Suntuubi-palvelussa käytetään evästeitä. Palvelua käyttämällä hyväksyt evästeiden käytön. Lue lisää. OK

 

 

 

 

 

 

                             Magnetismin syntyminen johtimeen.

Tutkiessaan magnetismia ja sähkön tuottamista sen avulla 1800 luvun alussa, Faraday käytti magnetismin voimasta sanontaa, ”magneettiset voimaviivat”. Hän sai magneetin kentän ja myös magneetin navat näkyviin sirottelelemalla rautaviilajauhoa magneetin yläpuolella olevalle paperiarkille. Jokainen pieni rautajauhokappale muuttuu tutkittavan magneetin magneettikentässä pieneksi magneetiksi jolla on P. ja E. napa. Nämä pienet magneetit asettuvat jonoiksi tutkittavan magneetin P. navalta E. navalle, niin että ensimäinen rautahitunen joka on kiinni sen pohjoisnavassa omalla E. etelänavallaan. Ensimäisen rautahitusen toinen pää on P. Pohjoisnapa johon kiinnittyy seuraava rautahitunen E. navallaan. Sama toistuu koko jonon, koko kunnes jonon viimeinen rautahitunen, sen P, napa, saavuttaa tutkittavan magneetin E. navan.  Nämä magneettijonot asettuvat tutkittavan magneetin ympärille säännöllisen matkan päähän toisistaan, samoin eri jonokerrokset ovat säännollisen matkan päässä toisistaan. Tämä johtuu siitä että jokainen rautajauhe jono on kuin kestomagneetti. Kaikki jonot ovat samansuuntaiset magneettikentältään, ja kun ne ovat vierekkäin niin ne hylkivät toisiaan.

Tutkittavan magneetin pohjoisnavan keskialueelta näyttää jonot lähtevä poispäin magneetista mutta alkavat kääntyä kauempana avaruudessa takaisin kohti etelänapaa. Tällä kokeella saa magneettikentän muodon selville, kuvitellut voimaviivat muodostuvat edellä esitetyn mukaisesti.

Tehdessä tämä koe lieriökäämillä niin nähdään että rautajauhoista muodostuu jonot myös lieriökäämin sisälle, etelänavasta pohjoisnapaan. Rautajauhejonot ovat päättymättömiä renkaita lieriökäämin sisäkautta ulos ympäröivään avaruuteen ja takaisin toisesta päästä sisään lieriökäämiin.

Sähkövirta synnyttää lieriökäämissä samanlaisen magneettikentän siihen kuin kestomagneetissa. Kuparijohdosta tehty lieriökäämin kupariatomeilla on 29 elektronia sen kuorillaan. Uloin kuori sisältää 2 elektronia. Laitettaessa jännite lieriökäämiin, johtimen atomirakenne polarisoituu ja nämä atomien ulkokuoren elektronit alkavat hyppiä atomilta toiselle kohti johtimen + päätä. Kuparin atomit on muuttuneet ellipsin muotoisiksi johtimessa,sähkövirran aiheuttaman polarisaation johdosta, kuva 1. osa johdinta. Elektronien kova vauhti ympäri ytimen jarruuntuu jyrkässä käännöksessä polarisoituneen atomin + puoleisessa päässä.

Elektroni luovuttaa jarrutussäteilynä osan energiastaan suuntaan 90 astetta johtimen sivuun. Koko kuparijohtimen uloimmat elektronit luovuttavat osan negatiivisesta energiastaan samoin ja siitä syntyy                                                                  
pyörivä negatiivinen sähkökenttäkenttä                            (magneettikenttä) johtimen ympärille.

Kuvassa 2. nähdään jännitteelliset johtimet, yläkuvassa havainnoitsija 1. ”näkee”magneettikentän pyörivän ylöspäin.Toisella puolella johdinta havannoitsija 2. ”näkee” saman magneettikentän pyörivän alaspäin. Magneettikenttä pyörii johtimen ympäri elektronin kulkusuunnassa aina vastapäivään.  Kuvien alaosassa on jännitteellinen johdin jossa atomit ovat polarisoituneet.  Sähkötehon kaavan, P=U*I, selittyy johtimen polarisoitumisen suuruudesta.  Jännitteen ollessa pieni johtimessa niin elektronivirran täytyy olla suuri, (paljon elektroneja) että saadaan määrätty sähköteho P. Siirrettyä.Pieni jännite polarisoi vain vähän johtimen kupariatomeja, joten elektronien pieni jarruuntuminen synnyttää heikon pyörivän magneettikentän johtimen ympärille.       

  Suuri jännite johtimessa synnyttää suuren polarisaation johtimen atomeille, joten jokaisen elektronin jarruuntuminen antaa paljon suuremman pyörivän magneettikentän johtimelle. Saman teho siirtämiseen tarvitaan paljon vähemmän liikkuvia elektroneja johtimessa tässä tapauksessa kuin pienen jännitteen johtimessa.

Edellisestä käykin ilmi että sähkövirran teho, voima, on magnetismin voima. Johtimen päiden välisellä jännite-erolla ikäänkuin ”narrataan” johtimen atomit luovuttamaan uloimpien elektroniensa osan negatiivistaenergiaansa magneettikentäksi, polarisoimalla johtimen atomit.

Pitkillä siirtolinjoilla käytetään erittäin suuria jännitteitä, johtimet voivat olla ohuita koska liikkuvia elektroneja tarvitaan vähemmän. Samanlaisen tehon siirtäminen suurella virralla ja pienemmällä jännitteellä aiheutta johtimen  kuumenemisen, lämpöhäviön, suurempi liikkuvien elektronien määrä aiheuttaa enempi  elektronien yhteentörmäyksiä.                             Kuvitellaan 10 metriä pitkä suora jännitteellinen kuparijohdin, kuva 2. Elektronien hyppäykset korkkiruuvin mukaista rataa kohti johtimen plus päätä, aiheuttaa johtimen ympärille, koko matkalle,pyörivän magneettikentän. Kierretään johdin lieriökäämiksi niin saadaan keskitettyä, erotettua, esim, sen ulkopuolella alaspäin suuntautuvan pyörivän negatiivisen kentän ja lieriökäämin sisäpuolella ylöspäin pakkautuvan negatiivisen kentän. Näin kuparijohtimen aineesta saadaan kappale joka sähkövirran voimalla synnyttää ympärilleen pyörivän magneettikentän   Kuvassa 3. on johdinsilmukka, siinä syntyy myös pyörivä negatiivinen sähkökenttä, ( magneettikenttä) johtimen ympärille. Silmukan sisäpuolella johtimen magneettikentät pyörivät samaan suuntaan, siitä syntyy silmukalle myös magneettiset, sähköiset, navat, E. on + napa ja P. on – napa. Nuolet osoittavat elektronien kulkusuunnan johtimessa.

                                                       Kuvassa 4. on lieriökäämi jossa on kolme kierrosta. Tämä lieriökäämin magneettinavat ovat kolme kertaa voimakkaammat kuin edellisen yhden kierroksen esimerkissä. Vierekkäisten kierrosten magneettikentät pyörivät vastakkain, eri suuntiin, niiden välissä. Tavallisessa lieriökäämissä eristetyt johdinkierrokset ovat kiinni toisissaan, sivuttain ja päällekkäin. Jos lieriökäämissä on 100 johdinkierrosta, niin sen magneettinapojen voimakkuus on 100 kertainen verrattuna yhden kierroksen silmukkaan.   Kaikkien johdinkierrosten uloimmat elektronit lieriökäämin sisäpuolella työntävät osan negatiivisesta sähkökentästään lieriökäämin yläosaannegatiivinen jännitekenttä.

Se kenttä on kiertämässä ulkokautta lieriökäämin alaosaan valon nopeudella. Kokonaisuutena lieriökäämin aineen sähkökenttä on muuten normaali. Tämä negatiivisen sähkökentänkentän kiertoliike lieriökäämissä on sama kuin magnetismi.

Lieriökäämin sisäpuolella, alaosaan, syntyy positiivinen sähkökenttä, koska osa sen johtimien pyörivän negatiivisen sähkökentän voimasta siirtyy        lieriökäämin yläosaan. Käämin alaosan positiivinen sähkökenttä vetää käämin ulkokautta negatiivista sähhkökenttää,alaosan atomirakenteen sähkökenttä on näin normaali, neutraali.

 

 

  Vasemmalla kuvassa 5. on poikkileikkaus jossa näkyy kuinka kiertävä magneettikenttä muodostuu jännitteelliseen lieriökäämiin.

Keskikuvassa lieriökäämin sisässä on rautasydän, jonka molekyylien atomirakenne lukkiutuu samanlaiseen magneettista kenttää tuottavaan tilaan kuin lieriökäämikin.

Kuvassa oikealla on rautasydän, kestomagneetin rautaseos on tehty niin että se lukkiutuu magneettiseen tilaan vaikka siitä on poistettu lieriökäämi. Voisi kuvitella kestomagneetin microrakenteen lukkiutuneen jotenkin samanlaiseen tilaan kuin kirjoituksen alussa selitin rautajauhoilla tehdyn ”magneettisten voimaviivojen” selityksessä.

 

Pentti Harvisalo.

pen.har@hotmail.com

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

©2017 Sähkö ja magnetismi - suntuubi.com