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 magnetinis 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 srautas
Kertančių 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 kinta tokiuose intervaluose:
|visas magnetinio lauko stiprio vektorius |nuo + 0,62 iki – 0,73|
| |Oe; |
|horizontalioji dedamoji horizontalioji |nuo 0 iki 0,41 Oe; |
|komponentė | |
|vertikalioji dedamoji vertikalioji |nuo + 0,62 iki – 0,73|
|komponentė |Oe; |
|magnetinis nuokrypis |nuo – 180 iki + 180o;|
|magnetinis nuosvyris |nuo –90 iki +90o. |
6.4.5.1. Žemės magnetiniai laukai
Skiriami pagrindiniai ir kintamieji Žemės magnetiniai laukai. Jie nėra pastovūs: kinta dienomis, metais ir šimtmečiais.
Pagrindinis Žemės magnetinis laukas kinta lėtai. Jo kitimas vadinamas amžiaus variacijomis. Pagrindinio lauko kilmę aiškina įvairios hipotezės, viena iš jų (įtikinamiausia) – hidromagnetinės dinamos hipotezė. Manoma, kad elektrai laidžiame ir skystame Žemės branduolyje vyksta intensyvūs ir sudėtingi judesiai, sukeliantys magnetinio lauko saviindukciją. Žemės magnetinis laukas stipriausias prie magnetinių polių (0,65 Oe), o silpniausias − pusiaujo srityje (0,35 Oe). Jei tą magnetinį lauką sužadintų nuolatinis magnetas, „įtaisytas“ Žemės centre ir pasuktas lygiagrečiai su
Žemės ašimi, vienodo stiprumo linijos sutaptų su geografinės platumos lygiagretėmis, o magnetiniai poliai − su geografiniais ašigaliais. Iš tikrųjų Žemės magnetinė ašis pasvirusi į geografinę ašį 11,5o kampu ir nuo
Žemės centro pasistūmėjusi 1140 km į Ramiojo vandenyno pusę, dėl to geomagnetiniai poliai nesutampa su geografiniais ašigaliais. Žemės magnetinės ašies posvyris nuolat kinta, bet ilgą laiką (net dešimtis tūkstančių metų) magnetiniai poliai išlieka maždaug vienoje vietoje. Beje, tikrasis geomagnetinis laukas skiriasi nuo teorinio (kurį sudarytų Žemės viduje įdėtas magnetas). Tikrieji magnetiniai poliai (sueina Šiaurės poliuje ir išeina iš Pietų poliaus) irgi nesutampa su teoriniais geomagnetiniais poliais, be to, abu poliai nutolę nuo savo atitikmenų nevienodai, todėl tikrieji poliai nėra tiksliai vienas prieš kitą, t.y.
juos jungianti tiesė neina per Žemės centrą. Poliai ir magnetinio lauko vaizdas nuolat kinta, nors ir lėtai.
Kintamąjį Žemės magnetini lauką sukelia išoriniai šaltiniai Žemės magnetosferoje ir jonosferoje (labiausiai – Saulės vėjas). Magnetosfera yra erdvės sritis apie Žemę, kurioje jaučiamas Žemės magnetinis laukas. Ji nesimetriška, nes ją veikia saulės vėjas. Jo veikiama magnetosfera ištįsta tarsi krintantis lietaus lašas. Saulės vėjo elektringųjų dalelių srautui susidūrus su Žemės magnetiniu lauku, prieš dalelių srautą susidaro smūginė banga. Toliau už fronto yra turbulencijos sritis ir magnetopauzė –
magnetinio lauko išorinė riba. Radiacijos juostas sudaro dvi stipraus spinduliavimo zonos: vidinė – dalelių energijos protonų srautas iš kosmoso ir išorinė – Saulės vėjo elektringosios dalelės.
Žemės magnetinį lauką trikdo Saulės vėjo elektringosios dalelės.
Įlėkusios į aukštutinę atmosferą, jos šiek tiek pakeičia priežeminį magnetinį lauką. Kai kurie pokyčiai, pavyzdžiui, paros svyravimai, būna reguliarūs, o kiti (magnetinės audros) − nereguliarūs.
Neperiodinis Žemės magnetinio lauko sutrikimas vadinamas magnetine audra. Jas taip pat sukuria Saulės vėjo sąveika su Žemės magnetosferoje ir jonosferoje esančiomis elektringosiomis dalelėmis. Jos trunka nuo kelių valandų iki kelių parų. Magnetinė audra prasideda visoje Žemėje vienu metu ir turi tendenciją pasikartoti kas 27 paras. Keliais procentais valandai, ar net kelioms paroms, pakinta magnetinio lauko dydis ir kryptis. Labai stiprių magnetinių audrų aukštosiose platumose metu magnetinio lauko stipris padidėja iki 4 A/m, silpnesniųjų vidutinėse platumose − nuo 0,1 iki
1 A/m. Todėl magnetinės audros stipriausios, artėjant Saulės aktyvumo 11
metų ciklo maksimumui. Magnetinė audra suintensyvina poliarines pašvaistes, sukelia pokyčius jonosferoje, pablogina trumpabangį radijo ryšį. Magnetinės audros metu įkaista aukštieji atmosferos sluoksniai, todėl protosferoje susidaro ciklonai.
6.4.6. Kosminiai spinduliai
Kosminiai spinduliai, pasiekią Žemės atmosferą − pirminiai kosminiai spinduliai − yra labai didelės energijos elektringosios dalelės. Didžiausia jų dalis yra protonai (apie 92 proc.), o likusi dalis − sunkesnių elementų branduoliai: apie 4 proc. helio branduoliai (alfa dalelės), o likusią dalį sudaro sunkesnių atomų branduoliai, iš kurių gausiausiai yra geležies branduolių. Į atmosferą patenkančių protonų energijos yra nuo 100 MeV iki
100 000 MeV (100 GeV). Tačiau pasitaiko ir milžiniškos energijos dalelių, siekiančių net 1020 eV.
Didelės energijos pirminės kosminių spindulių dalelės atsiranda mūsų galaktikoje. Jų šaltiniai yra sprogstančios žvaigždės. Dalelės labai pagreitinamos tarpžvaigždiniuose magnetiniuose laukuose. Energijos, viršijančios 1019 eV, dalelės įgyja tarpgalaktiniuose laukuose.
Didelės energijos protonui susidūrus su atomo branduoliu, pastarasis suskaldomas į sudėtines dalis − nukleonus, nes atmosferoje esančio, pavyzdžiui, azoto branduolio ryšio energija (tokia energija ir reikalinga branduoliui suskaldyti) apytiksliai lygi 110 MeV. Todėl protonas branduoliui suskaldyti suvartoja nedidelę savo energijos dalį. Dėl to branduolio skeveldros turi didelę kinetinę energiją.
Be to, dar yra sukuriamos didelės energijos dalelės − pi mezonai (pionai). Pionai yra trumpaamžės dalelės. Elektringi pionai (teigiamo ir neigiamo krūvio) skyla į miuonus, neutralūs − į gama kvantus.
Miuonai − tai už elektroną 20 kartų sunkesnės dalelės, savo ruožtu per milijoninę sekundės dalį skyla į elektroną ir neutrinus. Nors pionų ir miuonų gyvavimo laikas mažas, tačiau lėkdamos dideliais greičiais jos gali pasiekti Žemės paviršių. Pasirodo, kad pagrindinę antrinių kosminių spindulių dalį arti Žemės paviršiaus sudaro miuonai.
Kosminių spindulių intensyvumas, kylant aukštyn nuo Žemės paviršiaus, iki 20 km aukščio didėja. Todėl žymiai didesnes apšvitinimo dozes patiria aukštumose gyvenantys žmonės. Ir vidinis ir išorinis apšvitos biologinis poveikis – tai gyvojo audinio atomų ir molekulių sužadinimas, kuriam suvartojama jonizuojančios spinduliuotės enetgija.
Šios suvartotos energijos kiekybinis įvertinimas ir yra apšvitos dozė. Skiriamos: gyviems ir negyviems objektams – sugerties dozė, o gyviems organizmams – lygiaverte dozė. Sugertoji dozė – tai kūno sugertos energijos kiekis, tenkantis masės vienetui. Matavimo vienetas – grėjus, sutrumpintai žymimas Gy.
Lygiavertį dozė – tai ta pati sugertoji dozė, tik patikslinta priklausomai nuo jonizuojančiosios spinduliuotės poveikio. Pavyzdžiui, alfa dalelės vidinės dozės atveju yra pavojingesnės už beta daleles ir gama spindulius, todėl įvedamas soorinis jonizuojančiosios spinduliuotės daugiklis. Jis, pavyzdžiui, alfa dalelėms yra lygus 20, o beta dalelėms ir gama spinduliams
– 1. Taigi lygiavertė dozė yra sugertajai dozei, padaugintai iš soorinio jonizuojančiosios spinduliuotės daugiklio. Matavimo vienetas – sivertas.
Sutrumpintai žymima Sv.
Kadangi jonizuojančiosios spinduliuotės poveikis įvairioms žmogaus kūno dalims yra skirtingas, įvedama efektinė dozės sąvoka. Jos įvertinimui taikomi eksperimentais nustatyti daugikliai. Pavyzdžiui, kaulų čiulpams ir plaučiams – 0,12, skydliaukei – 0,03.
Palyginti didelės vieno Gy ir vieno Sv dozės aptinkamos retai.
Paprastai vartojami jų pavadinimai su priešdėliais: centi – šimtoji dalis
(10-2, žymima raide c), mili – tūkstantoji dalis (10-3, žymima raide m), mikro – milijonoji dalis (10-6, žymima raide μ).
Antai, aukščiausioje Žemės viršukalnėje − Evereste − švitinimo dozė dėl kosminių spindulių apytiksliai lygi 0,5 mSv per metus. Papildomą, kosminės radiacijos sukeltą apšvitinimą, patiria lėktuvu skrendantys keleiviai. Transatlantinis skrydis 10 km aukštyje iš Europos į JAV sukeltų
0,05 mSv dozės papildomą apšvitinimą.
Kadangi Žemė turi stiprų magnetinį lauką, tai mažesnės energijos elektringosios dalelės nepatenka į atmosferą, nes magnetinis laukas jas nukreipia. Ties pusiaujumi pasiekti Žemės atmosferą gali protonai, turintys
15 GeV ar didesnę energiją. Vidutinėse platumose ši energija gali būti 3-5
kartus mažesnė.
Aplink Žemę yra dvi sritys, kuriose Žemės magnetinis laukas yra sulaikęs milžinišką skaičių didelės energijos elektringų dalelių ir privertęs jas judėti uždaromis trajektorijomis link Šiaurės poliaus ir atgal − Pietų poliaus link. Didžiausias dalelių tankis yra ekvatorinėje šių juostų, dar vadinamų van Aleno (VA) juostomis, dalyje ir praktiškai jų nėra virš ašigalių (6.4.7 pav.). Vidinė juosta prasideda 400 km aukštyje ir tęsiasi iki 12 000 km virš ekvatoriaus. Didžiausias dalelių tankis yra apie
3500 km aukštyje. Vidinė VA juosta susideda daugiausia iš didelės energijos
(Ep = 20 MeV0 protonų. Didžiausio intensyvumo srityje 1 cm2 per sekundę skrodžia visomis kryptimis 20 000 dalelių. Išorinė juosta tęsiasi nuo
12 000 km aukščio iki 60 000 km, o didžiausias dalelių tankis yra 15 000 −
20 000 km aukštyje. Išorinės juostos protonai yra Žymiai mažesnės energijos
(Ep = 0,1 MeV) negu vidinės, o jų srautas žymiai didesnis ir siekia
3.108 (cm2s)-1. Dauguma energingųjų dalelių yra elektronai, kurių srautai intensyviausioje srityje siekia 2.108 (cm2s)-1, o energija Ee = 0,04 MeV.
Yra didesnių energijų, viršijančių 1,6 MeV, elektronų, kurių srautas yra apie 104 (cm2 s)-1. Išorinės juostos dalelės dažniausiai yra Saulės kilmės.
Kosminiam laivui skrendant per radiacines juostas, kosmonautai laive gali būti apšvitinami 0,1 Sv per valandą ar net didesne doze. Todėl kosmonautas, išbuvęs keletą parų radiacinėje zonoje, gali gauti mirtiną radiacijos dozę. Kad to nebūtų, kosminiai laivai skraido aukščiuose, neviršijančiuose 250 km, nes pietinėje Atlanto vandenyno dalyje dėl magnetinio lauko nevienodumo vidinė radiacinė juosta nusileidžia iki 300 km virš jūros lygio. Tačiau esant ir tokiems skridimo aukščiams, Amerikos specialistai nepataria kosmonautams išbūti orbitoje ilgiau kaip keturis mėnesius. Kosminėms kelionėms į kitas planetas radiaciniai žiedai didelio pavojau nesukels, nes kosminis laivas labai greitai per juos pralėks.
6.4.7. Magnetinė ir elektrinė žvalgyba
Rūdos ir uolienos, kuriose yra daug įmagnetėjusių mineralų, sukuria aplink save stiprų lokalųjį magnetinį lauką. Geologinėje žvalgyboje magnetometrais nustatomos Žemės magnetinio lauko anomalijos. Jas sukelia regioninės Žemės plutos (kristalinio pamato) magnetizmas, dirvožemio paviršiaus sluoksnio foninis magnetizmas, giliai slūgstančių rūdų magnetinės anomalijos, netoli
Žemės paviršiaus slūgstančių rūdų anomalijos. Šiuo reiškiniu naudojasi geologai, ieškantys naudingųjų iškasenų telkinių. Jautrūs geologų prietaisai pajunta ne tik magnetinį lauką, bet ir gamtines elektros sroves, kurios susidaro tarp rūdos ir paviršinių uolienų, kai pro jas sunkiasi gamtinis vanduo. Naudingųjų iškasenų elektrinė žvalgyba pagrįsta požemine gamtine elektros srove, susijusia su rūdos telkinio magnetiniu lauku. Du į
Žemę įbesti elektrodai prijungti prie milivoltmetro, kuriuo matuojama įtampa tarp elektrodų. Įtampos anomalijos gali rodyti rūdų sankaupų vietas.
Mažus Žemės magnetizmo trikdžius tikriausiai sukelia silpni sūkuriai tarp branduolio ir mantijos, nors panašiai gali veikti ir didžiuliai įmagnetėję uolienų ar rūdų gabalai.
Nuokrypiai nuo tolygių Žemės magnetinių verčių vadinami magnetinėmis anomalijomis. Tiriant magnetinį lauką, daroma magnetinė nuotrauka, iš jos duomenų – magnetinio lauko žemėlapiai, pagal kuriuos ieškoma iškasenų.
6.4.8. Elektromagnetinės indukcijos reiškinys
Nesunku atlikti tokį bandymą: prie uždaros grandinės, sudarytos iš laido, prijungto prie galvanometro gnybtų, artinamas arba tolinamas pastovus magnetas (6.4.8 pav.). Galima pastebėti, kad, artinant prie grandinės magnetą, galvanometro rodyklė atsilenkia ir rodo grandinėje atsiradusią elektros srovę. Nustojus artinti magnetą, grandinėje elektros srovė išnyksta, o tolinant magnetą, srovė vėl atsiranda, tik teka priešinga kryptimi negu magnetą artinant. Šiame bandyme visada grandinės apribotą paviršių veria magneto sukurtas magnetinės indukcijos B srautas Ф:
Ф ( BS(; (6.4.7)
čia S( − grandinės paviršiaus ploto projekcija į plokštumą, statmeną B.
Magnetui artėjant prie grandinės, šis srautas didėja, nes grandinės paviršiaus srityje didėja magnetinės indukcijos jėgų linijų tankis (laukas nevienalytis). Nustojus judinti magnetą, magnetinės indukcijos srautas lieka pastovus, o tolinant magnetą, srautas mažėja.
Vadinasi, grandinėje atsiranda elektros srovė tik tada, kai jos apribotą paviršių veria laiko atžvilgiu kintantis magnetinės indukcijos srautas.
Reiškinys, kai, veriant grandinės apribotą paviršių kintamajam magnetinės indukcijos srautui, grandinėje atsiranda elektrovaros jėga (evj) ir, esant uždarai grandinei, joje ima tekėti elektros srovė, vadinamas elektromagnetinės indukcijos reiškiniu. Taip gaunama elektrovaros jėga, vadinama indukcijos elektrovaros jėga, o elektros srovė – indukcijos srovė. Elektromagnetinės indukcijos reiškinį eksperimentiškai atrado ir ištyrė dar praėjusio šimtmečio pradžioje M. Faradėjus (M. Faraday).
Faradėjaus indukcijos dėsnio analizinę išraišką nustatė F. Neimanas
(F. Neumann). Jis parodė, kad indukcijos evj (i yra lygi magnetinės indukcijos srauto kitimo greičiui [pic] su minuso ženklu:
[pic]. (6.4.8)
Matyti, kad, pasikeitus magnetinės indukcijos srauto išvestinės pagal laiką ženklui, pavyzdžiui, didėjančiam srautui pradėjus mažėti (ėmus tolinti magnetą nuo grandinės), keičiasi ir evj (i ženklas, o kartu ir srovės tekėjimo kryptis.
Indukcijos srovės tekėjimo krypties nustatymo taisyklę suformulavo E.
Lencas (E. Ленц). Pagal šią taisyklę indukcijos srovė Ii teka tokia kryptimi, kad jos sukurtas magnetinis laukas trukdo magnetinio srauto, indukavusio srovę, kitimui, arba indukcijos srovės magnetinis laukas stengiasi kompensuoti srovę sukūrusio magnetinės indukcijos srauto pakitimą.
Pavyzdžiui, jeigu indukcijos srovę sukuria didėjantis magnetinės indukcijos srautas, tai indukcijos srovė 6.4.9 a paveikslo kontūre tekės prieš laikrodžio rodyklę, nes tik tada jos sukurtas magnetinis laukas, būdamas priešingos krypties srautą sukuriančiam laukui, galės mažinti srauto Ф didėjimą.
Jeigu veriantis kontūrą magnetinės indukcijos srautas pradės mažėti, tai indukcijos srovė ims tekėti priešinga kryptimi (6.4.9 b pav., pagal laikrodžio rodyklę), nes tik tada jos magnetinis laukas trukdys nykstančio magnetinio srauto mažėjimui.
Anksčiau aptartame bandyme magnetinės indukcijos srautas kito dėl magnetinės indukcijos B kitimo. Vadinasi, grandinėje atsirado elektros srovė, veriant grandinės kontūrą kintamajam magnetiniam laukui. Tačiau srovei sukelti turėjo atsirasti elektrinis laukas, kuris privertė kryptingai judėti krūvininkus laidininke. Taigi M. Faradėjus atrado fundamentalų fizikinį reiškinį: kintamasis magnetinis laukas vienas neegzistuoja, o savo aplinkoje visuomet sukuria sūkurinį elektrinį lauką, kurio jėgų linijos, skirtingai nuo elektros krūvių sukuriamo lauko, yra uždaros (6.4.10 pav.). Šio elektrinio lauko stiprio vektorius E yra statmenas jį sukūrusio magnetinio lauko magnetinės indukcijos vektoriui B.
Toks elektrinis laukas atsiranda ir tada, kai magnetinio lauko aplinkoje laidininko nėra. Tačiau, esant kintamojo lauko aplinkoje elektros grandinei, elektrinio lauko uždaros jėgų linijos eina grandinės laidais ir šis laukas, kaip indukcijos evj išraiška, sukuria uždaroje grandinėje indukcijos elektros srovę.
6.4.8.1. Saviindukcija
Tekant elektros srovei, grandinėje visuomet sukuriamas magnetinis laukas, kurio magnetinės indukcijos srautas veria tos pačios grandinės apribotą paviršių. Jeigu grandinėje tekanti srovė yra kintama, tai ir magnetinės indukcijos srautas bus kintamas, grandinėje bus sukuriama indukcijos elektrovaros jėga. Šis elektromagnetinės indukcijos atvejis vadinamas saviindukcija, o indukuojama evj – saviindukcijos evj. Ji nustatoma naudojantis Faradėjaus elektromagnetinės indukcijos dėsniu. Iš Bio ir
Savaro dėsnio plaukia, kad elektros srovės sukurto magnetinio lauko indukcija yra tiesiog proporcinga srovės stipriui (B ~ I). Todėl ir srovės sukurtas magnetinės indukcijos srautas, veriantis grandinės paviršių, bus proporcingas srovės stipriui:
Ф ( LI; (6.4.9)
čia proporcingumo koeficientas L vadinamas grandinės induktyvumu. Jo skaitinė vertė priklauso nuo grandinės formos, matmenų bei grandinę supančios aplinkos magnetinių savybių. Įrašius magnetinės indukcijos srauto išraišką (6.4.8) į (6.4.9), gaunama saviindukcijos evj:
[pic]. (6.4.10)
Matyti, kad (s yra tiesiog proporcinga grandine tekančios srovės stiprio kitimo greičiui dI/dt. Minuso ženklas šioje formulėje reiškia tai, kad, didėjant srovės stipriui (dI/dt >0), sukurta saviindukcijos evj ir saviindukcijos srovė priešinasi grandinėje tekančios srovės didėjimui.
Mažėjant grandinės srovės stipriui (dI/dt <0), indukuojama tos pačios krypties kaip ir grandinėje tekanti indukcijos srovė, kuri palaiko nykstančią srovę grandinėje.
Iš (6.4.10) galima apibūdinti grandinės induktyvumą L. Jis rodo grandinėje indukuojamą saviindukcijos elektrovaros jėgą, kai srovės kitimo greitis lygus 1A per 1s. Induktyvumo vienetas yra 1H (henris) – tai induktyvumas tokios grandinės, kurioje, esant srovės kitimo greičiui 1A/s, indukuojama 1V saviindukcijos evj.
Kintamosios srovės grandinėse saviindukcija pasireiškia nuolatos.
Nuolatinės srovės grandinėse saviindukcijos evj atsiranda tik įjungiant ir išjungiant grandinę.
6.4.8.2. Abipusė indukcija
Kitas elektromagnetinės indukcijos tipas pasireiškia tada, kai arti viena kitos yra dvi elektros grandinės (6.4.11 pav.). Tekant pirmoje grandinėje kintamajai elektros srovei, jos sukurtas magnetinės indukcijos srautas veria ne tik pirmą, bet iš dalies ir antrą grandinę ir joje sukelia indukcijos evj. Suprantama, kad ir antroje grandinėje tekant kintamajai elektros srovei, visiškai analogiškai pirminėje grandinėje bus indukuojama indukcijos evj. Tai reiškia, kad tarp grandinių egzistuoja induktyvusis ryšys. Šitoks elektromagnetinės indukcijos tipas vadinamas abipuse indukcija. Antroje ir pirmoje grandinėse abipusės indukcijos būdu sukuriamos evj yra tokios:
[pic]; (6.4.11)
[pic];
čia koeficientai L12 ir L21 yra abipusiai grandinių induktyvumai, kurie tai pačiai grandinių porai yra vienodi (L12 ( L21). Grandinių abipusis induktyvumas priklauso nuo grandinių formos, matmenų ir jų tarpusavio išsidėstymo. Jo vienetas (kaip ir grandinės induktyvumo) yra henris (1H).
6.4.8.3. Sūkurinės srovės
Kintant magnetinės indukcijos srautui, indukcijos elektros srovė atsiranda ne tik elektros grandinėse, bet ir masyviuose ištisiniuose metaliniuose kūnuose. Tokios uždaros srovės, atsirandančios metalo gabaluose, vadinamos sūkurinėmis, ar Fuko (Foucault) srovėmis. Šitos srovės teka uždaru keliu plokštumoje, statmenoje jas sukeliančio magnetinio lauko magnetinės indukcijos vektoriui B. Pagal Lenco taisyklę srovės masyviame laidininke pasirenka tokius tekėjimo kelius ir kryptis, kad kuo stipriau priešintųsi jas sukūrusios magnetinės indukcijos kitimui. Kadangi ištisinio metalo gabalo varža yra maža, todėl Fuko srovės gali būti gana stiprios. Tekant
Fuko srovėms, išsiskiria šiluma (I2R), todėl šios srovės sukelia elektros energijos nuostolius. Taigi Fuko srovės, atsirandančios, pavyzdžiui, transformatorių šerdyse, yra žalingos. Tačiau yra prietaisų ir technologijų, kur sūkurinės srovės yra naudingos; pavyzdžiui, fizioterapijoje atskirų žmogaus kūno dalių šildymas Fuko srovėmis yra skiriamas kaip gydomoji procedūra.
Siekiant transformatorių šerdyse sumažinti dėl Fuko srovių atsirandančios elektros nuostolius, yra didinama šerdies varža. Tuo tikslu šerdys gaminamos ne iš monolitinių plieno gabalų, o iš plonų (0,35 ar 0,5
mm storio), izoliuotų vienas nuo kito plieninių lakštų, sudėtų lygiagrečiai su magnetinės indukcijos jėgų linijomis. Tada sūkurinėms srovėms, tekančioms statmena lakštams kryptimi, varža bus pati didžiausia ir jų stipris minimalus.
6.4.9. Įtampos transformatorius
6.4.9.1. Veikimo principas
Transformatoriaus veikimas pagrįstas elektromagnetinės indukcijos reiškiniu. Transformatorius sudarytas iš lakštinio plieno pagamintos uždaros šerdies, ant kurios užmautos dvi skirtingą vijų skaičių turinčios apvijos (6.4.12 pav.). Apvija, prie kurios prijungiamas evj šaltinis, vadinama pirmine, o kita, prie kurios prijungiama apkrova, vadinama antrine. Prijungus prie pirminės apvijos įtampos šaltinį, pirminėje grandinėje atsiranda ir teka elektros srovė. Ji sukuria magnetinį lauką, kurio indukcijos srautas Ф yra sutelktas uždaroje šerdyje, ir jis veria tiek pirminę, tiek antrinę transformatoriaus apvijas. Kadangi pirminėje grandinėje įjungto šaltinio įtampa yra kintama, tai grandine teka kintamoji elektros srovė; ir jos sukurtas magnetinės indukcijos srautas yra kintamas.
Dažniausiai technikoje naudojama pagal sinuso funkciją kintanti srovė; tada magnetinės indukcijos srautą galima išreikšti taip:
Ф ( Фm sin (t; (6.4.12)
čia Фm – srauto amplitudinė vertė, ( – kintamosios srovės kampinis dažnis, (t – srauto fazė. Šitas srautas kiekvienoje apvijos vijoje, užvertoje ant šerdies, sukelia indukcijos elektrovaros jėgą, kuri pagal Faradėjaus dėsnį
(6.4.2) yra
[pic]; (6.4.13)
čia (m – evj amplitudė
(m ( Фm(. (6.4.14)
Evj efektinė vertė yra
[pic]. (6.4.15)
Iš (6.4.13) matyti, kad indukcijos būdu sukuriama evj savo faze atsilieka per (/2 nuo magnetinės indukcijos srauto.
Transformatoriaus apvijose sukurtų evj efektinės vertės yra tiesiog proporcingos apvijų vijų skaičiui:
[pic]; (6.4.16)
čia k12 vadinamas transformatoriaus transformacijos koeficientu. Jis, kaip matyti iš (6.4.16), yra lygus transformatoriaus pirminės apvijos vijų skaičiaus N1 santykiui su antrinės apvijos vijų skaičiumi N2.
Kadangi energijos nuostoliai transformatoriuje yra nedideli, tai pirminės grandinės galia, t.y. galia, imama iš elektros tinklo, yra lygi antrinės grandinės galiai, t.y. galiai, atiduodamai vartotojui.
U1I1 ( U2I2, (6.4.17)
arba
[pic]. (6.4.18)
Vadinasi, pirminėje ir antrinėje grandinėse tekančių srovių stiprių santykis yra atvirkščias įtampų santykiui.
6.4.9.2. Tuščioji eiga
Transformatoriaus tuščiąja eiga vadinama tokia jo veika, kai prie pirminės apvijos yra prijungtas kintamosios įtampos šaltinis, o antrinė apvija atvira, arba apkrovos nėra (6.4.13 pav.) Šiuo atveju pirminėje grandinėje teka labai silpna tuščiosios eigos stiprio I0 srovė ir pirminėje apvijoje indukuojama saviindukcijos evj (s1 pagal didumą artima šaltinio įtampai U1, bet faze atsilieka nuo jos beveik per (:
[pic]. (6.4.19)
Taigi prie pirminės apvijos prijungta šaltinio įtampa beveik kompensuojama pirminėje apvijoje indukuojamos saviindukuojamos evj (s1. Todėl, esant tuščiajai eigai, šioje grandinėje teka visai silpna tuščiosios eigos srovė
I0.
Kadangi tuščiosios eigos atveju −(s1 = U1, o antrinėje apvijoje indukuojama (s2 bus lygi antrinės apvijos įtampai U2, t.y. (a2 = U2 (nes I2
= 0), tai iš (6.4.16) ir pastarosios lygybės plaukia, kad [pic]. (6.4.20)
Taigi transformatoriaus tuščiosios eigos veika yra patogi transformacijos koeficientui ir apvijų vijų skaičiui nustatyti. Tuo tikslu reikia voltmetru išmatuoti įtampas U1 ir U2 pirminėje ir antrinėje apvijose.
6.4.9.3. Darbinė eiga
Transformatoriaus darbine eiga vadinama jo veika, kai prie antrinės apvijos prijungiama apkrova, tai yra sudaroma uždaroji grandinė (6.4.14 pav.).
Tada, esant prijungtam prie pirminės apvijos įtampos šaltiniui, antrinėje apvijoje indukuojama evj (a2, kuri šioje grandinėje sukuria elektros srovę
I2. Pastaroji šerdyje sukuria savo magnetinės indukcijos srautą Ф2, kuris yra priešingos krypties pirminėje apvijoje tekančios srovės sukurtam srautui. Taip yra todėl, kad pirminėje apvijoje magnetinės indukcijos srautą sukuria įjungtos įtampos U1 sukelta srovė, tuo tarpu antrinėje grandinėje srautą Ф2 sukuria indukuojama evj (a2, kuri pagal Lenco taisyklę yra priešinga įtampai U1. Vadinasi, antrinėje apvijoje tekančios srovės magnetinis srautas mažina pirminės grandinės sukeltą magnetinį srautą. Tada pažeidžiama (s1 kompensavimo U1 sąlyga, o esant mažiau kompensuotai šaltinio įtampai U1, pirminėje grandinėje ima tekėti didesnio stiprio I1
srovė. Ji didėja tol, kol atkuriamas šerdyje toks pats kaip tuščiosios eigos magnetinės indukcijos srautas ir nusistovi apytikrė U1 ir (s1 lygybė.
Taigi magnetinės indukcijos srautas šerdyje tiek tuščiosios, tiek darbinės eigos atveju išlieka toks pat, tik pirmuoju atveju jį sukuria pirminėje apvijoje tekanti tuščiosios eigos srovė, o darbinės eigos atveju jį sukuria ir pirminėje, ir antrinėje grandinėje tekančios srovės, arba srautas lygus abiejų srovių sukurtų magnetinės indukcijos srautų sumai:
Ф ( Ф1 + Ф2; (6.4.21)
čia
Ф1 ~ I1N1, ir Ф2 ~ I2N2. (6.4.22)
Kadangi srovių I1 ir I2 amplitudės yra daug didesnės už tuščiosios eigos srovės amplitudę, todėl (6.4.22) galima apytikriai užrašyti taip:
(Ф1( ( (Ф2(. (6.4.23)
Atsižvelgiant į (6.4.22),
[pic]. (6.4.24)
Matyti, kad, transformatoriaus darbinės eigos metu padidėjus apkrovai (I2), tiek pat kartų padidėja ir pirminės grandinės srovės stipris I1 ir imama iš tinklo galia.
6.4.9.4. Naudingumo koeficientas
Esant transformatoriaus darbinei eigai, aktyvioji galia, imama iš elektros tinklo, ir aktyvioji galia, atiduodama vartotojui, yra nevienodos. Taip yra todėl, kad, dirbant transformatoriui, atsiranda elektros nuostolių: šerdyje
– dėl histerezės (plieno permagnetinimo) ir sūkurinių srovių, o apvijose –
dėl jų įšilimo tekant srovei. Nuostoliai šerdyje vadinami plieno nuostoliais, o apvijose – vario nuostoliais. Transformatoriaus atiduodamos vartotojui aktyviosios galios P2 santykis su iš elektros tinklo imama galia
P1 vadinamas transformatoriaus naudingumo koeficientu:
[pic]. (6.4.25)
Transformatorių naudingumo koeficientai yra gana dideli (0,95 (
0,0995 didelės bei vidutinės galios transformatoriams ir 0,7 ( 0,9 mažos galios transformatoriams).
6.4.10. Transformatorių taikymai
Įtampos transformatorius yra elektromagnetinis prietaisas, kuriuo galima keisti kintamosios elektros įtampos dydį nekintant jo dažniui.
Transformatoriai labai reikalingi prietaisai perduoti elektros energiją į didelius nuotolius. Elektros energijos galia tiesiog proporcinga įtampos ir srovės stiprio efektinių verčių sandaugai (~UefIef). Tai reiškia, kad, perduodant elektros energiją, tą pačią galią galima perduoti esant didelei įtampai ir mažam srovės stipriui ar, atvirkščiai, naudojant stiprią srovę, bet esant mažai įtampai. Šiluminiai elektros energijos nuostoliai pagal Džaulio (Joule) dėsnį yra I2R; čia R yra aktyvioji grandinės varža. Taigi aišku, kad perduoti elektros energiją naudojant stiprią elektros srovę dėl didelių elektros nuostolių yra nenaudinga.
Todėl, perduodant elektros energiją, generatoriaus sukuriamą elektros įtampą reikia transformuoti į aukštą įtampą. Tada, išlaikant tą pačią galią, srovės stipris bus tiek kartų mažesnis, kiek kartų padidinama įtampa. Tačiau sumažėjus srovės stipriui, šiluminiai nuostoliai (~I2)
pasidaro nedideli. Pažymėtina, kad šitaip neribotai mažinti nuostolių negalima. Didėjant įtampai, atsiranda naujas nuostolių šaltinis − elektros krūvio nuotėkis nuo aukštos įtampos laidų (vainikinė elektros iškrova).
Todėl aukštos įtampos linijose elektros įtampa paprastai neviršija 220 kV.
Pasiekus elektrai vartotojus, jos įtampa sumažinama iki vartotojų poreikių
(220 ar 127 V). Tam vėl naudojami tik jau įtampą žeminantys transformatoriai.
Transformatoriai plačiai naudojami grandinėse, kurios kintamąją srovę paverčia nuolatine ir apsprendžia grandinėse grįžtamąjį ryšį. Tokios grandinės yra daugumoje šiuolaikinėje medicinoje naudojamų prietaisų, tokių kaip elektrokardiostimuliatorius, elektrokardiografas ir pan.
Atliekant įvairias medicinines procedūras, vienintelė patikima apsaugos priemonė nuo pavojingų įtampų, reikalingų prietaisų maitinimui, yra grandinės atskyrimas nuo paciento transformatoriumi (plačiau žr.3
skyrių).
6.4.11. Rentgeno vamzdis
Vienas iš plačiausiai naudojamų diagnostikos ir gydymo prietaisų medicinoje yra Rentgeno aparatas. Rentgeno aparatai struktūrinei analizei ir diagnostikai plačiai naudojami fizikoje, biologijoje, geologijoje, technikoje ir kitose mokslo srityse. Rentgeno spinduliavimas atsiranda elektronui atiduodant energiją vieno iš procesų metu:
1. Greitai judantį elektroną sulėtinant, dalis jo kinetinės energijos virsta Rentgeno spinduliuote.
2. Vykstant elektrono šuoliui tarp dviejų vidinių atomo sluoksnių, kai jų ryšio energijų skirtumas lygus Rentgeno fotono energijai.
Šie abu procesai pasireiškia Rentgeno vamzdžio taikinyje. Pagrindinės
Rentgeno vamzdžio dalys yra pavaizduotos 6.4.15 paveiksle. Šiuolaikiniame
Rentgeno vamzdyje elektronai išlaisvinami iš įkaitusio siūlo vykstant termoelektroninei emisijai. Siūlas, kuris dažniausiai yra volframo spiralė, yra šildomas juo tekant elektros srovei iš žemos įtampos šaltinio.
Volframas yra naudojamas dėl to, kad jame termoelektroninė emisija pasireiškia ties žymiai žemesnėmis temperatūromis nei jo lydymosi temperatūra. Termoelektroninė emisija − tai laisvų elektronų emisija iš įkaitintų laidininkų paviršiaus vakuume.
Kadangi elektronų ištrūkimui iš laidininko priešinasi vidinės traukos jėgos, tai kambario temperatūroje tik labai mažas skaičius elektronų gali išlėkti iš laidininko.
Didinant laidininko temperatūrą vis daugiau laidininko elektronų įgauna energiją, kurios užtenka elektrono ištrūkimui iš laidininko, o nuo temperatūrų artėjančių prie metalo lydymosi temperatūros šis procesas labai suintensyvėja. Volframui ši temperatūra yra apie 2000 oC. Pridėjus aukštą įtampą tarp siūlo ir anodo, išlaisvinti elektronai yra greitinami išilgai vamzdžio.
Elektronai pasiekę anodą, juda dideliu greičiu ir turi didelę kinetinę energiją. Elektronams sąveikaujant su anodo atomais jų didelė kinetinė energija yra paverčiama Rentgeno spinduliuote ir šiluma. Tačiau tik mažiau kaip 1 % visos elektrono energijos yra paverčiama Rentgeno spinduliuote, kita dalis virsta šiluma, kuri turi būti greitai nunešama, kad nesumažintų Rentgeno spindulių išeigos.
Aukštos įtampos šaltinis yra prijungiamas tarp siūlo, kuris veikia kaip katodas, ir taikinio, kuris yra vamzdžio anodo dalis. Vamzdžio taikiniai, naudojami medicinoje, yra dažniausiai pagaminti iš volframo, kadangi jis pasižymi aukšta lydymosi temperatūra, dideliu šilumos laidumu, bei dideliu atominiu skaičiumi, kas sąlygoja didesnį Rentgeno spinduliuotės efektyvumą. Rentgeno vamzdyje yra palaikomas vakuumas, nes tai įgalina gauti didžiausias greitinamų elektronų energijas. Rentgeno vamzdžio spinduliuojamas bangos ilgis priklauso nuo greitinančios įtampos.
Trumpiausias Rentgeno bangos ilgis nanometrais (t, spinduliuojamas iš
Rentgeno vamzdžio gali būti išreikštas tokia priklausomybe:
(min = hc/(eU) = 12,3/U;
čia U yra greitinanti įtampa, išreikšta kilovoltais. Todėl naudojant
U = 100 kV, trumpiausias Rentgeno spindulių bangos ilgis yra 0,0124 nm.
Rentgeno vamzdis paprastai spinduliuoja ištisinio spektro spinduliuotę, kurios maksimalus intensyvumas yra prie bangos ilgių du−tris kartus didesnių už trumpiausią bangos ilgį. Iš kitos pusės, Rentgeno spindulių intensyvumas yra proporcingas greitinančios įtampos kvadratui. Todėl didinant įtampą, Rentgeno vamzdis spinduliuoja vis intensyviau ir gydymui ar tyrimui reikalinga apšvitinimo dozė surenkama per trumpesnį laiką.
Praktikoje naudojamuose Rentgeno vamzdžiuose greitinanti įtampa yra bent
100 kV, tačiau kai kuriais atvejais naudojami vamzdžiai su greitinančia įtampa net iki 2 MV.
Taigi, bet kurio Rentgeno aparato būtina dalis yra transformatorius.
Kadangi kintamos srovės tinklo įtampa yra 220 V, tai norint gauti 100 kV
įtampą antrinėje grandinėje reikalingas aukštinantysis transformatorius su transformacijos koeficientu virš 500. Reikalinga antrinės apvijos srovė yra nuo 0,5 mA iki 500 mA, todėl transformatoriaus galia varijuoja nuo 100 W
iki 50 kW. Atsižvelgus į problemas kylančias dėl labai aukštos įtampos, t.y. norint išvengti galimo elektrinio pramušimo tarp transformatoriaus apvijų, naudojamas laidas turi turėti gerą izoliaciją. Toks transformatorius, ypač skirtas didelei galiai, yra gana sudėtingas įrenginys.
| Rentgeno aparato grandinėje be transformatoriaus reikalingas dar vienas įrenginys tai įtampos lygintuvas. Rentgeno vamzdžiai, negali veikti esant kintamajam elektriniam laukui. Tokiu būdu, yra būtina kintamąjį elektromagnetinį lauką, arba elektros srovę, pakeisti į nuolatinį elektromagnetinį lauką arba srovę. Tai yra atliekama panaudojant lygintuvus. Tam gali būti naudojami tiek elektrovakuuminiai, tiek ir puslaidininkiniai diodai. Mažos galios schemose kaip lygintuvas gali būti naudojamas ir Rentgeno vamzdis, kadangi jo konstrukcija analogiška elektrovakuuminiam diodui. Tačiau dėl stipraus anodo įšilimo tai netinka, esant didelei galiai, ir šiuo atveju reikalinga atskira lyginimo schema.
6.4.16 paveiksle pavaizduotas lygintuvo veikimo principas. 6.4.16 a paveiksle kintamo elektromagnetinio lauko šaltinis sąlygoja kintamos elektros srovės tekėjimą R pavaizduotu prietaisu. R funkcijos yra geriausios, esant vienakrypčiai srovei. 6.4.16 b paveiksle tarp kintamosios elektros srovės šaltinio ir R yra prijungiamas perjungiklis, kuris tiksliai atsidaro, kai yra teigiamas pusperiodis, o, esant neigiamam pusperiodžiui, užsidaro. Gaunamas rezultatas yra pavaizduotas 6.4.16 c paveiksle.
Punktyrinė kreivė vaizduoja kintamąją elektros srovę, kuri tekėtų 6.4.16 a grandine, o ištisinė kreivė parodo vienakryptę srovę, tekančią 6.4.16 b grandine. Siekiant užtikrinti reikiamą veiką, perjungiklis turėtų persijungti 100 kartų per sekundę dažniu. Kadangi Rentgeno vamzdžio darbas priklauso nuo įtampos pastovumo, tai naudojami dviejų pusperiodžių lygintuvai ir kartais papildomi kondensatoriai išlygintos įtampos stabilizavimui. Kadangi 100 kV įtampa nuo lygintuvo iki Rentgeno vamzdžio perduodama koaksialiniais kabeliais sudarytais iš vidinės gyslos, izoliatoriaus ir gaubiančios išorinės gyslos, tai jie veikia kaip kondensatoriai ir dalinai įgalina stabilizuoti išlygintą įtampa be papildomų kondensatorių.
Laboratorinis darbas “Žemės magnetinio lauko tyrimas”
Darbo užduotis
□ Apskaičiuokite Žemės magnetinio lauko stiprio horizontaliąją dedamąją.
Darbo priemonės ir prietaisai
Maitinimo šaltinis su potenciometru, miliampermetras, tangens-
galvanometras.
Darbo metodika
Žemės magnetinio lauko horizontalioji dedamoji nustatoma tangens-
galvanometru (T-G). Tangens-galvanometrą sudaro kelių vijų vertikaliai pastatyta ritė (pavyzdžiui, n ( 160 vijų; 2r ( 15 cm). Jos centre įtaisytas, laisvai horizontaliojoje plokštumoje besisukąs, ant smailios adatos uždėtas, nedidelis magnetėlis (prie labai didelio laidininko spindulio galima manyti, kad magnetinė rodyklė yra vienalyčiame magnetiniame lauke).
Per vijas tekant srovei, magnetinio lauko stipris jo centre gali būti nustatomas pagal Bio-Savaro-Laplaso formulę
[pic]; (6.4.26)
čia I – srovės stipris, r – ritės spindulys.
Prieš eksperimentą T-G vijų plokštuma nustatoma šiaurės pietų kryptimi, tiksliau tariant, magnetinio meridiano kryptimi, orientuojant ją taip, kad magnetėlis su ja visiškai sutaptų. Kiekvieną magnetėlio polių NS kryptimi veikia Žemės magnetinio lauko stiprio horizontalusis komponentė.
Srovei pradėjus tekėti ritele, joje susikuria magnetinis laukas, kurio plokštuma bus statmena vijų plokštumai. Magnetinę rodyklę veikia du laukai:
srovės sukurtas magnetinis laukas H ir Žemės magnetinio lauko stiprio horizontalusis komponentas H0. Dėl šio poveikio magnetinė rodyklė pasisuka
H1 kryptimi (6.4.17 pav.).
Ritės kontūrą nustačius Žemės magnetinio dienovidinio plokštumoje,
Žemės lauko stiprio horizontalusis komponentas H0 ir apskritiminės srovės lauko stipris centre bus statmeni vienas kitam. Tada [pic].
Iš 6.4.17 paveikslo matyti, kad
[pic]. (6.4.28)
Magnetinio lauko stipris iš n vijų sudarytos ritės centre (žr. 6.4.26
formulę) yra [pic]. (6.4.29)
Akivaizdu, kad tada
[pic]; (6.4.30)
čia santykis[pic] yra vadinamas T-G konstanta.
Darbo eiga
1. Pagal 6.4.18 paveiksle pavaizduotą schemą surenkama elektrinė grandinė.
2. Sukant T-G, jo ritė nustatoma magnetinio meridiano plokštumoje.
Pastaba. Paprastai T-G skritulio padalijimai yra sužymėti taip, kad magnetinės rodyklės galams esant ties nuline padala, vijų plokštuma įgauna reikiamą orientaciją.
3. Įjungus maitinimo šaltinį, potenciometru nusistatoma tam tikra srovės stiprio vertė.
4. Jungikliu keičiant srovės tekėjimo kryptį, randami rodyklėlės atsilenkimo į abi nulinės padėties puses kampai ((1 ir (2). Randamas jų aritmetinis vidurkis ([pic]).
5. Matavimai pakartojami kelioms (5-ioms ir daugiau) srovės stiprio vertėms.
6. Apskaičiuojama Žemės magnetinio lauko horizontaliosios dedamosios H0
vertės ir surandama vidutinė vertė.
7. Duomenys surašomi į lentelę:
|(1,o |(2,o |[pic],o |I, mA |H0, A/m |H0,vid, |
| | | | | |A/m |
B. Laboratorinis darbas “Transformatoriaus tyrimas”
Darbo užduotys
□ Nustatykite transformatoriaus:
□ transformacijos koeficientą k12;
□ antrinės apvijos vijų skaičių N2;
□ naudingumo koeficiento ( priklausomybę nuo antrinės grandinės srovės stiprio I2.
Darbo priemonės ir prietaisai
Transformatorius; ampermetrai ir voltmetrai arba vietoje jų multimetras;
reostatas; srovės šaltinis.
Darbo metodika
Transformatoriaus transformacijos koeficiento ir antrinės apvijos vijų skaičiui nustatyti jungiama transformatoriaus tuščiosios eigos veikos grandinė (6.4.19 pav.), o transformatoriaus naudingajai galiai išmatuoti sudaroma 6.4.20 paveiksle pavaizduota grandinės.
Darbo eiga
1. Sujungiama 6.4.19 paveiksle pavaizduota grandinė. Voltmetru V1
išmatuojama pirminės apvijos įtampa U1, o voltmetru V2 – antrinės apvijos įtampą U2.
2. Iš (6.4.16) apskaičiuojamas transformacijos koeficientas k12.
3. Iš (6.4.17) – antrinės apvijos vijų skaičius N2, kai yra žinomas pirminės apvijos vijų skaičius.
4. Duomenys surašomi į 1 lentelę:
1 lentelė
|U1, V |U2, V |k12 |N2 |
Pastaba. Jeigu nežinomas nei pirminės, nei antrinės apvijos vijų skaičius, tai ant tiriamosios apvijos reikia užvynioti papildomą apviją su nedideliu, bet žinomu vijų skaičiumi. Tada, naudojant transformatoriaus tuščiosios eigos veiką, voltmetru išmatuojama apvijos įtampa Ux, pagalbinės apvijos su žinomu vijų skaičiumi įtampa Už ir iš
(6.4.20) nustatoma Nx:
Nx ( (Ux/Už)Nž. (6.4.31)
5. Sujungus 6.4.20 paveiksle pavaizduotą grandinę voltmetrais V1 ir V2
matuojamos įtampos pirminėje ir antrinėje grandinėse. O taip pat ampermetrais A1 ir A2 išmatuojami srovių stipriai pirminėje ir antrinėje grandinėse.
6. Apskaičiuojamas transformatoriaus naudingumo koeficientas (:
( ( (I2U2)/(I1U1). (6.4.32)
7. Reostatu keičiant antrinės grandinės apkrovą (I2), nustatoma (
priklausomybė nuo apkrovos ir ji pavaizduojama grafiškai ( = ( (I2).
8. Duomenys surašomi į 2 lentelę:
2 lentelė
|U1, V |I1, A |U2, V |I2, A |(, % |
[pic]
6.4.1 pav. Dešiniosios rankos taisyklės iliustravimas [pagal 33]
[pic]
6.4.2 pav. Dešiniosios rankos taisyklė apskritiminės srovės, arba solenoido magnetinio lauko krypčiai nustatyti [pagal 33]
[pic]
a b
6.4.3 pav. Paviršiaus plotą S kertantis magnetinis srautas
[pic]6.4.4 pav. Žemės sukurtas magnetinis laukas
[pic]
6.4.5 pav. Magnetinio lauko nuokrypis [pagal 33]
Š
P
Laisvai pakabintas magnetas
Magnetinis dienovidinis
Į magnetinį pietinį polių
Į geografinį šiaurės polių
[pic]6.4.6 pav. Nuosvyrio kampas
[pic]
6.4.7 pav. Van Aleno juostos [pagal 32]
[pic]
6.4.17 pav. Žemės magnetinio lauko stiprio horizontalusis komponentas
[pic]
6.4.18 pav. Žemės magnetinio lauko tyrimo grandinės schema
[pic]
6.4.8 pav. Elektromagnetinio reiškinio demonstravimas [pagal23]
[pic]
a b
6.4.9 pav. Indukcijos srovės kryptis, kai dФ > 0 (a) ir dФ < 0 (b) [pagal
23]
[pic]
6.4.10 pav. Kintamojo magnetinio lauko sukuriamo elektrinio lauko jėgų linijos [pagal 23]
[pic]
6.4.11 pav. Dviejų elektros grandinių induktyvusis ryšys [pagal 23]
[pic]
6.4.12 pav. Transformatoriaus principinė schema
[pic]6.4.13 pav. Transformatoriaus tuščioji eiga
[pic]
6.4.14 pav. Transformatoriaus darbinės eigos schema
[pic]
6.4.20 pav. Transformatoriaus naudingosios galios P2 matavimo schema
[pic]
6.4.19 pav. Transformatoriaus transformacijos koeficiento ir apvijų vijų skaičiaus nustatymo grandinės schema
[pic]
6.4.15 pav. Pagrindinės Rentgeno vamzdžio schema
[pic][pic]
a b
[pic]
c
6.4.16 pav. Brėžinys lygintuvo veikimo principui aiškinti