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 $1,5$ teslani ($1$ 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.

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.

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.

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.

Magnetinduktsiooni tähis on $B$ ja ühik $1T$ (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 $E$-vektoriks, siis ka magnetinduktsiooni vektorit nimetame edaspidi lühidalt $B$-vektoriks. Kui $E$-vektorid on suunatud piki elektrivälja jõujoonte puutujat, siis $B$-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 $B$-vektorid.

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 $B$-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 $I$, magnetinduktsioonist $B$ ja magnetväljas paikneva juhtmelõigu pikkusest $l$.

Magnetjõud sõltub ka nurgast elektrivoolu suuna ja $B$-vektori suuna (magnetvälja jõujoonte) vahel. Kui nurk juhtmelõigu ja $B$-vektori vahel on ${90}^{\circ }$, on magnetjõud suurim. Kui nurk juhtmelõigu ja magnetvälja jõujoonte vahel on $0^{\circ }$, siis juhtmelõigule magnetjõudu ei mõju. Teame, et $\sin {90}^{\circ }=1$ ja $\sin 0^{\circ }=0$. Nii et seda magnetjõu nurgasõltuvust peaks kirjeldama just siinusfunktsiooniga.

Saame kirjutada seose:

Saadud valemist avaldame

Seos ühikute vahel:

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.

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) $0,5mm$ 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 $10$ keerdu mähisetraati ümber patarei (või pulga), jättes mõlemast mähisetraadi otsast kerimata umbes $8–10cm$ 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 $N=UI$.

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 $I_1$ ja $I_2$ on voolutugevused juhtmetes, $l$ on juhtmete pikkus ja $r$ nendevaheline kaugus. $K$ on konstant, mis on seotud juhtmetevahelise keskkonnaga. Vaakumis $K=2\cdot {10}^{–7}N{A}^{–2}$.

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 $0,5A$, keerdudevaheline kaugus on $0,5cm$ 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

$F=K\frac{I_1{I}_{2}l}{r}$

Paneme tähele, et meie uuritavas situatsioonis on see väga ebatäpne.

Arvutame

$F=2\cdot {10}^{-7}N{A}^{-2}\frac{0,5A\cdot 0,5A\cdot 0,08m}{0,05m}=\underset{–}{\underset{–}{8\cdot {10}^{-7}N}}$

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.

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 $\alpha$-osakesega ehk heeliumi aatomi tuumaga. Allapoole kaldunud osakeste määratud vool peab olema vastassuunaline, järelikult peab tegu olema negatiivselt laetud $\beta$-osakeste ehk elektronidega. Magnetväli ei mõjutanud elektriliselt neutraalset $\gamma$-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 $I$ 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 $q$. Sel korral on $l$ selle osakese liikumise teepikkus, $t$ teepikkuse $l$ 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 $\alpha$ 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.

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

$\beta$-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 $\beta$-kiirguse ehk elektronide liikumise mõjutamiseks $0T$, $1T$, $2T$ ja $3T$ 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 $v$-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 $3$-teslases magnetväljas elektronide trajektoorid kõige väiksema raadiusega, seega sõltub raadius magnetinduktsioonist pöördvõrdeliselt, nagu on näha ka valemist.

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.

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.

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 $B$-vektori suund on risti mähise keeru tasandiga. Sel korral saab magnetvoogu arvutada valemiga

Tõepoolest, selline valem ütleb, et mida suurem on magnetinduktsioon $B$ ja mida suurem on mähisekeeruga piiratud pinnapindala $S$, seda suurem on magnetvoog.

Magnetvoo tähiseks on kreeka tähestiku täht $\Phi$ (suur fii) ja ühik $1Wb$ (veeber) saksa teadlase Wilhelm Weberi (1804–1891) auks, kes konstrueeris koos Carl Friedrich Gaussiga maailma esimese telegraafi.

Magnetvoo ühik $1Wb=1T\cdot 1m^2$.

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 $0$.

Kui mähise keerd on jõujoonte suhtes mingi nurga all, on magnetvoog läbi mähise maksimaalsest väiksem, aga siiski nullist erinev. Mähise orientatsiooni määramiseks kasutatakse nurka $\beta$ mähise pinnanormaali $n$ (pinnaga risti olev sirge) ja magnetvälja jõujoonte vahel (vt joonis 2.35).

Kui mähise pind on jõujoontega paralleelne, on nurk $\beta ={90}^{\circ }$. Eespool nägime, et sel korral on magnetvoog läbi mähise keeru võrdne nulliga. Kui mähise pind on magnetvälja jõujoontega risti, siis nurk $\beta =0$. Eespool nägime, et sel korral on magnetvoog läbi mähise keeru maksimaalne.

Sellist nurgasõltuvust kirjeldab koosinusfunktsioon, sest $\cos {90}^{\circ }=0$ ja $\cos 0^{\circ }=1$. Selgub, et magnetvoo valemi mähise igasuguste orientatsioonide korral saabki avaldada kui

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.

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 ${\epsilon }_i$ (suur kumer $E$) 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

$\Delta \Phi$ tähistab magnetvoo muutumist:

Kui $\Delta \Phi >0$ siis magnetvoog kasvab, kui $\Delta \Phi <0$, siis magnetvoog kahaneb. $\Delta t$ 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 $N$ arv keerde, siis ka genereeritud elektromotoorjõud on $N$-kordne, sest keerud on justkui jadamisi ühendatud vooluallikad.

Miinusmärk jagatise ees näitab tekkinud elektromotoorjõu väärtust. ${\epsilon }_i$ on vastupidine toimunud muutusele – kui magnetvoog kasvab, on ${\epsilon }_i$ 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.

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 $1,3V$ vooluallikat?

Lahendus

LED-lamp põleb, kui minigeneraatori tekitatud elektromotoorjõud $\epsilon$ on vähemalt $1,3V$. 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 $10$ keerdu, ühe keeru ümbermõõt oli $20cm$. Mähise pindala $S=\pi r^2$ ja ümbermõõt $C=2\pi r$. Avaldades viimasest raadiuse $r=\frac{C}{2\pi }$ ja asendades selle pindala valemisse, saame

$S=\frac{\pi C^2}{4{\pi }^2}=\frac{C^2}{2\pi }$

Seega

$S=\frac{{20}^2}{2\pi }=628c{m}^2\approx 0,063m^2$

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

$\Delta \Phi =BS=0,1\cdot 0,063=0,0063Wb$

Kui magneteid on kaks, saame

$\Delta \Phi =0,013Wb$

Eeldame, et mähis tegi viis pööret sekundis, ühe pöörde seega $0,2$ sekundiga. Jooniselt 2.37 on näha, et magnetvoog muutub $0$-st maksimaalseks veerandpöördega, seega

$\Delta t=0,05s$

Nii saame elektromotoorjõuks kahe magneti kasutamisel:

$\epsilon =-N\frac{\Delta \Phi }{\Delta t}=-10\frac{0,013Wb}{0,05s}=2,5V$

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.

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.