Selle magnetjõu aluseks olevate seaduste sügavam mõistmine mitte ainult ei avardu meie arusaama universumi toimimisest, vaid avab ka potentsiaali tulevasteks tehnoloogilisteks uuendusteks.
See arusaam magnetilistest jõududest on arenenud lihtsatest katsetest keerukate rakendusteni tänapäeva tehnoloogias, näidates nende avastuste olulisust teaduse ja tehnika arengus. Süvenedes võime oodata veelgi uuenduslikumate viiside avastamist nende jõudude rakendamiseks inimkonna hüvanguks.
