- Milles seisneb Ørstedi katse?
- Kuidas seletas Ampère magnetnähtuste olemust?
Voolu magnetiline toime
Magnetismi põhitõed avastati juba 13. sajandil. Elektrivooluga kaasnevaid nähtusi sai aga uurima hakata alles pärast seda, kui Alessandro Volta oli 1799. aastal leiutanud vooluallika. 19. sajandi algul tekkiski arvamus, et elektri- ja magnetnähtused võivad olla omavahel seotud. Mingi tõuke selleks andsid mitmed tähelepanekud välguga kaasnenud kummalistest nähtustest. Ühel sõjalaeval olevat välgulöögi tagajärjel kompasside magnetnõelad hakanud näitama igaüks eri suunas. Teisal muutnud majja löönud välk selles olnud terasesemed magnetiteks. Kuna tol ajal teati juba, et välk on lühiajaline elektrivool, siis võis just elekter olla „süüdi” kompasside magnetnõelte kummalises käitumises ja majas olnud terasesemete magneetumises.
Elektri- ja magnetnähtuste seose avastas 15. veebruaril 1820. aastal Taani füüsik Hans Christian Ørsted. Tolle päeva füüsikaloengus näitas Ørsted katset juhi soojenemisest elektrivoolu toimel. Laual oli katsevahendite läheduses ka magnetnõel. Keegi tähelepanelik üliõpilane olevat juhtinud professori tähelepanu magnetnõelale, mis pöördus ja püsis uues asendis seni, kuni juhtmes oli vool.
Øersted alustas uuringutega. Juba sama aasta augustis avaldaski ta oma töö tulemused. Tema avastus tekitas füüsikute hulgas sensatsiooni ning mitmed füüsikud asusid uurima elektrivoolu ja magnetnähtuste seost. Mõne järgneva aasta jooksul tehti ridamisi teaduslikke avastusi ning astuti ka esimesi samme praktiliste rakenduste väljatöötamisel. Leiutati galvanomeeter, elektromagnet, avastati elektrimootori tööprintsiip jne.
1. Mille avastas Ørsted?
Ørstedi katse
Ørstedi katse on lihtne. Teravikule asetatud magnetnõela kohale on paigutatud magnetnõelaga paralleelne juhe. Kui ühendada juhe vooluallikaga, tekib selles elektrivool ning samal hetkel pöördub juhtme all olev magnetnõel. Voolu katkestamisel läheb magnetnõel tagasi oma esialgsesse asendisse. Kui voolu suunda juhtmes muuta, pöördub magnetnõela põhjapoolus teisele poole.
Järelikult, vooluga juhet ümbritsevas ruumis mõjuvad magnetnõelale jõud, mis pööravad nõela. Samasugused jõud mõjuvad magnetnõelale ka püsimagneti pooluste läheduses. Seega käitub vooluga juhe sarnaselt püsimagnetiga.
Ørsted tegi mitmeid erinevaid katseid. Ta paigutas vooluga juhtme magnetnõelast erinevatele kaugustele ja uuris selle mõju magnetnõelale. Erinevates katsetes kasutas ta juhtmena eri ainest traate. Kuivõrd magnetnõel pöördus ka siis, kui traat oli ainest, millel puuduvad magnetilised omadused, sai magnetnõela pöördumise põhjustada ainult elektrivool. Kui ta aga horisontaalse magnetnõela kõrvale paigutas vertikaalselt asetseva vooluga juhtme, pöördus magnetnõel alati risti kujuteldava sirgega, mis ühendas magnetnõela keskpunkti juhtmega.
Ørsted ei selgitanud oma katse tulemusi. Mitmed füüsikud olid arvamusel, et voolu mõjul muutub juhe magnetiks. Selline mõtteviis tundus loomulikuna, sest püsimagnetid olid tuntud, neid oli uuritud juba pikka aega.
2. Milles seisneb Ørstedi katse?
André-Marie Ampère’i hüpotees
Sootuks teisel arvamusel oli Prantsuse füüsik André-Marie Ampère. Juba mõni nädal pärast Ørstedi katse tulemuste avaldamist esitas ta katse seletuseks oma hüpoteesi. Tema arvates ei muutunud juhe elektrivoolu toimel magnetiks, vaid hoopis vastupidi – magnetnähtused on põhjustatud elektrivoolust.
Selle kinnituseks tegi ta rida katseid. Ta näitas, et kaks teineteise lähedal olevat paralleelset juhet, milles on elektrivool, tõmbuvad või tõukuvad sõltuvalt sellest, kas elektrivool neis on sama- või vastassuunaline; et vooluga pool (mähis) mõjutab magnetnõela samuti nagu sirgmagnet – kui vooluga pooli üks ots tõmbab magnetnõela põhjapoolust, siis magnetnõela lõunapoolust seesama ots tõukab; et ülesriputatud pool, milles on elektrivool, pöördub sarnaselt magnetnõelaga ühe otsaga põhja, teisega lõuna suunas. Ja lõpuks, kaks ülesriputatud pooli, milles on elektrivool, tõmbuvad või tõukuvad sarnaselt kahe magnetnõelaga, olenevalt voolu suunast poolides.
3. Kuidas seletas Ampère magnetnähtuste olemust?
Kasulik teada!
Ampèreʼi hüpoteesi kohaselt on püsimagnetite omadused põhjustatud ringikujulistest elektrivooludest magnetite sees. Magneetunud rauatükis on ringvoolud korrastatud, nad asuvad paralleelsetes tasandites ja on samasuunalised. Paljude ringvoolude magnetmõjud liituvad ning moodustavad kogu rauatüki magnetmõju. Magneetumata rauatükis aga pole ringvoolud korrastatud ning nende tasandid paiknevad kaootiliselt.
Tänapäeval on teada, et aine magnetilisi omadusi põhjustavad paljudel juhtudel tõesti aines kulgevad ringvoolud. Püsimagneti korral see paraku nii ei ole. Püsimagneti magnetomadused on põhjustatud aine aatomite koosseisu kuuluvate elektronide omamagnetväljadest.
Igal elektronil on elektrilaeng. Seetõttu ümbritseb elektroni alati elektriväli. Elektriväli kuulub elektroni juurde, seda ei saa temalt ära võtta. Kuid elektronile on kõigis nähtustes omane ka magnetväli. Kui elektronide magnetväljadel rauatükis ei ole eelistatud suunda, siis rauatükil magnetväli puudub, s.t rauatükk ei ole magneetunud. Kui aga elektronide omamagnetväljad on välise magnetvälja poolt korrastatud, on rauatükk magneetunud. Elektronide magnetväljade korrastatus võib säilida aines ka pärast välise mõju kadumist. Selline rauatükk ongi püsimagnet. Mis on aga elektroni omamagnetvälja põhjuseks, ei ole teadlastele tänaseni lõplikult selge.
4. Kuidas seletatakse tänapäeval raua magneetumist?
Ampèreʼi hüpotees on leidnud veenva kinnituse selles mõttes, et elektrivool tekitab alati magnetvälja. Magnetväli võib aga olla tingitud ka muudest põhjustest. Kas kõik magnetväljad on tingitud elektrivoolust, on siiani tõestamata. Seega on Ampèreʼi hüpotees veel tänagi hüpotees. Tõestuse saaks see alles siis, kui õnnestuks näidata, et ka osakeste omamagnetväljad on mingil viisil põhjustatud elektrivoolust.
Küsimused
- Kirjelda Taani füüsiku Hans Christian Ørstedi avastust.
- Kuidas saab kompassi abil teha kindlaks elektrivoolu olemasolu juhtmes?
- Miku näitas Mannile katset. Ta paigutas kompassi kohale paralleelselt magnetnõelaga juhtme, mille otsad ühendas aku klemmidega. Kompassi magnetnõel pöördus. Mann kordas katset oma kompassiga. Tema kompassi magnetnõel pöördus teisele poole. Miks?
- Kaks teineteisega kõrvuti olevat sirgjuhet paigutati magnetnõela kohale paralleelselt magnetnõelaga. Kummaski juhtmes tekitati sama tugevusega, kuid vastassuunaline elektrivool. Kuidas käitus magnetnõel?
- Peenikeste juhtmete otsas rippuv pool ühendati vooluallikaga. Kui pärast seda pooli ühele otsale lähendati varbmagneti poolus, tõmbus pool magneti poole. Miks?
- Sirgjuhe paigutati magnetnõela kohale risti magnetnõelaga. Kuidas võis käituda magnetnõel, kui juhtmes tekitati elektrivool?
