Elektromagnetism gümnaasiumile
- Eessõna
- 1 Elektriväli
- SissejuhatusLisamaterjalid
- 1.1 ElektrilaengLisamaterjalidLisaülesanded
- 1.2 Coulomb'i seadusLisamaterjalidLisaülesanded
- 1.3 ElektriväliLisamaterjalidLisaülesanded
- 1.4 Elektrivool ja voolutugevusLisamaterjalidLisaülesanded
- 1.5 Elektrivälja töö ja energiaLisamaterjalidLisaülesanded
- 1.6 Elektrivälja potentsiaal ja pingeLisamaterjalidLisaülesanded
- 1.7 Elektrivälja tugevus ja pingeLisamaterjalidLisaülesanded
- 1.8 KondensaatorLisamaterjalidLisaülesanded
- Kordame üle!LisamaterjalidLisaülesanded
- 2 Magnetväli
- Sissejuhatus
- 2.1 PüsimagnetLisamaterjalidLisaülesanded
- 2.2 Vooluga juhtme magnetväliLisamaterjalidLisaülesanded
- 2.3 Magnetinduktsioon ja vooluga juhtmele mõjuv magnetjõudLisamaterjalidLisaülesanded
- 2.4 ElektrimootorLisamaterjalidLisaülesanded
- 2.5 Magnetjõud kahe vooluga juhtme vahel. Ampere’i seadusLisamaterjalidLisaülesanded
- 2.6 Magnetvälja mõju liikuvale laetud osakesele. Lorentzi jõudLisamaterjalidLisaülesanded
- 2.7 Elektrivoolu genereerimineLisamaterjalidLisaülesanded
- 2.8 Faraday induktsiooniseadusLisamaterjalidLisaülesanded
- 2.9 GeneraatorLisamaterjalidLisaülesanded
- 2.10 Magnetvälja energiaLisamaterjalidLisaülesanded
- Kordame üle!
- 3 Elektromagnetväli
- Sissejuhatus
- 3.1 Elektromagnetlainete genereerimineLisamaterjalidLisaülesanded
- 3.2 Elektromagnetlaineid kirjeldavad suurusedLisamaterjalidLisaülesanded
- 3.3 Elektromagnetlainete spekterLisamaterjalidLisaülesanded
- 3.4 Elektromagnetlainete neeldumineLisamaterjalidLisaülesanded
- 3.5 Elektromagnetlainete polarisatsioonLisamaterjalidLisaülesanded
- 3.6 Elektromagnetlainete interferentsLisamaterjalidLisaülesanded
- 3.7 DifraktsioonLisamaterjalidLisaülesanded
- 3.8 Elektromagnetlainete murdumineLisamaterjalidLisaülesanded
- 3.9 SpektraalanalüüsLisamaterjalidLisaülesanded
- 3.10 ValgusallikadLisamaterjalidLisaülesanded
- 3.11 Elektromagnetlainete energia ja footonLisamaterjalidLisaülesanded
- Kordame üle!
Eessõna
Sissejuhatus õpiku kasutajale
Impressum
Autor: Riina Murulaid
Retsenseerinud Kalev Tarkpea (1. peatükk), Jaana Mihailišina ja Toomas Reimann.
Joonised teinud Nils Austa
Keeletoimetanud Piret Põldver
Fotod: Nils Austa, Riina Murulaid, Mikk Noorkõiv, Kaido Reivelt.
Sissejuhatus õpiku kasutajale
Sa avasid just gümnaasiumi füüsika elektromagnetismi kursuse õpiku. Õpikus on kolm suuremat peatükki: „Elektriväli“, „Magnetväli“ ja „Elektromagnetväli“. Igast peatükist leiad nii teoreetilisi selgitusi kui ka praktilisi näiteid teemade kohta, mis on seotud lisaks füüsikale ka meditsiini, muusika, tehnika, keemia, bioloogia ja mitmete teiste valdkondadega.
Õpikus on kokku 29 alapeatükki, igaühes on eristatavad järgmised osad:
- teoreetiline osa on musta kirjaga valgel taustal ja sisaldab valemeid ning jooniseid, mis on olulised antud teemast aru saamiseks ja selle omandamiseks;
- näidisülesanded on tähistatud küsimärgi ja punase joonega vasakul küljel.Näidisülesanded on sageli ka rakenduslikeks näideteks.
- katsed on musta kirjaga beezil taustal. Katseid saab kas ise järele teha, vaadata näitkatsena või tutvuda video vahendusel;
- rakendused ja näited on musta kirjaga hallil taustal. Need muudavad teema elavamaks ja avavad füüsika seotust teiste valdkondadega.
- Harjutusülesanded on iga peatüki lõpus. Arvutusülesannete vastused ilmuvad siia e-õpikusse lähiajal.
„KORDAME ÜLE!“ – iga suurem teema lõpeb kordava osaga, mis sisaldab teoreetilist kokkuvõtet definitsioonide, valemite, näidete ja joonistega.
Kui soovid
1) teada saada, kuidas töötavad näiteks röntgenaparaat, elektrikitarr, mürasummutavad kõrvaklapid, või
2) mõista, kuidas spektrid ja nähtused, nagu difraktsioon ja polarisatsioon, aitavad avardada meie teadmiste silmapiiri, olgu nendeks teadmised mikroosakeste maailmast, universumist või meie enda Maa kohta, või
3) selgeks saada, kuidas töötavad elektrimootorid, kondensaatorid ja generaatorid,
on see õpik just sulle!
Suure austusega
Riina Murulaid
Sissejuhatus
Sissejuhatus
„Elame infoväljas“, „käime reede õhtuti väljas“, „voogav viljaväli“ – sellised ütlused on meile tuttavad nii tavasuhtlusest kui ka aja- ja ilukirjandusest. Tänapäeva teaduses on mõistel väli suur tähtsus, moodustades koos mõistetega energia, aatom, kiirus sõnahulga, mida kohtab enamikus füüsika-alastes teaduspublikatsioonides ja populaarteaduslikes kirjatükkides.
Välja mõistega oleme varasemalt kokku puutunud põhikoolis. 9. klassi elektriõpetuse tundides räägiti nii elektri- kui ka magnetväljast, seostades vastavaid välju neis mõjuvate jõududega. Põhikooli mehaanika kursuses tutvusime raskusjõuga ning gümnaasiumi mehaanika kursustes lisandus mõiste „gravitatsiooniväli“.
Selles õpikus tuleb juttu elektromagnetnähtusi seletavast elektromagnetväljast. Kui õppida ühte eelpool nimetatud väljadest põhjalikumalt tundma, on võimalik teha järeldusi teiste kohta. Nii on kõikide väljade ühine omadus vahendada vastastikmõju, samuti levivad kõik väljad ruumis absoluutkiirusega c=299792458m/s. Ühes ruumipunktis võib koos olla mitu erinevat välja. Kui ainet on suhteliselt lihtne uurida ja tajuda, siis väljadega on asi keerulisem. Samas on magnetvälja olemasolu uurida teistest lihtsam – kui suruda kokku magnetite samanimelisi pooluseid, tuleb rakendada jõudu, mis võib olla märkimisväärselt suur. Surumise ajal võib tajuda magnetitevahelist n-ö elastset ala. Selles alas ongi magnetväli ja me tunnetame seda läbi jõu, sest oleme pannud kaks magnetit omavahel vastastikmõjusse ja seda mõju vahendab magnetväli.
1 Elektriväli
Elektrivälja kasutatakse laetud osakeste kiirendamiseks. Üks tuntumaid elektronide kiirendeid on röntgentoru ehk röntgenlamp. Röntgenlambis kiirendatakse väga tugeva elektrivälja abil elektrone, mida emiteerib katood. Suure kineetilise energia saanud elektronid põrkavad vastu anoodi. Elektronide kineetiline energia muutub väga tugeval pidurdusel röntgenkiirguse energiaks. Spetsiaalse filtri abil filtreeritakse välja madalama energiaga röntgenkiirgus, mis neelduks kudedes neid kahjustades. Vabaneb röntgenkiirgus, mis sobib röntgenpildi tegemiseks.
1.1 Elektrilaeng
1.1.1 Elektrilaeng
Positiivse ja negatiivse (laengu) ristiisaks võib lugeda Benjamin Franklinit (1706–1790), kes oli ühtlasi ka piksevarda leiutaja ja Ameerika Ühendriikide iseseisvusdeklaratsiooni üks autoreid. Franklin tähistas mõistega „positiivne elekter“ siidiriidega hõõrutud klaasist pulgale tekkinud elektrilaengut, ja mõistega „negatiivne elekter“ karusnahaga hõõrutud eboniitpulga laengut.
Kehade laadumine on seotud vabade elektronide ümberpaiknemisega kehades. Kui muidu neutraalsel kehal on elektrone liiga palju, on keha laetud negatiivselt, ja kui neutraalne keha on elektrone ära andnud, on see laetud positiivselt.
Olgu meil tegemist kahe metallkeraga. Laeme ühe neist positiivselt, teise negatiivselt. Laenguid võib saada, kui kasutada Franklini ülal kirjeldatud elektriseerimise viise. Kuna metallkerad on erinimeliselt laetud, esineb nende vahel tõmbejõud. Metallis saavad aatomi väliskihi elektronid liikuda kogu uuritava ainetüki piires ja nii paiknevad elektrijõudude tõttu laengud keradel ümber (joonis 1.2). Elektrijõud mõjuvad nii laetud kehade kui ka metallis olevate elektronide vahel. Mõlemal juhul vahendab jõudusid elektriväli.
Kui laadida neutraalsed kerad uuesti, seekord mõlemad samanimeliselt, näiteks negatiivse laenguga, siis tekib kehade vahel tõukejõud (joonis 1.3). Ka laengud metallkera pinnal vahetavad asukohta.
Kolmandal juhul jätame ühe metallkera neutraalseks, aga teise laeme positiivselt. Kuigi üks on neutraalne, võib täheldada kehadevahelist tõmbejõudu. Põhjuseks on vabade laengute ümberasetumine elektrit juhtivas kehas väliste elektrijõudude tõttu, mistõttu keha pind laadub teise kehaga võrreldes vastasmärgiliselt (joonis 1.4). Sellist nähtust nimetatakse elektriliseks või elektrostaatiliseks induktsiooniks (ld inducere ’esile kutsuma, põhjustama’).
Äikesepilvede laadumisprotsess
Äikesepilvede laadumisprotsess on seotud õhumasside liikumisega üksteise suhtes, mille käigus toimub õhumassiivides asuvate pilveosakeste – lumekristallide, raheterade – vastastikune hõõrdumine ja selle tulemusena nende laadumine. Positiivselt laetud lumekristallide ja negatiivselt laetud raheterade pilvesisesel liikumisel ja raskuse järgi kuhjumisel laaduvad ka pilve osad. Negatiivselt laetud ja raskemad raheterad on pigem pilve alaosas ja kergemad positiivselt laetud lumekristallid ülaosas (joonis 1.5). Äike tekib, kui elektriväli muutub küllalt tugevaks. Äikesepilvedes mõõdetud elektrivälja tugevusest ei piisa siiski välgu tekkimiseks, vaja läheks veelgi tugevamaid elektriväljasid ja seetõttu on atmosfääriteadlaste arvates vaja lisafaktorina päikesetuuli (suure energiaga laetud osakeste voog) või atmosfääri enda jääklaengut ja polariseeritust. Äikeselöögi kestvus on u sekundit ja selle ajaga liigub välgus kuni impulssi.
Katsed elektroskoobiga
Elektroskoop on katseseade, millega saab uurida kehade laenguid ja elektrilist induktsiooni. Lihtsa elektroskoobi saab valmistada järgmistest vahenditest: umbes klaasanum (keeduklaas või klaaspurk), õhuke foolium, plastikkaas või muu plastikust kate, jämedam () vasktraat ja teipi. Fooliumist lõigatakse umbes – pikkused ovaalid, mille ühte otsa tehakse avad. Vasktraat keritakse ühest otsast spiraaliks ja teine ots surutakse läbi plastikkaane ning tehakse otsa väike konks. Konksu külge riputatakse fooliumovaalid. Seejärel suletakse purk kaanega ja fikseeritakse teibiga katseseadme osad. Seade ongi valmis. Elektrilise induktsiooni uurimiseks tuleb vaskspiraalile lähendada elektriliselt laetud keha, nt õhupall, klaaspulk või joonlaud, ja uurida fooliumlehekeste käitumist. Elektroskoopi saab laadida ka laengut jagades. Selleks tuleb laetud kehaga puudutada vaskspiraali.
Mõistel „elektrilaeng“ on mitu tähendust. Siiani käsitlesime elektrilaengut kas keha omaduse või portsu laetud osakeste tähenduses. Elektrostaatikas on olulisel kohal elektrilaengu kui füüsikalise suuruse mõiste.
Elektrilaeng füüsikalise suurusena iseloomustab, kui tugevasti osaleb laetud keha elektromagnetilises vastastikmõjus.
Elektrilaengu tähis on või ja ühik on kulon, lühendina C.
kulon on väga suur laeng. Äikesepilve laengud võivad olla suurusjärgus . Kui meie juuksed on „elektrit täis“, siis on juuksekarvade laengu väärtused vahemikus .
45∘45∘45∘45∘ kulon on väga suur laeng. Äikesepilve laengud võivad olla suurusjärgus F1,res=√F21,res,x+F21,res,y=1,78×10−24N––––––––––––––––––––––––––––––––F1,res=√F21,res,x+F21,res,y=1,78×10−24N––––––––––––––––––––––––––––––––F1,res=√F21,res,x+F21,res,y=1,78×10−24N––––––––––––––––––––––––––––––––F1,res=√F21,res,x+F21,res,y=1,78×10−24N––––––––––––––––––––––––––––––––. Kui meie juuksed on „elektrit täis“, siis on juuksekarvade laengu väärtused vahemikus F1,res,y=F12,y+F14,y=0+F14sin60∘=(2,05×10–24N)(sin60circ)=1,78×10–24NF1,res,y=F12,y+F14,y=0+F14sin60∘=(2,05×10–24N)(sin60circ)=1,78×10–24NF1,res,y=F12,y+F14,y=0+F14sin60∘=(2,05×10–24N)(sin60circ)=1,78×10–24NF1,res,y=F12,y+F14,y=0+F14sin60∘=(2,05×10–24N)(sin60circ)=1,78×10–24N – θ=tan−1F1,res,yF1,res,x=−86,0∘θ=tan−1F1,res,yF1,res,x=−86,0∘θ=tan−1F1,res,yF1,res,x=−86,0∘θ=tan−1F1,res,yF1,res,x=−86,0∘.
Kõige väiksemat vabalt eksisteerivat elektrilaengut looduses nimetatakse elementaarlaenguks .
on elektroni laeng ja on prootoni laeng.
Keemias kasutatakse ioonide tähistamisel suhtelisi laenguid, mis näitavad, mitu korda on iooni laeng suurem elementaarlaengust. Näiteks naatriumi katioon on ja sulfiidi anioon . Kui suhteliste laengute asemel kasutada elektrilaengu väärtusi, on naatriumi katiooni laenguks , sest naatriumi aatom on ühe elektroni loovutanud. Sulfiidioonil on laenguks , sest väävli aatom on liitnud kaks elektroni.
–86,0∘+180∘=94,0∘–––––––––––––86,0∘+180∘=94,0∘–––––––––––––86,0∘+180∘=94,0∘–––––––––––––86,0∘+180∘=94,0∘–––––––––––– on elektroni laeng ja F1,res,x=F12,x+F14,x=F12+F14cos60∘=–1,15×10–24N+(2,05×10–24N)(cos60∘)=–1,25×10–25NF1,res,x=F12,x+F14,x=F12+F14cos60∘=–1,15×10–24N+(2,05×10–24N)(cos60∘)=–1,25×10–25NF1,res,x=F12,x+F14,x=F12+F14cos60∘=–1,15×10–24N+(2,05×10–24N)(cos60∘)=–1,25×10–25NF1,res,x=F12,x+F14,x=F12+F14cos60∘=–1,15×10–24N+(2,05×10–24N)(cos60∘)=–1,25×10–25N on prootoni laeng.
Keemias kasutatakse ioonide tähistamisel suhtelisi laenguid, mis näitavad, mitu korda on iooni laeng suurem elementaarlaengust. Näiteks naatriumi katioon on →F1,res=→F12+→F14→F1,res=→F12+→F14→F1,res=→F12+→F14→F1,res=→F12+→F14 ja sulfiidi anioon F14=14πε0|q1||q2|(34R)2=(8,99×109N⋅m2/C2)×(1,60×10−19C)(3,20×10−19C)(34)2(0,0200m)2=2,05×10−24N. Kui suhteliste laengute asemel kasutada elektrilaengu väärtusi, on naatriumi katiooni laenguks →F14=(1,025×10–24N)^i+(1,775×10–24N)^j→F14=(1,025×10–24N)^i+(1,775×10–24N)^j→F14=(1,025×10–24N)^i+(1,775×10–24N)^j→F14=(1,025×10–24N)^i+(1,775×10–24N)^j, sest naatriumi aatom on ühe elektroni loovutanud. Sulfiidioonil on laenguks →F1,res=→F12+→F14=–(1,15×10–24N)^i+(1,025×10–24N)^i+(1,775×10–24N)^j≈(–1,25×10–25N)^i+(1,78×10–24N)^j––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––→F1,res=→F12+→F14=–(1,15×10–24N)^i+(1,025×10–24N)^i+(1,775×10–24N)^j≈(–1,25×10–25N)^i+(1,78×10–24N)^j––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––→F1,res=→F12+→F14=–(1,15×10–24N)^i+(1,025×10–24N)^i+(1,775×10–24N)^j≈(–1,25×10–25N)^i+(1,78×10–24N)^j––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––→F1,res=→F12+→F14=–(1,15×10–24N)^i+(1,025×10–24N)^i+(1,775×10–24N)^j≈(–1,25×10–25N)^i+(1,78×10–24N)^j––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––––, sest väävli aatom on liitnud kaks elektroni.
Ülesanded
a) Selgita, miks fooliumist lehed üksteisest eemalduvad.
b) Kas fooliumlehed saavad töötada elektroskoobina ka ilma klaaspurgi ja plastikkaaneta, kui riputame need nailonniidiga statiivi külge? Põhjenda vastust. Kui oled elektroskoobi ise ehitanud, tee katse!
1.2 Coulomb'i seadus
1.2.1 Coulomb'i seadus
Katsed elektrijõudude mõõtmiseks
Joonisel 1.7 on kujutatud tundlikku kaalu, millele on asetatud alus, mis on vähemalt 15 cm kõrge, ja aluse peal seisvat laetud kuuli. Kui laetud kuulile lähendada teine kuul, mis on laetud vastasnimeliselt, siis kaalu näit väheneb. Kaalu esialgset näitu saab muuta mitut moodi. Üks võimalus on anda kehadele rohkem laengut või seda vähendada. Teine võimalus on viia kuuli lähemale kaalul asuvale kuulile või eemaldada kuulid üksteisest. Kolmas võimalus on panna vastastikmõjusse samanimeliselt laetud kuulid. Sellest eksperimendist saab järeldada, et a) laetud kuulide vahel mõjub elektriline jõud, b) see jõud sõltub nii kehade laengust kui ka nendevahelisest kaugusest ja c) me saame mõjuvat jõudu kaudselt mõõta.
18. sajandil uuris elektrilisi jõudusid Charles-Augustin de Coulomb (1736–1806), kes silmapaistva insenerina konstrueeris oluliselt tundlikuma seadme, kui on kujutatud joonisel 1.7. Coulomb’i mõõtmistulemustest selgus, et lisaks laengute väärtusele muutub laetud kehade vaheline jõud pöördvõrdeliselt kauguse ruuduga. Seda nimetataksegi Coulomb’i seaduseks.
Coulomb’i seadus matemaatilisel kujul:
Kui tahame arvutada kahe laetud keha vahel mõjuvat jõudu, saame kasutada valemit:
kus on Coulomb’i konstant, mille väärtus on . Et paremini mõista Coulomb’i konstandi tähendust, uurime järgmist skeemi (joonis 1.8).
Skeemil on kujutatud kaks keha laengutega ja kehad on asetatud üksteisest ühe meetri kaugusele. Kuna tegu on samanimeliste laengutega, esineb kehade vahel tõukejõud ja selle jõu väärtuseks on . See on väga suur jõud ja nii lähedale üksteisele on ühekulonilisi laenguga kehi võimatu asetada. Seega, ühekuloniline laeng on väga suur laeng.
Eelmises peatükis uurisime elektrilise induktsiooni nähtust ja sellega seoses peame täpsustama, mida kaugus täpsemalt tähendab. Uurime joonist 1.9.
Elektrilise induktsiooni tõttu nihkuvad laengud ka keha sees. Seega laengutevaheline kaugus on suurem kehade vahelisest kaugusest . Seetõttu saame Coulomb’i seadust rakendada vaid vaid siis, kui kehade mõõtmed on võrreldes kehadevahelise kaugusega tühiselt väikesed. Seetõttu kasutatakse elektrostaatikas tihti punktlaengu mõistet.
Punktlaenguteks nimetatakse laetud kehi, mille mõõtmed on tühiselt väikesed võrreldes nende vahekaugusega. Teisiti, punktlaeng on keha, mille elektrilaengut võib vaadelda koondununa ühte punkti.
Coulomb’i seadust kirjeldav valem kehtib vaakumis. Kui laetud kehad asuvad keskkonnas, on nendevaheline jõud väiksem. Näiteks vees on laengutevaheline jõud ligikaudu korda nõrgem, kui see oleks vaakumis.
Füüsikas nimetatakse suurust, mis näitab, mitu korda on antud keskkonnas elektrijõud nõrgemad võrreldes vaakumiga, selle keskkonna dielektriliseks läbitavuseks, tähis (kreeka tähestiku lühike e – epsilon).
Toatemperatuuril on vee dielektriline läbitavus ligikaudu . Õhu dielektriline läbitavus erineb vaakumi läbitavusest väga vähe ja seega . Tabelist 1.1 on näha, et on materjale, mille dielektriline läbitavus on sadu, isegi tuhandeid kordi suurem vaakumi dielektrilisest läbitavusest.
Elektrilaengute liikumise ja ülekandega seotud olukordade mõtestamisel on vaja silmas pidada ka elektrilaengu jäävuse seadust, mis väidab, et elektriliselt isoleeritud süsteemi kogulaeng on jääv suurus. Laeng võib tekkida ja kaduda vaid paarikaupa ( ja üheskoos).
1. näidisülesanne
Olgu ühel metallkeral laeng ja teisel . Metallkerad on ühesuurused ja võrdse massiga. Metallkerad viidi kontakti ja eemaldati siis uuesti üksteisest.
a) Kui suure laengu sai kumbki metallkera?b) Kuidas muutus kehade vastastikmõju?
Lahendus
a) Kuna tegu on samasuguste parameetritega metallist seadmetega, toimub kokkupuutel laengu ülekanne, mille tulemusena laengud võrdsustuvad. Looduses kehtiva laengu jäävuse seaduse järgi on kehade kogulaeng enne ja pärast laenguülekannet võrdne. Antud juhul enne ja ka pärast kokkupuudet ning seega saavad mõlemad elektroskoobid laengu .
b) Kui katse alguses olid elektroskoobid laetud erinimeliselt, siis pärast kokkupuudet on nad laetud samanimeliselt. Seega muutus elektroskoopide-vaheline tõmbejõud tõukejõuks. Vastastikmõju muutus korda nõrgemaks. Arvesse võttes Coulomb’i seadust, võrdleme ainult laengute korrutisi, sest kehadevahelised kaugused on samad ja ei mõjuta tulemust.
2. näidisülesanne
Hinda jõudu kahe äikesepilve vahel, kui ühel pilvel on laeng ja teisel . Pilvede keskosad on teineteisest 5km kaugusel.Lahendus
Arvutame jõu, kasutades Coulomb’i seadust.
Negatiivne vastus näitab, et tegu on tõmbejõududega positiivsete ja negatiivsete laengute vahel.
Kuna lähteandmed on antud ühe tüvenumbri täpsusega, on ka vastuses ainult üks tüvenumber. Samuti on tegu väga ligikaudsete andmetega, sest saame hinnata vaid pilvede laetud piirkondade ligikaudset vahekaugust, samuti on ka laengud hinnangulised.
Vastuseks saime üsna suure väärtuse . Küsimus on, mida see jõud teeb pilvedega. Vastuse saamiseks kasutame Newtoni teist seadust ja leiame kiirenduse a. Selleks peaksime omakorda hindama pilve massi, mis võib ulatuda tuhandete tonnideni.
Kui pilve mass on , siis kiirendus, mis tekib meie poolt arvutatud jõu mõjul, on . See on võrreldes pilvede loomuliku liikumisega tühine, järelikult nimetatud elektrijõud pilvede liikumist ei mõjuta. Kindlasti on pilvedevaheline elektriline tõmbejõud veelgi väiksem, sest kõik äikesepilved sisaldavad nii positiivselt kui ka negatiivselt laetud piirkondi ja seetõttu on kogulaeng oluliselt väiksem.
Ülesanded
1.3 Elektriväli
1.3.1 Elektriväli
Elektrijõud ei vaja mõjumiseks kontakti nagu ka gravitatsiooni- ja magnetjõud. Mõju avaldub elektriliselt laetud kehade ümber oleva elektrivälja kaudu. Elektriväli ümbritseb iga laetud keha. Elektrivälja aitavad paremini ette kujutada elektrivälja jõujooned.
Elektrivälja jõujoone puutuja suund mingis punktis näitab elektriväljas selles punktis positiivsetele laengutele mõjuva elektrijõu suunda.
9. klassis käsitlesime magnetvälja jõujooni. Neid on suhteliselt lihtne näidata rauapuru ja magnetite abil – rauapuru orienteerub jõujoonte-sihiliselt ja tekitab nähtava joonestiku. Elektrivälja jõujooni on keerulisem näidata, kuna vajalikud katsevahendid on tehnilisemad ja eeldavad suure pingeväärtusega vooluallika kasutamist.
Katse seemnete ja elektroodidega
Katse jaoks on vaja Petri tassi, viskoosset vedelikku (näiteks kastoorõli), võimalikult pisikesi taimeseemneid, mis võiksid olla tumeda värvusega (näiteks puneseemned), vasktraati ja elektrofoormasinat. Vasest valmistatakse elektroodid ja asetatakse viskoossesse vedelikku, kuhu on puistatud seemneid (vt joonis 1.10). Kui ühendada elektroodid elektrofoormasina klemmidega, orienteeruvad seemned piki elektrivälja jõujooni.
Miks see nii on? Elektriväljas tekivad seemnete otstesse indutseeritud laengud. Laengutele mõjub elektrivälja suunas jõud, positiivsetele ühes, negatiivsetele teises suunas, mistõttu seemned orienteeruvad elektriväljasuunaliselt. Üksteise lähedal asetsevate seemnete positiivne ja negatiivne pool tõmbuvad samuti, mistõttu tekivad miniahelad. Et sellised miniahelad tekivad elektrijõu mõjumise suunas, siis näitavad need meile elektrivälja jõujooni.
Elektriväli on homogeenne, kui selle jõujooned on paralleelsed. Joonisel 1.11 a on elektrivälja jõujooned kahe sirge paralleelse traadi vahel. Näeme, et ka elektrivälja jõujooned on paralleelsed, kaardudes ainult traadi otstel. Seega on sirgete traatide, samuti ka tasaste plaatide vahel elektriväli heas lähenduses homogeenne.
Kahe kera vahel on elektriväli ebaühtlane ehk mittehomogeenne – elektriväli ja jõujooned on tihedamalt laetud kehade ümber (joonis 1.11 b). Teame, et laetud kehade lähedal on elektrijõud tugevamad (Coulomb’i seadus). Seega võime väita, et mida tugevam on elektrijõud, seda tugevam on elektriväli ja seda tihedamalt paiknevad elektrivälja jõujooned.
Vaatame joonist 1.12. Olgu kahe vastasmärgiliselt laetud keha vahele asetatud positiivselt laetud proovilaeng, st elektrilaeng, mille enda tekitatud elektriväli uuritavat elektrivälja oluliselt ei mõjuta.
Kui kehade laengud on absoluutväärtuselt võrdsed, mõjutavad nad proovilaengut võrdsete ja samasuunaliste jõududega ja . Kui me need jõud kokku liidame, saame proovilaengule mõjuva kogujõu, mis on kaks korda suurem, kui proovilaeng oleks ainult ühe laetud keha elektriväljas.
Elektrivälja omadust mõjutada laetud kehi kirjeldab elektrivälja tugevus. Elektrivälja tugevus näitab, millises suunas mõjuks elektrijõud elektrivälja asetatud positiivsele laengule. Elektrivälja tugevus on seega vektoriaalne suurus ja elektrivälja tugevuse suund ühtib mistahes punktis elektrivälja jõujoonte puutuja suunaga. Nimetame edaspidi elektrivälja tugevuse vektorit lühidalt E-vektoriks. Joonisel 1.12 on jõuvektorite suunad ühtlasi ka E-vektori suunaks.
Elektrivälja tugevust saab defineerida valemiga
kus tähistab kehale mõjuvat elektrijõudu ja on selle keha laeng. Seega elektrivälja tugevus näitab positiivsele ühiklaengule mõjuvat jõudu.
Elektrivälja tugevuse tähis on ja ühik .
1. näidisülesanne
Äikesepilves on mõõdetud elektrivälja tugevuseks - . Kui suur on sellises elektriväljas elektronile mõjuv elektrijõud?Lahendus
Elektrivälja tugevust defineerivast valemist
saame avaldada elektrijõu
Ülesande tekstis on elektrivälja tugevus määratud vahemikuna. Valime elektrivälja tugevuseks näiteks . Elektroni laeng on . Nii et
.Miinusmärk vastuses näitab, et elektronile mõjuv jõud on vastupidine E-vektori suunale. Edaspidi me kasutame elektrijõu arvutamiseks pigem jõu absoluutväärtuseid. Seega saime tulemuseks, et elektronile mõjub jõud .
Kas elektron hakkab selle mõjul liikuma? Küllap hakkab, sest elektroni mass on suurusjärgus ja seega kiirendus on tohutu, jäädes suurusjärku .
On teada, et sellisest elektriväljast välgu tekitamiseks siiski ei piisa. Äikesepilves on elektronid seotud vee molekulidega ning nende vabastamiseks on vaja elektrivälja, mille tugevus on umbes .
2. näidisülesanne
Hinda elektrivälja tugevust 2cm kaugusel elektriseeritud plastikjoonlauast, kui joonlaua laeng on ja laeng koondatud ühte joonlaua mõõtmetega võrreldes väikesesse piirkonda.Lahendus
Kasutame Coulomb’i seadust ja elektrivälja tugevuse definitsioonvalemit:
Tähistame elektrivälja tekitava laengu -ga:
ja asendame esimese valemi teise valemisse:
Arvutades saame
Vastuse ümardame ühe tüvenumbrini, sest ka lähteandmed on ühe tüvenumbriga ja tegu on hinnangulise suurusega.
Saadud elektrivälja tugevuse väärtus ei ole eriti suur võrreldes äikesepilve elektrivälja tugevusega. Samas on see piisav, et panna induktsioonilaenguga paberitükikesi selles kauguses liikuma.
Väli erineb ainest selle poolest, et kui näiteks mitme erineva laengu tekitatud väljad saavad koos eksisteerida ühes ruumipunktis, siis näiteks kaks prootonit samaaegselt ühes kohas olla ei saa. Lisaks saab väljasid liita. Nii näiteks on tõusud ja mõõnad ookeanis tugevamad siis, kui Kuu ja Päike asuvad Maa suhtes ühel pool. Nõrgemad on nad siis, kui Kuu ja Päike on Maa suhtes vastaspooltel. Võime väita, et Kuu ja Päikese gravitatsiooniväljad liituvad.
Kui ruumis on mitu laetud keha, siis nende elektriväljad liituvad. Sellises elektriväljade liitumises ehk superpositsioonis tekkiv elektrivälja tugevus leitakse, kui omavahel liidetakse laetud kehade elektrivälja tugevuste vektorid. Vektorite liitmisel tekkiva vektori suund määrab ka summaarses elektriväljas proovilaengule mõjuva jõu suuna.
3. näidisülesanne
Olgu elektrivälja allikateks absoluutväärtuselt võrdse suurusega laengud ja , mis on vastavalt negatiivne ja positiivne (joonis 1.13). Konstrueeri nende laengute tekitatud summaarne E-vektor punktis .Lahendus
Konstrueerime punktis mõlema laengu tekitatud E-vektorid ja tähistame need ja .
Kuna punkt asub mõlemast laengust samal kaugusel, on laengute tekitatud elektrivälja tugevuse väärtused, seega ka E-vektorite pikkused ühesugused. E-vektori suund mingis punktis on määratud sellesse punkti asetatud positiivsele proovilaengule mõjuva jõu suunaga. Seega on suunatud laengu suunas ja on suunatud laengust eemale.
Summaarse elektrivälja E-vektori suuna saame, kui liidame laengute E-vektorid. Kasutame selleks vektorite liitmise rööpküliku reeglit.
E-vektori suund määraks ka sellesse punkti asetatud prootonile mõjuva jõu suuna. Elektronile mõjuv jõud oleks vastassuunaline.
Faraday puur
Paljud meist on külastanud Energia Avastuskeskust Tallinnas, kus demonstreeritakse Faraday puuri, et varjestada külastajaid Tesla transformaator tekitatud tugeva elektrivälja eest. Miks on elektrivälja vaja karta? Sest tugev elektriväli võib tekitada ohtliku elektrivoolu.
Lennukikere käitub Faraday puurina, kaitstes meid pikselöögi eest. Ka metallkerega autos on äikese ajal turvaline. Kuidas töötab puur, mis kannab inglise füüsiku Michael Faraday (1791–1867) nime?
Faraday puuriks on metallist korpus või metallvõrgust puur. Faraday puur töötab elektrilise induktsiooni põhimõttel. Joonisel 1.15a näeme olukorda, kus väline elektriväli puudub. Metallkorpuse laengud paiknevad sel juhul ühtlaselt kogu korpuse ulatuses ning korpus tervikuna on neutraalne.
Välise elektrivälja tekkides paiknevad laengud ümber ja korpuse sees tekib sisemine elektriväli (joonisel 1.15b tähistatud punaste nooltega). Elektriväljad ja on absoluutväärtuselt võrdsed ja vastassuunalised, nii et liitudes on summaarse elektrivälja tugevuseks jällegi .
Kui väline väli tugevneb, siis teeb seda ka sisemine väli, sest indutseeritud laeng muutub suuremaks ja summaarse elektrivälja tugevus on ikka võrdne nulliga. Seega metallkorpuses elektriväli puudub.
Faraday puuri kasutatakse mikrolaineahju tekitatud mikrolainete varjestamiseks, et kiirgus ei pääseks väliskeskkonda. Samuti telekommunikatsioonikaablite signaali kaitsmiseks väliste signaalide ehk müra eest.
Niisiis saab elektrivälja kasutada laengute kiirendamiseks. Just elektrivälja põhjustatud elektrijõud paiskab röntgenlambis elektronid vastu sihtmärki. Genfis asuvas CERNi hiidlaboris kiirendatakse prootoneid ja plii-ioone ning uuritakse nende põrkeid. Elektriväli paneb laengud liikuma päevavalguslampides. Looduses kiirendab elektriväli laenguid äikesepilvedes. Ka elektrivoolu tekkeks ükskõik millises juhtmes või metallesemes on vaja elektrivälja.
Osakestepõrgutis LHC
Kui enamasti kiirendatakse CERNis elektrivälja abil prootoneid, et LHCs (suures hadronite põrgutis) nende põrkeid uurida, siis korra aastas juhitakse kiirendisse plii-ioonid. Plii-iooni mass on palju suurem prootonite omast [] ja seetõttu on nende ioonide kokkupõrke energia väga suur. Kokkupõrke tulemusena tekib tohutu kogus osakesi, mis kosmoloogilise Suure Paugu mudeli järgi täitsid meie kõige varajasemat universumi.
Täpsemalt on tegu kvark-gluuon plasmaga, millest hilisemas faasis hakkavad moodustuma prootonid. Kvargid on osakesed, millest koosnevad nii prootonid kui ka neutronid. Gluuonid (ingl in glue ’liimis’) on osakesed, mis vahendavad kvarkide-vahelist vastastikmõju, seega hoiavad koos ka prootoneid ja neutroneid. Kvark-gluuon plasma uurimine loob selgust meie varasema universumi arengule.
Ülesanded
a) Kui suur on kummagi laengu tekitatud elektrivälja tugevus punktis , mis asub täpselt kahe laengu vahel?
b) Kui suur on laengute tekitatud elektrivälja tugevus punktis ?
c) Visanda joonis koos vastavate väljavektoritega.
d*) Lisaülesanne. Kui kaugel esimesest laengust asub punkt, kus väljatugevus on võrdne nulliga?
1.4 Elektrivool ja voolutugevus
1.4.1 Elektrivool ja voolutugevus
Elektriväli paneb vabad laengukandjad liikuma ka erinevates keskkondades – metallides liiguvad suunatult vabad väliskihi elektronid (juhtivuselektronid), elektrolüütide lahuses või sulatatud soolades liiguvad ioonid. Õhu elektrijuhtivus on palju väiksem kui metallides või elektrolüütide lahustes, sest vabu laengukandjaid (ioone) on seal vähe. Ioonide arv õhus suureneb tugeva kiirguse või elektrivälja toimel ning siis kasvab ka õhu elektrijuhtivus.
Elektriväli levib keskkondades ligikaudu valguse kiirusega ja nii hakkavad selle toimel kõik vabad laetud osakesed suunatult liikuma ühekorraga ja tekib elektrivool. Uurime, kuidas tekib elektrivool vaskjuhtmes.
Joonisel 1.17a on skemaatiliselt kujutatud vaskjuhtme lõik. Kui juhtmes puudub elektriväli, liiguvad siniselt tähistatud elektronid kaootiliselt. Kui ühendame juhtme vooluallikaga, mõjub elektronidele elektrijõud ja nad hakkavad suunatult liikuma.
Elektroni kujuteldav trajektoor on esitatud joonisel 17b. Kuigi elektroni hetkkiirus on väga suur – suurusjärgus –, siis osakestevaheliste vastastikmõjude tõttu on triivimise kiirus liikumisel punktist A punkti B väga väike – suurusjärgus üks millimeeter sekundis.
Elektrilaengu suunatud liikumist iseloomustab voolutugevus. Voolutugevuse tähis on ja ühikuks amper, mida tähistame .
-amprine elektrivool on keskmise tugevusega. Elektrirongi jaoks on see väike väärtus, elusorganismidele aga tappev. Töötavas elektriseadmes, näiteks elektrirongi mootoris on voolutugevus mitusada amprit, veekeetja küttekehas suurusjärgus ja väikestes elektripirnides – . Inimesele on eluohtlikud juba voolutugevused alates . Ka väiksemad voolutugevused võivad olla ohtlikud, eriti kui vool läbib inimest pikema aja vältel.
Anname voolutugevuse ühikule füüsikalise tähenduse. Kujutleme juhtme lõiku, kuhu mahub parasjagu nii palju juhtivuselektrone, et nende laeng on võrdne kuloniga (roheliste joontega tähistatud lõik joonisel 1.18).
Kui laeng läbib sekundi jooksul tähega tähistatud juhtme ristlõiget, on voolutugevus võrdne ampriga. Kui laeng läbib nimetatud ristlõiget sekundi jooksul, on voolutugevus korda väiksem ehk .
Valemina
Voolutugevus näitab, kui suur laeng läbib juhi ristlõiget ajaühikus.
Kokkuleppeline voolu suund on vastupidine juhtivuselektronide triivimissuunale ja ühtib elektrivälja vektori suunaga ehk selle suunaga, kuhu liigub positiivne laeng.
Näidisülesanne
Kui kiiresti triivivad elektronid vaskjuhtmes, mis on ühendatud LED-lambiga? Vaskjuhtmes on vabade laengukandjate kontsentratsioon , juhtme läbimõõt , elektroni laeng on võrdne elementaarlaenguga ja voolutugevuseks mõõdeti .Lahendus
Kui uurida voolutugevust mikrotasandil, siis voolutugevuse määravad a) vabade laengukandjate arv ruumalaühiku kohta ehk kontsentratsioon n, b) laetud osakese laeng , c) laetud osakeste triivkiirus ja d) juhi ristlõike pindala .
Kuna voolutugevus sõltub kõigist neist suurustest võrdeliselt, saame kokku valemi
Valemist
avaldub laengukandjate liikumise kiirus kujul
Arvutades saame
Leitud kiirus on üsna väike, sest LED-lampi läbib üldiselt üsna väike vool.
Kui me suudaks ära märkida elektroni, mis lahkub negatiivselt klemmilt ja triivib LED-lambi klemmi suunas, ja kui juhe oleks u pikk, peaksime ootama minutit, enne kui märgitud elektron LEDi klemmile jõuab.
Katse elektrivoolu visualiseerimiseks
Kuidas oleks võimalik laetud osakeste liikumist kaudselt jälgida? Selleks peame laengukandjatena kasutama ainet, mis on intensiivse värvusega ja ka väikese kontsentratsiooni korral hästi nähtav.
Kasutame katses kaaliumpermanganaati (). Katseks läheb vaja ka Petri tassi või klaasplaati, filterpaberit, krokodillidega juhtmeid, kõrgema pingega alalisvooluallikat ja ammoniaagi vesilahust. Kaaliumpermanganaadi lahustumisel tekkivate – ioonide liikumise jälgimiseks piisab ligikaudu pingest. Võimalusel ühendage juhtmed vasest klemmidega, mille kuju on võimalik muuta.
Kõigepealt tehakse paber ammoniaagi lahusega märjaks, paberiga kaetud plaat ühendatakse krokodillide abil vooluallikaga, nagu on näha joonisel 1.19. Seejärel asetatakse paberile pintsettidega üks kaaliumpermanganaadi kristall.
Kui vooluring on ühendatud, hakkavad ioonid liikuma. Kui kiiresti värvilaik liigub ja mis suunas? Kuna värvust põhjustab permanganaadi anioon, siis liikumine toimub pluss-klemmi suunas. Milline on pilt siis, kui lisada kaaliumpermanganaadi kristalle mitmesse kohta või suurendada pinget?
Ülesanded
1.5 Elektrivälja töö ja energia
1.5.1 Elektrivälja töö ja energia
Oleme õppinud, kuidas gravitatsiooniväljas mõjub kehadele gravitatsioonijõud ning see teeb tööd veemasside liikuma panemiseks looduses, olgu see siis vihma, jõgede või koskede näol. Elektriväljas mõjub laetud osakestele elektrijõud ja vabad laengukandjad hakkavad jõu tõttu liikuma. Nii teeb elektriväli tööd laengukandjate liigutamiseks näiteks röntgenlambis, elektrivooluringis, äikesepilvedes või osakeste kiirendis.
Mehaanikast on tuttav mehaanilise töö mõiste – keha liikumisel jõu mõjul on tehtud töö võrdne jõu ja sooritatud nihke korrutisega
Kui elektrijõud mõjub laetud osakeste liikumise suunas, siis ja . Saame
Kuidas elektrivälja tööd arvutada? Elektrivälja tugevust defineerivast valemist
saame avaldada elektrijõu
Asendades selle mehaanilist tööd defineerivasse valemisse, saame elektrivälja töö valemiks
Joonisel 1.20a on laengud ja homogeenses elektriväljas tugevusega . Positiivne plaat tõukab ja negatiivne plaat tõmbab positiivset laengut. Et laengud paiknevad laetud plaatidest erinevatel kaugustel, on nende nihked negatiivselt laetud plaadini erinevad, kusjuures . Mida suurem nihe, seda suurem töö. Seega teeb elektriväli rohkem tööd laengu liigutamisel.
Joonisel 1.20b paiknevad kaks laengut ja laetud plaatidest võrdsel kaugusel. Laengu nihutamisel teeb elektriväli kolm korda rohkem tööd kui laengu nihutamisel, sest laeng on kolm korda suurem.
Paneme tähele, et laengute liigutamisel tuleb teha suuremat tööd ka siis, kui elektrivälja tugevus on suurem, st kui plaatidel joonisel 1.20 on suurem laeng.
Mida suurem on elektrivälja tugevus, seda suurem jõud mõjub laetud osakesele ja seda suurem on elektrivälja töö.
Näidisülesanne
Äikesepilv paikneb meetri kõrgusel maa kohal. Sädelahendust põhjustava elektrivälja tugevus pilve ja maa vahel on , laengu suurus pilve negatiivses osas on . Hinnake tööd, mida teeb elektriväli äikese tekitamisel ehk -kulonilise laengu toimetamisel maani.Lahendus
Teame, et
Asendame valemis elektrivälja tugevuse, laengu ja nihke väärtused, saame
See on väga suur töö. Gravitatsioonijõud teeks sama suure töö, kui kukutaksime -tonnise raskuse meetri kõrguselt maapinnale.
Selleks, et teha tööd, on vaja energiat. Gravitatsioonijõud teeb tööd potentsiaalse energia arvelt, mida mehaanikas arvutame kujul
kus on keha mass, on raskuskiirendus ja on keha kõrgus potentsiaalse energia kokkuleppelise nullnivoo, antud juhul siis maapinna suhtes. Suurt potentsiaalset energiat omab maapinna suhtes kõrgel paiknev suure massiga keha. Kui keha paikneb potentsiaalse energia nullnivool, st maapinnal, siis on keha potentsiaalne energia võrdne nulliga ja gravitatsioonijõud keha liigutada ei saa.
Sarnased seaduspärasused kehtivad ka elektriväljas paiknevate laengute potentsiaalse energia kohta. Kui võimalik elektrijõu-suunaline liikumisulatus on suur, on ka laengu potentsiaalne energia suur. Kui laeng elektrijõu suunas enam liikuda ei saa, on laengu potentsiaalne energia võrdne nulliga. Joonisel 1.21 on punktis laengu potentsiaalne energia maksimaalne. Kui laeng liigub elektrivälja mõjul punkti , on tema potentsiaalne energia null, st . Sealjuures on elektriväli teinud tööd laengu viimisel punktist punkti .
Ülesanded
Elektriväli paneb laetud osakesed liikuma, aga samas võib ka liikumist pidurdada. Tugeva elektrivälja abil on võimalik vett jahutada. Kuidas see toimub? Vihjeks vaata vee molekuli dipoolset kuju joonisel, seal on deltadega tähistatud hapniku ja vesiniku aatomite osalaengud.
Elektriväli paneb laetud osakesed liikuma, aga samas võib ka liikumist pidurdada. Tugeva elektrivälja abil on võimalik vett jahutada. Kuidas see toimub? Vihjeks vaata vee molekuli dipoolset kuju joonisel, seal on deltadega tähistatud hapniku ja vesiniku aatomite osalaengud.1.6 Elektrivälja potentsiaal ja pinge
1.6.1 Elektrivälja potentsiaal ja pinge
Eelmises osas kirjeldasime tööd, mida teeb elektriväli laengute liigutamisel. 9. klassist tuttav mõiste pinge on otseselt seotud elektrivälja poolt tehtud tööga.
Joonisel 1.22 on kujutatud vooluringi ühendatud reostaadi mähist. Pinget reostaadil saab mõõta voltmeetriga, mille üks klemm on ühendatud püsivalt reostaadi mähise ühe otsaga ja mille teist klemmi saame nihutada reostaadi mähise keerdudel.
Kõige suurem on pinge väärtus reostaadi mähise otstel, st punktide ja vahel. Kui nihutame liugkontakti punktist punkti K suunas, siis pinge väärtus väheneb.
Kui mõtleme tööst, mida elektriväli teeb laengute liigutamisel, siis ilmselt on see suurim, kui laengud liiguvad läbi terve reostaadi. Seda mõttekäiku saab üldistada ja öelda, et suurema pingega töötavad seadmed teevad rohkem tööd – nii on vaja röntgenlambis elektronide kiirendamiseks vähemalt , et toota suure energiaga röntgenkiirgust, aga LED-lambi põlemiseks piisab pingest .
Pinge mistahes kahe punkti vahel on arvuliselt võrdne tööga, mida tehakse ühekulonilise laengu nihutamisel ühest punktist teise. Pinge definitsioonvalem on
Vooluringis mõõdetakse pinget mistahes kahe punkti vahel voltmeetriga.
Võrgupinged maailma riikides
Võrgupinged maailma riikides jäävad vahemikku –230V. Kõige madalam on pinge Jaapanis: , Eestis ja Euroopas on pinge vooluvõrgu klemmidel keskmiselt 230V, Ameerika Ühendriikides . Kui osta seadmeid välismaalt, tuleb uurida seadme tehnilisi andmeid, sealhulgas ka nimipinget.
Elektrivälja kirjeldamiseks kasutatakse ka elektrivälja potentsiaali mõistet.
Joonisel 1.23 oleme laetud plaatide tekitatud elektriväljas märkinud punktid ja . Neid punkte iseloomustab ka elektrivälja potentsiaal, mille tähistame kreeka tähega (fii). Elektrivälja potentsiaal on seotud elektrivälja asetatud laengu potentsiaalse energiaga antud punktides. Kuna punktis on laengu potentsiaalne energia suurem kui punktis , saame sama öelda ka elektrivälja potentsiaali kohta: .
Elektrivälja potentsiaal näitab, kui suur on elektrivälja potentsiaalne energia mingis punktis positiivse ühiklaengu kohta.
Miks just ühiklaengu kohta? Aga sellepärast, et elektrivälja potentsiaal on välja omadus, see ei sõltu sellest, kui suur laeng seal väljas paikneb. Nii mitu korda, kui erinevad kehade laengud, erinevad ka laetud kehade potentsiaalsed energiad antud elektrivälja punktis.
Elektrivälja potentsiaal on väljendatav valemiga:
Rõhutame, et elektrivälja potentsiaal iseloomustab elektrivälja sõltumata sellest, kas seal on laetud keha või mitte.
Füüsikas on suurema tähendusega elektrivälja kahe punkti potentsiaalide erinevus, sest see määrab ära, kui palju teeb elektriväli tööd laengu nihutamisel elektrivälja ühest punktist teise.
Kui mõõdame pinget elektriseadme kahe punkti vahel, siis mõõdame nende punktide potentsiaalide erinevust . Pinge ja elektrivälja potentsiaali vahelist seost väljendab valem
Näiteks kui mõõdame vooluringis vooluallika klemmipingeks , saame öelda, et klemmide potentsiaalide erinevus on 9V.
Nii pinge kui ka elektrivälja potentsiaali ühikuks on 1V.
Pinget ja potentsiaali ei tohi omavahel segamini ajada. Erinevus nende kahe füüsikalise suuruse vahel:
- pinge võrdleb kahe punkti potentsiaali ja annab võimaluse arvutada näiteks elektrivälja poolt tehtavat tööd laengute nihutamisel ühest punktist teise, potentsiaal aga kirjeldab olukorda ühes punktis;
- pinget mõõdetakse voltmeetriga otseselt, potentsiaali kaudselt. Kasutusele on võetud ka erinevad tähised: pinge tähis on ja elektrivälja potentsiaali tähis on (fii).
Füüsikaliste suuruste tähistustest
Enamik traditsioonilisi tähiseid on eesti keelde tulnud saksa kultuuriruumist ja sageli vene keele kaudu, mistõttu eestikeelsed füüsikaliste suuruste tähistused erinevad ingliskeelses erialakirjanduses kasutatavatest tähistustest. Inglise keeles on võetud tähiseks vastava sõna esimene täht. Näiteks tiheduse tähis on meil , aga inglise keeles (density), meil on töö tähis , inglise keeles (work), meil on pinge tähis , inglise keeles (voltage). Samuti tähistatakse inglise keeles -tähega elektrilist potentsiaali. Nii võime leida ingliskeelsetes õpikutes üleskirjutuse , mis näitab, et pinge on võrdne potentsiaalide vahega klemmide otstel ja selle väärtus on volti.
Katse elektrivälja potentsiaali mõõtmiseks
Uurime elektrivälja potentsiaali kahe sirge traatelektroodi vahel, mis on asetatud ammoniaagi vesilahusega immutatud paberile ja ühendatud alalisvooluallikaga pingeväärtusega . (Vt joonis 1.24.)
Potentsiaalide mõõtmiseks kasutame voltmeetrit, mille üks klemm on ühendatud negatiivse elektroodiga. Sellel elektroodil on potentsiaal vähima väärtusega ja potentsiaali nullnivoo on kokkuleppeline, loeme selle võrdseks nulliga . Voltmeetri teise klemmi saame ühendada mistahes välja punktiga. Kasutame valemit . Kui
asendame , saame öelda, et voltmeetri näit on ühtlasi ka antud punkti potentsiaali väärtus:
Katses uurime elektrivälja potentsiaale kuues erinevas punktis. Kui ühendada liikuv klemm punktiga (joonis 1.24a), näitab voltmeeter . Sama potentsiaali väärtuse saame ka siis, kui ühendame liikuva klemmi punktiga . Nende kahe punkti potentsiaalide erinevus on seega . Meie mõõtmised ja arvutused näitavad, et pinge elektroodi ja punkti vahel on , aga pinge punkti ja vahel on .
| Elektrivälja punkt | Elektrivälja punkti potentsiaal |
| 1 | |
| 2 | |
| 3 | |
| 4 | |
| 5 | |
| 6 |
Kui mõõta sarnaselt kõikide teiste punktide potentsiaalid (vt tabel 1.2) ja arvutada potentsiaalide erinevused, märkame, et
a) punktide ja vahel ning ka punktide ja vahel on pinge ;
b) pinge punktide ja vahel on , samuti punktide ja ning ja vahel;
c) punktide ja ning ja vahel on pinge ;
d) suurim on pinge kahe elektroodi vahel, kus .
Elektriväli teeb tööd ainult siis, kui on olemas potentsiaalide erinevus (pinge). Mida suurem on elektrivälja punktide potentsiaalide erinevus, seda suurem on pinge ja elektrivälja töö. Kui ehk potentsiaalide erinevus puudub, siis ei tehta ka tööd.
Valemina saab selle kirja panna kas
või
Potentsiaali mõiste on kesksel kohal näiteks närvirakkude toimemehhanismi seletamisel
bioloogias ja vooluallika parameetrite väljaarvutamisel elektrokeemias.
Elektronvolt
Mikromaailma füüsikas kasutatakse energiaühikut elektronvolt (). Kuidas on see seotud energia põhiühikuga 1J? Loogiline oleks arvata, et kui on tegu üliväikeste osakestega, näiteks elektronide, prootonite või footonitega, siis on ka nende energia võrreldes makromaailma objektidega väga väike. Nii ta ongi, sest . Milline osake omab energiat ? Sellises suurusjärgus on nähtava valguse footoni energia. Tuumaosakeste energiat mõõdame megaelektronvoltides (). Näiteks et eraldada raua aatomi tuumast üks tuumaosake, tuleb kulutada energiat u .
Ühik on tuletatud meile tuttavast valemist . Kui kasutame elektrilaengu ühikut ja pinge ühikut 1V, on nii töö kui ka energia ühik 1J. Kui kasutame ühe kuloni asemel elementaarlaengut , ongi töö ja energia ühikuks , mis on väga sobilik mikromaailma energia ja töö ühikuks.
on võrdne tööga, mida teeb elektriväli elektroni viimisel ühest väljapunktist teise, kui nende punktide potentsiaalide erinevus on 1V. Makromaailmas on see suurus üliväike.
Kokkuvõte
Ülesanded
1.7 Elektrivälja tugevus ja pinge
1.7.1 Elektrivälja tugevus ja pinge
Uurime nüüd elektrivälja tugevuse ja pinge omavahelist seost.
Oskame juba arvutada homogeense elektrivälja poolt laengu liigutamisel tehtavat tööd:
ja teame pinge definitsioonivalemit:
mille annab kirja panna ka kujul
Kõigis neis valemites tähistame -ga ühte ja sama füüsikalist suurust. Kui on võrdsed võrrandi vasakud pooled, siis on võrdsed ka paremad pooled ja saame võrrandi
Lihtsustamisel saame uueks seoseks
Asendame nihke sümboli sümboliga , mis väljendab erineva potentsiaaliga alade vahekaugust. Saame homogeense elektrivälja tugevuse ja pinge seoseks
Pinge kahe punkti vahel on seda suurem, mida suurem on elektrivälja tugevus ja mida suurem on nende punktide vahekaugus , mõõdetuna piki elektrivälja jõujooni.
Elektriväljade kirjeldamisel kasutatakse ka ekvipotentsiaalpindade mõistet.
Ekvipotentsiaalpind on pind elektriväljas, kus naaberpunktide potentsiaalide väärtused on võrdsed. Seega, ekvipotentsiaalpinna punktide vaheline pinge V (lad ekvi – aequus ’võrdne, sama’).
Joonisel 1.27 kujutatud situatsioonis on elektrivälja punktid ja ekvipotentsiaalpinnal, seega . Elektriväljas asuvad punktid ja erinevatel ekvipotentsiaalpindadel, nii et .
1. näidisülesanne
Joonisel 1.27 on kujutatud punktlaeng ja seda ümbritsev elektriväli. Elektrivälja kirjeldavad joonisel välja jõujooned. Siniste joontega tähistatud punktid asuvad punktlaengust samal kaugusel, järelikult on seal elektrivälja potentsiaal sama väärtusega ja tegemist on ekvipotentsiaalpindadega. Kõigi kõrvuti asuvate pindade vahel on ühesugune potentsiaalide vahe. Kahe sellise pinna vahekaugus on punklaengust kaugemal suurem ja lähemal väiksem.
Vasta küsimustele.a) Kas laengut ümbritseb homogeenne või mittehomogeenne väli?b) Milliste joonisel toodud elektrivälja punktide vahel on suurim pinge?c) Milliste punktide vahel on pinge vähima väärtusega, aga siiski nullist erinev?d) Milliste punktide vaheline pinge on ?
Lahendus
a) Visuaalselt näeme, et punktlaengust kaugemal jõujoonte vahekaugus suureneb. Järelikult on tegu mittehomogeense väljaga. Mittehomogeensuse füüsikaliseks põhjuseks on asjaolu, et punktlaengu elektriväli on laengust kaugemal nõrgem:
b) Pinge on suurim punktide ja vahel, sest nende kahe punkti potentsiaalide
erinevus on suurim.
c) Laengust kaugemal on siniste joonte vaheline kaugus d järjest suurem, aga samas kahaneb väärtus. Vastamiseks oleks vaja täpsemaid andmeid.
d) Punktide ja vaheline pinge on võrdne nulliga, sest need asuvad ekvipotentsiaalpindadel, st samasuguse potentsiaaliga pindadel.
2. näidisülesanne
Olgu röntgenlambi elektroodidele rakendatud pinge (joonis 1.28).
a) Kui suure kineetilise energia omandab elektron sellises röntgenlambis?b) Kui suur on elektrivälja tugevus, kui anoodi ja katoodi vaheline kaugus on ?c) Kas tegu on homogeense või mittehomogeense elektriväljaga? Visanda elektroodide elektrivälja jõujooned.
Lahendus
a) Elektriväli teeb tööd elektroni kiirendamiseks. Eeldame, et energiakaod on tühised ja kogu töö muundub elektroni kineetiliseks energiaks ja elektroni algkiirus . Siis
Kasutame pinge definitsioonivalemit ja avaldame sealt töö . Saame kineetilise energia valemiks
nii et
Esmapilgul tundub see olevat tühine energia. Aga kui kasutame mehaanikast tuntud kineetilise energia avaldist
ja hindame sellise kineetilise energiaga elektroni kiirust, saame
Leitud kiirus on valguse kiiruse suurusjärgus.
Reaalselt elektronid siiski selliseid kiiruseid ei saavuta, sest lambis ei ole absoluutne vaakum, vaid suur hõrendus, ja tegu ei ole ka üksiku isoleeritud elektroniga, vaid osaga suuremast laengust.
b) Elektrivälja tugevuse hindamiseks kasutame valemit
Arvutades saame
c) Kindlalt saame öelda vaid seda, et elektrivälja jõujooned on suunaga n-ö plussilt miinusele, st positiivselt laetud elektroodilt negatiivselt laetud elektroodile. Aga et elektroodid ei ole üksteisega paralleelsed, siis ei ole elektriväli nende vahel homogeenne ka siis, kui elektroodid on suured. Siiski on kahe paralleelse plaadi vahelise elektrivälja mudel parim, mis me oma teadmiste põhjal oskame välja pakkuda (vt joonisel 1.1 kujutatud elektrivälja jõujooni). Paneme tähele, et elektrivälja töö laengute liigutamisel, st elektronide saavutatud maksimaalne kineetiline energia sõltub ainult pingest.
Välgu löök maasse
Joonisel 1.29. on skemaatiliselt kujutatud välgu löök maasse. Me teame, et välk tähendab tohutu suurt laengu ülekannet. Järelikult on laeng väga suur ka kohas, kus välgukanal maapinnani jõuab.
Punktid joonisel 1.29 asetsevad sellest kohast eri kaugustel, aga punktid
ja sama kaugusel. Situatsioon on sarnane joonistel 1.24 ja 1.27 kujutatuga. Nii võime väita, et pinge punktide ja vahel on suurim, samas pinge punktide ja vahel on võrdne nulliga.
Kuidas me peaksime äikese ajal käituma, kas paigal seisma, äikesepilvest pika sammuga eemalduma või hoopis jooksma? Kuni maad puudutab ainult üks jalg, ei ole meie keha pingestatud – pingeks on vaja kahte punkti. Kui seisame sarnaselt, nagu paiknevad punktid ja , on pinge väärtus meie keha mistahes punkti vahel võrdne nulliga. Samas pika sammuga eemaldumisel (punktid ja ) on potentsiaal kahe jalalaba vahel suur. Järelikult on suur ka pinge ning elektrivälja töö meie kehas laengute liigutamisel võib saatuslikuks saada.
Sarnaselt võib olukord ohtlikuks kujuneda ka katkiste, maapinnale kukkunud või puudesse takerdunud kõrgepingeliinide läheduses – maapinnalähedaste punktide potentsiaalid võivad olla väga erinevad ning seal kõndides või ka jalad harki seistes võime saada elektrilöögi. Õnneks hoitakse Eestis liinialused puhtad ja tormide ajal tegutsetakse väga kiiresti, et kõrgepingeliinid korras püsiksid.
Ülesanded
Mass-spektromeetris kasutatakse ioonide kiirendamiseks pinget . Elektroodi plaatide vaheline kaugus on . Vasta küsimustele.
a) Kui suur on elektrivälja tugevus kiirendis?
b) Millise energia saab metalli katioon, mille suhteline laeng on ? Anna vastus ka -des.
c) Kas sama aparaadiga saab uurida ka negatiivseid ioone? Selgita vastust.
d) Kumb ioon saab mass-spektromeetris suurema kiiruse, kas arseeni- või pliikatioon, kui mõlema laengud on võrdsed? Põhjenda.
a) Kui pika ajaga tühjeneb patarei?
b) Kui suur on mootoris elektrivälja töö?
c) Milline on elektrijalgratta mootori võimsus?
1.8 Kondensaator
1.8.1 Kondensaator
Mõni aeg tagasi ilmus Äripäevas artikkel „Eesti superkondensaatorid lähevad Briti bussidesse“. Artiklis teatati, et Eesti superkondensaatoreid tootev firma Skeleton sõlmis mitme miljoni euroni ulatava lepingu. Selle järgi varustatakse ühe- ja kahekorruselised hübriidmootoriga bussid superkondensaatoritel põhinevate kineetilise energia taaskasutamise süsteemidega, mille tulemusena muutuvad bussid energiasäästlikumaks, samas ka mahukamaks, sest see süsteem on suhteliselt väike ega võta palju ruumi.
Selleks, et aru saada artiklis esitatud infost, tuleb kõigepealt selgitada, mis on kondensaator ja milleks seda kasutada saab. Sõna „kondenseeruma“ on meile tuttav seoses veeauru veeldumisega. Kondenseerumisel koonduvad veemolekulid suuremateks kogumiteks. Eriti hea on seda jälgida niiskes toas piisavalt jahedate aknaklaaside juures, sest vesi kondenseerub külmale pinnale. Kondensaatoris „kondenseeruvad“ kondensaatori plaatidele laengud.
Joonisel 1.31 on esitatud lihtsa, kahest õhuvahega eraldatud metallplaadist koosneva kondensaatori mudel.
Kui ühendada plaadid elektrijuhtmete abil vooluallika poolustega, siis plaadid laaduvad. Alguses toimub laadumine väga kiirelt, aga plaatidele kogunenud laengu tõukejõud hakkab seda järjest tugevamalt takistama.
Laadimine lõpeb, kui kondensaatori plaatide vaheline pinge saab võrdseks pingega vooluallika klemmidel (joonis 1.32).
Võime ka öelda, et vooluallika negatiivse klemmi potentsiaal saab võrdseks kondensaatori negatiivse plaadi potentsiaaliga. Seega kondensaatori plaatide potentsiaalide erinevus ja elektriväli enam laengu nihutamiseks tööd teha ei saa. Sama olukord on ka vooluallika positiivse klemmi ja kondensaatori positiivse plaadi vahel.
Kui eemaldada vooluallikas ja ühendada kondensaator tarvitiga, hakkab kondensaator tühjenema, tekitades vooluringis elektrivoolu (vt joonis 1.33). Seega võime öelda, et kondensaator salvestab energiat ja kondensaatorit saab kasutada vooluallikana.
Kondensaatorisse saab energiat salvestada kahel viisil. Üks võimalus on ühendada kondensaatori plaadid vooluallikaga, nagu on kirjeldatud eelmises lõigus. Teine võimalus on laadida vooluallikaga ainult üks kondensaatori plaat, nagu näidatud joonisel 1.34.
Kui nüüd kondensaatori teine plaat maandada, siis laetud kondensaatori plaat tekitab sellele sama suure vastasmärgilise induktsioonilaengu. Nii on meil sama olukord nagu joonisel 1.32 ja saame kondensaatori tühjendada läbi mõne tarviti.
Kondensaatori peamist füüsikalist omadust salvestada laengut nimetatakse mahtuvuseks. Mahtuvuse tähis on ja ühik farad ().
Mahtuvuse definitsioonvalem on
mis ütleb, et mahtuvus on arvuliselt võrdne laenguga, mis koguneb plaatidele ühikulise pinge rakendamisel.
Seega
Kuna kulon on väga suur laeng, siis on ka mahtuvus väga suur. Elektroonikas kasutavate kondensaatorite mahtuvused jäävad millifaradi () ja pikofaradi () vahele. Peatüki alguses mainitud superkondensaatorite mahtuvus on vahemikus , st neisse saab salvestada väga suure energia. Siit ka nende nimetus – superkondensaator.
Kõigil tehnikas kasutatavatel kondensaatoritel on ühesugune tööpõhimõte. Kuidas on siis võimalik, et kondensaatorite mahtuvused erinevad tuhandeid kordi?
Et mahutada kondensaatorite plaatidele suuremat laengut, on vaja nende pindala suurendada. Lihtsaim võimalus saada suure pindalaga kondensaatoreid on nende plaadid rulli keerata (joonis 1.35). Nii võivad üsna suurte kondensaatorite mõõtmed olla päris väikesed.
Superkondensaatorite plaatide pindalad on hiigelsuured, sest nende pind on poorne. Joonisel 1.36 kujutatud sile plaat ja poorne plaat on väliselt sama suured, aga nende pindalad võivad erineda sadu tuhandeid kordi.
Kondensaatori mahtuvust saab suurendada ka siis, kui asetada plaadid võimalikult lähestikku ja plaatide vahel on dielektriku kiht. Joonisel 1.35 kujutatud kondensaatoris ongi kondensaatori plaadid toodud üksteisele lähedale, dielektriku kiht on tähistatud halli värviga. Dielektriku kihil on ka praktiline funktsioon – isoleerida üksteisele lähedal asuvaid plaate ja vältida lühise tekkimist.
Kuna kondensaator saab tühjenemisel tööd teha, võime väita, et laetud kondensaatorisse on võimalik salvestada energiat. Kondensaatorisse salvestatava energia arvutamiseks kasutame valemit
Füüsikavalemite tuletamisest
Nagu füüsikas tavaks, tuletame valemeid varem teadaolevatest seostest. Kui tahame arvutada, kui suurt energia hulka kondensaator mahutab, kasutame teadaolevaid valemeid. Esiteks, täislaetud kondensaatori energia on võrdne maksimaalse tööga ehk
Teiseks, kondensaatori mahtuvus
nii et
Laadudes pinge kondensaatori plaatide vahel kasvab algväärtusest kuni maksimaalse väärtuseni . Sarnaselt ei saa me elektrivälja poolt tehtud töö valemis
kasutada pinge maksimumväärtust, vaid pinge keskmist väärtust:
Et enne laadimist kondensaatori pinge , siis
Kondensaatori laenguks saame siis
ja sellise laengu korral on kondensaatorisse salvestatav energia
mis annabki energia valemiks
Sellise seose kehtivust on võimalik tõestada ka katseliselt.
Pange tähele, et kasutame nii elektrivälja tugevuse kui ka kondensaatorisse salvestatud energia tähisena -d. Valemite lugemisel tuleb segaduse vältimiseks arvestada kontekstiga.
Näidisülesanne
Skeletoni toodetud superkondensaatorite moodulile on märgitud ja . Arvutame, a) kui suur on sellesse kondensaatorisse salvestatud energia, b) kui suurt laengut superkondensaator mahutab ja c) kui suur on voolutugevus kondensaatori tühjenemisel minuti jooksul.
Lahendus
a) Salvestatud energia on võimalik arvutada otse vastavast valemist:
See energia on väiksem, kui mahub näiteks ühte AA-patareisse. Aga et kondensaatorit saab laadida ja tühjendada miljoneid kordi ilma, et selle omadused muutuksid, on saadud energia siiski märkimisväärne.
b) Ka laengu arvutamiseks on meil valem olemas. Et
siis
ja
Tegu on väga suure laenguga. Superkondensaatori mahtuvus on väga suur.
c) Voolutugevuse arvutame, kasutades voolutugevuse definitsioonvalemit
Kondensaatori tühjenemise aeg ja seega ka voolutugevus sõltuvad vooluringist, kus kondensaatorit kasutatakse. Praeguses näites on tegu küllalt suure voolutugevusega võrreldes näiteks töötava veekeetja küttekeha voolutugevusega (umbes ).
Kondensaatoreid kasutatakse raadiosaatjate võnkeringis, nutiseadmete laadijates, alaldites, elektrisõidukite energiasalvestussüsteemides ja kosmosetehnoloogias. Osade klaviatuuride töö põhineb mahtuvuse muutmisel; raadiokanali häälestamisel ehk kanali otsimisel muudetakse raadiolainete vastuvõtusüsteemi mahtuvust; CCD-sensor, millel põhineb digikaamerate, skannerite ja teleskoopide töö, koosneb arvukatest minikondensaatoritest.
Ülesanded
Kordame üle!
1.1. Elektrilaeng
Kehade laadumine on seotud vabade elektronide ümberpaiknemisega kehades. Kui kehas on elektronide liig, on keha laetud negatiivselt, ja kui keha on elektrone ära andnud, laadub keha positiivselt.
Elektriline või elektrostaatiline induktsioon on vabade laengute ümberasetumine elektrit juhtivas kehas väliste elektrijõudude tõttu, mistõttu keha pind laadub teise kehaga võrreldes vastasmärgiliselt.
Elektrilaeng füüsikalise suurusena iseloomustab, kui tugevasti osaleb laetud keha elektromagnetilises vastastikmõjus.
Elektrilaengu tähis on ja ühik .
kulon on väga suur laeng. Äikesepilve laengud võivad olla suurusjärgus . Kui juuksed on elektrit täis, siis on juuksekarvade laengu väärtused vahemikus .
Elementaarlaeng () on looduses kõige väiksem vabalt eksisteeriv laeng.
1.2. Coulomb’i seadus
Coulomb’i seadus – laetud kehade vahel mõjuv elektrijõud sõltub võrdeliselt laengute suurusest ja pöördvõrdeliselt laengutevahelise kauguse ruudust.
– punktlaengute vaheline kaugus
ja – laengud
– Coulomb’i konstant,
Kui kaks keha laengutega on üksteisest meetri kaugusel, esineb kehade vahel tõukejõud väärtusega .
Keskkonna dielektriliseks läbitavuseks nimetatakse suurust, mis näitab, mitu korda on antud keskkonnas elektrijõud nõrgemad võrreldes vaakumiga. Näiteks , mis näitab, et vees on laengutevahelised jõud korda nõrgemad
kui vaakumis.
1.3. Elektriväli
Elektriväli eksisteerib kõikide laetud kehade ümber.
Elektrivälja jõujooned näitavad elektriväljas positiivsetele laengutele mõjuva elektrijõu suunda.
Joonisel on elektrivälja jõujooned a) homogeenses elektriväljas, b) mittehomogeenses elektriväljas.
Elektrivälja tugevus on vektoriaalne suurus, mis näitab elektrivälja asetatud positiivsele laengule mõjuva jõu suurust ja suunda ning on arvuliselt võrdne positiivsele ühiklaengule mõjuva jõuga.
– elektrivälja tugevus
– kehale mõjuv elektrijõud
– keha laeng
Elektrivälja tugevuse ühik on väga väike suurus. Laetud joonlaua läheduses oleva elektrivälja tugevus .
Elektrivälja tugevuse suund ühtib mistahes punktis elektrivälja jõujoonte suunaga.
E-vektor – elektrivälja tugevuse vektor
Superpositsioon ehk elektriväljade liitumine. Mitme laetud keha poolt tekkinud elektrivälja tugevus leitakse laetud kehade elektriväljade -vektorite liitmisel.
1.4. Elektrivool ja voolutugevus
Elektriväli levib keskkondades ligikaudu valguse kiirusega ja nii hakkavad selle toimel kõik vabad laetud osakesed ühekorraga suunatult liikuma ning tekib elektrivool.
– voolutugevus
– elektrilaeng
– aeg
Voolutugevus näitab, kui suur laeng läbib juhi ristlõiget ajaühikus.
1.5. Elektrivälja töö ja energia
– elektrivälja tugevus
– elektrilaeng
– laengu poolt sooritatud nihe
Elektrivälja töö seisneb laengute liikuma panemises, liikumas hoidmises või pidurdamises.
Kui on teada plaatidevaheline pinge , saab elektrivälja tööd arvutada valemiga .
Elektrivälja asetatud positiivse laengu potentsiaalne energia .
– elektrivälja tugevus
– laeng
– kaugus negatiivsest plaadist
1.6. Elektrivälja potentsiaal ja pinge
(elektronvolt) on võrdne tööga, mida teeb elektriväli elektroni viimisel ühest väljapunktist teise, kui nende punktide potentsiaalide erinevus on 1V.
1.7. Elektrivälja tugevus ja pinge
Pinge kahe punkti vahel on seda suurem, mida suurem on elektrivälja tugevus ja mida suurem on nende punktide vaheline kaugus mõõdetuna piki elektrivälja jõujooni.
– pinge
– elektrivälja tugevus
– elektrivälja kahe punkti vaheline kaugus
Ekvipotentsiaalpind on pind elektriväljas, kus naaberpunktide potentsiaalide
väärtused on võrdsed. Seega ekvipotentsiaalpinna punktide vaheline pinge .
Elektrivälja punktid ja asuvad ekvipotentsiaalpinnal: .
Elektrivälja punktid ja asuvad erinevatel ekvipotentsiaalpindadel: .
1.8. Kondensaator
Kondensaator on seade, mis salvestab energiat. Kondensaatorit saab
kasutada vooluallikana. Kondensaatori põhikomponendid: a) elektrit juhtivad plaadid, b) plaatide vahel paiknev dielektriku kiht.
Kondensaatorit saab laadida, kui lüliti on asendis 1. Kondensaator tühjeneb, kui lüliti on asendis 2.
Kondensaatori mahtuvus on arvuliselt võrdne laenguga, mis koguneb plaatidele ühikulise pinge rakendamisel.
on väga suur mahtuvus. Elektroonikas kasutatavate kondensaatorite mahtuvused on vahemikus .
2 Magnetväli
Magnetresonantstomograafia
Meditsiinis kasutatakse inimese organite uurimiseks magnetresonantstomograafiat (MRT), mis annab küllalt suure täpsusega pildi ajukahjustuse, kasvaja või mistahes muu haiguse asukohast ja ulatusest. Esimene MRT pilt inimese kehast saadi 1977. aastal, aga idee oli olemas juba 20. sajandi kahekümnendatel aastatel. Nagu seadme nimigi ütleb, on aparaadi töös olulisel kohal magnetid. Tõepoolest, seadmes kasutatakse ülitugevaid magneteid, valdavalt ülijuhtmagneteid, mille magnetväli on külmkapimagnetite magnetväljast kuni 10000 korda tugevam.
MRT-s kasutatakse keemilisse sidemesse seotud vesiniku tuuma magnetilist omadust orienteeruda tugevas magnetväljas kindlas suunas. Nii saavad vesiniku tuumad ka võime neelata teatud sagedusega raadiolaineid, muutes sealjuures oma orientatsiooni magnetväljas. Kui raadiolainete mõju lakkab, pöördub vesiniku tuum tagasi algsesse asendisse ja kiirgab välja elektromagnetlaine, mille tomograaf registreerib. Kuna erinevad koed koosnevad erinevatest molekulidest, kus ka vesinikud on erinevalt seotud, siis on ka eraldunud energia erinev. Kinni püütud signaal muudetakse meile nähtavaks pildiks, kus on näha uuritava organi erinevaid kudesid.
| 
|
|---|---|
| Joonis 2.2. Patsienti valmistatakse ette MRT skaneeringuks. | Joonis 2.3. MRT skaneeringut kasutatakse väga erinevate haiguste diagnoosimiseks. Sellel pildil on näha polüskleroosi kolded. |
2.1 Püsimagnet
2.1.1 Püsimagnet
Püsimagneteid on igasuguseid: nii elastseid, nikeldatud, tabletikujulisi, rööpkülikuid, kerakujulisi kui ka klassikalisi pulga- või hobuserauakujulisi. Ka püsimagnetite magnetväljade tugevused erinevad väga suurel määral – mikroteslast kuni neodüünmagnetite teslani ( tesla on ühik, millega mõõdetakse magnetvälja tugevust).
Tänapäeva tehnikas on eriti suur roll neodüümmagnetitel. Neid kasutatakse alates arvuti kõvaketastest ja elektrimootoritest kuni ukselukkude ning mänguasjadeni välja. Ka sobib neodüümmagnet tomograafidesse ülijuhtmagneti asemele, mis võimaldab konstrueerida avatud ja vähema müraga tomograafe.
Sarnaselt elektriväljaga kasutatakse ka magnetvälja kirjeldamiseks jõujooni, sedapuhku siis magnetvälja jõujooni (joonis 2.4). Piirkondi, kus magnetväli on kõige tugevam, nimetatakse magneti poolusteks.
Magnetvälja jõujooned on kinnised jooned, mille suund on valitud kokkuleppeliselt: jõujooned väljuvad magnetiliselt põhjapooluselt ja suubuvad magnetilisele lõunapoolusele. Jõujooned ei katke ja neid peaks kujutama ka magneti sees, aga joonistel jõujooni püsimagnetite sees tavaliselt ei kujutata.
Analoogselt elektrivälja jõujoontega näitab magnetvälja jõujoonte tihedus magnetvälja tugevust ja jõujoonte ühtlane paigutus näitab välja homogeensust.
Tavaliselt on magnetitel üks põhja- ja üks lõunapoolus, aga tehnikas kasutatakse ka magneteid, kus on mitu lõuna- ja põhjapoolust, nagu on esitatud joonisel 2.5.
Magnetpooluste värvused
Eestikeelses kirjanduses on traditsiooniliselt tähistatud magneti lõunapoolust punase ja põhjapoolust sinise värviga, aga näiteks kompasside tootjad on kasutanud põhjapooluse märkimiseks punast ja lõunapooluse jaoks valget värvi. Erialakirjanduses leidub ka teistsuguseid värvilahendusi, mis on mõnikord vastupidised meie tähistustele, aga kõikidel juhtudel on joonistele lisatud juurde põhja ja lõuna rahvusvahelised tähised N ja S.
Kompassi põhjapooluseks on valitud see osa, mis näitab geograafilist põhjasuunda. Kokkuleppest järeldub, et Maa magnetiline lõunapoolus asub geograafilise põhjapooluse suunal, sest erinimelised poolused – kompassi põhjapoolus ja Maa lõunapoolus – tõmbuvad.
Kui riputada mis tahes magnet selliselt, et poolused on horisontaalis, siis ka kõige raskem magnet orienteerub varem või hiljem põhja–lõuna-sihiliselt. Nii saab endale ise kompassi teha.
Mis põhjustab magnetvälja? Teame, et elektrivoolul on magnetiline toime, sellel toimel põhineb näiteks elektromagneti ja elektrimootori töö. Ka püsimagneti magnetvälja tuleks seostada elektronide liikumisega, täpsemalt elektroni spinniga. Spinni mõistega oleme kokku puutunud keemiakursuses, kui rääkisime aatomite elektronkatete elektronide energiatasemetest. Seal saime teada, et elektrone iseloomustab ka spinn ja ühel orbitaalil on koos kaks eri spinniga elektroni. Füüsikalises mõttes on elektroni spinn selle magnetmoment – elektroni kujutletakse pöörlevana ümber oma telje ja sellises laengu „liikumises“ tekitab elektron magnetvälja. Materjalil on väljapoole ulatuv magnetväli vaid siis, kui mingi suunaga spinnid on ülekaalus. Enamikus materjalides on erisuunalise spinniga elektrone enam-vähem võrdselt ja seetõttu ei ole neil materjalidel välist magnetvälja.
Katse magnetvälja jõujoonte uurimiseks
Püsimagnetite magnetvälja jõujoonte visualiseerimiseks saame kasutada rauapuru.
Jõujoonte suuna ja magnetvälja pooluste määramiseks läheb vaja kompassi. Et rauapuru ei tõmbuks magneti külge (teda on sealt tülikas kätte saada), võiks puru hoida paberi peal, aga magneteid teisel pool paberit.
Joonisel 2.6 on näha kahe püsimagneti magnetvälja jõujoonte järgi orienteerunud rauapuru ja kompasse, mis näitavad magnetvälja suunda ehk kompassi põhjasuunda antud punktis.
Tasub ka uurida:
a) kahe magneti vahelisi jõujooni, kui magnetitel on vastamisi samanimelised poolused;
b) plastikust külmkapimagnetite pooluseid;
c) magneti ja magneetunud raudnaela pooluseid.
Ettevaatust telefoniga – telefoni kõlar ja mikrofon sisaldavad magnetit ning võivad rauapuru enda külge tõmmata!
Materjale, mis on püsimagnetid või magneetuvad püsimagneti toimel, nimetatakse ferromagneetikuteks. Kui magnettoime on väga pikaajaline, öeldakse selle materjali kohta kõva ferromagneetik, kui aga magnetvälja saab kergesti muuta, siis on tegu pehme ferromagneetikuga. Näiteks külmkapimagnet on kõva ferromagneetik, aga hotelli uksekaardi magnetriba on pehme ferromagneetik – uksekaardi magnetriba võib ümber magneetuda juba kokkupuutel telefoni kõlari või mikrofoni magnetiga.
Ferromagneetikuid iseloomustab ka omadus tugevdada olemasolevat magnetvälja.
Ülesanded
2.2 Vooluga juhtme magnetväli
2.2.1 Vooluga juhtme magnetväli
Elektrivoolu magnetilist toimet kasutatakse näiteks elektrimootorites, elektromagnetites ja kõlarites. Selliste seadmete konstrueerimisel tuleb arvestada nii magnettoime suuna kui ka tugevusega. Näiteks elektrimootori pöörlemise suund ja sagedus sõltuvad nii mootori mähist läbiva elektrivoolu tugevusest ja suunast kui ka mootori mähiseid ümbritseva magnetvälja tugevusest ja suunast. Need seosed on täppisteaduslikult ära kirjeldatud. Nii ei pea neid iga kord mõnd uut masinat konstrueerides Jaan Tatika kombel uuesti katseliselt avastama.
Olgu meil sirgjuhe, mis on ühendatud vooluringi. Joonisel 2.8 on näha, kuidas orienteeruks kompassinõel, kui see juhtme lähedusse viia. Sellest saame järeldada, et vooluga juhet ümbritseb magnetväli.
Teades magnetvälja jõujoonte kokkuleppelist suunda, saab joonisel kujutatud jõujoontele lisada ka suunda näitavad nooled.
Ilma katset tegemata on magnetvälja jõujoonte suunda lihtne määrata parema käe reegli abil.
Joonisel 2.8 näidatud reegel on selline: kui parema käe pöial näitab voolu suunda, siis rusikasse surutud näpud näitavad magnetvälja suunda.
Üksiku juhtme magnetväli ei ole väga tugev ja magnetvälja tekitamiseks seda tehnikas ei kasutata. Aga kui selliseid juhtmeid panna mitu tükki lähestikku, siis neid läbivate voolude magnetväljad liituvad ja tekib tugevam magnetväli. Mitut samasuguse voolu suunaga juhet on lihtne üksteise lähedusse panna, kui kerida neist mähis (joonis 2.9) ehk solenoid (kr σολήνα [solina] ’toru, kanal’ ja ειδός [eidos] ’moodi, sarnane’). Näiteks kui laseme vedrusse elektrivoolu, võime seda nimetada ka solenoidiks.
Uurime magnetväljade liitumist solenoidis. Selleks poolitame pikuti solenoidi (joonis 2.10) ja suurendame traadi läbilõiget selliselt, et saame igasse traadi ristlõikesse lisada sümbolitena voolu suuna.
Kui vool tuleb vaataja suunas, on märgiseks täpp, kui vool eemaldub meist, on märgiseks kaldrist. Joonistame iga juhtme ümber magnetvälja jõujoone, järgides parema käe reeglit. Jooniselt on näha, kuidas jõujooned kattuvad, tekitades solenoidile ühise magnetvälja. Et keerdudes on voolu suund sama, siis keerdude samasuunalised magnetväljad liituvad.
Kuna jõujooned sisenevad mähisesse paremalt poolt, on tegu lõunapoolusega, seal, kus jõujooned väljuvad, on solenoidi põhjapoolus. Joonisele on lisatud kooskõlas jõujoonte suunaga kompassinõel, mille järgi saab samuti määrata solenoidi poolused N ja S.
Joonisel 2.10 võime veenduda, et kui solenoid on mähitud ühtlaselt, siis on selle sees magnetväli homogeenne. Solenoidi ümbritsev magnetväli on mittehomogeenne.
Kui mähise sisse panna ka magnetvälja võimendav ferromagneetik, tavaliselt raudsüdamik, oleme saanud elektromagneti.
Seega, mähise magnetvälja võimendamiseks tuleb:
a) suurendada mähise keerdude tihedust;
b) suurendada voolutugevust;
c) lisada raudsüdamik.
Kui tahame vahetada elektromagneti pooluseid, muudame elektrivoolu suuna vastupidiseks.
Ülesanded
2.3 Magnetinduktsioon ja vooluga juhtmele mõjuv magnetjõud
2.3.1 Magnetinduktsioon ja vooluga juhtmele mõjuv magnetjõud
Peatüki alguses võrdlesime erinevate püsimagnetite tekitatud magnetvälja tugevust. Väitsime näiteks, et ülijuhist elektromagneti magnetväli on kuni 10000 korda suurem kui külmkapimagneti magnetväli.
Magnetvälja tugevust kirjeldav füüsikaline suurus on magnetinduktsioon. Miks selline nimetus? Magnetinduktsiooni mõiste on tulnud sellest, et elektrivooluga indutseeritakse ehk tekitatakse magnetväli – mida tugevam elektrivool on mähise keerus, seda suurem on indutseeritud magnetväli ja seega ka magnetinduktsioon.
Magnetvälja tugevus
Erinevus elektri- ja magnetvälja kirjeldavate vektorsuuruste nimetustes (elektrivälja tugevus ja magnetinduktsioon ) tuleneb samuti asjaolust, et magnetvälja algne kirjeldus ehitati üles sarnasusele punktlaengute ja magnetpooluste käitumise vahel. Korrektses füüsikalises käsitluses on olemas ka termin magnetvälja tugevus, mis on elektrivälja tugevuse analoogiks magnetpooluste-põhises magnetvälja käsitluses. Selles õpikus peame magnetvälja tugevusest rääkides silmas magnetinduktsiooni suurust.
Magnetinduktsiooni tähis on ja ühik (tesla) vahelduvvooluvõrgu leiutaja Nikola Tesla (1856–1943) auks.
Magnetinduktsioon on vektoriaalne suurus ja selle kokkuleppeline suund on N-pooluselt S-poolusele. Kui me nimetasime elektrivälja tugevuse vektorit lühidalt -vektoriks, siis ka magnetinduktsiooni vektorit nimetame edaspidi lühidalt -vektoriks. Kui -vektorid on suunatud piki elektrivälja jõujoonte puutujat, siis -vektorid on suunatud piki magnetvälja jõujoonte puutujat. Nii nagu liituvad elektrija gravitatsioonivälja vektorid, liituvad ka magnetvälja vektorid. Joonisel 2.12 on kujutatud kahe püsimagneti tekitatud magnetvälja jõujooned ja -vektorid.
Ülijuhtmagnetid
Maailma tugevaimaks magnetiks on ülijuhtmagnet, mille magnetinduktsiooni väärtus on u teslat, Maa magnetvälja , neutrontähe magnetinduktsioon on suurusjärgus miljon teslat. Neodüümmagnet () on tugevaim püsimagnet, mille magnetinduktsiooni väärtus on kuni . Nd-magnet suudab üleval hoida oma massist tuhandeid kordi raskemaid raudesemeid; kahte sellist magnetit lahti kangutada inimjõul pole võimalik.
Kuna vooluga juhtme ümber on magnetväli ja ka püsimagnet omab magnetvälja, siis mõjutavad need üksteist magnetjõuga. See nähtus on aluseks elektrimootori tööpõhimõttele ja nähtuse avastas Taani füüsik Hans Christian Ørsted (1777–1851).
Katse magnetväljas vooluga juhtmele mõjuva magnetjõu uurimiseks
Uurime, kuidas on seotud magnetväljas vooluga juhtmele mõjuv jõud magnetinduktsiooni, elektrivoolu suuna ja voolutugevusega. Kasutame katses hoburauakujulist magnetit, mille vahele on riputatud vooluallikaga ühendatud vasest varras (joonis 2.13). Voolu sisse lülitamisel hüppab vaskvarras noolega näidatud suunas. Kui lülitada vool välja, siis vaskvarras läheb algasendisse tagasi.
Paneme tähele, et vooluga juhtmele mõjuv magnetjõud on risti nii -vektori kui ka voolu suunaga. Kui vahetada juhtmed vooluallika positiivsel ja negatiivsel klemmil või vahetada magneti poolused, siis vaskvarras hüppab vastassuunas. Kui suurendada voolutugevust, on ka magnetjõud tugevam, ja kui kasutada tugevamaid magneteid, on jõud samuti suurem.
Sarnastes katsetes on võimalik kindlaks teha, et magnetväljas vooluga juhtmele mõjuv jõud sõltub võrdeliselt voolutugevusest , magnetinduktsioonist ja magnetväljas paikneva juhtmelõigu pikkusest .
Magnetjõud sõltub ka nurgast elektrivoolu suuna ja -vektori suuna (magnetvälja jõujoonte) vahel. Kui nurk juhtmelõigu ja -vektori vahel on , on magnetjõud suurim. Kui nurk juhtmelõigu ja magnetvälja jõujoonte vahel on , siis juhtmelõigule magnetjõudu ei mõju. Teame, et ja . Nii et seda magnetjõu nurgasõltuvust peaks kirjeldama just siinusfunktsiooniga.
Saame kirjutada seose:
Saadud valemist avaldame
Seos ühikute vahel:
1. näidisülesanne
Vasest varras on asub 5cm ulatusega homogeenses magnetväljas, mille -vektori suund on vardaga risti ja mille magnetinduktsioon . Voolutugevus vardas on 1A. a) Kui suur jõud mõjub vardale? b) Kas varras hakkab selle jõu tõttu liikuma? Kui hakkab, siis hinda varda kiirendust.
Lahendus
a) Teeme vajalikud teisendused ja asetame andmed valemisse
Arvutades saame
b) Mehaanika kursusest teame, et takistavate jõudude puudumisel paneb kuitahes väike jõud liikuma kuitahes suure keha, ehkki väikese või peaaegu olematu kiirendusega. Reaalsetes oludes määrab kehade liikuma hakkamise või paigale jäämise ära veojõu ja hõõrdejõu võrdlus. Kuna ülesandes ei ole vardale mõjuvat takistusjõudu täpsustatud, peame tegema eelduse, et ainus vardale mõjuv jõud on magnetjõud.
Varda liikumise iseloomustamiseks arvutame esmalt selle massi. Kui võtame varda pikkuseks 5cm ja oletame, et selle ristlõike pindala on , saame juhtme ruumalaks
Juhtmelõigu mass vasest juhtme korral (), on siis
Newtoni II seadusest
leiame
See on küllalt suur kiirendus, et seda märgata. Nagu katses juhtuski.
Nägime vaskvardaga tehtud katses (joonis 2.13), et vaskvardale mõjuv jõud sõltus elektrivoolu suunast. Selle asemel, et teha katseid jõu suuna määramiseks, on lihtsam kasutada vasaku käe reeglit, et näiteks konstrueerida õigesti töötav elektrimootor. Kuna magnetjõud, vooluga juhe ja magnetvälja jõujooned on kolmemõõtmelises süsteemis, on reegliks vaja kolme ruumisuunda.
Vasaku käe reegel: kui vasaku käe väljasirutatud näpud näitavad voolu suunda ja magnetvälja jõujooned lähevad peopessa, siis juhtmele mõjuva jõu suunda näitab väljasirutatud pöial.
2. näidisülesanne
Joonisel 2.14 on kujutatud kahte magnetit ja nende vahele asetatud vooluga juhtmelõiku. Veendu, et juhtmelõigule mõjuv magnetjõud on just selline, nagu joonisel kujutatud.
Lahendus
Joonisel on kujutatud ühe magneti põhjapoolus ja teise magneti lõunapoolus. Magnetvälja jõujoonte suund on järelikult ülevalt alla (põhjapooluselt lõunapoolusele). Juhtmelõik on magnetväljaga risti. Voolu suund on tähistatud ristiga juhtme ristlõikel ja on seega „paberi sisse“. Asetame vasaku käe selliselt, et näpud näitavad voolu suunda – ehk paneme näpud risti lehega ja peopesa suunaga põhjapoolusele (antud joonisel üles), nii et jõujooned oleksid suunatud peopessa. Väljasirutatud pöial näitab nüüd juhtmele mõjuva jõu suunda. Seega mõjuks vooluga juhtmele jõud suunaga vaataja suhtes vasakule.
Jooniste lugemine elektromagnetismi kursuses
Kolmemõõtmelise ruumi kujutamine kahemõõtmelisel paberil ei ole lihtne ja tahab harjutamist. Harjutamist vajab ka selliste jooniste lugemine. Et näidata paberi pinnaga risti olevat suunda, kasutatakse punkti või risti. Selline tähistusviis on tulnud vibunoole traditsioonilisest kujust. Kui vaadata meie suunas liikuvat noolt (ära seda järele proovi!), on näha nooleteravikku täpina (joonis 2.15a). Kui vaadata eemalduvat noolt, on näha üksteisega risti paiknevaid sulgi (joonis 2.15b). Seepärast kujutatakse lehekülje sisse suunduvat voolu või jõujooni ristiga ning paberi pinnast väljuvaid voolu või jõujooni punktiga. Kindlasti tuleb ristile või punktile juurde lisada ka kujutatava füüsikalise suuruse tähis.
Ülesanded
2.4 Elektrimootor
2.4.1 Elektrimootor
Eelmises peatükis kirjeldatud vooluga juhtmele magnetväljas mõjuval magnetjõul põhineb kõigi elektrimootorite töö. Magnetvälja saamiseks kasutatakse püsi- või elektromagneteid (joonis 2.18).
Mootori fikseeritud magnetitega karkassi nimetatakse staatoriks. Juhtmest tuleb kerida raudsüdamikule mähis või mähiste süsteem, millel on fikseeritud pöörlemistelg – tegu on rootoriga. Elektrimootorite konstrueerimisel arvestatakse mõõtmete, võimsuse ja elektrivoolu liigiga (alalis- või vahelduvvool), et saada kas imepisike telefoni vibratsiooni tekitav mootor või hiigelsuur elektrirongi mootor. Aga põhimõte on kõigil sama – juhtmest keritud mähis või mitme mähise süsteem hakkab ümber oma telje magnetjõu toimel pöörlema.
Teeme ise elektrimootori
Vaja läheb:
a) läbimõõduga mähisetraati (mähisetraat on pruuni isoleeriva lakiga kaetud vasktraat);
b) püsimagneteid, mida tugevamad, seda parem;
c) alust, kuhu mootor kinnitada, sobib isegi tavaline köögisvamm, sest mootor on kerge;
d) näpitsaid traadi lõikamiseks ja puhastamiseks;
e) vooluallikat, milleks sobib nii patarei kui ka alaldi;
f) AA patareid või ligikaudu samasuguse läbimõõduga pulka;
g) teipi.
1) Rootori mähiseks kerige u keerdu mähisetraati ümber patarei (või pulga), jättes mõlemast mähisetraadi otsast kerimata umbes juhet. Fikseerige mähis, kasutades selleks vabaks jäetud mähisetraadi otsi. Nii saame pöörlemisteljega rootori, nagu on näha joonisel 2.19a. Rootori telje moodustavad vabaks jäetud mähisetraadi otsad. Mähis peab olema oma telje suhtes tasakaalustatud, st selle raskuskese peab asuma rootori pöörlemisteljel.
2) Asetage rootor lauale ja kraapige selle otstelt (teljelt) ühelt küljelt lakikiht ettevaatlikult
maha (joonis 2.19b). Nii saame liugkontakti, millest läheb vool läbi vaid teatud rootori asendite korral.
3) Valmistage mootorile eelnevalt puhastatud mähisetraadist toed, mis täidavad ka kontaktide ülesandeid. Need toed kinnitatakse valitud alusele – meie kasutame aluseks svammi ning torkame need selle sisse, aga toed võib ka teibiga laua külge kinnitada (joonis 2.20).
4) Asetage rootor tugedele, tugede vabad juhtmeotsad ühendage vooluallikaga. Rootori mähise alla
asetage püsimagnet.
Kui kontaktid on puhtad oksiidi- ja lakikihist ning mähis igati sümmeetriline, hakkab mootor pöörlema.
Edasi uurimiseks:
a) filmi töötavat mootorit ja analüüsi selle pöörlemissagedust ja -perioodi;
b) mõõda multimeetriga voolutugevus töötavas mootoris ja pinge mootori otstel ning arvuta mootori
võimsus .
Ülesanded
a) Miks siiski ei ole mõtet teha väga paljude keerdudega mähist, ehkki mõjuv jõud mitmekordistub?
b) Millised lahendused veel aitavad kaasa võimsama mootori ehitusele?
2.5 Magnetjõud kahe vooluga juhtme vahel. Ampere’i seadus
2.5.1 Magnetjõud kahe vooluga juhtme vahel. Ampere’i seadus
Teame, et kaks püsimagnetit tõukuvad või tõmbuvad. Ka püsimagnet ja vooluga juhe mõjuvad teineteisele magnetjõuga. Järelikult peaksid ka kaks juhet teineteist magnetjõuga mõjutama, kuna mõlemat juhet ümbritseb magnetväli.
Joonisel 2.23 on kujutatud kahte vooluga juhet. Juhtmetes on voolu suund ühesugune – alt üles.
Määrame parema käe reegli abil magnetvälja jõujoonte suuna ümber esimese juhtme. Jooniselt märkame, et teine juhe asub esimese juhtme magnetväljas.
Kasutame nüüd vasaku käe reeglit teisele juhtmele mõjuva magnetjõu suuna kindlaks tegemiseks. Asetame vasaku käe teise juhtme juurde selliselt, et sõrmed näitavad voolu suunda, jõujoon suundub peopessa. Väljasirutatud pöial näitab nüüd teisele juhtmele mõjuva magnetjõu suunda. Kuna pöial on suunatud esimese juhtme suunas, võib väita, et esimese juhtme magnetväli tõmbab teist juhet enda poole.
Kui teha läbi sama protsess ka teise juhtme magnetvälja mõju kohta esimesele juhtmele, saame, et ka esimest juhet tõmbab teise juhtme magnetväli. Seega võime öelda, et kui juhtmetes on samasuunaline vool, siis need juhtmed tõmbuvad.
Kahe juhtme vastastikmõju uuris esimesena väga põhjalikult André-Marie Ampère (1775–1836). Tema töödest võib leida ka hüpoteetilise elektrimolekuli, mis osaleb elektrivoolus ja on seotud magnetvälja tekkega – omamoodi elektroni eelkäija 19. sajandi algusest. Ampère märkas, et
a) mida intensiivsem on vool kahes paralleelses juhtmes, seda tugevam on juhtmete vastastikmõju;
b) juhtmetevaheline jõud sõltub pöördvõrdeliselt nendevahelisest kaugusest.
Seega võib joonisel 2.23 kujutatud situatsiooni põhjal väita, et kui ühes või mõlemas juhtmes vool tugevneb, siis tugevneb ka juhtmeid ümbritsev magnetväli ning suureneb juhtmete vahel mõjuv tõmbejõud.
Ampère esitas oma järeldused valemina
kus ja on voolutugevused juhtmetes, on juhtmete pikkus ja nendevaheline kaugus. on konstant, mis on seotud juhtmetevahelise keskkonnaga. Vaakumis .
Näidisülesanne
Katses saab näidata, et vedru lüheneb, kui sellest vool läbi lasta. Selgita seda nähtust. Hinda, kui suur jõud mõjub kahe keeru vahel, kui voolutugevuseks mõõdeti , keerdudevaheline kaugus on ja ühe keeru ümbermõõt on 8cm.
Lahendus
Joonisel 2.24 on vedru ühendatud vooluringi ja vedrule on joonisel märgitud voolusuund. Kuna kõikides keerdudes on vool samasuunaline, siis keerdude vahel mõjub tõmbejõud ja vedru tõmbub kokku.
Parema mudeli puudumisel kasutame valemit
Paneme tähele, et meie uuritavas situatsioonis on see väga ebatäpne.
Arvutame
Saadud jõud on väga väike. Võime küll eeldada, et kuna tegu on vedruga, siis vooluga keerde on mitmeid ja nii mõjub keerdudele ka teiste keerdude magnetväli ning mõjuv jõud on seeläbi suurem. Samas peavad selleks, et vedru märgatavalt lüheneks, vedru mass ja jäikus olema üsna väiksed. Tegelikult lüheneb vedru igal juhul, aga seda ei pruugi palja silmaga näha olla.
Ülesanded
2.6 Magnetvälja mõju liikuvale laetud osakesele. Lorentzi jõud
2.6.1 Magnetvälja mõju liikuvale laetud osakesele. Lorentzi jõud
Elektrivool on laetud osakeste suunatud liikumine. Seega on elektrivool ka röntgenlambis toimuv elektronide liikumine katoodilt anoodile, samuti prootonite voog Päikeselt Maa suunas. Kuna tegu on elektrivooluga, siis sellega kaasneb ka magnetväli ja järelikult saame mõjutada liikuvaid laetud osakesi magnetväljaga. Tõepoolest, Maa magnetväljal on elutähtis roll, et kaitsta Maad kosmosest tulevate laetud osakeste voogude eest, suunates osakesi liikuma pooluste suunas.
Radioaktiivne lagunemine
Kuidas eristati radioaktiivsel lagunemisel tekkiva kiirguse (ioniseeriva kiirguse) liike? Radioaktiivsuse, st aatomituumade iseenesliku lagunemise avastas aastal 1897 Henri Becquerel (1852–1908) ja sellisel lagunemisel tekkivat kiirgust nimetatigi algselt Becquereli kiirguseks. Kui selline kiirgus suunata läbi homogeense magnetvälja, siis üks osa kiirgusest levib ilma kõrvale kaldumata, teine osa kaldub ühele, kolmas teisele poole (joonisel 2.26). Neid ioniseeriva kiirguse liike on hakatud nimetama alfa-, beeta- ja gammakiirguseks (vt joonis 2.26).
Määrame kõrvalekaldunud kiirguse osakeste laengu, kasutades vasaku käe reeglit. Magnetvälja jõujooned peavad olema suunaga peopesa poole, vasak käsi on seega
peopesaga vaataja poole. Pöial tuleb suunata osakeste kõrvalekaldumise suunas. Osakeste liikumise suunda näitavad väljasirutatud näpud. Teame, et voolu suund on
määratud positiivsete osakeste liikumise suunaga. Järelikult on joonisel üles kaldunud osakese laeng positiivne ja tegemist on -osakesega ehk heeliumi aatomi tuumaga. Allapoole kaldunud osakeste määratud vool peab olema vastassuunaline, järelikult peab tegu olema negatiivselt laetud -osakeste ehk elektronidega. Magnetväli ei mõjutanud elektriliselt neutraalset -kiirgust.
Tuletame valemi magnetväljas liikuvale laetud osakesele mõjuva jõu arvutamiseks. Teame, et magnetväljas magnetvälja jõujoontega risti asuvale juhtmelõigule mõjub jõud
Teisalt teame, et elektrivool on laetud osakeste suunatud liikumine ning voolutugevus ja juhi ristlõiget läbinud laeng on seotud valemiga
Asendades jõu avaldises voolutugevuse selle seosega, saame:
Oletame nüüd, et ajaühikus läbib juhi ristlõiget vaid üks laetud osake ja selle osakese laeng on . Sel korral on selle osakese liikumise teepikkus, teepikkuse läbimiseks kulunud aeg ja nende kahe jagatis on osakese kiirus:
Laetud osakesele mõjuva jõu avaldiseks saame
Kui laetud osake ei liigu magnetväljaga risti, on sellele mõjuv jõud väiksem. Vastava valemi tuletamisel peaksime siis arvestama ka nurgaga voolusuuna ja magnetvälja jõujoonte vahel. Tulemuseks saame:
Saadud valemit nimetatakse Lorentzi valemiks Taani füüsiku Hendrik Lorentzi (1853–1928) auks, kes esimesena seose sõnastas. Magnetväljas liikuvale laetud osakesele mõjuvat jõudu nimetatakse Lorentzi jõuks. Positiivse laenguga osakesele mõjuva Lorentzi jõu suunda määratakse samamoodi, nagu magnetväljas vooluga juhtmele mõjuvat jõudu – vasaku käe reegli abil. Negatiivselt laetud osakesele mõjuva jõu suuna määramiseks tuleks vasaku käe reeglis kasutada paremat kätt. Teine võimalus on meelde tuletada, et elektrivoolu suund on kokkuleppeline ja positiivsete laengute liikumisega samaväärne on sama suure negatiivse laengu liikumine vastassuunas.
Näidisülesanne
Kiirusega liikuv -osake siseneb magnetvälja magnetinduktsiooniga . Kui suur on sellele osakesele mõjuv maksimaalne Lorentzi jõud?
Lahendus
Lorentzi jõud on maksimaalne, kui osake liigub magnetvälja jõujoontega risti, nii et .
Heeliumi tuumas on kaks prootonit, seega osakese laeng on .
Lorentzi jõu arvutamiseks kasutame valemit
Nii saame
Makromaailmas on selline jõud tühine. Aga et heeliumi tuuma mass jääb suurusjärku , on see jõud piisav, et heeliumi tuum isegi nõrgas magnetväljas
sirgjoonelisest trajektoorist kõrvale kalduks. Seega sai ioniseeriva kiirguse liike juba 20. sajandi alguses tavalise magneti või elektromagnetiga uurida.
Lorentzi jõudu rakendatakse ulatuslikult teaduses laetud osakeste suunamiseks.
- Kiirendites pannakse nii laetud osakesi mööda ringikujulist trajektoori liikuma.
- Osakeste kokkupõrkel kiirendites tekib hulganisti uusi laetud ja laadimata osakesi. Magnetväljas tekkinud laetud osakeste trajektoorid kõverduvad ning nii saab määrata nende füüsikalisi parameetreid.
- Molekulide või isotoopide massi määramist võimaldavas mass-spektromeetris kallutatakse magnetväljaga ioniseeritud molekulide või isotoopide trajektoore. Et trajektoori raadius on võrdelises sõltuvuses massist, saabki määrata osakeste masse (vt ülesanne 3).
Beetakiirgus vähiravis
-kiirgust kasutatakse vähiravis, sest kiirgus ioniseerib vähkkoe molekule, muutes sellega nende funktsioone. Kuna kiirgus hajub inimese kudedes, siis saavad kahjustada ka ümbritsevad koed. 2017. aastal uurisid Türgi teadlased, kuidas oleks võimalik lokaliseerida kiirguse mõju nii, et häviks ainult vähkkasvaja. Uuringus kasutati -kiirguse ehk elektronide liikumise mõjutamiseks , , ja tugevust magnetvälja. Tulemused on esitatud joonisel 2.27, kus on kujutatud elektronide hajumise trajektoore erineva tugevusega magnetväljades. Magnetvälja puudumisel hajus kiirgus suuremale alale, aga tugevas magnetväljas olid elektronid keerdunud, mille tõttu hõivasid elektronid ainult väikese ruumiosa ja seega kahjustaksid ka vähem ümbritsevaid kudesid.
Vt Berrin Çavuşoğlu, Selda Sucu, Hatice Durak, Kadir Akgüngör, Hakan Epik, and Türkan Ertay. Experimental and Simulation Analysis of Radiation of the Beta Emitting Sources in a Magnetic Field. National Center for Biotechnology Information. Vaadatud 23.04.2020.
Kuna magnetjõud mõjub laetud osakese liikumissuunaga risti, siis liiguvad laetud osakesed magnetväljas ringjoonelisel trajektooril. Sarnaselt paneb liikumissuunaga risti mõjuv gravitatsioonijõud planeedid ja satelliidid mööda ringjoonelisi trajektoore liikuma. Kui laetud osake siseneks piisavalt suure ulatusega homogeensesse magnetvälja, jääks ta sinna tiirlema ehk n-ö lõksu, kuni kaotab oma energia. Rakendame nüüd mehaanikas omandatud teadmisi ja tuletame seose, mis näitab, millest sõltub osakese magnetväljas tiirlemise raadius.
Kasutame Lorentzi jõu valemit
ja kesktõmbejõu valemit
Et magnetväljas tiirleva osakese kesktõmbejõuks ongi Lorenzi jõud
saame kirjutada
Jagades võrrandi mõlemad pooled kiiruse -ga, saame valemiks
Tiirlemisraadiuse leidmiseks viime valemi kujule
Valemist on näha, et suure massi või kiirusega liikuva laetud osakese trajektoori raadius on suurem. Sellele tulemusele võib leida ohtralt analoogiaid ka igapäevakogemusest, näiteks suurema kiiruse ja massiga auto suunda on palju raskem muuta, kui parklas manöövreid sooritaval jalgrattal.
Joonisel 2.24 on -teslases magnetväljas elektronide trajektoorid kõige väiksema raadiusega, seega sõltub raadius magnetinduktsioonist pöördvõrdeliselt, nagu on näha ka valemist.
Ülesanded
2.7 Elektrivoolu genereerimine
2.7.1 Elektrivoolu genereerimine
Magnetvälja abil on võimalik mõjutada teist magnetit, vooluga juhet, mähist ning ka laetud osakesi. Laetud osakestele mõjuv Lorentzi jõud mõjutab ka vabu elektrone metallis, kui metallitükk liigub läbi magnetvälja.
Vaatame joonisel 2.29 kujutatud olukorda, kus kuubikujulisel metallitükil lastakse kukkuda läbi homogeense magnetvälja.
Magnetväli on suunatud paberist välja vaataja suunas ja siniste täpikestena kujutatud elektronid liiguvad koos metallitükiga risti läbi magnetvälja (a). Elektronidele mõjuva Lorentzi jõu tõttu (vasaku käe reegel!) liiguvad vabad elektronid kuubi parempoolse tahu suunas (b), tekitades tahu pinnale negatiivse laengu (c). Samaaegselt laadub vasak tahk positiivselt. Laengute ümberpaigutuse ajal esineb metallitükis elektrivool ja vastastahkudele tekib potentsiaalide erinevus ehk pinge.
Järelikult saab voolu tekitada, kui liigutada metalli magnetvälja suhtes. Et elektrivoolu genereerimise võimalusi täpsemalt kirjeldada, uurime katsete abil, millistel tingimustel elektrivool juhis tekib.
Katse elektrivoolu genereerimise võimaluste uurimiseks
Kasutame katseks mähist, elektromagnetit, tugevamat sorti püsimagnetit, milliampermeetrit või vastava mõõtepiirkonnaga multimeetrit, vooluallikat ja lülitit (joonis 3.30).
1. katse. Esimeses katses ühendame mähise milliampermeetriga. Liigutame magnetit erineval
moel mähise suhtes ja jälgime ampermeetri näitu. Osutub, et mida kiiremini liigub magneti poolus mähise suhtes, seda suurem on ampermeetri näit. Märkame ka seda, et tekkinud voolu suund sõltub
magneti liikumise suunast, kas mähise poole või sellest eemale. Sarnase tulemuse saame, kui magnet on paigal ja liigutame mähist.
2. katse. Teises katses kasutame püsimagneti asemel elektromagnetit ja jälgime, milline on milliampermeetri näit mähiste liigutamisel selle suhtes. Katses ühendame elektromagneti vooluallikaga ja mähise milliampermeetriga ning muudame mähise asendit elektromagneti suhtes. Tulemused sarnanevad esimese katse tulemustega – milliampermeetri näit suureneb, kui mähise liigutamine elektromagneti suhtes on ulatuslikum ja kiirem, ning tekkinud voolu suund sõltub mähise liikumise suunast elektromagneti suhtes.
3. katse. Kolmandas katses kasutame samu katsevahendeid, mis teises katses. Lisame vaid vooluallikat ja elektromagnetit sisaldavasse vooluringi lüliti. Asetame elektromagneti pooluse mähisele võimalikult lähedale ja lülitame voolu sisse ja välja. Samal ajal jälgime ampermeetri näitu. Osutub, et magnetvälja kiire tekkimine ja kadumine genereerib samuti mähisesse elektrivoolu. Pöörame elektromagneti teise pooluse mähise poole ja kordame katset. Ampermeeter näitab
nüüd negatiivset väärtust, see tähendab, et voolu suund muutus.
Kirjeldatud katseid kutsutakse Faraday katseteks inglise füüsiku Michael Faraday (1791–1867) järgi, kes esimesena selliseid katsed sooritas. Michael Faraday, kes oli vaesest perest pärit iseõppija ja laborant ning hiljem väga võimekas teadlane, avastas elektromagnetilise induktsiooni ehk elektrivoolu genereerimise muutuva magnetvälja abil. Kui soovime rõhutada, et elektrivool tekkis magnetvälja mõjul, nimetame tekkinud voolu induktsioonivooluks.
Rõhutame selle nähtuse olulisust meie igapäevaelus. Näiteks elektrijaamade elektrigeneraatorite mähistesse tekitatakse vool suurte pöörlevate elektromagnetite magnetvälja abil, st tegemist on induktsioonivooluga. See on ühtlasi teise katse rakendus.
Näidisülesanne
Millistel juhtudel on tegu induktsioonivooluga? a) Välgu ajal läheb rikki töötav elektroonika, b) päikesepatareidel töötav telefonilaadija, c) metalliotsijaga töötamine, d) mikrofoni töö ja e) kõlari töö.
Lahendus
a) Kuna välgu hetkel tekib lühiajaliselt suure tugevusega elektrivool, siis tekib korraks ka tugev magnetväli. Korraks tekkiv ja siis uuesti kaduv, järelikult ka kiiresti muutuv magnetväli genereerib juhtides induktsioonivoolu. Järelikult võib induktsioonivool jõuda ka elektriseadmetesse, põhjustades nende rikkeid.
b) Kuna vool saadakse päikeseenergial töötavast vooluallikast, ei ole tegu induktsioonivooluga.
c) Metalliotsijas on elektromagnet, mis metallitükile lähenedes tekitab metalli sisse induktsioonivoolu, millega kaasneb magnetvälja teke. Tekkinud magnetväli omakorda genereerib induktsioonivoolu metalliotsija mähisesse, mis annabki teada metalli leidmisest.
d) Dünaamilises mikrofonis paneb hääle rõhk mähise magnetite suhtes võnkuma ja see tekitab mähises induktsioonivoolu, mis muudetakse edasi võimendatavaks või salvestatavaks signaaliks.
e) Kõlari mähises muutub voolutugevus vastavalt helile, voolutugevuse muutumisel muutub magnetväli ja seega ka magnetjõud ning mähis võngub magneti suhtes. Tegu ei ole induktsioonivooluga.
Induktsioonivool ei pruugi tekkida ainult mähisesse, vaid ka metallitükki, mille pinna suhtes magnetväli muutub. Et vool ei ole juhtmes, vaid metallitükis, nimetatakse sellist voolu pöörisvooluks. Kuna elektrivoolul on soojuslik toime, kuumeneb metall induktsioonivoolu tõttu. Nii on võimalik sulatada metalle või kasutada induktsioonivoolu näiteks metalli mikropragude kindlaks tegemisel. See on võimalik, sest mida paksem on metall, seda tugevam on sinna tekkinud pöörisvool ja suurem soojuslik toime. Kui metallil on praod sees, on efekt väiksem, sest koosneks justkui väiksematest metallitükkidest.
Induktsioonpliit
Söögivalmistamisel kasutatakse lisaks gaasi- ja elektripliidile induktsioonpliiti. Nimetus annab mõista, et pliit töötab induktsioonivoolu põhimõttel (joonis 2.31). Pliidi plaat koosneb lamedast mähisest, kuhu tekitatakse 2-4 kHz sagedusega vahelduvvool. Mähise ümber
tekib omakorda sama sagedusega muutuv magnetväli. Muutuv magnetväli indutseerib nüüd juba poti põhja pöörisvoolu, mis põhjustab poti kuumenemise.
Et induktsioon oleks suurema kasuteguriga, peab pott olema paksema ja ferromagneetikust põhjaga. Pliit ise elektrivoolu toimel ei kuumene, kuumenevad vaid potid-pannid, mistõttu on tegu küllaltki säästliku köögipliidiga.
Kui uurida joonisel 2.31 kujutatud induktsioonivoolu tekkimist, siis on näha, et pott ei peagi olema otseses kokkupuutes mähisega. Induktsioonivoolu saab genereerida ka väikesel distantsil. Nimetatud nähtust kasutatakse juhtmevabal akude laadimisel, lihtsamal kujul näiteks elektrihambaharja laadijates.
Ülesanded
2.8 Faraday induktsiooniseadus
2.8.1 Faraday induktsiooniseadus
Eelmises peatükis käsitlesime mitmeid induktsioonivoolu tekkimise võimalusi ja märkasime, et kõikides katsetes või nähtustes, kus tekkis induktsioonivool, muutus magnetväli mähise või metalli pinna suhtes. Selles peatükis kirjeldame elektromagnetilise induktsiooni nähtust matemaatiliselt.
Vaatleme kõigepealt magnetvälja jõujoonte asetust mähisekeeru suhtes (joonis 2.33).
Magnetväli püsimagneti läheduses on mittehomogeenne, seega kui viia mähisekeerd magnetist eemale, väheneb jõujoonte hulk läbi mähise keeru. Ilmselt oleks mähise keerdu läbivate magnetvälja jõujoonte arv väiksem ka siis, kui mähise keerd oleks väiksema diameetriga.
Füüsikaline suurus, mis kirjeldab magnetvälja jõujoonte hulka läbi mähise keeru, on magnetvoog. Kui mähise keeru pinda läbib suurem arv jõujooni, on magnetvoog suurem, kui neid on vähem, siis on magnetvoog väiksem. Magnetvoogu on lihtne matemaatiliselt väljendada, kui magnetväli on homogeenne ja -vektori suund on risti mähise keeru tasandiga. Sel korral saab magnetvoogu arvutada valemiga
Tõepoolest, selline valem ütleb, et mida suurem on magnetinduktsioon ja mida suurem on mähisekeeruga piiratud pinnapindala , seda suurem on magnetvoog.
Magnetvoo tähiseks on kreeka tähestiku täht (suur fii) ja ühik 1Wb (veeber) saksa teadlase Wilhelm Weberi (1804–1891) auks, kes konstrueeris koos Carl Friedrich Gaussiga maailma esimese telegraafi.
Magnetvoo ühik 1Wb=1T⋅1m2.
Joonisel 2.34 on kujutatud olukorda, kus mähise keeru tasand on jõujoontega paralleelne. Näeme, et sellisel juhul jõujooned mähise keerdu ei läbi ja seega magnetvoog on .
Kui mähise keerd on jõujoonte suhtes mingi nurga all, on magnetvoog läbi mähise maksimaalsest väiksem, aga siiski nullist erinev. Mähise orientatsiooni määramiseks kasutatakse nurka mähise pinnanormaali (pinnaga risti olev sirge) ja magnetvälja jõujoonte vahel (vt joonis 2.35).
Kui mähise pind on jõujoontega paralleelne, on nurk . Eespool nägime, et sel korral on magnetvoog läbi mähise keeru võrdne nulliga. Kui mähise pind on magnetvälja jõujoontega risti, siis nurk . Eespool nägime, et sel korral on magnetvoog läbi mähise keeru maksimaalne.
Sellist nurgasõltuvust kirjeldab koosinusfunktsioon, sest ja . Selgub, et magnetvoo valemi mähise igasuguste orientatsioonide korral saabki avaldada kui
1. näidisülesanne
Kui suur on maksimaalne magnetvoog eelmises peatükis esitatud 1. katses kasutatud katsevahendite korral? Mähise pindala on 3cm2 ja magneti tugevus on 0,1T.
Lahendus
Magnetvoog on maksimaalne, kui mähis on magnetvälja jõujoontega risti. Magneti pooluse läheduses magnetväli ei ole homogeenne, aga uurides püsimagnetite jõujoonte struktuuri, on selge, et mähise tasandi pinnanormaal peaks olema paralleelne magnetvälja jõujoontega ja mähis peaks paiknema magnetile võimalikult lähedal. Eeldades, et ülesandes antud magneti magnetinduktsioon on mõõdetud magneti pooluse vahetus läheduses, saame kirjutada
Tegu on üsna väikese magnetvooga. Nii tekkis katses ka üsna nõrk induktsioonivool, mille mõõtmiseks tuli kasutada milliampermeetrit.
Faraday katsete juures märkasime, et katsetes tekkis tugevam vool, kui magnetväli muutus kiiremini. Kasutades magnetvoo mõistet, võime väita, et mida kiiremini muutub mähist läbiv magnetvoog, seda suurem on mähise otstele tekkinud potentsiaalide erinevus ehk pinge ja seda tugevam on tekkinud induktsioonivool.
2. näidisülesanne
Miks ei pruugi magnetribaga hotelli uksekaart hotellitoa ukselukku avada, kui kaarti liiga kiiresti anduri suhtes liigutada?
Lahendus
Ukselukk avaneb, kui liigutada magnetribaga kaarti ukse sees oleva mähise suhtes. Selle tagajärjel tekib mähisesse induktsioonivool, mille tugevuse ajasõltuvus annab edasi luku avamiseks vajaliku koodi. Kui kaarti liiga ruttu või liiga aeglaselt mähise suhtes liigutada, võib induktsioonivool olla n-ö vale tugevusega ja uks ei avane.
Teine põhjus võib olla see, et uksekaart on kokku puutunud mõne muu eseme (näiteks telefoni või külmkapimagneti) magnetväljaga ja see on rikkunud kaardile omase magnetvälja. N-ö vale tugevuse ja ruumilise kujuga magnetväli genereerib mähisesse ukse jaoks tundmatu induktsioonivoolu, järelikult ka vale koodi ja uks ei avane.
Michael Faraday kasutas induktsiooniseaduse sõnastamisel pinge asemel elektromotoorjõu mõistet, sest induktsioonivoolu genereerimine on seotud mehaanilise liikumisega. Nii tingib suurema jõu kasutamine tugevama elektrivoolu, nagu toimub näiteks hüdroelektrijaamas. Tegelikult pole elektromotoorjõu korral tegemist jõuga.
Induktsiooni elektromotoorjõud (suur kumer ) on arvuliselt võrdne mähise otstele genereeritud potentsiaalide erinevusega. Seega on elektromotoorjõul ja pingel sama ühik 1V ja mõlemat saab mõõta voltmeetriga. Elektromotoorjõud erineb pingest põhjustaja poolest – elektromotoorjõud on seotud elektrivälja genereerimiseks tehtava tööga, näiteks mehaanilise tööga, aga pinge elektrivälja poolt tehtava tööga.
Esitame Faraday induktsiooniseaduse kujul
Kui ΔΦ>0 siis magnetvoog kasvab, kui ΔΦ<0, siis magnetvoog kahaneb. on muutuseks kulunud ajavahemik.
Mida suurem on magnetvoo muut ja mida väiksema ajavahemiku jooksul muutus toimub, st mida suurem on magnetvoo muutumise kiirus, seda suurem on induktsiooni elektromotoorjõud.
Kui mähises on arv keerde, siis ka genereeritud elektromotoorjõud on -kordne, sest keerud on justkui jadamisi ühendatud vooluallikad.
Miinusmärk jagatise ees näitab tekkinud elektromotoorjõu väärtust. on vastupidine toimunud muutusele – kui magnetvoog kasvab, on negatiivne ja voolusuund on samuti negatiivne. Kui magnetvoog kahaneb, on elektromotoorjõud positiivne.
Katse mündi ja magnetiga
Katseks läheb vaja tugevamat magnetit ja münti, mis ei sisalda ferromagneetikut, st ei jää ise magneti külge. Katses tuleb laual lebavale mündile asetada magnet (joonis 2.36) ja seejärel tõmmata magnetit järsult ülespoole. Münt tuleb magnetiga kaasa ja alles siis kukub lahti. Kuidas nähtust seletada?
Magneti äratõmbamisel indutseerisime mündi sisse pöörisvoolu. Pöörisvoolu suund on selline, et münti tekib magnetväli, mis on magneti omaga samasuunaline ning münt ja magnet tõmbuvad. Münt ei püsi magneti küljes, sest mündis esineb elektritakistus ja pöörisvoolu energia muundub soojusenergiaks. Kui sarnast katset teha mündi asemel ülijuhiga, siis ülijuht justkui kleepub magneti külge ja jääbki sinna.
Eelmises katses märkasime, et mündis indutseeritud elektrivoolu magnetvälja suund oli selline, et magnet ja münt tõmbusid. Indutseeritud voolu suuna määramise reegli sõnastas Eestis sündinud ja Tartu ülikoolis õppinud baltisakslane Emil Lenz (1804–1865).
Sõnastame Lenzi reegli: magnetvoo muutusel indutseeritud elektrivoolu suund on selline, et tekkinud magnetväli takistab tekkinud muutust. Kui tahame magnetit mähisest või metallist eemaldada, siis induktsioonivoolu tõttu tekkinud magnetväli takistab seda (münt ja magnet tõmbusid). Kui lähendame näiteks magnetit mähisele, siis induktsioonivoolu suund on selline, et tekkinud magnetväli tõukab neid üksteisest eemale.
Lenzi reegliga määratud induktsioonivoolu toimega on seotud mitmed tehnilised rakendused, näiteks ülikiired maglev-rongid (ingl magnetic levitation) Hiinas ja Jaapanis või kiirrongide pidurdussüsteemid.
Elektrikitarr
Esimene tööstuslikuks tootmiseks mõeldud elektrikitarr disainiti aastal 1931 ja esimene partii elektrikitarre valmis aastal 1932. Nii toonased kui ka tänapäevased elektrikitarrid töötavad samal põhimõttel – elektromagnetilisel induktsioonil ja tekkinud elektrisignaali võimendamisel.
Uurime jooniselt 2.37, milline näeb välja elektrikitarri helipea. Helipea koosneb poolist, mille sees on püsimagnet. Helipea kohal on ferromagneetikust kitarrikeel, mis püsimagneti toimel magneetub. Pool on ühendatud võimendiga.
Kui kitarrikeel on paigal, läbib pooli mähist püsiv magnetvoog, mis ajas ei muutu. Seega ei teki mähisesse elektrivoolu. Kui tõmmata keel võnkuma, muutub sama sagedusega ka pooli südamikku läbiv magnetvoog ja mähisesse indutseeritakse vahelduv elektrivool, mida võimendatakse ja
muudetakse helisignaaliks.
Kitarri heli, näiteks kõrgust, tugevust ja tämbrit saab mõjutada mitmel viisil:
a) heli kõrgus sõltub keele pikkusest ja seetõttu ka võnkumise sagedusest – mida kiiremini magnetvoog muutub, seda tugevam vool (kõrgem heli) genereeritakse;
b) heli kõrgust ja tugevust mõjutab kitarrikeele läbimõõt, sest jämedam keel tekitab tugevama magnetvälja ja seega magnetinduktsiooni B väärtuse; jämedam keel võngub ühtlasi ka väiksema sagedusega; c) kitarrile lisatakse mitu helipead (tavaliselt 2-3), mis annavad tämbrile sügavust.
Tänapäeva tehnika lubab kitarridega tekitada kõikvõimalikke heliefekte, aga põhilise osa moodustavad ikkagi keeled, helipea ja võimendi.
Ülesanded
2.9 Generaator
2.9.1 Generaator
Kogesime et, elektrimootorit ehitada on üsna lihtne, vaja läheb püsimagnetit, mähist ja vooluallikat. Elektrivool tekitab mähise ümber magnetvälja ja magnetjõudude tõttu hakkab mähis magneti suhtes pöörlema. Lihtsaima elektrigeneraatori saame ehitada samade vahenditega, kui eemaldame süsteemist vooluallika. Kui paneme rootori magneti suhtes pöörlema, tekib vooluallikast vabanenud klemmidele pinge.
Elektrimootoris tekitatakse elektrivoolu abil magnetväli. Generaatoris toimub vastupidine protsess – magnetvälja abil tekitatakse elektrivool. Nii on Michael Faraday avastus – elektromagnetiline induktsioon – aluseks valdavale osale tänapäeval tarbitava elektrienergia tootmisele, kus turbiine ja nende külge ühendatud elektrigeneraatoreid ajavad ringi tuul, vesi, veeaur, tõusud-mõõnad või hoovused. Erandiks on siin päikesepatareid ja vesinikelemendid.
Näidisülesanne
Kaarel soovis ehitada minigeneraatorit (dünamot). Tal oli kaks meetrit mähisetraati ja kaks 0,1T magnetit. Kas ehitatud generaatoriga saab LED-lambi põlema panna, kui on teada, et LED-lamp vajab u vooluallikat?Lahendus
LED-lamp põleb, kui minigeneraatori tekitatud elektromotoorjõud on vähemalt . Tekitatud elektromotoorjõu hindamiseks peame teadma magnetvoo muutumise kiirust. Seega on meil vaja arvutada magnetvoog läbi minigeneraatori mähise ja hinnata, kui kiiresti mähist või magnetit saab pöörlema panna.
Magnetvoo tekitamiseks on kasutada kaks magnetit. Mähisetraadist on võimalik konstrueerida liugkontaktidega pöörleva mähise süsteem.
Mähise pindala arvutamiseks eeldame, et Kaarel keris traadist keerdu, ühe keeru ümbermõõt oli 20cm. Mähise pindala ja ümbermõõt . Avaldades viimasest raadiuse ja asendades selle pindala valemisse, saame
Seega
Kui mähis pöörleb, siis magnetvoog läbi mähise on vaheldumisi null ja teatud maksimaalne väärtus (joonis 2.38). Nii saame magnetvoo muutumise suuruse ühe magneti kasutamisel arvutada, kui
Kui magneteid on kaks, saame
Eeldame, et mähis tegi viis pööret sekundis, ühe pöörde seega sekundiga. Jooniselt 2.37 on näha, et magnetvoog muutub -st maksimaalseks veerandpöördega, seega
Nii saame elektromotoorjõuks kahe magneti kasutamisel:
Kuna magnetvoog kord kasvab, kord väheneb mähise suhtes, siis elektromotoorjõud muutub negatiivsest positiivseks ja vastupidi ning seetõttu muutub pidevalt ka voolu suund. Seega LED-lamp hakkab põlema, aga vilkudes, sest 1) pinge väärtus koguaeg muutub ja 2) LED-lamp töötab vaid ühe pinge polaarsuse korral.
Ülesanded
2.10 Magnetvälja energia
2.10.1 Magnetvälja energia
Ühendame mähise vooluringi, mis koosneb lülitist, vooluallikast ja hõõglambist (joonis 2.39).
Kui nüüd vooluring sulgeda, süttib lamp põlema mõningase viitega.
Kui vool välja lülitada, sähvatab lamp korraks heledalt. Ilma mähiseta vooluringis sellist nähtust ei esine. Viivitus nii sisse kui ka välja lülitamisel on seotud mähise omadusega endasse magnetvälja energiat salvestada. See on seotud ka elektromagnetilise induktsiooni nähtusega.
Kui vooluring sulgeda, hakkab voolutugevus vooluringis kasvama. Mähisesse tekib muutuv (kasvav) elektrivool ning mähise ümber tekib muutuv (kasvav) magnetväli. Vastavalt Faraday seadusele ja Lenzi reeglile tekib seetõttu mähise otstele elektromotoorjõud, mis on vastupidine elektrivoolu tekitava pingega ja mis seega aeglustab voolu kasvu. Ja vastupidi – kui lülitada elektrivool välja, siis mähisest kaob kiiresti ka magnetväli. See muutus tekitab mähise otstele elektromotoorjõu, mis on samapidine vooluringis olnud vooluallika pingega. Mähis käitub vooluallikana, mis püüab elektrivoolu säilitada. Selline elektromotoorjõud mähise otstel tekib mähise magnetvälja energia arvelt. Kuna sisse- ja väljalülitamisel genereerib mähises muutuv magnetvoog mähisesse endasse induktsiooni elektromotoorjõu, siis nimetatakse sellist nähtust eneseinduktsiooniks ja vastavat mähist induktiivpooliks.
Eneseinduktsiooni nähtus on mõneti sarnane inertsiga mehaanikas – alguses ei saa vedama ja pärast ei saa (elektrivool) pidama. Suure induktiivsusega pool on nagu suure massiga auto, mida üritame paigalt tõugata, ainult tõukamise asemel on pinge ja massi asemel keerdude arv. Mida rohkem keerde, seda suurem on induktiivpooli induktiivsus – omadus, mis iseloomustab induktiivpooli mõju voolu kasvule või sumbumisele. Mida suurem induktiivsus, seda suurem on induktiivpooli „inertsus“ elektrivoolu muutuste suhtes.
Kuna sisse- ja väljalülitamisel on magnetvoo muutus induktiivpoolis väga kiire, tekib korraks märkimisväärne elektromotoorjõud ja selletõttu ka tugev elektriväli, mis võib lõppeda lüliti klemmide vahelise sädelahendusega. Kui lisada mähisesse keerde ja sisse raudsüdamik, on eneseinduktsioon veelgi tugevam ja sädelahendus 100% kindel. Osade bensiinimootorite süütesüsteem töötab just sellisel põhimõttel.
Näidisülesanne
Kirjelda, mis juhtub, kui lasta kondensaatoril tühjeneda läbi induktiivpooli.Lahendus
Vaatame joonist 2.40a, kus laetud kondensaatoriga on ühendatud mähis. Laetud kondensaator käitub vooluallikana, mis tühjenedes tekitab elektrivoolu läbi induktiivpooli mähise (joonis 2.40b). Mähis omakorda salvestab energia magnetvälja ja käitub vooluallikana, laadides omakorda kondensaatorit esialgsele vastupidiselt (joonis 2.40c). Nii on kondensaatori tühjenemisel voolusuund vastupidine. Joonistel 2.40d ja 2.40e protsess kordub.
Nii oleme saanud vooluringi, kus elektrivool võngub edasi-tagasi ja kus elektrivälja energia muundub perioodiliselt magnetvälja energiaks ja vastupidi, kuni eraldub juhtide elektritakistuse tõttu soojusena.
Nagu näidisülesandest võib välja lugeda, oleme saanud elektromagnetilise võnkeringi ja kirjeldatud võnkumine on aluseks raadiolainete genereerimisele ja vastuvõtmisele.
Ülesanded
Kordame üle!
2.1. Püsimagnet
Püsimagneti piirkondi, kus magnetväli on kõige tugevam, nimetatakse magneti poolusteks. Poolused esinevad paari kaupa (N ja S) ja neid võib ühel püsimagnetil olla rohkem kui üks paar.
Magnetvälja jõujooned on kinnised jooned, mille suund on valitud kokkuleppeliselt – jõujooned väljuvad magnetiliselt põhjapooluselt ja suubuvad magnetilisele lõunapoolusele.
Püsimagneti magnetvälja seostatakse elektronide liikumisega, täpsemalt elektroni spinniga. Materjalil on väljapoole ulatuv magnetväli vaid siis, kui mingi suunaga spinnid on ülekaalus.
Ferromagneetikud on materjalid, mis on püsimagnetid või magneetuvad püsimagneti toimel. Toime kestvuse järgi on lühiajalised magnetid nõrgad ja pikemaajalised tugevad ferromagneetikud.
2.2. Vooluga juhtme magnetväli
Vooluga juhet ümbritseb magnetväli. Magnetvälja jõujoonte suunda määratakse parema käe reegli abil: kui parema käe pöial näitab voolu suunda, siis rusikasse surutud näpud näitavad magnetvälja suunda.
Solenoidi magnetväli on tugevam kui üksikul sirgjuhtmel, sest selles liituvad solenoidi iga keeru magnetväljad.
Tugevama elektromagneti saame, kui
a) suurendame mähise keerdude tihedust;
b) suurendame voolutugevust;
c) lisame raudsüdamiku.
2.3. Magnetinduktsioon ja vooluga juhtmele mõjuv magnetjõud
Magnetinduktsioon on magnetvälja tugevust kirjeldav füüsikaline suurus.
Magnetinduktsiooni tähis on ja ühik (tesla).
Magnetinduktsioon on vektoriaalne suurus ja selle kokkuleppeline suund on N-pooluselt S-poolusele.
-vektor – magnetinduktsiooni vektor.
Magnetvälja asetatud vooluga juhtmele mõjub magnetjõud ja magnetjõu suunda määratakse vasaku käe reegliga: kui vasaku käe väljasirutatud näpud näitavad voolu suunda ja magnetvälja jõujooned lähevad peopessa, siis juhtmele mõjuva jõu suunda näitab väljasirutatud pöial.
– vooluga juhtmele mõjuv magnetjõud
– magnetinduktsioon
– voolutugevus juhtmes
– magnetväljas paikneva juhtmelõigu pikkus
– nurk voolu suuna ja magnetvälja suuna vahel
2.4. Elektrimootor
Alalisvoolu mootor koosneb a) rootorist – teljel pöörlev mähis või mähiste süsteem, b) staatorist – fikseeritud magnetvälja allikas, kas püsi- või elektromagnetid.
Töö põhineb sellel, et vooluga mähise ehk rootori magnetväli on vastastikmõjus välise magnetvälja ehk staatoriga. Mootori pöörlemissuund on seletatav vasaku käe reegliga.
2.5. Magnetjõud kahe vooluga juhtme vahel. Ampère’i seadus
Kaks vooluga juhet mõjutavad teineteist magnetjõuga, kuna mõlemat juhet ümbritseb magnetväli. Samasuunalise vooluga paralleelsed juhtmed tõmbuvad, vastassuunalise vooluga paralleelsed juhtmed tõukuvad.
Ampère’i seadus (kehtib vaakumis):
ja – voolutugevused juhtmetes
– juhtmete pikkus
– juhtmetevaheline kaugus
2.6. Magnetvälja mõju liikuvale laetud osakesele. Lorentzi jõud
Lorentzi jõud – magnetväljas liikuvale laetud osakesele mõjuv jõud.
– Lorentzi jõud
– osakese laeng
– osakese kiirus
– nurk voolusuuna ja magnetvälja jõujoonte vahel
Positiivse laenguga osakesele mõjuva Lorentzi jõu suunda määratakse vasaku käe reegli abil.
Magnetväljaga saab muuta laetud osakeste trajektoori. Näiteks Maa magnetväli muudab Päikeselt kiirguvate laetud osakeste – prootonite, heeliumi tuumade ja elektronide – trajektoori.
2.7. Elektrivoolu genereerimine
Induktsioonivool – elektrivool, mis on genereeritud muutuva magnetväljaga.
Juhtmes tekib induktsioonivool, a) kui liigutame juhet magneti või elektromagneti suhtes (magnetit või elektromagnetit juhtme suhtes); b) kui katkestame või lülitame sisse elektrivoolu naaberjuhtmes.
Induktsioonivool võib tekkida nii vooluringi, mähisesse kui ka metallkehasse.
Pöörisvool on metallkehasse tekkinud induktsioonivool.
Elektromagnetiline induktsioon – induktsioonivoolu genereerimine muutuva magnetvälja abil.
Elektromagnetilise induktsiooni rakendused on näiteks elektrigeneraator, induktsioonpliit, magnetribaga uksekaart ja juhtmevaba laadimine.
2.8. Faraday induktsiooniseadus
Magnetvoog on füüsikaline suurus, mis kirjeldab magnetvälja jõujoonte hulka läbi mähise keeru pinna. Kui magnetvoog ehk jõujoonte hulk mähise pinna suhtes muutub, tekib mähisesse elektrivool.
– magnetvoog
– magnetinduktsioon
– mähise keeru pinna pindala
– nurk mähise pinna normaali ja -vektori vahel
Induktsiooni elektromotoorjõud on arvuliselt võrdne mähise otstele genereeritud potentsiaalide erinevusega.
Faraday induktsiooniseadus:
– induktsiooni elektromotoorjõud
– ajavahemik, mille vältel magnetvoo muutus toimus
Lenzi reegel: magnetvoo muutusel indutseeritud elektrivoolu suund on selline, et tekkinud magnetväli takistab tekkinud muutust.
2.9. Generaator
Elektrigeneraator koosneb püsi- või elektromagnetitest ja mähisest, mis pannakse välise mehaanilise jõu mõjul üksteise suhtes pöörlema.
Generaatoris tekib mähisesse elektrivool magnetvoo muutumisel mähise pinna suhtes.
Genereeritud pinge sõltub võrdeliselt magnetinduktsioonist, mähise pinna pindalast ja mähise keerdude arvust ning pöördvõrdeliselt magnetvoo muutumise ajast.
2.10. Magnetvälja energia
Eneseinduktsioon on nähtus, kus voolu sisse- ja väljalülitamisel genereerib mähise
suhtes muutuv magnetvoog mähisesse endasse induktsiooni elektromotoorjõu.
Induktsiooni elektromotoorjõud mähise otstel tekib mähise magnetvälja energia arvelt.
Induktiivpool on vooluringis paiknev mähis. Mida rohkem on mähises keerde, seda suurem on selle induktiivsus – omadus, mis iseloomustab induktiivpooli mõju voolu kasvule või sumbumisele.
Elektromagnetilises võnkeringis on induktiivpool ja kondensaator. Võnkumine käivitub, kui kondensaator laetakse. Kondensaator tühjeneb läbi induktiivpooli mähise, mis eneseinduktsiooni tõttu käitub vooluallikana, põhjustades kondensaatori laadumise. Nüüd on kondensaatori polaarsus esialgsega vastupidine ja tühjenemisel tekkinud voolusuund samuti vastupidine. Selline elektrivoolu võnkumine sumbub aja jooksul elektrilise takistuse tõttu.
3 Elektromagnetväli
Laetud osakesi ümbritseb elektriväli. Seejuures ei ole vahet, kas laetud osakesed liiguvad või mitte. Kui laengud liiguvad, siis tekib ka magnetväli.
Eelmises peatükis uurisime veel ühte huvitavat olukorda, kus muutuv elektriväli tekitab muutuva magnetvälja, muutuv magnetväli indutseerib muutuva elektrivälja ja viimane omakorda uuesti muutuva magnetvälja. Sellist elektri- ja magnetvälja vastastikku muutumist nimetatakse elektromagnetväljaks. Elektromagnetvälja levimist ruumis nimetatakse elektromagnetlaineks. Elektromagnetlained on näiteks raadiolained, valgus, röntgenkiirgus ja -kiirgus. Elektromagnetlained kannavad edasi elektromagnetvälja energiat, mille hüvesid me naudime soojuse, valguse või siis Bluetoothi ja Wi-Fi näol.
3.1 Elektromagnetlainete genereerimine
3.1.1 Elektromagnetlainete genereerimine
Elektromagnetvälja tekkimiseks on vaja muutuvat elektri- ja magnetvälja. Sellest arusaamiseks uurime olukorda, kus paneme laengud juhtmes või metallvardas elektrivälja mõjul edasi-tagasi liikuma (vt joonis 3.1), st tekitame vahelduvvoolu.
Nii tekib juhtme või metallvarda ümber samas rütmis muutuv magnetväli – kui vool on maksimaalne, on magnetvälja väärtus suurim (joonis 3.1a), kui voolutugevus on null, magnetväli kaob (joonis 3.1b). Selliselt muutuv magnetväli indutseerib muutuva elektrivälja, nagu nägime induktsiooninähtuseid uurides. Muutuv elektriväli omakorda põhjustab muutuva magnetvälja ja nii muudkui edasi. Oleme saanud elektromagnetvälja, mis levib ruumis elektromagnetlainena.
Võib öelda, et elektromagnetkiirgus tekib alati, kui laetud osakesed liiguvad kiirendusega. Aatomid või molekulid kiirgavad elektromagnetkiirgust, kui nende koosseisus olevate laetud osakeste energia ajas muutub. Kuna ka elektronide liikumine juhtmes tähendab nende kineetilise energia muutumist, siis võib üldistavalt öelda, et elektromagnetkiirgus tekib, kui laetud osakeste energia ajas muutub.
Vaatame kolme näidet, kuidas genereeritakse erinevaid elektromagnetlaineid. Esimene on seotud elektronide võnkumisega, teine elektroni energia muutusega ja kolmas elektronide aeglustamisega.
1) Elektromagnetlained, mida kasutatakse näiteks raadio- ja mobiilsides, tekivad elektronide võnkumisel raadiosaatja antennis. Siis toimub elektri- ja magnetvälja vastastikku indutseerimine, nagu kirjeldasime joonise 3.1 juures. Raadiolainete tekitamiseks kasutatakse induktiivpoolist ja kondensaatorist koosnevat võnkeringi (vt lk 82 näidisülesannet), kus elektronid võnguvad raadiolainete tekkimiseks vajaliku sagedusega. Raadiolained levivad vastuvõtja antennini, kus elektronid hakkavad elektromagnetilise induktsiooni tõttu sama sagedusega võnkuma ja nii ongi raadiosignaal edastatud.
2) Nähtava valguse teke on seotud elektronide energiatasemetega aatomis. Valguse kiirgamiseks vajab aatom energiat, et elektron ergastuks ja saavutaks kõrgema energiataseme. Elektroni üleminekul tagasi põhiolekusse kiirgub vastava energiaga valgus.
Joonisel 3.2 on kujutatud elektronide energiatasemeid – suurema energiaga üleminekul kiirgub ka suurema energiaga valgus (joonisel märgitud sinise noolega) ja madalama energiaga üleminekul kiirgub madalama energiaga valgus (joonisel punane nool).
Joonis 3.2 vihjab samuti sellele, et aatom ei saa kiirata igasuguse energiaga valgust – elektron saab liikuda vaid ühelt energiatasemelt teisele, aga mitte nende vahele või vahelt. Samuti peaks olema arusaadav, et aatom kiirgab valgust portsjonite ehk kvantide kaupa – igale elektronide üleminekule vastab üks kvant. Valguse kvantidel on ka spetsiaalne nimi: footon. Footonite ja valguse duaalsusega tutvume täpsemalt selle kursuse lõpus.
Orbitaalid
Keemiast teame, et elektronid paiknevad erinevate energiatega orbitaalidel – -, -, - ja -orbitaalidel. Näiteks raua aatomi elektronvalem on . Elektronide paiknemine aatomi tuuma ümbritsevas elektronpilves on seotud energia miinimumi printsiibiga, mille järgi täituvad kõigepealt madalama energiaga orbitaalid. See tähendab omakorda, et tavaolekus on aatomid kõige madalama võimaliku energiaga. Kui aatom saab energiat juurde, siis elektronid ergastuvad ja näiteks neljanda kihi -elektron läheb üle neljanda kihi -orbitaalile või viienda kihi -orbitaalile. Kui ergastatud elektron läheb tagasi põhiolekusse, kiirgub aatomist valgus.
Kuidas aga tekib valge valgus? Kuna erinevate keemiliste elementide aatomites või ainete molekulides toimuvad elektronide üleminekud väga erinevate energiatasemete vahel, kiirgavad aatomid erinevat värvi valguseid (erineva energiaga footoneid), mis põhjustabki valge valguse ehk liitvalguse tekke.
3) Röntgenlamp, nagu nimigi ütleb, kiirgab röntgenkiirgust. Röntgenlambi töö põhineb kiiresti liikuvate elektronide ülijärsul pidurdamisel. Sellisel pidurdamisel on elektronide kiirendus palju suurem kui raadiolainete tekitamisel antennis edasitagasi liikudes, nii tekib justnimelt röntgenkiirgus (vt lk 8).
Nagu näidetest näha, on kõikidel juhtudel tegu laetud osakestega ja laetud osakeste energia muutustega.
Katse leeki värvivate sooladega
Uurime erinevat värvi valguste kiirgumist. Selleks on vaja vasesoola, näiteks , keedusoola , piirituslampi või leeklampi ja silmusega traati, mille abil soola leegis hoida. Leegikatseks saab kasutada suure kontsentratsiooniga soola lahused või soolakristalle. Kui asetame keedusoola sisse kastetud metallsilmuse leeki, värvub leek Na tõttu kollakasoranžiks (joonis 3.3). Kui paneme leeki vasesoola, värvub see sinakasroheliseks. Leegi kuumus ergastab naatriumi ja vase aatomite väliskihi elektrone. Et naatriumi ning vase elektronstruktuurid on erinevad, on ka elektronide üleminekud erinevate energiatega ja aatomitest kiirgub erinevat värvi valgust.
Elektromagnetvälja avastas ja elektromagnetlainete mõiste võttis kasutusele šoti matemaatik ja füüsik James Clerk Maxwell (1831–1879), kes erakordselt andekana avaldas oma esimese teadustöö juba 14-aastaselt ja sai 25-aastaselt Aberdeeni ülikooli professoriks.
Ülesanded
3.2 Elektromagnetlaineid kirjeldavad suurused
3.2.1 Elektromagnetlaineid kirjeldavad suurused
Selleks, et mõista elektromagnetlainete omadusi ja nendega seotud nähtusi, tuleb elektromagnetlaineid täpsemalt kirjeldada. Nagu nimigi ütleb, on tegu lainetega – võnkumiste edasikandumisega ruumis. Aga kui heli ja merelainete korral võnguvad aineosakesed, siis elektromagnetlainetes muutuvad perioodiliselt elektrivälja tugevus ja magnetinduktsioon. Võime ka öelda, et võnguvad väljasid kirjeldavad - ja -vektorid.
Elektromagnetvälja - ja -vektorid võnguvad üksteise suhtes risti (vt joonis 3.4), sest magnetväli on alati risti teda põhjustava elektrivoolu suunaga ja induktsioonivoolu suund (samuti ka elektriväli) on risti seda põhjustava muutuva magnetväljaga. Laine ise levib risti võnkuvate - ja -vektoritega.
Jooniselt 3.4 on näha elektri- ja magnetvälja vektorite võnkumise ja laine levimise suund, vastavalt -, - ja -telje suunas. Elektromagnetlained on ristlained, sest väli võngub risti laine levimissuunaga.
Elektromagnetlainete levimiskiirus vaakumis on võrdne valguse kiirusega:
Elektromagnetlainete kiirus õhus on
Paneme tähele, et erinevus võrreldes elektromagnetlainete kiirusega vaakumis on tühine ja oma arvutustes me seda arvestama ei pea.
Igapäevaelust teame, et kõik elektromagnetlained pole samade omadustega. Näiteks UV-kiirgus on nahale kahjulik ja röntgenkiirgus läbib kehasid, mida nähtav valgus läbistada ei saa. Millised füüsikalised suurused eristavad elektromagnetlaineid? Järgnevalt anname sellest ülevaate.
a) Lainepikkus (kreeka tähestiku lambda). Lainepikkust saab mõõta näiteks kahe laineharja vahelise kaugusena (joonis 3.5). Raadiosaadete edastamiseks kasutatavate raadiolainete lainepikkus on vahemikus kaks kuni kolm meetrit.
b) Võnkesagedus näitab täisvõngete arvu sekundis mõõdetuna hertsides. Bluetooth kasutab mikrolaineid sagedusel kuni .
c) Elektromagnetlaine energia on võrdeline elektromagnetlainete sagedusega. Mida suurem on sagedus, seda suurem on vastava kiirguse footoni energia. Kuna sinisel valgusel on suurem sagedus kui punasel valgusel, on sinise valguse footoni energia suurem. Seega on punase viipelaseri kasutamine esitlustel ohutum.
d) Võnkeperiood näitab ühe täisvõnke kestust sekundites. Elektromagnetlainete korral võnguvad välja - ja -vektorid väga kiiresti, näiteks raadiolainete korral teevad nad ühe täisvõnke ligikaudu sekundiga.
e) Võnkeamplituud on mehaaniliste lainete korral näiteks võnkuva osakese maksimaalne kaugus tasakaaluasendist. Elektromagnetlainete korral on võnkeamplituud - või -vektori maksimaalne väärtus (joonis 3.6).
f) Elektromagnetlaine intensiivsus mingil pinnal on pinnaühiku kohta tulev energiaülekande keskmine kiirus, st kiirus, millega elektromagnetlained kannavad pinnaühikule energiat. Heli korral on sama füüsikalise sisuga termin heli valjus. Elektromagnetlainete intensiivsus on seotud -vektori võnkeamplituudiga, suurem võnkeamplituud tähendab suuremat intensiivsust. Elektromagnetlainete intensiivsus on oluline näiteks mobiilside levis, kus raadiolainete suurem intensiivsus tähendab suurema energia neeldumist telefonis, mis tähendab suuremat indutseeritud elektrivoolu ja järelikult ka paremat levi. Kui nähtav valgus on väga intensiivne, on see silmadele ohtlik, sest suurem amplituud tähendab suuremat energiat, mis võib rakkudes neeldudes neid kahjustada.
1. näidisülesanne
Joonisel 3.6 on esitatud kahe elektromagnetlaine graafikud, kus on näidatud -vektorite väärtuste muutumine ajas. Kummal graafikul esitatud lainel on suurem a) sagedus, b) periood, c) amplituud, d) footoni energia, f) intensiivsus?Lahendus
Kuna -vektorid teevad ühe täisvõnke sama ajaga , siis on neil ka sama võnkeperiood, seega ka sama sagedus ja sama footoni energia. Kuna amplituud on teisel lainel suurem, siis on ka intensiivsus suurem. Seega vastused on: a) sama, b) sama, c) teisel suurem, d) sama, f) teisel suurem.
Vaatame, kuidas on omavahel seotud eelpool kirjeldatud füüsikalised suurused. Mistahes laine kiirus avaldub kujul
kus lambda on lainepikkus ja on laine võnkeperiood. Lainete sagedus ja periood on omavahel pöördvõrdeliselt seotud:
Et sagedus on elektromagnetlainete kirjeldamisel kasutatavaim suurus, asendame selle laine kiiruse valemisse võnkeperioodi asemele. Asendades ka kiiruse elektromagnetlainete kiirusega , saame
2. näidisülesanne
Mikrolaineahjus genereeritavate elektromagnetlainete sagedus on . Arvuta selliste mikrolainete lainepikkus.Lahendus
Mikrolainete levimiskiirus ja sagedus .
Valemist
avaldame
nii et
Mikrolaineahjud on ehitatud selliselt, et ahju laiusesse mahub kaks lainepikkust. Nii saavad lained otsaseintelt peegeldudes liituda ning efektiivsemalt toitu soojendada. Kuna lainete liitumisel tekkiva laine harjad asukohta ei muuda, peab toit ahjus pöörlema, et kõik kohad ühtlaselt kuumeneksid.
Ülesanded
3.3 Elektromagnetlainete spekter
3.3.1 Elektromagnetlainete spekter
Joonisel 3.8 on esitatud elektromagnetlainete spekter, kuhu on märgitud elektromagnetlainete liigid. Lained on järjestatud ülevalt alla energia vähenemise (sageduse vähenemise ja lainepikkuse kasvu) järjekorras. Skaaladel on esitatud elektromagnetlainete lainepikkuste ja sageduste vahemikud ning suuremaks on suumitud nähtava valguse lainepikkuste, samuti ka mikro- ja raadiolainete sageduste skaala.
Tehnikas kirjeldatakse raadio- ja mikrolaineid pigem sageduste ning valgust lainepikkuste kaudu. Nii saame otsida raadiojaamu kindlate sageduste järgi ja laseritele on peale märgitud kiiratava valguse lainepikkus.
Seega saab elektromagnetlaineid liigitada sageduste (või lainepikkuste) alusel, aga kui sageduste piirkonnad kattuvad, siis pigem kiirgusallika järgi. Nii kattuvad osaliselt gamma- ja röntgenkiirguse sagedused, aga gammakiirgust kiirgab aatomituum ja röntgenkiirgust aatomi elektronkate. Mobiilsides kasutatakse sagedusi, mis jäävad nii raadio- kui ka mikrolainete sageduste alasse, samuti kattuvad osaliselt UV- ja röntgenkiirguse sagedused.
Et paremini näitlikustada, kui olulised on inimkonna jaoks elektromagnetlained, olgu välja toodud elektromagnetlainete olulisemad rakendused.
Gammakiirgus kaasneb aatomituumade radioaktiivse muundumisega ja on kõige suurema energiaga kiirgus. Gammakiirgust kasutatakse meditsiinis vähihaigete ravis ja sellega desinfitseeritakse kirurgilisi vahendeid.
Röntgenkiirgus tekib suure kineetilise energiaga elektronide pidurdumisel või kui põhiolekusse liiguvad elektronid, mis pärinevad aatomi elektronkatte sisemistest kihtidest. Röntgenkiirguse läbimisvõime sõltub materjalist, mistõttu saab seda kasutada lennujaamade pagasikontrollis ja meditsiinis. Restaureerimisel avastatakse röntgenkiirguse abil vanade maalide erinevaid kihte, sest värvipigmendid sisaldavad metallide ja raskemetallide ühendeid, mida kiirgus erinevalt läbib.
Ultraviolettkiirgus tekib sarnaselt nähtava valgusega elektronide ergastamisel ja üleminekul tagasi põhiolekusse, aga need üleminekud on oluliselt suurema energiaga. Suurema sagedusega UV-lampidega steriliseeritakse haiglaruume ja mikrobioloogia laboreid, väiksema sagedusega UV-lampe kasutatakse nahadiagnostikas, aga ka solaariumites. UV-kiirgus on nahavähi tekke üks peamisi faktoreid ja seega tuleb üleliigsest päevitamisest hoiduda. Mõõdukas UV-kiirgus on oluline D-vitamiini sünteesiks.
Ultraviolettkiirgusel on võime põhjustada valgustundlike ainete helendust – fotoluminestsentsi. Seda omadust kasutatakse päevavalguslampide torudes, kus elektrivoolu toimel ergastatud elavhõbeda aatomitest kiirgunud UV-kiirgus paneb helendama toru sisepinnale kantud aine (luminofoori).
Nähtav valgus on elektromagnetlainetest meile ainukesena nähtav, sest silma võrkkesta valgustundlikud rakud reageerivad just selles sageduste vahemikus oleva elektromagnetlaine elektrivälja komponendile. Valgusaisting moodustub valgustundlike rakkude ehk kolvikeste koostöös. Inimese silmas neelavad kolme sorti kolvikesed valgust kolmes erinevas lainepikkuste vahemikus (joonis 3.9), kus iga vahemik vastab ühele põhivärvile: sinisele, rohelisele või punasele. Värviaisting kujunebki eri tüüpi kolvikeste reaktsiooni intensiivsustest.
Erinevad inimesed võivad tajuda värve pisut erinevalt, sest kolmele põhivärvusele tundlike nägemisrakkude suhtarv ei ole sama. Nii võib ühel inimesel olla rohkem rohelisele valgusele ja teisel punasele valgusele tundlikke kolvikesi ja seetõttu võib valgusaisting samast objektist olla erinev.
Tänu kolvikeste tundlikkusele ja nende n-ö koostööle on inimesed võimelised eristama kuni miljonit värvitooni. Kõige tundlikum on inimese silm rohelisele valgusele, sest kolvikesed, mis vastavat signaali meile ajju saadavad, on tundlikud väga laias lainepikkuste vahemikus (joonis 3.9).
Nähtavat valgust kiirgavaid lasereid kasutatakse väga paljudes valdkondades: metallide töötlemine ja lõikamine, meditsiinis saab laseritega parandada inimese nägemiskvaliteeti ja teostada n-ö noavabu operatsioone. DVD- ja CD-mängijates rakendatakse laserit plaadi lugemisel.
Infrapunakiirgus (IP-kiirgus) tekib, kui muutub molekulide ja aatomite võnkumis- või pöörlemisolek. IP-kiirgust ei tohi samastada soojuskiirgusega. Soojusena me tajume ainult seda osa IP-kiirgusest, mille sagedus vastab meie keha molekulide ja aatomite soojusliikumise võnkesagedustele. See tähendab, et me tajume IP-kiirgust soojusena, kui see neeldub meie organismi molekulides, pannes need kiiremini võnkuma.
Miks peavad IP-kiirguse ja molekulide võnkesagedused üksteisele vastama? See on teine koht, kus siin õpikus mainime elektromagnetlainete kvante ehk footoneid. Molekulide võnkumist võib võrrelda kiigega. Kui tahame kiigele hoogu anda, peame seda tegema sama sagedusega, millega konkreetne kiik kiikuda saab. Selleks, et molekuli võnkumist muuta, peab molekuli tabama „õige“ energiaga footon, et toimuks molekuli üleminek kõrgemale energiatasemele ja molekul hakkaks kiiremini võnkuma. Kui hooandmise sagedus on väiksem või suurem, ei saa me kiike liikuma (võnkuma), ja
kui footoni sagedus on liiga suur või väike, ei neeldu see antud molekulis. IP-kiirgusi vahemikus kasutatakse kiudoptilistes kaablites. Teleri ja muude elektrooniliste seadmete pultides kasutatakse IP-kiirgust lainepikkusega .
Mikrolaineid teame peamiselt mikrolaineahju kaudu, kus tänu mikrolainelise kiirguse neeldumisele hakkavad toiduainetes molekulid kiiremini võnkuma, põhjustades toidu soojenemist. Mikrolaineid kasutatakse mobiilside, Wi-Fi (ingl wireless fidelity), GPSi, satelliitide ja radarite töös. Bluetooth-tehnoloogia ja 5G-side töötab samuti mikrolainelisel sagedusel. Eesliide „mikro“ ei tulene mikromeetrist, mis on , vaid sellest, et on algselt tähistanud raadiolainete kõige lühemalainelist osa (ld mikro ’väike’).
Raadiolaineid kasutatakse raadio- ja televisioonikanalite signaali edastamiseks. Raadiolaineid eristab teistest elektromagnetlainetest see, et nad ei neeldu materjalides. Raadiolained peegelduvad elektrijuhtidelt ja läbivad dielektrikuid, seega näiteks on betoon, puit, klaas ja plastmass raadiolainele läbipaistvad. Raadiolainete sageduste kasutamine on nii rahvusvaheliselt kui ka riigisiseselt väga täpselt reguleeritud. Kui näiteks ehitada ise raadiosaatja või -vastuvõtja, siis tohib seda kasutada ainult raadioamatööridele mõeldud sagedusalal.
Ülesanded
3.4 Elektromagnetlainete neeldumine
3.4.1 Elektromagnetlainete neeldumine
Miks kehad soojenevad IP-kiirguse ja nähtava valguse toimel? Miks UV-kiirgus suvel juukseid pleegitab? Miks Päikeselt tulev röntgenkiirgus neeldub täielikult Maa atmosfääris, aga nähtav valgus praktiliselt mitte? Millist valgust kasutatakse valguskaablis, et edastatav signaal ei neelduks plastikkius? Selleks, et neile küsimustele vastata, peame uurima, miks ja kuidas elektromagnetlained aines neelduvad.
Selleks, et elektromagnetlained aines neelduksid, peab toimuma elektromagnetlaine energia ülekandumine aineosakestele. Nii võib neeldunud elektromagnetlaine energia arvelt a) keha soojeneda, kui osakeste kineetiline energia kasvab, või b) toimuda keemilised reaktsioonid, sest kiirgus ioniseerib aineosakesi või lõhub aatomitevahelist keemilist sidet.
Aine neelab elektromagnetlaine footoni ja soojeneb, kui neeldunud footoni energia klapib energiaga, mis on vajalik aineosakeste võnke- või pöörlemisoleku muutmiseks. Näiteks mikrolainete sagedus on sobiv, et panna kiiremini võnkuma vee- ja orgaaniliste ainete molekulid, mistõttu mikrolaineahju kiirgus neeldub toidus ja toit soojeneb.
Aines toimuvad kiirguse toimel keemilised reaktsioonid, kui kiirguse footoni energia on samas suurusjärgus keemilise sideme energiaga. UV-kiirgus põhjustab näiteks keemilise sideme katkemist osooni () molekulis ja seetõttu valdav osa UV-kiirgusest osoonikihis neeldubki.
Aines toimuvad keemilised muutused ka siis, kui keemiline side ei katke, aga molekulidest lüüakse välja elektrone – toimub aineosakeste ioniseerimine. Tekkinud osakesed on keemiliselt aktiivsed ja võivad põhjustada erinevaid keemilisi reaktsioone. Röntgenpildi tegemisel neeldub kiirgus inimese kudedes – rohkem luukoes ja vähem pehmetes kudedes. Röntgenkiirguse energia on piisav kas
elektronide välja löömiseks molekulidest või keemilise sideme lõhkumiseks. Seetõttu ongi nimetatud kiirgus inimesele ohtlik, sest keemilised muutused molekulides põhjustavad ka muutusi vastavate kudede talitluses.
Kosmosest lähtuvad röntgen- ja gammakiirgused neelduvad Maa atmosfääris, ioniseerides Maa atmosfääri kõrgemaid kihte. Seda atmosfäärikihti nimetatakse ionosfääriks.
Suurema footonienergiaga elektromagnetlained (UV-, röntgen- ja gammakiirgused) põhjustavad ainetes pigem keemilisi muutusi, sest need footoni energiad on suuremad molekulide võnkumissageduse kasvuks vajaminevatest energiatest. Madalama energiaga elektromagnetlained (nähtav valgus, IP-kiirgus ja mikrolained) põhjustavad neeldumisel pigem soojuslikke muutusi. Raadiolainete footonite energia ei ole piisav ei aineosakeste võnkeolekute muutmiseks ega ka keemiliste sidemete lõhkumiseks, seega raadiolained aines ei neeldu.
Valguskaablid
Valgus- ehk kiudoptilise kaabliga edastatakse heli- ja videosignaali kohtvõrkudes ning ka mandritevahelises sides. Esimene mandritevaheline valguskaabel paigaldati 1988. aastal Vaiksesse ookeani ühendamaks Jaapanit ja Ameerika Ühendriike. Kuna infot edastatakse väga pikkade vahemaade taha, peaks kaablis kasutatavas klaasis valgus neelduma või sellest välja hajuma võimalikult vähe. Kõige vähem neeldub optilises kius IP-kiirgus, mille lainepikkus on suurusjärgus mõnituhat nanomeetrit, seetõttu kasutataksegi info edastamiseks IP-valgust.
Näidisülesanne
Miks tuhmuvad kaua päikesevalguses seisnud kuulutuste ja reklaamide värvid ja alles jäävad pigem sinakad ja violetsed toonid?Lahendus
Valge valgus on liitvalgus ja sisaldab kõiki värvuseid ehk elektromagnetlainete spektri nähtava piirkonna komponente. Joonisel 3.11 on toodud valge valguse spekter. Põhikoolis õppisime, et värvilised kehad paistavad sellepärast värvilised, et mõne värvusega valgust keha pind peegeldab, aga mõnda neelab. Sinine pind peegeldab sinist valgust ja neelab suurema lainepikkusega ning seega väiksema footonienergiaga valgust. Seevastu punane värv peegeldab punast valgust, aga neelab väiksema lainepikkusega, seega suurema footoni energiaga valgust. Kuna suurema footonienergiaga elektromagnetlaine põhjustab neeldumisel enam keemilisi muutusi, pleegivadki esmalt punakad-kollakad toonid ja kauem püsivad trükiste sinakad toonid.
Ülesanded
a) D-vitamiini süntees
b) Vähiravi gammakiirgusega
c) Infrapunasaun
d) Röntgenkiirguse neeldumine atmosfääris
e) Infrapunakiirguse neeldumine atmosfääris
3.5 Elektromagnetlainete polarisatsioon
3.5.1 Elektromagnetlainete polarisatsioon
Polaroidprillid, vedelkristallidega ekraan (LCD, ingl liquid-crystal display) ja 3D-prillid on meile tuttavad valguse polarisatsiooniga seotud rakendused. Polarisatsiooni nähtus on seletatav elektromagnetvälja - ja -vektori võnketasandiga. Kui elektrivälja ja magnetvälja vektorid võnguvad muutumatult samas tasandis, on tegu polariseeritud elektromagnetlainega, nagu on näha joonisel 3.12a.
Kui me vaataks väljade võnkumist x-telje sihis, näeksime järgmist pilti (joonis 3.12b), kus - ja -vektorid võnguvad kumbki omas tasandis, mis on üksteisega risti ja risti ka laine levimise suunaga. Kuna polarisatsiooni rakenduste juures on olulisem just elektriväli, siis edaspidi vaatlemegi elektrivälja vektorite võnketasandeid.
Tavaline valgus, mida kiirgavad erinevad valgusallikad, on polariseerimata, sest valgusvihu elektriväljad võnguvad kõikides ruumisuundades, nagu on kujutatud joonisel 3.13a.
Raadioantenni kiiratud raadiolained on polariseeritud ja elektrivälja võnketasand on antenni-sihiline. Joonisel 3.13b on kujutatud täielikult polariseeritud elektromagnetlainet.
Näidisülesanne
Miks peab raadiolaineid vastu võttev antenn olema saateantenniga paralleelne?Lahendus
Nende antennide paigutus on seotud raadiolainete polarisatsiooniga. Vastuvõtuantenni elektronid hakkavad võnkuma antennini jõudnud elektrivälja sihiliselt (joonis 3.14) ja sama sagedusega. Kui antenn on risti elektriväljaga, elektronid võnkuma ei hakka, signaali vastuvõttu ei toimu või signaal on väga nõrk.
Raadiolained on juba genereerimisel polariseeritud, kuna elektrivool võngub raadiosaatja antennis vaid ühes kindlas sihis. Kuidas saadakse tavalisest valgusest polariseeritud valgus? Looduses polariseerub valgus dielektrikute pindadelt peegeldudes. Näiteks asfaldilt või veepinnalt peegeldunud valgus on osaliselt polariseeritud, see tähendab, et peegeldunud valgusvihus on võnkumine suuremalt jaolt ühes tasandis (vaatleja suhtes horisontaaltasandis), aga lisandub vähesel määral ka teistes suundades võnkumisi. Osaliselt polariseerunud on ka õhumolekulidelt hajunud valgus.
Kõige lihtsamalt saab valgust polariseerida polaroididega. Polaroid on materjal, millest läbi tulnud valguse elektrivälja -vektor võngub ainult ühes võnketasandis. See tähendab, et kui kasutada näiteks polaroidprille, tuleb sealt läbi ligikaudu pool valgusest ja ülejäänud neeldub polaroidi koostisaine molekulides, andes valgusenergia üle keemilise sideme elektronidele.
Polaroidi kujutamiseks joonisel kasutame triibustikku, mis tähistab polaroidi läbilasketasandit ja seega näitab, millises sihis võnkuvat valgust polaroid läbi laseb. Joonisel 3.15a on näidatud polariseeritud valguse levimist läbi polaroidi. Polaroid laseb läbi ainult läbilasketasandiga samas tasandis võnkuvaid laineid. Kui hoida polaroidi läbilasketasand ja valguse -vektori võnketasand üksteise suhtes risti, nagu joonisel 3.15b, siis valgus polaroidist läbi ei pääse.
Katse polaroididega
Katses kasutame kas polaroidprille või polaroidkilet. Vaatame läbi polaroidi näiteks koolilaualt peegeldunud valgust. Uurime, kas koolilaua laki- või värvikihilt (dielektrikult) peegeldunud valgus on osaliselt või täielikult polariseeritud. Selleks pöörame polaroidkilet või -klaasi erinevatesse asenditesse, nagu joonisel 3.15 a ja b on näidatud. Valgus on osaliselt polariseeritud, kui pilt läbi polaroidi, mille läbilasketasand on risti valguse võnketasandiga, on tumedam. Kui peegeldunud valgus on täielikult polariseeritud, siis pole polaroidi õige asendi korral peegeldunud valgust näha. Peegeldunud valguse uurimiseks tasub muuta ka nurka, mille suhtes pinnalt peegeldunud valgust vaadeldakse, sest peegeldunud valguse polariseeritus sõltub langemisnurgast.
Polaroide kasutatakse erinevates valdkondades, teadusest meelelahutuseni. Näiteks vedelkristallekraanide (LCD) töös, osades 3D-prillides ja optiliselt aktiivsete ainete uurimisel. Optiliselt aktiivsed ained lasevad valgust läbi veidi ebatavalisel kombel. Näiteks pöörab optiliselt aktiivse sahharoosi ehk tavalise suhkru lahus polariseeritud valguse võnketasandit ja seda rohkem, mida kontsentreeritum on suhkrulahus.
Vedelkristallekraanid
Vedelkristallekraanide pikslites on põhiosadeks optiliselt aktiivsed vedelkristallid ja polaroidid. Joonisel 3.16a on kujutatud ekraani ühe piksli läbilõike skeem. Reservuaari paigutatud vedelkristallid (2) paiknevad kahe polaroidi (1 ja 3) vahel, mille läbilasketasandid on üksteise suhtes risti. Valgus läbib esimest polaroidi (1), seejärel pööravad vedelkristallid (2) elektrivälja puudumisel valguse võnketasandit võrra, nii et valgus läbib ka teist polaroidi (3). Kui vedelkristalle (2) elektriväljaga mõjutada (joonis 3.16b), orienteerub nende polarisatsioonitasand elektrivälja suunas ja valgus enam teist polaroidi ei läbi. Nii saame elektrivälja tugevust (pinget vedelkristalli klemmidel) muutes erineva heledusega piksli. Kui piksel sisaldab ka värvifiltrit (4), saame erineva heledusega sinise, punase või rohelise piksli.
Kui uurida arvuti või mõne muu nutiseadme ekraani mikroskoobiga, näeme siniseid, punaseid ja rohelisi ruudu- või ristkülikukujulisi piksleid. Pikslite valguste intensiivsused määravad ära ekraani värvi. Polaroidide kasutamise tõttu on vedelkristallkuvari valgus polariseeritud.
Ülesanded
3.6 Elektromagnetlainete interferents
3.6.1 Elektromagnetlainete interferents
Võib juhtuda, et telefoni levi on ruumi eri piirkondades üsna erinev. Miks on mõnes kohas signaal tugev ja teises kohas väga nõrk? Kuidas on selline nähtus seotud elektromagnetlainete omaduste ja levimisega ruumis?
Kõikidel lainetel on omadus liituda, moodustades antud ruumipunktis uue laine, mille amplituud erineb liituvate lainete amplituudidest. Veelainete liitumisel moodustub kõrgema ja madalama laineharjaga laineid. Kahest kõlarist lähtuvate helilainete liitumisel võib täheldada ruumi erinevates punktides kas valjemat või vaiksemat heli. Kuna liitumisel amplituud muutub, muutub ka laine intensiivsus, heli puhul heli valjus.
Lainete liitumise nähtust nimetatakse interferentsiks.
Uurime lähemalt, kuidas toimub elektromagnetlainete liitumine. Lihtsustame olukorda ja vaatleme ainult kahte laineharja, mis kuuluvad üksteisele vastu liikuvatele elektromagnetlainetele. Joonisel 3.17 on kujutatud kahte laineharja, mille liikumissuunad on märgitud noolega laineharja kohale.
Laine võnkeamplituud on seotud elektrivälja tugevusega ja joonisele on laineharjade amplituudid märgitud -vektorina ( ja ). Lainete kattumisel -vektorid liituvad, moodustades suurema amplituudi, mille väärtus on nüüd
Laineharjade edasi liikumisel taastub esialgne amplituud. Kui on tegemist lainetega, siis liitumine toimub sarnaselt, aga on tervikpildina keerulisem.
1. näidisülesanne
Kuidas liituvad laineharjad, mille amplituudid on vastandfaasis, nagu on näidatud joonisel 3.18?Lahendus
Kuna -vektorid on vastupidised, aga sama väärtusega, on vektorite summa . Seega vastandfaasis laineharjade kohtumisel on amplituud võrdne nulliga. Järelikult on ka intensiivsus null.
Lainete interferentsi on lihtsam jälgida, kui lained on koherentsed, see tähendab, et nende -vektorite muutumist on võimalik kirjeldada pikkade katkematute sinusoidaalsete võnkumistena, millel on ühesugused lainepikkused (ja sagedused). Valguslained, mida kiirgavad lambid, küünlad ja Päike, pole koherentsed, sest kiirgumine toimub piltlikult kirjeldades lühikeste lainejuppidena, mille faasid on üksteise suhtes juhuslikult nihkes. Sama sagedusega raadiojaamade raadiolained ja laserikiire valguslained on koherentsed.
2. näidisülesanne
Kas joonisel 3.19 esitatud lainete paarid on 1) koherentsed ja 2) samas faasis?Lahendus
a) Lained on koherentsed ja nende sagedus ning lainepikkus on samad, aga lained on vastandfaasis;
b) lained on koherentsed ja samas faasis; amplituud on erinev;
c) lained pole koherentsed, sest sagedused ja lainepikkused erinevad, samal põhjusel pole lained faasis.
Uurime joonise 3.20 abil koherentsete lainete interferentsi.
Olgu meil kiirgajaks kaks raadiosaatjat ja , mis kiirgavad sama sageduse ja lainepikkusega laineid. Laineharjad, mida ruumiliste lainete korral on tavaks nimetada lainefrontideks, on joonisel tähistatud kaarjoontega. Neis punktides, kus kohtuvad samas faasis olevad laineharjad, on tegu maksimaalse amplituudiga (joonisel tähistatud tähega ) ehk konstruktiivse interferentsiga. Punktides, mis on tähistatud tähega , nullivad vastandfaasis olevad lained üksteise amplituudid ja tegu on destruktiivse interferentsiga.
Seega, kui me liigutaks vastuvõtjat punktide ja vahel, muutuks signaal maksimaalsest minimaalseks. Kuna tegu on kahe koherentse lainega, tekib lainete liitumisel maksimumide ja miinimumide korrapärane muster, n-ö interferentsipilt.
Interferentsi nähtusega peab arvestama raadiosides, sest sarnased lained interfereeruvad ja võivad muuta signaali tugevust. Seetõttu on jaotatud raadio- ja mikrolainete sagedusalad riigi seadusandlusega. Raadio- ja mikrolained võivad interfereeruda metallide pinnalt peegeldunud lainetega, mistõttu on mõnes ruumipunktis signaal tugev, aga mõnes kohas võib sootuks puududa.
Looduses annab valguslainete interferents paabulinnu sulgedele ja liblikatiibadele kaunid värvid, mis on seotud valguse peegeldumisega sulgede või tiibade kattekihi erinevatelt osadelt ja nendelt peegeldunud valguste interferentsiga.
Teaduses on elektromagnetlainete interferentsi kaasabil tehtud olulisi avastusi, näiteks DNA struktuuri või gravitatsioonilainete tuvastamine.
Gravitatsioonilained
Kui kaks musta auku, mis on kahe hiidtähe lõppfaasid, üksteise ümber tiireldes lõpuks ülisuure kiirendusega kokku kukuvad, tekib tohutu suure energia muutuse tõttu gravitatsioonilaine, mille olemasolu prognoosis juba Albert Einstein oma üldrelatiivsusteoorias. Otseselt on õnnestunud gravitatsioonilaineid „näha“ tänu LIGO eksperimendile. LIGO on akronüüm ingliskeelsest nimest Laser Interferometer Gravitational-Wave Observatory. Interferomeeter on seade, kus kasutatakse laserkiirte interferentsi nii materjalide kui ka optiliste nähtuste uurimiseks. LIGO katses eeldati, et gravitatsioonilaine tõttu muutub interferomeetris laservalguse faas, mistõttu saab interferentsi muutuse abil tuvastada gravitatsioonilaineid.
Joonisel 3.21 on esitatud interferomeetri põhikomponendid. Interferomeetri L-kujulised harud on pikkused ja seade on ehitatud äärmise täpsusega. Interferomeeter (joonisel 3.21) koosneb laserist ja poolläbilaskvast peeglist , mis jaotab koherentse laserkiire kahte kimpu. Kiired peegelduvad peeglitelt ja . Läbides poolläbilaskvat peeglit või sellelt peegeldudes, kohtuvad kiired ja tekitavad detektorile lainete liitumisel valgustäpi, nagu on näidatud joonisel 3.21b. Kui gravitatsioonilaine jõuab LIGO interferomeetrini, põhjustab see ühe interferomeetri õla lühenemist, mis omakorda põhjustab valguslaine faasi muutuse. Valguslaine jõuab ekraanini vastandfaasis ja signaal ekraanil kaob.
Gravitatsioonilainete vahetu mõõtmine on avanud nii astrofüüsikas kui ka osakeste füüsikas uusi võimalusi universumi koostise ja arengu uurimiseks.
Interferentsi nähtus on omane kõikidele lainetele. Merelained ja helilained liituvad samuti, andes interferentsi miinimume ja maksimume. Destruktiivset interferentsi kasutatakse müra summutavates kõrvaklappides, kus genereeritakse registreeritud müra baasil täpselt vastandfaasis võnkuv heli, mis interfereerudes müra suures ulatuses summutab.
Ülesanded
3.7 Difraktsioon
3.7.1 Difraktsioon
Bioloogias kasutatavate valgusmikroskoopide abil saab näha objekte, mille mõõtmed on ligikaudu pool valguse lainepikkusest ehk . Seega valgusmikroskoobiga saab uurida rakke ja baktereid (suurusvahemikus ), aga viiruseid ja makromolekule enam mitte (suuruses ). Mis seab piirid valgusmikroskoopiale? Piirid seab valguse laineline iseloom ja lainete levimisel esinev difraktsioon.
Põhikoolis uurisime valguse levimist valguskiirte abil. Selles käsitluses tekitab näiteks punktvalgusallika kiiratud valgus tõkete taha täisvarju, sest sirgjooneliselt leviv valgus tõkete taha kuidagi ei pääse. Difraktsioon on nähtus, kus laine, jõudes tõkkeni, levib ka tõkke taha (joonis 3.22).
Helilainete difraktsiooni tõttu kuuleme näiteks läbi avatud akna tänaval rääkivaid inimesi, ehkki me ei näe neid, kes juttu ajavad. Nüüd teame, et ka valgus on laine.
Valguse difraktsioon esineb kõikide takistuste korral, aga nähtus on paremini jälgitav, kui ava või tõke on valguse lainepikkusega enam-vähem võrdne. Võib ka öelda, et valguse käsitlemine lainetena ja difraktsiooni uurimine lubab meil valguse levimist tundma õppida täpsemalt, kui see on võimalik valguse käsitlemisel valguskiirte kimbuna.
Joonisel 3.23 on kujutatud kahe erineva suurusega ava. Mõlemal juhul on laineharjad kujutatud heleda joonega. Joonisel 3.23a on ava laius võrdne lainepikkusega, joonisel 3.23b aga mitu korda suurem. Joonisel 3.23a muudab suurem osa valgusest suunda, joonisel 3.23b vastupidi, enamus valgusest levib sirgjooneliselt edasi.
Difraktsiooni korral valguse lainepikkus ja levimiskiirus ei muutu. Valguse amplituud, seega ka intensiivsus väheneb, sest valgus kandub järjest suuremale alale. Sarnaselt märkame, et kui heli lähtub toast läbi akna ja kaugeneb majast, väheneb heli valjus.
1. näidisülesanne
Miks ei saa mikroskoobiga vaadelda näiteks viiruseid või antikehi?Lahendus
Vastamiseks uurime joonist 3.24, kus lainefrondid on tähistatud siniste joontega ja uuritav objekt mustana. Bioloogiliste objektide vaatlemine läbi mikroskoobi põhineb õhukese preparaatide läbivalgustamisel ja objektiivi tekitatud kujutise suurendamisel. Kujutiste piirjooned peavad olema teravad. Kui objekt on palju suurem valguse lainepikkusest (joonis 3.24a), siis enamus valgusest levib sirgjoonelisest ja objekti taha tekib terav vari. Kui uuritava objekti suurus on võrreldav valguse lainepikkusega (joonis 3.24b), muutub objekti vari häguseks või kaob hoopis. Mikroskoobiga ei saa vaadelda objekte, mille mõõtmed on väiksemad kui valguse lainepikkus, mida mikroskoobis kasutatakse, sest mistahes punkti kujutise mõõtmed on määratud valguse lainepikkusega – need ei saa olla väiksemad lainepikkusest.
Optilistes riistades, nagu mikroskoobid ja teleskoobid, seab just valguse laineline iseloom ja difraktsioon piirid nii kujutise teravusele kui ka kogu süsteemi lahutusvõimele. Valguse kui laine leviku uurimisel on difraktsioon lahutamatult seotud interferentsiga.
Interferentsi peatükis lk 106 uurisime jooniselt 3.20 kahe koherentse raadiolaine interferentsi. Sarnase pildi saame ka siis, kui asetame valguse teele tõkke, milles on kaks kitsast pilu. Kui pilude laiused on võrreldavad valguse lainepikkusega, peame piludest läbi läinud valguse levimise uurimisel arvestama difraktsiooniga. Olukorda on kujutatud joonisel 3.25.
Näeme, et tõkke taga moodustub kaks hajuvat lainet, mis teatud kaugusel tõkkest alates servast kattuvad (joonis 3.25a). Kuna tekkinud lained on koherentsed, annavad nad liitumisel korrapärase mustri, st ekraanile tekib interferentsipilt (joonis 3.25b). Interferentsipildil näeme:
a) vaheldumisi heledaid ja tumedaid triipe. Heledamatel aladel on lained liitunud samas faasis ja tumedatel on lained liitunud vastandfaasis;
b) keskmised triibud on suurema intensiivsusega kui äärmised. Valgusenergia kandumisel suuremale alale, st otsesihist kaugemale väheneb laine amplituud ja seega ka valguse intensiivsus. Seetõttu ongi äärmised jooned tuhmimad.
Katse laservalguse difraktsiooni ja interferentsi uurimiseks
Katseks läheb vaja laserit, näiteks laserpointerit, õhukest pappi, vaibanuga, statiivi, näpitsaid ja ekraani.
Lõika ettevaatlikult papitüki sisse kaks võimalikult lähestikku paiknevat paralleelset pilu. Pilud peaksid olema võimalikult kitsad, st silmale vaevu nähtavad. Kinnita piludega papitükk ja laser statiividele ning suuna laseri valgus piludele nii, et laseri valguskimp kataks mõlemad korraga (joonis 3.26). Ekraaniks võib kasutada klassiseina, aga võib teha ka eraldi valgest paberist ekraani. Parima pildi saamiseks nihuta katsevahendeid üksteise suhtes. Uuri tekkinud interferentsipilti (tee sellest foto).
Katset võib edasi arendada, lisades pilusid, teha pilude asemel nõelaga auke neid erinevalt paigutades või uurida erinevate lainepikkustega laserite difraktsiooni.
NB! Laseriga tuleb olla ettevaatlik, et laseri valgus silma ei satuks. Laserikiir on tasalaine, kiirteoptikas tuntud kui tasaparelleelne kiirtekimp, ja silmalääts koondab selle silma võrkkestal väga väikeseks punktiks. Seetõttu on laserivalguse intensiivsus selles punktis väga suur ja silma võrkkestale võib tekkida püsiv kahjustus. Ära kunagi vaata otse laserisse! Ära kunagi suuna laserit kellegi poole!
Valguse difraktsioon toimub kõigil valguse teele jäävatel tõketel. Samas on selle jälgimiseks vaja koherentset valgust. Nii on näiteks põnev uurida laservalguse difraktsiooni juuksekarvalt.
2. näidisülesanne
Millise elektromagnetkiirgusega saab uurida difraktsiooni keedusoola kristallilt?Lahendus
Kui objekt, antud juhul keedusoola kristall, on palju suurem valguse lainepikkusest, siis objekti taha tekib vari ja varju servades märkame difraktsiooni. Aga kui uuritav on võrreldav valguse lainepikkusega, siis objekti „jälg“ valguslaines valguse levides praktiliselt kaob.
Difraktsiooni jälgimiseks peab elektromagnetlaine lainepikkus olema sarnane uuritavate avade või tõkete mõõtmetega. Keedusoola kristallis on kloori aniooni ja naatriumi katiooni mõõtmed suurusjärgus . Sellise lainepikkusega on röntgenkiirgus, mille lainepikkused jäävad vahemikku .
DNA
DNA koostis ja funktsioon pärilikkuse kandjana sai selgeks 1950. aastateks, aga sel ajal polnud veel kindlaks tehtud DNA struktuuri. Samas osati juba röntgenkiirgusega uurida kristallide struktuuri, õigemini tõlgendada röntgenkiirte difraktsioonist tekkinud difraktsioonipilti. Nii uuris Briti teadlane Rosalind Elsie Franklin (1920–1958) DNAd röntgenkiirte abil ja tema laboris valmisid ülitäpsed röntgenkiirte difraktsioonipildid (teravaim neist tuntud kui „Foto 51“). Nimetatud piltidele tuginedes avaldasid James Watson ja Francis Crick 1953. aastal DNA kaksikheeliksi mudeli, paraku küll viitamata Rosalind Franklini laboris tehtud fotodele.
Tänapäeval on DNA kaksikheeliks kandunud sümbolina popkultuuri.
Ülesanded
3.8 Elektromagnetlainete murdumine
3.8.1 Elektromagnetlainete murdumine
Valguse murdumise seaduspärasusi oleme õppinud 8. klassi valgusõpetuses. Valguse murdumine teeb võimalikuks valguse koondamise kumerläätse abil või selle hajutamise nõgusläätse abil. Valguse murdumise tõttu atmosfääris näib loojuv päike mõnikord horisontaalsihis lapergune. Kas murdumine on omane ainult nähtavale valgusele või murduvad üleminekul teise keskkonda kõik elektromagnetlained?
Klaasprisma ja spektrid
Kui suunata nähtav valgus klaasprismasse (joonis 3.27), murdub kõige rohkem violetne valgus ja kõige vähem punane valgus. Kuidas aga murduvad UV- ja IP-kiirgused?
1800. aastal avastas Frederick William Herschel (1738–1822) infrapunakiirguse, uurides erinevate valguste soojuslikku toimet nende neeldumisel tumedas materjalis. Ta lahutas prisma abil valge valguse spektriks ja asetas siis tumedaks värvitud termomeetreid erinevatesse spektri osadesse. Kõige kõrgem temperatuur oli piirkonnas, kus lõppes punase spektri osa ja puudus igasugune nähtav valgus. Seega joonisel 3.26 piirkonda murdub IP-kiirgus ja seda saab tõestada termomeetriga.
Joonise 3.27 piirkonda murdub UV-kiirgus. Kuna UV-kiirgus tekitab neeldumisel pigem keemilisi muutusi kui paneb molekule kiiremini võnkuma, saab UV-kiirguse murdumist tõestada fotokeemilise reaktsiooniga – reaktsiooniga, mis vajab toimumiseks valgust. Aastal 1801 UV-kiirguse avastanud Johann Wilhelm Ritter (1776–1810) kasutas erinevate valguste keemilise toime uurimiseks hõbekloriidi tumenemist valguse mõjul. Mida suurema energiaga valgus, seda intensiivsem on hõbekloriidist pulbrilise musta värvi hõbeda teke. Katses muutus mustaks kõige kiiremini ala, mis jäi violetse spektriosa taha (joonisel 3.27 piirkond ) ja UV-kiirgus oligi avastatud.
Katsed on näidanud, et üleminekul teise keskkonda võivad murduda kõik elektromagnetlained. Kõige rohkem rakendusi on aga nähtava valguse murdumisel.
Kui valgus jõuab ühest keskkonnast teise, näiteks õhust vette, siis valguse kiirus väheneb. Põhjus on elektromagnetvälja ja aine vastastikmõju.
Vaatame jooniselt 3.28 lainepaketi murdumist valguse üleminekul vaakumist mingisse läbipaistvasse keskkonda.
Kui lainehari (tähistatud siniste joontega) jõuab teise keskkonna piirile ja siseneb sellesse, siis laine kiirus väheneb ja lainehari jõuab sama ajaga vähem edasi. Seega tervikuna lainepaketi suund muutub. Valguskiir, mida tähistatakse joonistel noolega, on laineharjade ristsirge sihiline.
Joonisel 3.28 märkame ka seda, et lisaks kiirusele väheneb nurk kiire ja pinna ristsirge vahel, nii nagu murdumise kohta ka varasemast teame. Muutub laineharjadevaheline kaugus ehk lainepikkus.
1. näidisülesanne
Jooniselt 3.27 on näha, et valguse lainepikkus väheneb. Me teame, et sinisel valgusel on väiksem lainepikkus kui rohelisel. Kas on õige järeldada, et rohelise valguse murdumisel muutub valguse toon sinisemaks?Lahendus
See järeldus on vale. Värvuste tajumine on seotud valguse sagedusega. Kui valguse kiirus väheneb, muutub lainepikkus väiksemaks, aga sagedus jääb samaks ja värvus ei muutu. Seda on näha, kui suunata läbi vee rohelise valguse kiir. Vees valguse kiirus ja lainepikkus väheneb, aga ei muutu sagedus, seega roheline valgus on sama tooni nii õhus kui ka vees.
Vaatleme joonisel 3.29 kujutatud olukorda, kus valgus murdub vaakumist läbipaistvasse keskkonda.
Langemisnurga tähis on ja murdumisnurga tähis . Põhikoolist teame, et kui suurendame langemisnurka, suureneb ka murdumisnurk. Aga kui palju? Osutub, et murdumise kirjeldamiseks on olemas jääv suurus – valguse langemisnurga ja murdumisnurga siinuste suhe erinevate langemisnurkade korral ei muutu. Seda suurust nimetatakse murdumisnäitajaks. Kui valgus levib vaakumist keskkonda, iseloomustab murdumisnäitaja selle keskkonna optilisi omadusi ja tegu on absoluutse murdumisnäitajaga . Matemaatiliselt saab selle avaldada kujul
Keskkonna absoluutne murdumisnäitaja on seotud ka valguse kiirusega selles keskkonnas. Kui valguse kiirus vaakumis on ja keskkonnas , siis absoluutne murdumisnäitaja näitab, mitu korda on valguse kiirus vaakumis suurem kiirusest antud keskkonnas:
Valemist märkame, et mida väiksem on valguse kiirus, seda suurem on selle keskkonna murdumisnäitaja.
2. näidisülesanne
Öeldakse, et optilises kaablis levib info valguse kiirusel. Kas see väide on korrektne?Lahendus
Kui pidada silmas valguse kiirust just selles keskkonnas, siis on see korrektne. Kui aga räägitakse valguse absoluutkiirusest vaakumis, mis on , siis on see väide ebakorrektne. Optilises kaablis kasutatakse valgust juhtiva keskkonnana germaaniumdioksiidi, mille murdumisnäitaja on . Järelikult levib info kiirusega
Nii saame öelda, et esitatud väide ei ole korrektne.
Katse klaasi murdumisnäitaja määramiseks
Katseks läheb vaja klaastahukat, paberit, pliiatsit ja nelja nööpnõela.
Aseta klaastahukas paberile ja joonista sellele tahuka piirjooned. Seejärel torka ühele
poole klaastahukat paberisse kaks nööpnõela umbes 4cm vahega, nagu on näidatud joonisel 3.30a. Nüüd tuleb vaadata nööpnõelu läbi klaastahuka noolega näidatud suunas nii, et nööpnõelad asuksid ühel sirgel. Seejärel ikka veel klaasitaguseid nööpnõelu vaadates torka kaks nööpnõela paberisse nii, et kõik neli nööpnõela näivad olevat ühel sirgel. Pealt vaadates peab nööpnõelte ja tahuka paigutus olema selline, nagu joonisel 3.30b. Joonista nööpnõelte järgi valguskiire käik, tähista ja mõõda nurgad.
Kasutades murdumisseadust, arvuta klaasi murdumisnäitaja. Kuna valguse kiirus õhus on meie katse mõõtemääramatuse juures võrdne valguse kiirusega vaakumis, oled määranud klaasi absoluutse murdumisnäitaja. Tee kaks korduskatset erinevate langemisnurkade juures ja leia keskmine. Võrdle tulemust tabelis esitatud väärtusega.
Jooniselt 3.30b on näha, et klaasist väljudes on valguse murdumisnurk suurem kui langemisnurk. Selline seaduspärasus kehtib, kui valgus levib suurema murdumisnäitajaga keskkonnast väiksema murdumisnäitajaga keskkonda.
Murdumisseadust, mis kehtib mis tahes kahe erineva läbipaistva keskkonna jaoks, saab esitada järgmisel kujul:
Siin ja on valguse kiirused vastavalt esimeses ja teises keskkonnas ning ja on nende keskkondade murdumisnäitajad. Murdumisnäitajat nimetatakse suhteliseks murdumisnäitajaks ja see iseloomustab valguse üleminekut ühest neist kahest keskkonnast teise.
Murdumisnäitaja on suurus, mis on oluline väga erinevates valdkondades. Optilise kaabli ja selle katte murdumisnäitajad määravad ära signaali leviku kvaliteedi. Kalade või putukate läbipaistvad vastsed on sarnase murdumisnäitajaga kui on veel. Nii pole vastseid märgata ja nad jäävad tõenäolisemalt ellu. Murdumisnäitaja abil saab määrata lahuste kontsentratsiooni või tihedust. Vastavat mõõteriista nimetatakse refraktomeetriks (ingl refraction ’murdumine’). Refraktomeetrit kasutavad näiteks mesinikud ning õlle- ja veinitootjad suhkrusisalduse määramiseks.
3. näidisülesanne
Miks tundub läbi vee vaadates merepõhi olevat lähemal ja vesi madalam, kui see tegelikult on?Lahendus
Nähtus on tingitud valguse murdumisest ja asjaolust, et me näeme asju olevat seal, kust poolt valgus silma tuleb. Selgitame täpsemalt joonise 3.31 abil. Keha asub merepõhjas ja sellelt peegelduv valgus murdub (pidevajoonega tähistatud kiir) vaatleja suunas. Kuna vaatleja näeb kehade asukohti silma jõudnud kiirte suunas, näitab kiirte pikenduste (tähistatud punktiirjoonega) lõikumiskoht keha näivat asukohta . Sama joonise saaks teha merepõhja mis tahes punkti kohta.
Ülesanded
3.9 Spektraalanalüüs
3.9.1 Spektraalanalüüs
Tegeledes aianduse või mahepõllundusega, tasub kindlaks teha, et muld ei sisalda mürgiseid raskemetalle, näiteks pliid, arseeni, koobaltit või elavhõbedat. Selleks tuleks tellida keskkonnauuringute laborist vastavate keemiliste elementide spektraalanalüüs. Kui tahame mõista, kuidas liiguvad tähed, galaktikad, galaktikaparved, või teada saada, millest erinevad astronoomilised objektid koosnevad, tuleb jällegi analüüsida spektreid.
Spektritest
Sõna „spekter“ (lad ’nägemus, kujutlus’) tähendas algselt läbi klaasprisma erinevalt murdunud valguste riba. Nüüdseks on mõiste laienenud nii teaduses kui liikunud ka tavakeelekasutusse. Füüsikas räägitakse laiemalt näiteks elektromagnetlainete spektrist või kitsamalt raadiolainete spektrist (vt lk 97). Massspektroskoopias uuritakse hoopis molekulide või aatomite isotoopide masside jaotust ehk massi spektrit. Politoloogias käsitletakse erinevate maailmavaadete spektrit, psühholoogias inimese omaduste spektrit. Samuti on sõna „spekter“ jõudnud popkultuuri: näiteks videomängudesse, filmidesse või bändinimedesse.
Selles peatükis käsitleme valguse spektreid ja nende baasil tehtavat spektraalanalüüsi, kuid spektreid annavad ka kõik teised elektromagnetlainete liigid.
Spektri uurimiseks spektraalaparaadis on klaasprismat või difraktsioonivõret.
Valgus on pärit uuritavatelt objektidelt: tähtedelt, LEDidelt, galaktikatelt, hõõguvatelt kehadelt. Uurida võib ka valgust, mis on peegeldunud ükskõik milliselt pinnalt, planeetidelt või Kuult.
Klaasprisma ja difraktsioonivõre „lahutavad“ objekti kiiratud valguse spektriks, st nad suunavad erineva värvusega (lainepikkusega) valguse komponendid erinevatesse suundadesse. Klaasprismas põhjustab sellist nähtust see, et erineva lainepikkusega valgusele on klaasi murdumisnäitaja erinev. Nii saame murdumisseaduse rakendamisel erineva värvusega kiirtele erinevad klaasist väljumise suunad – violetne valgus muudab rohkem suunda kui punane valgus. Seda nähtust nimetatakse dispersiooniks. Valguse dispersioon vihmatilkades annab meile kauni loodusnähtuse – vikerkaare.
Difraktsioonivõre on ülikitsaste paralleelsete pilude süsteem ( pilu ühe millimeetri kohta). Ka difraktsioonivõrelt peegeldunud või seda läbinud valgus muudab suunda erinevalt, sõltuvana selle lainepikkusest. Aga erinevalt klaasprismast muudab võre suurema lainepikkusega (punasema) valguse suunda rohkem kui lühema lainepikkusega valguse suunda.
Difraktsioonivõre tööpõhimõtte selgitamiseks peaksime määrama suunad, mille all võre piludelt peegeldunud valgus interfereerub konstruktiivselt. Nii selgubki, et suurema lainepikkusega punane valgus kaldub oma esialgsest levimise suunast rohkem kõrvale, sest selle lainepikkus on võrreldes võre pilude vahelise kaugusega suurem.
Tänapäevastes spektromeetrites kasutatakse pigem difraktsioonivõresid, sest nende lahutusvõime on prisma lahutusvõimest suurem.
CD-plaat oma spiraalsete kitsaste vagudega käitub samuti difraktsioonivõrena ja seda saab kasutada spektroskoobi valmistamiseks.
Lihtsates spektroskoopides (kr skopeo ’vaatlen’) vaadeldakse spektreid vahetult silmaga. Teaduslike uuringute jaoks on tihti vaja spektreid töödelda (võimendada, suumida), analüüsida ja mõõta. Sel korral kuvatakse spektrid valgustundlikele ekraanidele, mis muudavad valgusenergia elektrienergiaks (fotodiood või CCD).
1. näidisülesanne
Kas IP-kiirguse spektri saamiseks oleks mõistlik kasutada difraktsioonivõret, mille pilud on hõredamalt, või võret, mille pilud on tihedamalt?Lahendus
IP-valguse lainepikkus on suurem kui punasel valgusel. See, kui palju difraktsioonivõre valgust kõrvale kallutab, sõltub valguse lainepikkusest – mida suurem lainepikkus, seda rohkem. Järelikult on tõenäoliselt parem lahendus kasutada „hõredamat“ difraktsioonivõret. Seevastu UV-valguse spektri saamiseks peaks pilude arv ühe millimeetri kohta olema võimalikult suur.
Vaatame joonise 3.33 abil, kuidas tekib keemilise elemendi aatomi spekter.
Valgus tekib ergastatud elektronide üleminekul madalama energiaga olekusse (joonis 3.33a), antud joonisel vastavad kahele üleminekule kaks erineva energiaga valgust. Seejärel lahutatakse kiiratud valgus klaasprisma abil (joonis 3.33b) spektriks. Kuna suurema energiaga ehk väiksema lainepikkusega valgus murdub rohkem ja väiksema energiaga valgus vähem, saamegi spektri, milles on kaks joont kahe ülemineku kohta. Tekkinud joonspektri saab kuvada intensiivsuse-lainepikkuse graafikule, kus igale üleminekule vastab spektris terav maksimum ehk spektrijoon (joonis 3.33c). Spektroskoobiga vaadates näeksime sellist pilti nagu joonisel 3.33d.
Joonisel 3.34 on kujutatud lämmastiku kiirgusspektrit. Uurime lähemalt, kuidas selline spekter on saadud.
Kui kuumutada lämmastikku kõrge temperatuurini, toimuvad soojusliikumise energia arvelt elektronide üleminekud kõrgematele energiatasemetele. Kui elektronid lähevad uuesti üle oma põhiolekusse, kiirgavad aatomid valgust. See valgus lahutatakse spektraalaparaadi abil spektriks, nagu näidatud joonisel 3.32. Ka nüüd vastab igale võimalikule elektronide üleminekule spektris üks joon. Lämmastiku aatomil on erinevatel orbitaalidel kokku 15 elektroni, neist välisel kihil viis. Võimalikke üleminekuid neile viiele elektronile on palju, seepärast ongi saadud spekter tihedalt jooni täis.
Paneme tähele, et saadud spekter on omane ainult lämmastikule. Erineva elektronstruktuuri tõttu on kõikidel keemilistel elementidel ainult neile omased spektrid. Seega, kui võrdleme spektraalaparaadis saadud kiirgusspektreid laboris varem tehtud keemiliste elementide spektritega, võime tuvastada keemilisi elemente, olgu need mulla või mõne kauge tähe atmosfääri koostises.
2. näidisülesanne
Kui panna leeki naatriumi soolasid, näiteks keedusoola, siis värvub leek intensiivselt kollakasoranžiks. Miks?Lahendus
Vastamiseks on abiks naatriumi kiirgusspekter (joonis 3.35). Näeme, et kiirgusspektris
on tugev joon lainepikkusel . Sellele lainepikkusele vastab kollane värvus. Tegelikult sisaldab Na kiirgusspekter rohkem jooni, aga nende intensiivsus on võrreldes kollaste joontega väga väike ja nii ongi leegi värvus kollane.
Eelpool käsitletud spektrid olid kiirgusspektrid, järgnevalt vaatame neeldumisspektreid. Kui kiirgusspektrit uurides tunneme huvi, milliste lainepikkustega valgust üks või teine objekt kiirgab, siis neeldumisspektris uurime, milliste lainepikkustega valgus ühes või teises keskkonnas neeldub.
Näiteks päikeselt kiirgunud valgus neeldub osaliselt esmalt Päikese atmosfääris ja siis hiljem ka Maa atmosfääris. Algselt kiirgab Päike valgust, mille spekter on pidev (nn musta keha kiirgus). Pärast Päikese ja Maa atmosfääri läbimist saab see spekter kuju, nagu näidatud joonisel 3.35 – spektrisse on tekkinud tumedad jooned.
Joonisel 3.36 on maapinnale jõudnud päikesevalguse spekter esitatud kahel kujul – värvilise ribaspektrina ja graafikuna. IP-valguse spektri osa on kujutatud värvilisel spektril hallina. Ülemisel joonisel on näha neeldunud valguse lainepikkustele vastavaid tumedaid vertikaalseid jooni. Graafikul näeme neis kohtades valguse intensiivsuse langust.
Keemilised elemendid neelavad täpselt sama energiaga valgust, nagu nad ise kiirgaksid. Seega igale mustale joonele vastab mõne keemilise elemendi elektroni üleminek kõrgema energiaga olekusse – kuna selliste sagedustega spektri komponendid neelduvad, põhjustades elektroni üleminekuid, siis vastava energiaga valgust meieni ei jõua. Spektraalaparaadis lahutatakse valgus spektriks ja vastaval lainepikkusel on valguse intensiivsus minimaalne.
Kuna joonisel kujutatud spekter läbib ühtlasi Maa atmosfääri, on selles ka atmosfääris leiduvale hapnikule vastavad neeldumisjooned. Tugevaim on neist juures – selle sagedusega IP-kiirgus neeldub peaaegu täielikult meie atmosfääris.
Universumi paisumine
Kuidas me teame, et universum paisub ning tähed ja galaktikad liiguvad meist eemale? Ka siin on abi valguse spektritest. Aga esmalt tuleb selgitada nähtust, mida kutsutakse Doppleri efektiks. Doppleri efekt on seotud liikuva keha tekitatud lainete lainepikkuse muutumisega.
Kuna nähtus on iseloomulik kõikidele lainetele, vaatame alustuseks veelaineid. Kui visata vette kivi, siis levivad kivist eemale sümmeetrilised lained, mille lainepikkus on igas suunas ühesugune. Kui aga veelaineid tekitab joonisel 3.37 kujutatud part, kes ujub kiirusega paremale, näeme, et liikumissuunast sõltuvalt on laineharjad kas tihedamalt koos või on nende vahekaugused suurenenud. Pardi liikumissuunas oleva vaatleja jaoks on lainepikkus lühenenud, pardi kaugenemist jälgiva vaatleja jaoks aga pikenenud.
Sama efekt esineb ka liikluses, kui sõiduk vaatlejale läheneb või temast eemaldub – läheneva sõiduki heli kuuleme suurema sageduse tõttu kõrgemana, kaugeneva sõiduki heli aga madalamana. Mida suurema kiirusega keha liigub, seda suurem on ka tekitatud lainete lainepikkuse või sageduse muutus.
Kuidas saab uurida tähtede liikumist? Ka siin eeldame kõigepealt, et tähtede kiiratud valguse spekter on pidev. Nüüd kui selles esinevad neeldumisjooned, siis neid põhjustab valguse neeldumine tähe atmosfääris. Neeldumisjooni tuleb võrrelda maapealses laboris mõõdetud keemiliste elementide spektritega. Joonisel 3.38 on kolm spektrit, millest esimesele (a) on märgitud maapealsetest mõõtmistest teadaolevad vesiniku aatomi neeldumisjooned ja teised (b ja c) on kahe erineva galaktika valguse spektrid. Märkame, et galaktikate spektrites on vesiniku neeldumisjooned nihkunud spektri punase osa, st suuremate lainepikkuste poole. Kuna lainepikkused on suurenenud, on tegu meist eemalduvate galaktikatega (vaata Doppleri pardi tekitatud laineid joonisel 3.37). Kuna alumisel joonisel c on joonte nihkumine suurem, , siis see galaktika eemaldub meist suurema kiirusega. Spektrijoonte nihkumist punase spektriosa suunas nimetatakse punanihkeks.
Ülesanded
3.10 Valgusallikad
3.10.1 Valgusallikad
8. klassis õppisime, et on olemas külmad ja soojuslikud valgusallikad. Külmad valgusallikad kiirgavad põhiliselt nähtavat valgust, soojuslikud valgusallikad kiirgavad lisaks nähtavale valgusele ka palju soojuskiirgust. Järgnevalt kirjeldame valgusallikaid nende spektrite kaudu.
a) Soojuslike valgusallikate kiiratud valguse spekter on pidev. Tegu on kuumade kehadega, mis kiirgavad valgust laias lainepikkuste vahemikus kõikidele kuumadele kehadele (sealhulgas tähtedele) omast musta keha kiirgust, mille värvus sõltub valgusallika temperatuurist.
Volframniidiga hõõglambi (spekter on joonisel 3.41) töötemperatuur on umbes .
Spektrilt on näha, et lisaks nähtavale valgusele kiirgab hõõglamp ka IP-kiirgust, mille intensiivsus on märkimisväärselt suurem kui nähtaval valgusel. Halogeenlamp (spekter on joonisel 3.42) on samuti volframist hõõgniidiga hõõglamp, aga halogeeniaurude sisalduse tõttu on selle töötemperatuur umbes . Halogeenlampe kasutatakse autode esituledes, koduses valgustuses ja nende kuumakindluse tõttu ka näiteks ahjudes.
Graafikutelt on näha, et kuumema halogeenlambi kiirgusmaksimum jääb lühemate lainepikkuste poole. Selgub, et see on kõigi soojuslike valgusallikate korral kehtiv fundamentaalne seaduspära: mida kuumem valgusallikas, seda sinisem valgus. Tänu sellele saab soojuslike valgusallikate valguse spektri maksimumi järgi määrata valgusallika temperatuuri. Nii määratakse näiteks tähtede pinnatemperatuurid.
b) Külmade valgusallikate spektrites (vt joonist 3.43 ja 3.44) praktiliselt puudub IP-kiirguse spektriosa, elektrienergia muutub valdavalt valgusenergiaks.
| 
|
|---|---|
| Joonis 3.43. Päevavalguslambi valguse spekter. | Joonis 3.44. LED-lambi valguse spekter. |
Päevavalguslambis on töötavaks gaasiks elavhõbeda aurud, mille aatomite elektronid ergastuvad lampi läbinud elektrivoolu toimel. Ergastatud elavhõbeda aatomid kiirgavad UV-kiirgust, mis ergastab omakorda klaaskatte sisepinnale kantud luminofoori. Luminofoorid on keemilised ühendid, mis hakkavad kõrgema energiaga valguse (UV-kiirguse või sinise valguse) toimel kiirgama valgust. Joonisel 3.43 on näha päevavalguslambis kasutatava luminofoori kiirgusspekter. Spektris näeme kolme põhivärvi, mis annavad kokku valge valguse – see on iseloomulik päevavalguslampidele. Kui kasutaksime lambi klaasina puhast kvartsklaasi ilma luminofoori kihita, saaksime UV-lambi.
LED-lampide töö põhineb pooljuhtides elektronide üleminekutel energiatasemete vahel. LED-lampide kiirgus on tavaliselt ühevärviline ehk monokromaatiline. Selleks, et saada valge valgusega LED-lampe, lisatakse UV-kiirgust või sinist valgust kiirgava LEDi sisepinnale kollast luminofoori või luminofooride segu.
Uurime LED-lambi spektrit joonisel 3.44, kus on näha sinise valguse spektri piik ja kõrval kohe luminofoori kiirgusspekter. Sinine valgus ergastab luminofoori elektrone ja viimane hakkab kiirgama kollakat valgust. Kui soovime vähendada „külma“ tooni, tuleb lisada erinevaid luminofoore, mille tõttu spektri parempoolse osa intensiivsus kasvab ja valguse toon muutub „soojemaks“.
Valget valgust saab ka siis, kui kasutada korraga punast, rohelist ja sinist värvi LED-lampe. Sellisel juhul peab vaatleja olema piisavalt kaugel, et neid valgena näha, või lambid asuma üksteisele väga lähedal.
Valgusallikate spektrite uurimine annab võimaluse teha kindlaks valgusallika temperatuuri. See aitab hinnata valgusallikate sobivust igapäevaseks tarbimiseks, samuti konstrueerida külmi valgusallikaid, mille valgus tundub meile soe.
Ülesanded
3.11 Elektromagnetlainete energia ja footon
3.11.1 Elektromagnetlainete energia ja footon
Õpiku eelmistes osades oleme võrrelnud erinevate elektromagnetlainete liikide energiaid. Oleme maininud ka seda, et valguse kiirgumisel ja neeldumisel tuleks rääkida pigem valguse kvandi ehk footoni energiast. Ühtlasi oleme uurinud elektromagnetlainete spektreid ja spektrijoonte intensiivsusi ning uurinud aatomis elektronide energiatasemeid. Vaatame nüüd täpsemalt üle, mida selle all mõeldakse, kui räägitakse elektromagnetlainete energiast.
Vaatame esmalt uuesti üle valguse tekke aatomis. Elektromagnetlainete spektri uurimisel selgitasime, et nähtav valgus tekib, kui elektronid lähevad üle kõrgematelt energiatasemetelt madalamatele. Et sellised üleminekud võimalikud oleks, on vaja anda elektronile lisaenergiat. Kiirgumisel vabaneb sama palju energiat kui kulub ergastamiseks. Ühe ülemineku puhul on tegu väga konkreetse energia hulgaga ja see ei saa olla suurem ega väiksem neeldunud või kiirgunud energiast. Seda konkreetset portsu energiat on hakatud nimetama kvandiks. Võib öelda, et elektronide energiatasemed aatomis on kvanditud – nad saavad olla kas ühe või teise energiaga, aga mitte kunagi midagi vahepealset. Kui tuua paralleel igapäevaelust, võime näiteks öelda, et õpilaste olek koolis on kvanditud: ollakse kas 11. või 12. klassis, aga mitte vahepeal 11,3. või 11,9. klassis.
Ka valguse kvandi nimetus on siin õpikus juba mitut puhku kõlanud: valguse kvanti nimetatakse footoniks. Kui käsitleme valguse kiirgumist mikrotasemel, siis saame väita, et valgus on footonite voog. Energia neeldumise või kiirgumise kvanditud iseloom seletab ära ka spektrijooned. Igale elektroni üleminekule vastab üks kindel spektrijoon, millel on konkreetne lainepikkus ja sagedus ning seega ka konkreetne energia väärtus.
Elektronide üleminekutel energiatasemete vahel kiirguvad footonid, mille energia on vahemikus . Footoni energia sõltub võrdeliselt elektromagnetlaine sagedusest. Valem, mis seda seost kirjeldab, on Plancki valem:
kus on footoni energia ja Plancki konstant; .
Kui kasutame džaulide asemel elektronvolte, on Plancki konstandiks
Max Planck (1858–1947) oli kvantfüüsika rajaja. Kvantfüüsika seaduspärasustega puutume kokku lähemalt füüsika järgmistes kursustes.
1. näidisülesanne
Millist liiki kiirguse spektrijoon tekib vesiniku aatomi kiirgusspektrisse, kui aatom neelas footoni energiaga ?Lahendus
Kuna aatom neelab ja kiirgab sama energiaga footoni, on kiirgunud footoni energia samuti . Kasutame Plancki valemit
ja Planck konstanti
Arvutades saame
Kuna valguse värvuse määramine on mugavam lainepikkuse kaudu, leiame ka selle valemist
See spektrijoon asub elektromagnetlainete spektri UV-kiirguse osas.
Valgus kui laine ja footonit voog
Panete kindlasti tähele, et vahel me räägime valgusest kui lainest, siis jälle kui footonite voost. Kumb see siis lõpuks on? See küsimus on vaevanud teadlasi alates 17. sajandist. Ilmselt on kõige õigem vastus, et valgus ei ole kumbki, valgus on valgus. Looduse uurijatena loome vaid mudeleid valgusega seotud nähtuste seletamiseks ja kirjeldamiseks. Valguse polarisatsiooni, difraktsiooni ja interferentsi seletamiseks on mugavam rakendada mudelit, kus valgus on laine. Joonspektrite seletamiseks tuleks rääkida valgusest kui footonite voost.
Kui võtta peegeldumise seletamiseks appi footoni mudel, tuleks peegeldumist kirjeldada järgmiselt: kui footon jõuab pinnale, neeldub see pinna aatomi elektronkattes, andes oma energia elektronile. Elektron omakorda kiirgab välja footoni, mis ei ole see sama footon, vaid uus, mille tõenäolisem liikumissuund on selline, nagu ütleb meile peegeldumisseadus.
Tegelikult on kõiki elektromagnetlainete liike võimalik käsitleda nii lainete kui ka footonitena. Nii räägitakse sageli gammakvandist või suure energiaga röntgenkiirguse footonitest. Raadiolainete korral raadiokvandi mõistet ei kasutata, sest sellise kvandi energia on väga väike ja mikromaailmas pole protsesse, mida oleks võimalik selliste energiatega käivitada. Üldiselt avalduvadki osakese omadused pigem suurema sagedusega elektromagnetkiirguste korral ja lainelised omadused madala sagedusega kiirguste ehk raadiolainete korral.
Kuidas on seotud footonite energia ja elektromagnetlainete intensiivsus? Mida rohkem footoneid ajaühikus meile silma jõuab, seda intensiivsem on valgus. Samas kui tegu on näiteks punase ja väga intensiivse valgusega, on iga üksiku footoni energia ikkagi madal, ja olgu neid rohkem või vähem, elektrone ei ole nende abil molekulidest välja lüüa võimalik. Kui rasket kivi võib aidata tõsta see, et kutsud kolm sõpra appi, siis kui elektroni ergastamiseks on vaja näiteks energiat, ei piisa isegi miljonist footonist – elektronide energiatasemed aatomis on kvanditud ja aatomi ergastamiseks on vaja n-ö õige energiaga footonit.
Alljärgnevalt on uuesti näha meile juba tuttav elektromagnetlainete skaala, kuhu on lisaks lainepikkustele ja sagedustele märgitud ka vastavate footonite energiate väärtused elektronvoltides (joonis 3.46). Näeme, et nähtava valguse footoni energia on suurusjärgus , raadiolainete energia väärtused aga jäävad vahemikku mikroelektronvolt kuni pikoelektronvolt.
Tabelis 3.2 on toodud molekulide või aatomitega toimuvate liikumiste või muutustega seotud energiate ligikaudsed väärtused.
Kui võrrelda tabeli andmeid elektromagnetlainete energiatega, saame teha mitmeid olulisi järeldusi.
a) IP-kiirguse energiast piisab osakeste rotatsiooni või vibratsiooni energia muutmiseks ehk soojusliikumise suurendamiseks.
b) Selleks, et lõhkuda molekulidevahelisi sidemeid, näiteks sulatada jääd, piisab IP-kiirgusest. Tugevamate sidemete lõhkumiseks, näiteks plastmassi lagundamiseks, on vaja suuremaid energiaid ehk pigem UV-kiirgust. Kui plastist esemed on vees või kaetud näiteks mullaga, ei ole lootustki, et plastik valguse toimel laguneks.
c) Keemilisi reaktsioone vallandavad kiirgused alates nähtavast valgusest kuni gammakiirguseni välja.
d) Suure energiaga gammafootonid võivad põhjustada muutusi aatomituumades, mille seoseenergiaid mõõdetakse megaelektronvoltides.
Valguse kvantmudeliga on seletatav fotoefekti nähtus, kus footon lööb elektrone ainest välja ainult sellisel juhul, kui elektron neelab footoni energia ja sellest energiast piisab nii keemilise sideme lõhkumiseks kui ka elektronile vajaliku kineetilise energia andmiseks. Valguse kvantmudeliga on seotud mitmed olulised rakendused, nagu päikesepatareid ja valguse registreerimiseks kasutatavad CCD-sensorid.
Ülesanded
a) Kui valgustada juuksekarva laseriga paari meetri kauguselt, tekib juuksekarva taga olevale ekraanile interferentsipilt.
b) Naatriumilambi spektri kollase valguse spektriosas on iseloomulik kaksikjoon.
c) Vikerkaare teke.
d) Öönägemisseadmetes muudetakse IP-kiirgus nähtavaks valguseks (tavaliselt roheliseks).
e) Röntgenkiirguse neeldumine ionosfääris.
Kordame üle!
3.1. Elektromagnetlainete genereerimine
Elektromagnetlaine on elektromagnetvälja levimine ruumis. Elektromagnetlaine tekib, kui muutuv elektriväli genereerib muutuva magnetvälja ja muutuv magnetväli indutseerib omakorda muutuva elektrivälja jne.
Elektromagnetlainete teke on seotud laetud osakeste energia muutustega. Elektromagnetkiirgus tekib alati ka siis, kui laetud osakesed liiguvad kiirendusega.
Raadiolained tekivad elektronide võnkumisel, nähtav valgus aatomi väliskihi elektronide energia muutumisel, röntgenkiirgus elektronide järsul aeglustamisel.
3.2. Elektromagnetlaineid kirjeldavad suurused
Elektromagnetlained on ristlained, kus - ja -vektorid võnguvad risti elektromagnetlaine levimissuunaga.
Elektromagnetlainete levimiskiirus vaakumis on võrdne valguse kiirusega:
| Elektromagnetlainet kirjeldav suurus | Definitsioon | Tähis | Ühik |
| Lainepikkus | Naaberlaineharjade vaheline kaugus | ||
| Sagedus | Ajaühikus toimuv täisvõngete arv | ||
| Periood | Üheks täisvõnkeks kulunud aeg | 1s | |
| Energia | Footoni ehk kvandi energia on võrdne aineosakeste energia muuduga footoni kiirgumisel | , 1J | |
| Intensiivsus | Pinnaühiku kohta tulev energiaülekande keskmine kiirus |
3.4. Elektromagnetlainete neeldumine
Elektromagnetlained neelduvad aines, kui toimub elektromagnetlaine energia ülekandumine aineosakestele.
Neeldunud elektromagnetlaine energia põhjustab a) kehade soojenemist, sest osakeste kineetiline energia kasvab; b) keemilisi reaktsioone, sest kiirgus ioniseerib aineosakesi või lõhub aatomitevahelist keemilist sidet.
Suurema footoni energiaga elektromagnetlained (UV-, röntgen- ja gammakiirgused) põhjustavad ainetes pigem keemilisi muutusi, madalama energiaga elektromagnetlained (nähtav valgus, IP-kiirgus ja mikrolained) soojuslikke muutusi.
Raadiolained aines ei neeldu.
3.5. Elektromagnetlainete polarisatsioon
Polariseeritud elektromagnetlaines, näiteks valguskiires, võnguvad elektrivälja vektorid muutumatult samas tasandis. Polariseerimata valguskiires võnguvad valguslainete -vektorid kõigis suundades.
Valgus polariseerub peegeldumisel dielektrikult ja läbides polaroide.
Polaroid on materjal, millest läbi tulnud valguse elektrivälja E-vektor võngub ainult ühes võnketasandis, sest polaroid laseb läbi ainult läbilasketasandiga samas tasandis võnkuvaid laineid. Umbes protsenti polariseerimata valgusest neeldub polaroidis.
Polaroide kasutatakse näiteks vedelkristallekraanide (LCD) töös ja päikeseprillides.
3.6. Elektromagnetlainete interferents
Interferents on lainete liitumise nähtus, mille tulemusena muutub lainete amplituud. Interferents on kõige paremini jälgitav koherentsete lainete korral.
Koherentsed on elektromagnetlained, mille E-vektorid mistahes laine punktis võnguvad sama sagedusega ja ei katke. Mittekoherentsete lainete võnkesagedused on erinevad või muutub nende faas juhuslikult (näiteks on lainejadades pausid).
Interferents on konstruktiivne, kui liituvad samas faasis võnkuvad koherentsed lained. Interferents on destruktiivne, kui liituvad lained on vastandfaasis ja seega tühistavad vastastikku üksteist.
3.7. Difraktsioon
Difraktsioon on nähtus, kus laine, jõudes ava või tõkkeni, levib ka tõkete taha.
Elektromagnetlainete difraktsioon esineb kõikide takistuste korral, aga nähtus on paremini jälgitav, kui ava või tõkke suurus on lainepikkusega enam-vähem võrdne.
Kaksikpilu eksperimendis esinevad koos nii interferents kui ka difraktsioon – koherentsed laservalguse kimbud difrageeruvad, kui läbivad üliväikeste mõõtmetega avasid ja tekitavad liitumisel korrapärase interferentsipildi.
Difraktsioon mõjutab optiliste riistade lahutusvõimet.
3.8. Elektromagnetlainete murdumine
Valguskiir murdub üleminekul ühest optilisest keskkonnast teise. Muutub nurk pinna ristsirge suhtes, lainepikkus ja valguse kiirus. Ei muutu valguse sagedus.
Absoluutne murdumisnäitaja:
– absoluutne murdumisnäitaja
– valguse kiirus vaakumis
– valguse kiirus optilises keskkonnas
Murdumisseadus mis tahes kahe läbipaistva keskkonna kohta:
– langemisnurk
– murdumisnurk
– valguse kiirus esimeses keskkonnas
– valguse kiirus teises keskkonnas
– esimese keskkonna absoluutne murdumisnäitaja
– teise keskkonna absoluutne murdumisnäitaja
3.9. Spektraalanalüüs
Valguse spektri uurimiseks spektraalaparaadis on vaja klaasprismat või difraktsioonivõret.
Valgus võib olla pärit nii kiirgavalt kehalt kui ka peegelduda kehade pinnalt.
Klaasprisma ja difraktsioonivõre lahutavad valguse spektriks. Esimesel juhul on see seotud dispersiooniga – erinevatel valgustel on sõltuvalt lainepikkustest erinev murdumisnäitaja. Difraktsioonivõre lahutusvõime on seotud samuti valguste lainepikkustega – erinevad valgused difrageeruvad erinevalt.
Spektrid kuvatakse valgustundlikele ekraanidele, mis muudavad valgusenergia elektrienergiaks (fotodiood või CCD).
Spektritelt saab järgmist infot: ainete elementkoostis (joonspektrid), kehade, sh tähtede temperatuur (pidevspekter), taevakehade liikumissuund (joonspekter ja Doppleri efekt), valgusallikate kiirguse koostis.
Spektroskoop – vaatlusavaga ja ekraanita lihtsaim spektraalaparaat.
| Kuumad kehad, näiteks hõõg- ja halogeenlamp | |
| Spektri tüüp | Pidev kiirgusspekter |
| Spekter värvilise ribaspektrina | 
|
| Spekter intensiivsuse-lainepikkuse graafikul | 
|
| Kuum hõre gaas, LED, päevavalguslamp | |
| Spektri tüüp | Kiirgusspekter joonspektrina |
| Spekter värvilise ribaspektrina | 
|
| Spekter intensiivsuse-lainepikkuse graafikul | 
|
| Kiiratav valgus läbib jahedat gaasi, näiteks päikesevalgus läbib Päikese atmosfääri | |
| Spektri tüüp | Neeldumisspekter joonspektrina |
| Spekter värvilise ribaspektrina | 
|
| Spekter intensiivsuse-lainepikkuse graafikul | 
|
3.10. Valgusallikad
Valgusallikad jagunevad soojuslikeks ja külmadeks.
Soojusliku valgusallika spekter on pidevspekter ja sisaldab IP-kiirguse spektriosa. Spektri kuju oleneb kiirgava keha temperatuurist. Mida kõrgem on kiirgava keha temperatuur, seda rohkem on kiirguse intensiivsuse graafiku maksimum nihkunud suurema sageduse (lühema lainepikkuse) poole.
Külmade valgusallikate spekter jääb nähtava valguse lainepikkuste piirkonda ja saadakse joonspektrina.
Külmade valgusallikate kiirgamist põhjustavad näiteks elektrivool, valgus ja keemiline reaktsioon.
Luminestsents – külma valgusallika kiirgus.
3.11. Elektromagnetlainete energia ja footon
Aineosake (aatom või molekul) läheb kõrgemale energiatasemele – ergastub, kui aineosakeses neeldub konkreetne energiaports – energiakvant. Üleminekul põhiolekusse tagasi kiirgub sama suur energiaports, mis neeldus.
Energiaports ehk kvant ehk footon on kiirguseosake.
Plancki valem seob footoni energia footoni sagedusega:
– footoni energia
– Plancki konstant;
– footoni sagedus
Valguse dualism – valgusega seotud nähtusi saab seletada nii valguse kvantkui ka elektromagnetlainelise mudeliga. Valguse kvantmudel rakendub valguse neeldumise ja kiirgumise ning spektrite saamise puhul. Valguse kui elektromagnetlaine mudel rakendub difraktsiooni, interferentsi ja murdumise puhul.
Kõiki elektromagnetlainete liike on võimalik käsitleda nii lainete kui ka footonitena. Üldiselt avalduvad kvantomadused pigem suurema sagedusega elektromagnetkiirguste korral ja lainelised omadused madalama sagedusega kiirguste – raadiolainete korral.