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, laisvaipakabintas pasisuka šiaurės−pietų kryptimi. Todėl jau tuo metu kinainaudojo magnetinį kompasą, mokėjo įmagnetintį plieną. Apie 500 metus pr.m.ešis mineralas buvo aptiktas Magnezijoje ( Mažosios Azijos vietovėje). Todėlgraikai tokių savybių turinčius kūnus pavadino magnetais, o šias jų savybes− magnetizmu. Ilgai buvo manoma, kad magnetizmas nesusijęs su elektriniaisreiškiniais. 1820 metais H. Erstedas (H. Oersted) ir A. Amperas (A. Ampere)nustatė, kad magnetinis laukas veikia laidininkus, kuriais tekanti srovėveikia magnetinę rodyklę, bet ne traukia ar stumia, o pasuka ją statmenaisrovės krypčiai. Bandymai rodo, kad nuolatiniai magnetai vienas su kitu, ar su elektrossrove sąveikauja būdami vakuume. Magnetiniam poveikiui iš vieno kūno į kitąperduoti nereikia medžiagos. Ši sąveika aiškinama jėgų lauku. Pirmasismagnetinio lauko sąvoką 1845 metais pavartojo anglų fizikas M. Faradėjus(M. Faraday). Bandymai rodė, kad nuolatinis magnetas, elektros srovė arjudantis įelektrintas kūnas kuria magnetinį lauką. Magnetinio laukošaltiniai gana skirtingi, bet lauko kūrimo prasme jie panašūs: laukasatsiranda arba judant elektringosioms mikrodalelėms, arba dėl kai kuriomsmikrodalelėmis būdingos tam tikros magnetinės savybės, nusakomos savituojumagnetiniu momentu. Judant elektringajai dalelei, jos elektrinis laukaskinta laike ir todėl atsiranda magnetinis laukas. Tai − gamtos dėsnis:kiekvienas laike kintantis elektrinis laukas kuria magnetinį lauką, iratvirkščiai − kiekvienas kintantis magnetinis laukas kuria elektrinį lauką.Magnetinis laukas, kurio kiekvieną tašką apibūdinantys dydžiai laikuibėgant nekinta, vadinamas stacionariuoju. Pavyzdžiui, stacionarųjįmagnetinį lauką kuria nejudantis nuolatinis magnetas. Tačiau galima rastikitą atskaitos sistemą, kurios atžvilgiu šis magnetas judėtų. Tokiojeatskaitos sistemoje jo magnetinis laukas kinta laikui bėgant, todėl jojeegzistuoja elektrinis laukas. Stipriomis magnetinėmis savybėmis išsiskiria tiktai geležis ir kaikurios kitos medžiagos, pavyzdžiui, kobaltas, nikelis. Šios medžiagosvadinamos feromagnetikais (lot. ferrum − geležis). Visi kiti taip pat turimagnetinių savybių, bet labai silpnų, kurias galima aptikti tik jautriaisprietaisais. Nejudantys, bet turintys magnetinį momentą kūnai (nuolatinismagnetas), nuolatinė elektros srovė kuria nuolatinį magnetinį lauką,kintamoji elektros srovė, kintamas elektrinis laukas – kintamąjį magnetinįlauką. Magnetinis laukas biologiškai veikia žmogų, gyvūnus, augalus,mikroorganizmus, ląsteles. Ištirta, kad silpnas ir vidutinis magnetinislaukas (daug stipresnis už Žemės magnetinį lauką) slopina nervų sistemossąlyginius ir nesąlyginius refleksus, lėtina ritmą, mažina neuronųelektrinių impulsų dažnį, ląstelėse pakinta biocheminiai procesai.Pažeidžiama nervų ląstelių mitochondrijų struktūra. Magnetiniam laukuilabai jautri yra didžiųjų pusrutulių žievė. Dėl magnetinio lauko poveikiosutrinka kai kurių hormonų hipofizėje gamyba, kraujagyslės išsiplečia,prasideda kraujo išsiliejimai; kraujyje pagausėja leukocitų, pakintatrombocitai. Stiprus magnetinis laukas slopina augalų šaknų augimą, mažinafotosintezės intensyvumą, keičia oksidacijos procesus, mikroorganizmųaugimo pobūdį ir spartą, jų fermentinių sistemų aktyvumą, ribonukleinorūgščių sintezę ir jautrumą aukštesnei temperatūrai. Neseniai mokslininkai įrodė, kad magnetas gali malšinti skausmus.Neseniai buvo atliktas tyrimas su 20 pacientų, sveikstančių po riebalųišsiurbimo procedūrų. Jiems gydyti naudoti magnetiniai pleistrai – jie netik nuslopino diskomforto jausmą, bet ir paskatino sveikimo procedūrą. Pokelių dienų atlėgo ištinusios vietos, o po trijų sumažėjo mėlynių. Panašūstyrimų, atliktų su poliomielito aukomis bei chroniško kojų skausmokamuojamais ligoniais, rezultatai. Magnetai gali ne tik malšinti skausmą –kai kuriais vėžinių susirgimų atvejais jie padeda perduoti chemoterapiniusvaistus į auglių pažeistas vietas. Geomagnetinis laukas ir jo kitimai gyviems organizmams padedaorientuotis erdvėje, suvokti laiką (paukščių ir žuvų migracijai, sliekų,moliuskų, vabzdžių judėjimui), turi įtakos bioprocesams. Kai kurie augalaišaknų sistemą nukreipia išilgai magnetinio dienovidinio. Ilgalaikisdirbtinis 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. IšAmpero dėsnio
F ( IlBsin(.
Matyti, kad magnetinės indukcijos fizikinė prasmė yra tokia. Magnetinėindukcija B skaitine verte yra lygi jėgai F, kuria vienalytis magnetinislaukas veikia 1 m ilgio tiesų laidininką, kai juo teka 1 A stiprio srovė irkai laidininkas statmenas magnetinio lauko krypčiai. Magnetinės indukcijos matavimo vienetas SI sistemoje yra niutonasamperui metrui –N/(A(m) ir vadinamas tesla (T). Bet kuriame magnetiniolauko taške magnetinės indukcijos vektoriaus B kryptis sutampa su kryptimijėgos, veikiančios šiame lauko taške esantį labai mažos magnetinės rodyklėsšiaurinį polių. Magnetinė indukcija paprastai didžiausia yra ties magnetopoliais. Didelė magnetinė indukcija – stiprus magnetinis laukas. Mažamagnetinė indukcija – silpnas magnetinis laukas. Nulinio magnetinio laukotaške magnetinė indukcija lygi nuliui. Jis atsiranda tada, kai sąveikaujadu ar daugiau magnetinių laukų, kurių poveikis vienodo stiprumo, betpriešingų krypčių. Magnetinį lauką grafiškai vaizduoja magnetinės indukcijos, arbamagnetinio lauko, linijos, kurias galima matyti pabarsčius geležies drožliųapie magnetą arba įvairiuose taškuose užfiksavus žyminčiojo kompaso (mažokompaso, neturinčio pažymėtų krypčių) rodomas kryptis. Magnetinėsindukcijos linijos − tai tokios kreivės, kurių liestinės kiekviename taškesutampa su magnetinės indukcijos vektoriaus B kryptimi. Magnetinio lauko
kryptimi susitarta laikyti kryptį, kurią rodo magnetinės rodyklės šiaurėspolius. Šioms linijoms būdinga tai, kad jos jokiame lauko taške nenutrūksta– yra uždaros (arba išeina į begalybę). Tokiomis linijomis apibūdinami jėgųlaukai vadinami sūkuriniais. Vadinasi, ir visi magnetiniai laukai yrasūkuriniai. Magnetinės indukcijos linijos gaubia laidą su srove ir yra uždaros.Srovės kuriamo magnetinio lauko kryptį galima nustatyti ir be magnetinėsrodyklės, tai yra remiantis dešiniosios rankos taisykle (6.4.1 pav.):dešine ranka apėmus laidininką taip, kad ištiestas nykštys rodytų srovėskryptį, pirštai rodo magnetinio lauko linijų kryptį. Magnetinis laukas, kurio visuose taškuose magnetinės indukcijosvektoriaus didumas ir kryptis vienodi, vadinamas vienalyčiu (homogeniniu).Vienalyčiame magnetiniame lauke magnetinės indukcijos linijos einalygiagrečiai. Magnetinis laukas yra nevienalytis (nehomogeninis), jei jo įvairiuosetaškuose magnetinės indukcijos vektorius yra skirtingas. Šiuo atveju yraskirtingas magnetinės indukcijos linijų tankis. Silpnas ir vidutinis magnetiniai laukai (indukcija B ( 4 T) sukuriaminuolatiniais magnetais, elektromagnetais, solenoidais (solenoidu vadinamaritė, kurios ilgis l yra daug didesnis už jos vijų spindulį R),superlaidžiais magnetais. Naudojamas elektrotechnikoje, elektringųjųdalelių greitintuvams, jonizuojančio spinduliavimo detektoriams, masėsspektrometrams. Stiprusis magnetinis laukas (B = 4−100 T) sužadinamassuperlaidžiais (iki 20 T), vandeniu šaldomais (iki 25 T), impulsiniais (iki100 T ir daugiau) solenoidais. Naudojamas kietojo kūno (metalų,puslaidininkių, superlaidininkų) elektronų energijos spektrams,feromagnetizmui tirti, magnetohidrodinaminių variklių ir generatoriųplazmai sulaikyti, žemai temperatūrai gauti, elektroninių mikroskopųelektronų srautams formuoti. Labai stiprūs magnetiniai laukai (B > 100 T)naudojami stipriuose magnetiniuose laukuose ir dideliuose slėgiuosevykstantiems procesams tirti; tai leidžia geriau suprasti planetų iržvaigždžių gelmėse vykstančius procesus.6.4.3. Magnetinio lauko stipris
Laidumo srovių kuriamas magnetinis laukas nepriklauso nuo medžiagosmagnetinių 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 tikrątašką, ilgis. Magnetinio lauko stiprio matavimo vienetas SI sistemoje yraamperas metrui (A/m). Magnetinio lauko stiprio vektoriaus H kryptis nusakoma dešiniosiosrankos taisykle. Apskritiminės srovės magnetiniam laukui taikoma„atvirkštinė“ taisyklė (6.4.2 pav.): dešine ranka apėmus ritę taip, kadpirštai rodytų srovės kryptį, ištiestas nykštys rodo magnetinio laukolinijų kryptį (šiaurės polių). Magnetinio lauko stiprio vektorius H susijęs su magnetinio indukcijosvektoriumi 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 skvarbayra daug didesnė nei oro, todėl magnetinis laukas stengiasi koncentruotisgeležyje. Magnetinio lauko stipris H apibūdina magnetinio lauko intensyvumąvakuume, o lauko magnetinė indukcija B − jo intensyvumą medžiagoje. 6.4.4. Magnetinis srautas
Kertančių ploto vienetą ir statmenų jam magnetinės indukcijos linijųskaičius vienalyčiame magnetiniame lauke nusako šio ploto vietoje esančiąmagnetinę indukciją. Jei magnetinė indukcija tam tikroje vietoje yra lygiB, tai per statmeno paviršiaus plotą S jam statmenų magnetinės indukcijoslinijų skaičius (6.4.3 pav.) vadinamas magnetinės indukcijos srautu, arbatiesiog magnetiniu srautu, ir žymimas (. Jis yra lygus magnetinėsindukcijos B ir jos linijoms statmeno paviršiaus ploto S (kai šį plotąapibrėžia viena vija) sandaugai: ( = BS. (6.1.3)
Magnetinis srautas ( per n vijų ritę išilgai jos ašies, kai vienos vijosapimamas plotas S, yra lygus
( = B S n. (6.4.4)
Nevienalyčiame magnetiniame lauke magnetiniam srautui skaičiuotipasirenkamas labai mažas paviršiaus ploto elementas dS. Jeigu toje vietojemagnetinės indukcijos vektorius yra B ir jo projekcijos į plotelio dSnormalę n skaitinė vertė yra Bn = Bcos ( (( yra kampas tarp B ir n, 6.4.3 apav.), 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 tarppaviršiaus normalės vektoriaus n ir magnetinės indukcijos vektoriaus Bkrypčių, 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 sumagnetinės indukcijos vektoriaus B kryptimi), tai šiuo atveju kampas ( =0o, o cos( = 1 ir paviršiaus plotą kertantis magnetinis srautasskaičiuojamas 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 Tindukcijos magnetiniame lauke.
6.4.5. Žemės magnetinis laukas: kilmė, elementai ir jų matavimas
Žemė ir kosminė erdvė sukuria aplink Žemę magnetinį lauką. Žemei sukantisapie savo ašį, jos mantija su kietąja pluta, slysdamos branduolio išoriniusluoksniu, sukasi šiek tiek greičiau negu vidinis branduolys, todėlbranduolio elektronų ir mantijos bei plutos elektronų greičiai skiriasi.Toks elektronų judėjimas sukuria gamtinį srovės generatorių, kuris savoruožtu kuria magnetinį lauką (6.4.4 pav.), panašiai kaip jį kuria indukcinerite tekanti elektros srovė. Magnetinio lauko, kurį sukuria Žemės gelmės,stipris lygus apie 90( Žemės paviršiuje registruojamo magnetinio laukostiprio. Likusius 10( sudaro Saulės spinduliuojamų elektringųjų daleliųsrautas ir įmagnetėjusios Žemės plutos uolienos. Iš tikrųjų viskas yra daugsudėtingiau, kadangi sąveikauja dviejų tipų magnetiniai laukai ir netgimenki trikdžiai gali pakeisti Žemės magnetinio lauko poliškumą. Magnetiniolauko anomalijas prie Žemės paviršiaus sukelia maži sūkuriai skystojojebranduolio masėje; šie sūkuriai lemia ilgalaikius geomagnetinio laukotrikdžius, kurie pamažu keičia magnetinio lauko kryptį vienoje ar kitojevietoje. Bet kuriame Žemės ir ją supančios erdvės taške Žemės magnetinis laukasnusakomas jo stiprio vektoriumi H, matuojamu erstedais (Oe), 1Oe (
(1/4π)(103 A/m ( 79,5775 A/m arba gamomis (, 1( ( 10-3Oe. Jo dydis irkryptis priklauso nuo trijų komponentų dedamųjų: šiaurės (Hx), rytų (Hy) irvertikaliosios (Hz). Stiprio vektorių H taip pat galima apibūdinti trimisŽemės magnetinio lauko elementais – horizontaliuoju stiprio komponentuhorizontaliąja stiprio dedamąja H0 ([pic]), magnetiniu nuokrypiu (arbamagnetine deklinacija D) ir magnetiniu nuosvyriu (arba magnetineinklinacija I). Nustačius šiuos tris parametrus tam tikroje Žemės vietojegalima 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 pusiaujumažų ratų linijas – magnetines lygiagretes. Taigi kiekvieną Žemės taškąatitinka ne tik geografinės, bet ir magnetinės koordinatės. Kompaso rodyklė nebūtinai nukrypsta tiesiai į šiaurę ir pietus.Kompaso pietinis polius nukreiptas į tašką, vadinamą pietiniu magnetiniupoliumi, o šiaurinis polius – į šiaurinį magnetinį polių. Kampas ( tarpkompaso rodomos pietinio magnetinio poliaus krypties ir Žemės ašiesvadinamas magnetiniu nuokrypiu, arba magnetine deklinacija D (lot.declinatio − nukrypimas), arba kitaip − tai kampas tarp tiesės, nukreiptosį tikrąją šiaurę (į geografinį šiaurės polių), ir tiesės, einančios išilgaimagnetinio dienovidinio (pietinio magnetinio poliaus link) tam tikrametaške (6.4.5 pav). Magnetinio lauko jėgų linijos eina skleistine išŠiaurinio magnetinio poliaus N (esančio šalia geografinio pietinio) irsueina į vieną tašką pietiniame magnetiniame poliuje S (esančio šaliageografinio šiaurinio). Nuokrypį lemia tai, kad tikrasis Žemės magnetinislaukas nesutampa su teoriniu šio lauko įvaizdžiu. Jo dydis įvairiose Žemėsvietose skirtingas. Skiriamas rytinis ir vakarinis nuokrypis (šiaurinioašigalio rodyklė atitinkamai pasisuka į dešinę ar kairę nuo geografiniodienovidinio). Magnetiniu nuosvyriu, arba magnetine inklinacija I (lot. inclinatio −palenkimas), vadinamas kampas ( tarp Žemės paviršiaus horizontaliosiosplokštumos ir Žemės magnetinio lauko stiprio vektoriaus (pastarojo kryptįrodo magnetinė rodyklė). Magnetiniame pusiaujyje magnetinė inklinacija lygi0o, o magnetiniuose poliuose (90o (ten magnetinė rodyklė statmena horizontoplokštumai). Tarp magnetinio pusiaujo ir magnetinio poliaus nuosvyrio dydisyra nuo 0o iki 90o. Magnetinio lauko nuosvyris (I) (6.4.6 pav.) prie Žemėspaviršiaus siejasi su magnetine platuma (L), nustatoma magnetinės ašiesatžvilgiu. Tarus, kad tikrasis Žemės magnetinis laukas visiškai sutampa suteoriniu (įsivaizduojamu magnetu, sutampančiu su geografine Žemės ašimi),iš paleomagnetinių (senovinio magnetizmo) duomenų galima apskaičiuotipraeities sausumos platumą. Inklinacija matuojama inklinometru – specialiukompasu, turinčiu horizontalią ašį. Nuosvyris būna šiaurės, arba pietų(šiaurės, arba pietų rodyklės galas bus žemiau horizontaliosiosplokštumos). Tam tikrame Žemės taške laisvai pakabinus magnetinę rodyklę (t.y.pakabinus jos masės centrą taip, kad ji galėtų pasisukti vertikaliojoje irhorizontaliojoje plokštumose), ji nukrypsta pagal tos vietovės Žemėsmagnetinį lauką. Bet Žemės magnetinis laukas – tai tiesaus magneto laukas, tada aišku,kad šio lauko jėgos linijos vertikalios tik magnetiniuose poliuose, omagnetiniame ekvatoriuje – horizontalios. Bet kuriame kitame Žemėspaviršiaus taške magnetinio lauko jėgos linijos, magnetinio lauko stiprioliestinė ir laisvai pakabinta rodyklė išsidėsto vertikaliai tam tikru kampušiame Žemės taške ir tam tikru kampu horizontaliajai plokštumai. Kadangimagnetiniai ir geografiniai Žemės poliai nesutampa, tai nesutampamagnetinių ir geografinių dienovidinių plokštumos, einančios per tą Žemėstašką. Vadinasi, laisvai išsidėsčiusi magnetinė rodyklė charakterizuojamaanksčiau aprašytais dviem nuokrypio ( ir nuosvyrio ( kampais, nustatytaistam tikram Žemės taškui. Šie du – nuokrypio ir nuosvyrio – kampai yra pagrindiniai Žemėsmagnetizmo elementai. Pavyzdžiui, Žemės magnetinis laukas jos paviršiujekinta 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 nėrapastovūs: kinta dienomis, metais ir šimtmečiais. Pagrindinis Žemės magnetinis laukas kinta lėtai. Jo kitimas vadinamasamžiaus variacijomis. Pagrindinio lauko kilmę aiškina įvairios hipotezės,viena iš jų (įtikinamiausia) – hidromagnetinės dinamos hipotezė. Manoma,kad elektrai laidžiame ir skystame Žemės branduolyje vyksta intensyvūs irsudėtingi judesiai, sukeliantys magnetinio lauko saviindukciją. Žemėsmagnetinis laukas stipriausias prie magnetinių polių (0,65 Oe), osilpniausias − pusiaujo srityje (0,35 Oe). Jei tą magnetinį lauką sužadintųnuolatinis magnetas, „įtaisytas“ Žemės centre ir pasuktas lygiagrečiai suŽemės ašimi, vienodo stiprumo linijos sutaptų su geografinės platumoslygiagretėmis, o magnetiniai poliai − su geografiniais ašigaliais. Ištikrųjų Žemės magnetinė ašis pasvirusi į geografinę ašį 11,5o kampu ir nuoŽemės centro pasistūmėjusi 1140 km į Ramiojo vandenyno pusę, dėl togeomagnetiniai poliai nesutampa su geografiniais ašigaliais. Žemėsmagnetinės ašies posvyris nuolat kinta, bet ilgą laiką (net dešimtistūkstančių metų) magnetiniai poliai išlieka maždaug vienoje vietoje. Beje,tikrasis geomagnetinis laukas skiriasi nuo teorinio (kurį sudarytų Žemėsviduje įdėtas magnetas). Tikrieji magnetiniai poliai (sueina Šiaurėspoliuje ir išeina iš Pietų poliaus) irgi nesutampa su teoriniaisgeomagnetiniais poliais, be to, abu poliai nutolę nuo savo atitikmenųnevienodai, todėl tikrieji poliai nėra tiksliai vienas prieš kitą, t.y.juos jungianti tiesė neina per Žemės centrą. Poliai ir magnetinio laukovaizdas nuolat kinta, nors ir lėtai. Kintamąjį Žemės magnetini lauką sukelia išoriniai šaltiniai Žemėsmagnetosferoje ir jonosferoje (labiausiai – Saulės vėjas). Magnetosfera yraerdvės sritis apie Žemę, kurioje jaučiamas Žemės magnetinis laukas. Jinesimetriška, nes ją veikia saulės vėjas. Jo veikiama magnetosfera ištįsta
tarsi krintantis lietaus lašas. Saulės vėjo elektringųjų dalelių srautuisusidūrus su Žemės magnetiniu lauku, prieš dalelių srautą susidaro smūginėbanga. Toliau už fronto yra turbulencijos sritis ir magnetopauzė –magnetinio lauko išorinė riba. Radiacijos juostas sudaro dvi stiprausspinduliavimo zonos: vidinė – dalelių energijos protonų srautas iš kosmosoir išorinė – Saulės vėjo elektringosios dalelės. Žemės magnetinį lauką trikdo Saulės vėjo elektringosios dalelės.Įlėkusios į aukštutinę atmosferą, jos šiek tiek pakeičia priežeminįmagnetinį lauką. Kai kurie pokyčiai, pavyzdžiui, paros svyravimai, būnareguliarūs, o kiti (magnetinės audros) − nereguliarūs. Neperiodinis Žemės magnetinio lauko sutrikimas vadinamas magnetineaudra. Jas taip pat sukuria Saulės vėjo sąveika su Žemės magnetosferoje irjonosferoje esančiomis elektringosiomis dalelėmis. Jos trunka nuo keliųvalandų iki kelių parų. Magnetinė audra prasideda visoje Žemėje vienu metuir turi tendenciją pasikartoti kas 27 paras. Keliais procentais valandai,ar net kelioms paroms, pakinta magnetinio lauko dydis ir kryptis. Labaistiprių magnetinių audrų aukštosiose platumose metu magnetinio laukostipris padidėja iki 4 A/m, silpnesniųjų vidutinėse platumose − nuo 0,1 iki1 A/m. Todėl magnetinės audros stipriausios, artėjant Saulės aktyvumo 11metų ciklo maksimumui. Magnetinė audra suintensyvina poliarines pašvaistes,sukelia pokyčius jonosferoje, pablogina trumpabangį radijo ryšį. Magnetinėsaudros metu įkaista aukštieji atmosferos sluoksniai, todėl protosferojesusidaro ciklonai.6.4.6. Kosminiai spinduliai
Kosminiai spinduliai, pasiekią Žemės atmosferą − pirminiai kosminiaispinduliai − yra labai didelės energijos elektringosios dalelės. Didžiausiajų dalis yra protonai (apie 92 proc.), o likusi dalis − sunkesnių elementųbranduoliai: apie 4 proc. helio branduoliai (alfa dalelės), o likusią dalįsudaro sunkesnių atomų branduoliai, iš kurių gausiausiai yra geležiesbranduolių. Į atmosferą patenkančių protonų energijos yra nuo 100 MeV iki100 000 MeV (100 GeV). Tačiau pasitaiko ir milžiniškos energijos dalelių,siekiančių net 1020 eV. Didelės energijos pirminės kosminių spindulių dalelės atsiranda mūsųgalaktikoje. Jų šaltiniai yra sprogstančios žvaigždės. Dalelės labaipagreitinamos tarpžvaigždiniuose magnetiniuose laukuose. Energijos,viršijančios 1019 eV, dalelės įgyja tarpgalaktiniuose laukuose. Didelės energijos protonui susidūrus su atomo branduoliu, pastarasissuskaldomas į sudėtines dalis − nukleonus, nes atmosferoje esančio,pavyzdžiui, azoto branduolio ryšio energija (tokia energija ir reikalingabranduoliui suskaldyti) apytiksliai lygi 110 MeV. Todėl protonasbranduoliui suskaldyti suvartoja nedidelę savo energijos dalį. Dėl tobranduolio skeveldros turi didelę kinetinę energiją. Be to, dar yrasukuriamos didelės energijos dalelės − pi mezonai (pionai). Pionai yratrumpaamžės dalelės. Elektringi pionai (teigiamo ir neigiamo krūvio) skylaį miuonus, neutralūs − į gama kvantus. Miuonai − tai už elektroną 20 kartųsunkesnės dalelės, savo ruožtu per milijoninę sekundės dalį skyla įelektroną ir neutrinus. Nors pionų ir miuonų gyvavimo laikas mažas, tačiaulėkdamos dideliais greičiais jos gali pasiekti Žemės paviršių. Pasirodo,kad pagrindinę antrinių kosminių spindulių dalį arti Žemės paviršiaussudaro miuonai. Kosminių spindulių intensyvumas, kylant aukštyn nuo Žemės paviršiaus,iki 20 km aukščio didėja. Todėl žymiai didesnes apšvitinimo dozes patiriaaukštumose gyvenantys žmonės. Ir vidinis ir išorinis apšvitos biologinispoveikis – tai gyvojo audinio atomų ir molekulių sužadinimas, kuriamsuvartojama jonizuojančios spinduliuotės enetgija. Šios suvartotosenergijos kiekybinis įvertinimas ir yra apšvitos dozė. Skiriamos: gyviemsir negyviems objektams – sugerties dozė, o gyviems organizmams – lygiavertedozė. Sugertoji dozė – tai kūno sugertos energijos kiekis, tenkantis masėsvienetui. Matavimo vienetas – grėjus, sutrumpintai žymimas Gy. Lygiavertįdozė – tai ta pati sugertoji dozė, tik patikslinta priklausomai nuojonizuojančiosios spinduliuotės poveikio. Pavyzdžiui, alfa dalelės vidinėsdozės atveju yra pavojingesnės už beta daleles ir gama spindulius, todėlįvedamas 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 sooriniojonizuojančiosios spinduliuotės daugiklio. Matavimo vienetas – sivertas.Sutrumpintai žymima Sv. Kadangi jonizuojančiosios spinduliuotės poveikis įvairioms žmogauskūno dalims yra skirtingas, įvedama efektinė dozės sąvoka. Jos įvertinimuitaikomi eksperimentais nustatyti daugikliai. Pavyzdžiui, kaulų čiulpams irplaučiams – 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 dozėdėl kosminių spindulių apytiksliai lygi 0,5 mSv per metus. Papildomą,kosminės radiacijos sukeltą apšvitinimą, patiria lėktuvu skrendantyskeleiviai. Transatlantinis skrydis 10 km aukštyje iš Europos į JAV sukeltų0,05 mSv dozės papildomą apšvitinimą. Kadangi Žemė turi stiprų magnetinį lauką, tai mažesnės energijoselektringosios dalelės nepatenka į atmosferą, nes magnetinis laukas jasnukreipia. Ties pusiaujumi pasiekti Žemės atmosferą gali protonai, turintys15 GeV ar didesnę energiją. Vidutinėse platumose ši energija gali būti 3-5kartus mažesnė. Aplink Žemę yra dvi sritys, kuriose Žemės magnetinis laukas yrasulaikęs milžinišką skaičių didelės energijos elektringų dalelių irprivertęs jas judėti uždaromis trajektorijomis link Šiaurės poliaus iratgal − Pietų poliaus link. Didžiausias dalelių tankis yra ekvatorinėje šiųjuostų, dar vadinamų van Aleno (VA) juostomis, dalyje ir praktiškai jų nėravirš ašigalių (6.4.7 pav.). Vidinė juosta prasideda 400 km aukštyje irtęsiasi iki 12 000 km virš ekvatoriaus. Didžiausias dalelių tankis yra apie3500 km aukštyje. Vidinė VA juosta susideda daugiausia iš didelės energijos(Ep = 20 MeV0 protonų. Didžiausio intensyvumo srityje 1 cm2 per sekundęskrodžia 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 siekia3.108 (cm2s)-1. Dauguma energingųjų dalelių yra elektronai, kurių srautaiintensyviausioje srityje siekia 2.108 (cm2s)-1, o energija Ee = 0,04 MeV.Yra didesnių energijų, viršijančių 1,6 MeV, elektronų, kurių srautas yraapie 104 (cm2 s)-1. Išorinės juostos dalelės dažniausiai yra Saulės kilmės. Kosminiam laivui skrendant per radiacines juostas, kosmonautai laivegali būti apšvitinami 0,1 Sv per valandą ar net didesne doze. Todėlkosmonautas, išbuvęs keletą parų radiacinėje zonoje, gali gauti mirtinąradiacijos dozę. Kad to nebūtų, kosminiai laivai skraido aukščiuose,neviršijančiuose 250 km, nes pietinėje Atlanto vandenyno dalyje dėlmagnetinio lauko nevienodumo vidinė radiacinė juosta nusileidžia iki 300 kmvirš jūros lygio. Tačiau esant ir tokiems skridimo aukščiams, Amerikosspecialistai nepataria kosmonautams išbūti orbitoje ilgiau kaip keturismėnesius. Kosminėms kelionėms į kitas planetas radiaciniai žiedai dideliopavojau 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 aplinksave stiprų lokalųjį magnetinį lauką. Geologinėje žvalgyboje magnetometraisnustatomos Žemės magnetinio lauko anomalijos. Jas sukelia regioninės Žemėsplutos (kristalinio pamato) magnetizmas, dirvožemio paviršiaus sluoksniofoninis magnetizmas, giliai slūgstančių rūdų magnetinės anomalijos, netoliŽemės paviršiaus slūgstančių rūdų anomalijos. Šiuo reiškiniu naudojasigeologai, ieškantys naudingųjų iškasenų telkinių. Jautrūs geologųprietaisai pajunta ne tik magnetinį lauką, bet ir gamtines elektros sroves,kurios susidaro tarp rūdos ir paviršinių uolienų, kai pro jas sunkiasigamtinis vanduo. Naudingųjų iškasenų elektrinė žvalgyba pagrįsta požeminegamtine elektros srove, susijusia su rūdos telkinio magnetiniu lauku. Du įŽemę įbesti elektrodai prijungti prie milivoltmetro, kuriuo matuojamaįtampa tarp elektrodų. Įtampos anomalijos gali rodyti rūdų sankaupų vietas. Mažus Žemės magnetizmo trikdžius tikriausiai sukelia silpni sūkuriaitarp branduolio ir mantijos, nors panašiai gali veikti ir didžiuliaiįmagnetėję uolienų ar rūdų gabalai. Nuokrypiai nuo tolygių Žemės magnetinių verčių vadinami magnetinėmisanomalijomis. Tiriant magnetinį lauką, daroma magnetinė nuotrauka, iš josduomenų – 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 pastovusmagnetas (6.4.8 pav.). Galima pastebėti, kad, artinant prie grandinėsmagnetą, galvanometro rodyklė atsilenkia ir rodo grandinėje atsiradusiąelektros srovę. Nustojus artinti magnetą, grandinėje elektros srovėišnyksta, o tolinant magnetą, srovė vėl atsiranda, tik teka priešingakryptimi negu magnetą artinant. Šiame bandyme visada grandinės apribotąpaviršių 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 grandinėspaviršiaus srityje didėja magnetinės indukcijos jėgų linijų tankis (laukasnevienalytis). Nustojus judinti magnetą, magnetinės indukcijos srautaslieka pastovus, o tolinant magnetą, srautas mažėja. Vadinasi, grandinėjeatsiranda elektros srovė tik tada, kai jos apribotą paviršių veria laikoatžvilgiu kintantis magnetinės indukcijos srautas. Reiškinys, kai, veriantgrandinės apribotą paviršių kintamajam magnetinės indukcijos srautui,grandinėje atsiranda elektrovaros jėga (evj) ir, esant uždarai grandinei,joje ima tekėti elektros srovė, vadinamas elektromagnetinės indukcijosreiškiniu. Taip gaunama elektrovaros jėga, vadinama indukcijos elektrovarosjėga, o elektros srovė – indukcijos srovė. Elektromagnetinės indukcijosreiškinį eksperimentiškai atrado ir ištyrė dar praėjusio šimtmečiopradžioje M. Faradėjus (M. Faraday). Faradėjaus indukcijos dėsnio analizinę išraišką nustatė F. Neimanas(F. Neumann). Jis parodė, kad indukcijos evj (i yra lygi magnetinėsindukcijos srauto kitimo greičiui [pic] su minuso ženklu:
[pic]. (6.4.8)
Matyti, kad, pasikeitus magnetinės indukcijos srauto išvestinės pagal laikąženklui, pavyzdžiui, didėjančiam srautui pradėjus mažėti (ėmus tolintimagnetą nuo grandinės), keičiasi ir evj (i ženklas, o kartu ir srovėstekėjimo kryptis. Indukcijos srovės tekėjimo krypties nustatymo taisyklę suformulavo E.Lencas (E. Ленц). Pagal šią taisyklę indukcijos srovė Ii teka tokiakryptimi, kad jos sukurtas magnetinis laukas trukdo magnetinio srauto,indukavusio srovę, kitimui, arba indukcijos srovės magnetinis laukasstengiasi kompensuoti srovę sukūrusio magnetinės indukcijos srautopakitimą. Pavyzdžiui, jeigu indukcijos srovę sukuria didėjantis magnetinėsindukcijos srautas, tai indukcijos srovė 6.4.9 a paveikslo kontūre tekėsprieš laikrodžio rodyklę, nes tik tada jos sukurtas magnetinis laukas,būdamas priešingos krypties srautą sukuriančiam laukui, galės mažintisrauto Ф didėjimą. Jeigu veriantis kontūrą magnetinės indukcijos srautaspradės mažėti, tai indukcijos srovė ims tekėti priešinga kryptimi (6.4.9 bpav., pagal laikrodžio rodyklę), nes tik tada jos magnetinis laukas trukdysnykstančio magnetinio srauto mažėjimui. Anksčiau aptartame bandyme magnetinės indukcijos srautas kito dėlmagnetinės indukcijos B kitimo. Vadinasi, grandinėje atsirado elektrossrovė, veriant grandinės kontūrą kintamajam magnetiniam laukui. Tačiausrovei sukelti turėjo atsirasti elektrinis laukas, kuris privertėkryptingai judėti krūvininkus laidininke. Taigi M. Faradėjus atradofundamentalų fizikinį reiškinį: kintamasis magnetinis laukas vienasneegzistuoja, o savo aplinkoje visuomet sukuria sūkurinį elektrinį lauką,kurio jėgų linijos, skirtingai nuo elektros krūvių sukuriamo lauko, yrauždaros (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 aplinkojelaidininko nėra. Tačiau, esant kintamojo lauko aplinkoje elektrosgrandinei, elektrinio lauko uždaros jėgų linijos eina grandinės laidais iršis laukas, kaip indukcijos evj išraiška, sukuria uždaroje grandinėjeindukcijos elektros srovę.6.4.8.1. Saviindukcija
Tekant elektros srovei, grandinėje visuomet sukuriamas magnetinis laukas,kurio magnetinės indukcijos srautas veria tos pačios grandinės apribotąpaviršių. Jeigu grandinėje tekanti srovė yra kintama, tai ir magnetinėsindukcijos srautas bus kintamas, grandinėje bus sukuriama indukcijoselektrovaros jėga. Šis elektromagnetinės indukcijos atvejis vadinamassaviindukcija, o indukuojama evj – saviindukcijos evj. Ji nustatomanaudojantis Faradėjaus elektromagnetinės indukcijos dėsniu. Iš Bio irSavaro dėsnio plaukia, kad elektros srovės sukurto magnetinio laukoindukcija yra tiesiog proporcinga srovės stipriui (B ~ I). Todėl ir srovėssukurtas magnetinės indukcijos srautas, veriantis grandinės paviršių, busproporcingas srovės stipriui:
Ф ( LI; (6.4.9)
čia proporcingumo koeficientas L vadinamas grandinės induktyvumu. Joskaitinė vertė priklauso nuo grandinės formos, matmenų bei grandinęsupančios aplinkos magnetinių savybių. Įrašius magnetinės indukcijos srautoišraišką (6.4.8) į (6.4.9), gaunama saviindukcijos evj:
[pic]. (6.4.10)
Matyti, kad (s yra tiesiog proporcinga grandine tekančios srovėsstiprio kitimo greičiui dI/dt. Minuso ženklas šioje formulėje reiškia tai,kad, didėjant srovės stipriui (dI/dt >0), sukurta saviindukcijos evj irsaviindukcijos srovė priešinasi grandinėje tekančios srovės didėjimui.Mažėjant grandinės srovės stipriui (dI/dt <0), indukuojama tos pačioskrypties kaip ir grandinėje tekanti indukcijos srovė, kuri palaikonykstančią srovę grandinėje. Iš (6.4.10) galima apibūdinti grandinės induktyvumą L. Jis rodograndinėje indukuojamą saviindukcijos elektrovaros jėgą, kai srovės kitimogreitis lygus 1A per 1s. Induktyvumo vienetas yra 1H (henris) – taiinduktyvumas 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 irišjungiant grandinę.
6.4.8.2. Abipusė indukcija
Kitas elektromagnetinės indukcijos tipas pasireiškia tada, kai arti vienakitos yra dvi elektros grandinės (6.4.11 pav.). Tekant pirmoje grandinėjekintamajai elektros srovei, jos sukurtas magnetinės indukcijos srautasveria ne tik pirmą, bet iš dalies ir antrą grandinę ir joje sukeliaindukcijos evj. Suprantama, kad ir antroje grandinėje tekant kintamajaielektros srovei, visiškai analogiškai pirminėje grandinėje bus indukuojamaindukcijos evj. Tai reiškia, kad tarp grandinių egzistuoja induktyvusisryšys. Šitoks elektromagnetinės indukcijos tipas vadinamas abipuseindukcija. Antroje ir pirmoje grandinėse abipusės indukcijos būdusukuriamos evj yra tokios:
[pic]; (6.4.11) [pic];
čia koeficientai L12 ir L21 yra abipusiai grandinių induktyvumai, kurie taipačiai grandinių porai yra vienodi (L12 ( L21). Grandinių abipusisinduktyvumas priklauso nuo grandinių formos, matmenų ir jų tarpusavioišsidėstymo. Jo vienetas (kaip ir grandinės induktyvumo) yra henris (1H).
6.4.8.3. Sūkurinės srovės
Kintant magnetinės indukcijos srautui, indukcijos elektros srovė atsirandane tik elektros grandinėse, bet ir masyviuose ištisiniuose metaliniuosekūnuose. Tokios uždaros srovės, atsirandančios metalo gabaluose, vadinamossūkurinėmis, ar Fuko (Foucault) srovėmis. Šitos srovės teka uždaru keliuplokštumoje, statmenoje jas sukeliančio magnetinio lauko magnetinėsindukcijos vektoriui B. Pagal Lenco taisyklę srovės masyviame laidininkepasirenka tokius tekėjimo kelius ir kryptis, kad kuo stipriau priešintųsijas sukūrusios magnetinės indukcijos kitimui. Kadangi ištisinio metalogabalo varža yra maža, todėl Fuko srovės gali būti gana stiprios. TekantFuko srovėms, išsiskiria šiluma (I2R), todėl šios srovės sukelia elektrosenergijos nuostolius. Taigi Fuko srovės, atsirandančios, pavyzdžiui,transformatorių šerdyse, yra žalingos. Tačiau yra prietaisų irtechnologijų, kur sūkurinės srovės yra naudingos; pavyzdžiui,fizioterapijoje atskirų žmogaus kūno dalių šildymas Fuko srovėmis yraskiriamas kaip gydomoji procedūra. Siekiant transformatorių šerdyse sumažinti dėl Fuko sroviųatsirandančios elektros nuostolius, yra didinama šerdies varža. Tuo tikslušerdys gaminamos ne iš monolitinių plieno gabalų, o iš plonų (0,35 ar 0,5mm storio), izoliuotų vienas nuo kito plieninių lakštų, sudėtų lygiagrečiaisu magnetinės indukcijos jėgų linijomis. Tada sūkurinėms srovėms,tekančioms statmena lakštams kryptimi, varža bus pati didžiausia ir jųstipris minimalus.
6.4.9. Įtampos transformatorius
6.4.9.1. Veikimo principas
Transformatoriaus veikimas pagrįstas elektromagnetinės indukcijosreiškiniu. Transformatorius sudarytas iš lakštinio plieno pagamintosuždaros šerdies, ant kurios užmautos dvi skirtingą vijų skaičių turinčiosapvijos (6.4.12 pav.). Apvija, prie kurios prijungiamas evj šaltinis,vadinama pirmine, o kita, prie kurios prijungiama apkrova, vadinamaantrine. Prijungus prie pirminės apvijos įtampos šaltinį, pirminėjegrandinėje atsiranda ir teka elektros srovė. Ji sukuria magnetinį lauką,kurio indukcijos srautas Ф yra sutelktas uždaroje šerdyje, ir jis veriatiek pirminę, tiek antrinę transformatoriaus apvijas. Kadangi pirminėjegrandinėje įjungto šaltinio įtampa yra kintama, tai grandine teka kintamojielektros srovė; ir jos sukurtas magnetinės indukcijos srautas yra kintamas.Dažniausiai technikoje naudojama pagal sinuso funkciją kintanti srovė; tadamagnetinės 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 antšerdies, 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 atsiliekaper (/2 nuo magnetinės indukcijos srauto.
Transformatoriaus apvijose sukurtų evj efektinės vertės yra tiesiogproporcingos apvijų vijų skaičiui:[pic]; (6.4.16)
čia k12 vadinamas transformatoriaus transformacijos koeficientu. Jis, kaipmatyti iš (6.4.16), yra lygus transformatoriaus pirminės apvijos vijųskaičiaus N1 santykiui su antrinės apvijos vijų skaičiumi N2. Kadangi energijos nuostoliai transformatoriuje yra nedideli, taipirminės grandinės galia, t.y. galia, imama iš elektros tinklo, yra lygiantrinės grandinės galiai, t.y. galiai, atiduodamai vartotojui.
U1I1 ( U2I2, (6.4.17)
arba
[pic]. (6.4.18)
Vadinasi, pirminėje ir antrinėje grandinėse tekančių srovių stipriųsantykis yra atvirkščias įtampų santykiui.
6.4.9.2. Tuščioji eiga
Transformatoriaus tuščiąja eiga vadinama tokia jo veika, kai prie pirminėsapvijos yra prijungtas kintamosios įtampos šaltinis, o antrinė apvijaatvira, arba apkrovos nėra (6.4.13 pav.) Šiuo atveju pirminėje grandinėjeteka labai silpna tuščiosios eigos stiprio I0 srovė ir pirminėje apvijojeindukuojama 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 kompensuojamapirminėje apvijoje indukuojamos saviindukuojamos evj (s1. Todėl, esanttuščiajai eigai, šioje grandinėje teka visai silpna tuščiosios eigos srovėI0. Kadangi tuščiosios eigos atveju −(s1 = U1, o antrinėje apvijojeindukuojama (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 transformacijoskoeficientui ir apvijų vijų skaičiui nustatyti. Tuo tikslu reikia voltmetruišmatuoti įtampas U1 ir U2 pirminėje ir antrinėje apvijose.
6.4.9.3. Darbinė eiga
Transformatoriaus darbine eiga vadinama jo veika, kai prie antrinės apvijosprijungiama apkrova, tai yra sudaroma uždaroji grandinė (6.4.14 pav.).Tada, esant prijungtam prie pirminės apvijos įtampos šaltiniui, antrinėjeapvijoje indukuojama evj (a2, kuri šioje grandinėje sukuria elektros srovęI2. Pastaroji šerdyje sukuria savo magnetinės indukcijos srautą Ф2, kurisyra priešingos krypties pirminėje apvijoje tekančios srovės sukurtamsrautui. Taip yra todėl, kad pirminėje apvijoje magnetinės indukcijossrautą sukuria įjungtos įtampos U1 sukelta srovė, tuo tarpu antrinėjegrandinėje srautą Ф2 sukuria indukuojama evj (a2, kuri pagal Lenco taisyklęyra priešinga įtampai U1. Vadinasi, antrinėje apvijoje tekančios srovėsmagnetinis srautas mažina pirminės grandinės sukeltą magnetinį srautą. Tadapažeidžiama (s1 kompensavimo U1 sąlyga, o esant mažiau kompensuotaišaltinio įtampai U1, pirminėje grandinėje ima tekėti didesnio stiprio I1srovė. Ji didėja tol, kol atkuriamas šerdyje toks pats kaip tuščiosioseigos magnetinės indukcijos srautas ir nusistovi apytikrė U1 ir (s1 lygybė.Taigi magnetinės indukcijos srautas šerdyje tiek tuščiosios, tiek darbinėseigos atveju išlieka toks pat, tik pirmuoju atveju jį sukuria pirminėjeapvijoje tekanti tuščiosios eigos srovė, o darbinės eigos atveju jį sukuriair pirminėje, ir antrinėje grandinėje tekančios srovės, arba srautas lygusabiejų 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 eigossrovės 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 ištinklo galia.
6.4.9.4. Naudingumo koeficientas
Esant transformatoriaus darbinei eigai, aktyvioji galia, imama iš elektrostinklo, ir aktyvioji galia, atiduodama vartotojui, yra nevienodos. Taip yratodėl, kad, dirbant transformatoriui, atsiranda elektros nuostolių: šerdyje– dėl histerezės (plieno permagnetinimo) ir sūkurinių srovių, o apvijose –dėl jų įšilimo tekant srovei. Nuostoliai šerdyje vadinami plienonuostoliais, o apvijose – vario nuostoliais. Transformatoriaus atiduodamosvartotojui aktyviosios galios P2 santykis su iš elektros tinklo imama galiaP1 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 mažosgalios transformatoriams).
6.4.10. Transformatorių taikymai
Įtampos transformatorius yra elektromagnetinis prietaisas, kuriuo galimakeisti kintamosios elektros įtampos dydį nekintant jo dažniui. Transformatoriai labai reikalingi prietaisai perduoti elektrosenergiją į didelius nuotolius. Elektros energijos galia tiesiog proporcingaįtampos ir srovės stiprio efektinių verčių sandaugai (~UefIef). Taireiškia, kad, perduodant elektros energiją, tą pačią galią galima perduotiesant didelei įtampai ir mažam srovės stipriui ar, atvirkščiai, naudojantstiprią srovę, bet esant mažai įtampai. Šiluminiai elektros energijosnuostoliai pagal Džaulio (Joule) dėsnį yra I2R; čia R yra aktyviojigrandinės varža. Taigi aišku, kad perduoti elektros energiją naudojantstiprią elektros srovę dėl didelių elektros nuostolių yra nenaudinga.Todėl, perduodant elektros energiją, generatoriaus sukuriamą elektrosįtampą reikia transformuoti į aukštą įtampą. Tada, išlaikant tą pačiągalią, srovės stipris bus tiek kartų mažesnis, kiek kartų padidinamaįtampa. Tačiau sumažėjus srovės stipriui, šiluminiai nuostoliai (~I2)pasidaro nedideli. Pažymėtina, kad šitaip neribotai mažinti nuostoliųnegalima. Didėjant įtampai, atsiranda naujas nuostolių šaltinis − elektroskrūvio 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 žeminantystransformatoriai. Transformatoriai plačiai naudojami grandinėse, kurios kintamąją srovępaverčia nuolatine ir apsprendžia grandinėse grįžtamąjį ryšį. Tokiosgrandinės yra daugumoje šiuolaikinėje medicinoje naudojamų prietaisų, tokiųkaip elektrokardiostimuliatorius, elektrokardiografas ir pan. Atliekant įvairias medicinines procedūras, vienintelė patikimaapsaugos priemonė nuo pavojingų įtampų, reikalingų prietaisų maitinimui,yra grandinės atskyrimas nuo paciento transformatoriumi (plačiau žr.3skyrių).
6.4.11. Rentgeno vamzdis
Vienas iš plačiausiai naudojamų diagnostikos ir gydymo prietaisų medicinojeyra Rentgeno aparatas. Rentgeno aparatai struktūrinei analizei irdiagnostikai plačiai naudojami fizikoje, biologijoje, geologijoje,technikoje ir kitose mokslo srityse. Rentgeno spinduliavimas atsirandaelektronui 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. PagrindinėsRentgeno vamzdžio dalys yra pavaizduotos 6.4.15 paveiksle. ŠiuolaikiniameRentgeno vamzdyje elektronai išlaisvinami iš įkaitusio siūlo vykstanttermoelektroninei 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 emisijapasireiškia ties žymiai žemesnėmis temperatūromis nei jo lydymositemperatūra. Termoelektroninė emisija − tai laisvų elektronų emisija išįkaitintų laidininkų paviršiaus vakuume. Kadangi elektronų ištrūkimui išlaidininko priešinasi vidinės traukos jėgos, tai kambario temperatūroje tiklabai mažas skaičius elektronų gali išlėkti iš laidininko. Didinantlaidininko temperatūrą vis daugiau laidininko elektronų įgauna energiją,kurios užtenka elektrono ištrūkimui iš laidininko, o nuo temperatūrųartėjančių prie metalo lydymosi temperatūros šis procesas labaisuintensyvėja. Volframui ši temperatūra yra apie 2000 oC. Pridėjus aukštąįtampą tarp siūlo ir anodo, išlaisvinti elektronai yra greitinami išilgaivamzdžio. Elektronai pasiekę anodą, juda dideliu greičiu ir turi didelękinetinę energiją. Elektronams sąveikaujant su anodo atomais jų didelėkinetinė energija yra paverčiama Rentgeno spinduliuote ir šiluma. Tačiautik mažiau kaip 1 % visos elektrono energijos yra paverčiama Rentgenospinduliuote, kita dalis virsta šiluma, kuri turi būti greitai nunešama,kad nesumažintų Rentgeno spindulių išeigos. Aukštos įtampos šaltinis yra prijungiamas tarp siūlo, kuris veikiakaip katodas, ir taikinio, kuris yra vamzdžio anodo dalis. Vamzdžiotaikiniai, naudojami medicinoje, yra dažniausiai pagaminti iš volframo,kadangi jis pasižymi aukšta lydymosi temperatūra, dideliu šilumos laidumu,bei dideliu atominiu skaičiumi, kas sąlygoja didesnį Rentgeno spinduliuotėsefektyvumą. Rentgeno vamzdyje yra palaikomas vakuumas, nes tai įgalinagauti didžiausias greitinamų elektronų energijas. Rentgeno vamzdžiospinduliuojamas bangos ilgis priklauso nuo greitinančios įtampos.Trumpiausias Rentgeno bangos ilgis nanometrais (t, spinduliuojamas išRentgeno vamzdžio gali būti išreikštas tokia priklausomybe:(min = hc/(eU) = 12,3/U;
čia U yra greitinanti įtampa, išreikšta kilovoltais. Todėl naudojantU = 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 kartusdidesnių už trumpiausią bangos ilgį. Iš kitos pusės, Rentgeno spinduliųintensyvumas yra proporcingas greitinančios įtampos kvadratui. Todėldidinant įtampą, Rentgeno vamzdis spinduliuoja vis intensyviau ir gydymuiar tyrimui reikalinga apšvitinimo dozė surenkama per trumpesnį laiką.Praktikoje naudojamuose Rentgeno vamzdžiuose greitinanti įtampa yra bent100 kV, tačiau kai kuriais atvejais naudojami vamzdžiai su greitinančiaįtampa 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 kVįtampą antrinėje grandinėje reikalingas aukštinantysis transformatorius sutransformacijos koeficientu virš 500. Reikalinga antrinės apvijos srovė yranuo 0,5 mA iki 500 mA, todėl transformatoriaus galia varijuoja nuo 100 Wiki 50 kW. Atsižvelgus į problemas kylančias dėl labai aukštos įtampos,t.y. norint išvengti galimo elektrinio pramušimo tarp transformatoriausapvijų, naudojamas laidas turi turėti gerą izoliaciją. Tokstransformatorius, ypač skirtas didelei galiai, yra gana sudėtingasįrenginys.| Rentgeno aparato grandinėje be transformatoriaus reikalingas darvienas įrenginys tai įtampos lygintuvas. Rentgeno vamzdžiai, negali veiktiesant kintamajam elektriniam laukui. Tokiu būdu, yra būtina kintamąjįelektromagnetinį lauką, arba elektros srovę, pakeisti į nuolatinįelektromagnetinį lauką arba srovę. Tai yra atliekama panaudojantlygintuvus. Tam gali būti naudojami tiek elektrovakuuminiai, tiek irpuslaidininkiniai diodai. Mažos galios schemose kaip lygintuvas gali būtinaudojamas ir Rentgeno vamzdis, kadangi jo konstrukcija analogiškaelektrovakuuminiam 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 apaveiksle kintamo elektromagnetinio lauko šaltinis sąlygoja kintamoselektros srovės tekėjimą R pavaizduotu prietaisu. R funkcijos yrageriausios, esant vienakrypčiai srovei. 6.4.16 b paveiksle tarp kintamosioselektros srovės šaltinio ir R yra prijungiamas perjungiklis, kuris tiksliaiatsidaro, 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 agrandine, o ištisinė kreivė parodo vienakryptę srovę, tekančią 6.4.16 bgrandine. Siekiant užtikrinti reikiamą veiką, perjungiklis turėtųpersijungti 100 kartų per sekundę dažniu. Kadangi Rentgeno vamzdžio darbaspriklauso nuo įtampos pastovumo, tai naudojami dviejų pusperiodžiųlygintuvai ir kartais papildomi kondensatoriai išlygintos įtamposstabilizavimui. Kadangi 100 kV įtampa nuo lygintuvo iki Rentgeno vamzdžioperduodama koaksialiniais kabeliais sudarytais iš vidinės gyslos,izoliatoriaus ir gaubiančios išorinės gyslos, tai jie veikia kaipkondensatoriai ir dalinai įgalina stabilizuoti išlygintą įtampa bepapildomų 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 vertikaliaipastatyta ritė (pavyzdžiui, n ( 160 vijų; 2r ( 15 cm). Jos centreįtaisytas, laisvai horizontaliojoje plokštumoje besisukąs, ant smailiosadatos uždėtas, nedidelis magnetėlis (prie labai didelio laidininkospindulio galima manyti, kad magnetinė rodyklė yra vienalyčiame
magnetiniame lauke). Per vijas tekant srovei, magnetinio lauko stipris jo centre gali būtinustatomas 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, kadmagnetėlis su ja visiškai sutaptų. Kiekvieną magnetėlio polių NS kryptimiveikia Žemės magnetinio lauko stiprio horizontalusis komponentė. Srovei pradėjus tekėti ritele, joje susikuria magnetinis laukas, kurioplokštuma bus statmena vijų plokštumai. Magnetinę rodyklę veikia du laukai:srovės sukurtas magnetinis laukas H ir Žemės magnetinio lauko stipriohorizontalusis komponentas H0. Dėl šio poveikio magnetinė rodyklė pasisukaH1 kryptimi (6.4.17 pav.). Ritės kontūrą nustačius Žemės magnetinio dienovidinio plokštumoje,Žemės lauko stiprio horizontalusis komponentas H0 ir apskritiminės srovėslauko 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. 6.4.26formulę) 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 vijųskaičiui nustatyti jungiama transformatoriaus tuščiosios eigos veikosgrandinė (6.4.19 pav.), o transformatoriaus naudingajai galiai išmatuotisudaroma 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] c6.4.16 pav. Brėžinys lygintuvo veikimo principui aiškinti