130. Tartsunk 5—10 menetű lapos tekercset a vizen úszó, mágnesezett borotvapengénk sarka közelébe. A borotvapenge kitér. — Áramtekercsünk tehát úgy viselkedik, mint egy mágnes.
Ez a számítás és az a kísérlet, amelyben egyenes vezetővel térítettük ki a mágnestűt, azt mutatta, hogy eléggé gyenge még több ampéres áram mágneses hatása is.
Negyvenegyedik kísérlet. A mágneses hatást nagyon felfokozhatjuk, ha a vezetőt köralakba hajlítjuk. A vezetőt a 130. ábra szerint hajlítsuk 5—10 menetű, 3—4 cm átmérőjű, lapos tekercsalakúra. Vezessük a tekercsen át egy zsebelem áramát. — Közeledjünk a tekercs egyik oldalával a mágnestűnk egyik sarka felé. — Erős vonzást tapasztalunk.
Fordítsuk most a tekercs másik oldalát a mágnestű félé. — Erős taszítást tapasztalunk.
130. Tartsunk 5—10 menetű lapos tekercset a vizen úszó, mágnesezett borotvapengénk sarka közelébe. A borotvapenge kitér. — Áramtekercsünk tehát úgy viselkedik, mint egy mágnes.
Áramtekercsünk tehát nemcsak erősebb mágneses hatást fejt ki, hanem maga is úgy viselkedik, mint egy mágnes. A tekercs csak addig mutat mágnességet, amíg áram folyik át rajta.
Változtassuk meg tekercsünkben az áram irányát. Tekercsünkben úgy változtatjuk ellenkező irányúra az áramot, hogy az elem sarkain felcseréljük a drótvégeket. Azt látjuk, hogy a tekercs egyik oldala, amely vonzotta a mágnestű északi sarkát — most taszítja.
Ha megváltozik a tekercsen áthaladó áram iránya, akkor ellenkezőre változik a tekercsvég mágnessége is.
Hogyan tudjuk egy tekercsről előre megmondani, hogy melyik
131. Figyeljük meg. az áram keringési irányát. Ha ezt ismerjük, akkor megmondhatjuk, hogy a tekercs melyik vége milyen mágnességet mutat. (Olvassuk le az ábráról a szabályt!)
vége mutat északi és melyik déli mágnességet, ha áram folyik át rajta?
Nézzük a 131. ábrát. Ha a tekercs tengelye irányában a tekercs felé tekintünk és úgy látjuk, hogy az áram az óramutató járásával ellenkező irányban kering a tekercsben, akkor ez a tekercsvég északi mágnességet mutat.
Ezt a szabályt könnyen igazolhatjuk, ha egy papír- vagy üvegcsőre 20—50 menetet tekercselünk, megállapítjuk mágnestűvel a tekercsvég mágnességét és ellenőrizzük az áram irányát.
MILYEN ERŐS MÁGNESES HATÁST MUTAT A LAPOS TEKERCS?
Azt már tudjuk, hogy az egyenes vezető mágneses erejének nagyságát hogyan kell kiszámítani. — Sokkal érdekesebb feladat az áramtekercs mágneses erejének a kiszámítása, mert az elektrotechnikában úgyszólván mindenütt tekercsekkel találkozunk.
1. Egyetlen körvezető mágneses ereje. Ha r sugarú körvezetőben i erősségű áram folyik, akkor a köralakú vezető középpontjában levő mágneses tömegegységet az áram a
képlet alapján számítható erővel akarja elmozdítani.
132. Legyen a körvezető középpontjában északi mágnesség. Ezt a körvezető felénk mozdítja el.
A 132. ábra szerinti esetben, ha a középpontban északi mágneses tömegegység van, akkor felénk történik a kimozdulás. — Fúrjunk ugyanis az áram irányában egy fúróval, a fúró fogantyújának vége a középpontban levő mágneses tömeget felénk ütné ki.
Például legyen a körvezető sugara 1 cm, a benne folyó áram 10 A, akkor a mágneses tömegegységre gyakorolt erő
Tegyük fel, hogy most is egy olyan mágnestű északi sarkát állítjuk a körvezető középpontjába, amely mágnestű sarkának erőssége 50 tömegegység, akkor a körvezetőnk a mágnestűre
6,28 • 50 = 314 milligrammsúly = 0,314 grs erőt gyakorol.
2. Több körvezető mágneses tere. Semmi akadálya annak, hogy esetleg 100 menetet hajlítsunk egy kötegbe (nem csőszerű tekercsbe 1) és akkor a hatás 100-szor nagyobb lesz. Mágnestűnk sarkát 0,314 • 100 = 31,4 grs-nyi tekintélyes erő akarja elmozdítani.
Egészen 1820-ig semmiféle eszköz sem állott rendelkezésre, amivel akár az áram erősségét, akár a feszültségét mérni lehetett volna. A kísérletezők a vékonyabb-vastagabb drótok felmelegedéséből következtettek az áram erősségére.
Gyökeres változást hozott az áram mágneses hatásának felfedezése. Már egyszerű kísérleteinkkel is kimutathatjuk, hogy az erősebb áram mágneses hatása erősebb.
A pontos kísérleteken alapuló Biot—Savart-féle törvény pedig azt mutatja, hogy 2-szer, 3-szor erősebb áram mágneses hatása 2-szer, 3-szor nagyobb. Ezt például a körvezetőre vonatkozó ismert törvényünkből azonnal láthatjuk.
Ha a képletben az i értéke 2-szer, 3-szor nagyobb lesz, az egész szorzat — amely a mágneses erő nagyságát adja meg, szintén 2-szer, 3-szor nagyobb lesz.
Ennek az áramerősség egyszerű és biztos mérése szempontjából korszakalkotó jelentősége volt.
Ennek alapján könnyű volt összehasonlítani egymással az áramerősséget. Ha ugyanazon körvezető középpontjában az egyik áram 5-ször akkora erővel akarta kitéríteni a mágnestűt, mint a másik, akkor az áram erőssége 5-ször nagyobb volt.
Sőt egyetlen áram erősségének mérésére is alkalmas a mágneses hatás. — Könnyű megmérni a mágnestűre gyakorolt kitérítő erőt, még könnyebb a körvezető sugarát megmérni. Ha mindezt tudjuk, akkor utolsó képletünkből az i, az áramerősség értékét kiszámíthatjuk. Képletünk alapján az áramerősséget ampérban kapjuk.
Az áram mágneses hatását áramerősség mérésére felhasználni annyira önként adódó gondolat volt, hogy már 1820 szeptemberének közepén bemutatta Schweigger a hangzatos nevű »elektromos multiplikátor«-t. Ez nem volt egyéb, mint egy tekercs és egy felette fonálon függő mágnestű. Ha a tekercsben csak gyenge áram folyt is, a sok menet megsokszorozta (multiplikálta) a mágneses hatást, a tű kitért. A tű kitérésének nagyságából következtetni lehetett az áram erősségére.
Mi is percek alatt összeállíthatnánk hasonló eszközt, amely egy mágnestű kitérítésével még az ampér milliomodrészényi áramot is kimutatná.
A közhasználatban levő elektromos mérőműszereink mind az áram mágneses hatásán alapulnak; erről majd külön fejezetben részletesebben beszélünk.
Ezek alapján összefoglalhatjuk azt, hogy miért volt korszakalkotó, forradalmi jelentőségű a fizika történetében az 1820-as év, az elektromos áram mágneses hatásának felfedezése.
1. Azelőtt az elektromosság és mágnesség a tudománynak egymástól különálló részei voltak, most a legszorosabb kapcsolatba kerültek, sőt a mágnesség tana az elektromosságtannak egy része lett.
2. Elektromos áram segítségével tetszés szerint kelthetünk, megszüntethetünk mágneses erőt és ennek nagyságái finoman szabályozhatják.
3. Az elektromos áram mágneses hatásával mozgást hozhatunk létre. Az elektromos áram energiáját munkavégzésre, gépek hajtására használhatjuk fel.
4. Mivel az áram mágneses hatása az áram erősségével arányos, ezen az alapon pontos mérőműszerek szerkeszthetők.
ERŐVONAL—ERŐTÉR—GAUSS
Nagyon megkönnyítjük az elektromos-mágneses jelenségek vizsgálatát, ha néhány könnyen érthető elnevezéssel megismerkedünk. Az elnevezések alatt rejlő tapasztalati tényeket már jól ismerjük.
A mágneses erővonalat úgy tehetjük láthatóvá, hogy például egy patkómágnes fölé kartonlapot vagy üveglapot teszünk és rá vasreszeléket szórunk. A vasreszelék szabályos vonalak alakjában helyezkedik el. Ezek a vonalak a mágnes egyik sarkától a másikig mennek. Egy kis mágnestű mindig ezeknek a vonalaknak, az úgynevezett erővonalaknak irányában áll be.
Negyvenkettedik kísérlet. A köralakú áramvezető mágneses erővonalai. Egyetlen zsebelem áramának mágneses erővonalait is kitűnően láthatóvá lehet tenni a következőképpen.
Vágjunk félbe egy cigarettahüvelydobozt (vagy hajlítsunk a 133. ábrán látható alakúra keményebb papírt). A tetején egymástól kb. 6 cm-re fúrjunk két lyukacskát.
133. Így tesszük láthatóvá vasreszelékkel a mágneses erővonalakat. Az erővonalrendszer az áramvezető körül egyközepű körök mentén alakul ki.
A két lyukon át húzzunk szigetelt drótot úgy, hogy kb. 10 menetes kört alkosson. A meneteket cérnával összekötjük. A két drótvéget a doboz alján vezessük ki.
Kössük a tekercs szabad végeit egy zsebelem két sarkához. Ezután hintsünk vasreszeléket a fedőlapra. A vasreszelék szép szabályos körök és egyéb vonalak alakjában helyezkedik el a doboz fedelét átszúró drótok körül.
A 133. ábrán az erővonalakra rajzolt nyilak azt az irányt mutatják, amerre egy mágnestű északi sarka elmozdulna. Ezt az irányt nevezzük az erővonalak irányának.
Hol legerősebb a mágneses erő ? Kísérleteink is azt mutatták, hogy a körvezető középpontjában, tőle távolabb már kisebb a mágnestű kitérése.
Mit mutat a vasreszelék? Azt, hogy az erővonalak legsűrűbbek ott, ahol a mágneses erő is a legnagyobb.
134. Kötőtűk a villamos motor elektromágnesének erőterében. 1 kötőtűre 180 grammsúly erő hat, 10 kötőtűre pedig összesen 1,8 kilogrammsúly erő.
Az erőtér. Az áramtól átfolyt vezető körül mindenütt tapasztalhatunk mágneses hatást. Ezt úgy mondjuk, hogy az áramvezető körül mágneses erőtér alakul ki. Csakhogy a mágneses erő az erőtér pontjaiban másmás nagyságú. Láttuk, hogy a 10 ampéres áramtól átfolyt vezető az 1 cm távolságban levő mágneses tömeg-egységre 6,28 mgrs erővel hatott. Ha 10 cm távolságban számítottuk volna ki az erőt, akkor 10-szer kisebb értéket, azaz csak 0,628 mgrs-t kaptunk volna.
Ha a mágneses erőtér egy pontjában 1 milligrammsúlynyi erő hat az odatett mágneses tömegegységre, akkor azt mondjuk, hogy az illető pontban a mágneses tér erőssége 1 gauss.
Ezért a 10 A-es egyenes vezetőtől 1 cm távolságban 6,28 gauss a térerő, 10 cm távolságban 0,628 gauss.
Egy érdekes példa. Villamosainkat hajtó elektromotorban elektromos árammal átfolyt tekercsekkel olyan erős mágneses teret állítanak elő, hogy
a térerő = 9 000 gauss.
Tegyük fel, hogy ebbe az erőtérbe beledugnánk tíz jól megmágnesezett kötőtű északi mágneses sarkát. Mekkora erő akarná kitépni a kötőtű-csomót a kezünkből? (134. ábra,).
Tudjuk, hogy a jól megmágnesezett kötőtű sarkában 20 mágneses tömegegység van, akkor a 10 kötőtűben 200 egység.
1 mágneses tömegegységre hat 9 000 gauss erejű erőtérben 9 000 mgrs. = 9 gramm 200 mágneses tömegegységre hat 9 000 gauss erejű erőtérben 200*9 = 1 800 grs — 1,8 kgs erő.
Térerő és erővonalszám. A fizikusok úgy egyeztek meg, hogy ott, ahol a térerő 1 gauss, 1 erővonalat képzelnek a térbe. Ebből látható, hogy annál sűrűbben rajzoljuk az erővonalakat, minél nagyobb az illető helyen a térerősség. Ahol a térerősség például 3 gauss, ott — a megegyezés szerint — az erővonalak irányára merőleges 1 cm2 felületen 3 erővonal halad át. A mágneses térerősség jelzése : H (135.ábra).
135. A mágneses térerősséget erővonalakkal jellemezzük.
A RÁDIÓTORONY ÉS KÍSÉRLETÜNK
A rádióállomás toronyantennája is egyenesen felfelé nyúló vezeték. Benne hol felfelé, hol meg lefelé futtatnak elektromos áramot.
Eközben a torony körül gyűrűalakú mágneses erővonalrendszer alakul ki, amint azt kísérletünkben láttuk.
136. A rádió adóállomás antennatornyában fel-alá futó áram a torony körül a végtelenbe futó mágneses erőteret kelt.
Ha vízbe dobunk egy követ, a becsapódás helye körül is köralakú vízhullámok képződnek és egyre nagyobbodva messzire futnak. Hasonlóan terjed a távolba az antenna torony körül kialakult mágneses erővonalrendszer is.
Az antennatoronyban másodpercenként több százezerszer-milliószor változtatják meg az áram irányát. De ha megváltozik az áram iránya, megváltozik az áramot körülölelő mágneses erővonalak iránya is.
Világos tehát, hogy mivel az antennatoronyban változó erősségű és váltakozó irányú áramok futnak, azért a torony körül kialakuló és többezer kilométer távolságban is jelentkező mágneses erőtér nagysága és iránya is változó lesz.
Ezt a változó erősségű és váltakozó irányú mágneses erőteret veszi észre rádiókészülékünk.
Nem feleltünk még egy kérdésre, amely bizonyára felmerült bennünk. Az áram által átfolyt vezető mágneses teret kelt maga körül, gyűrűalakban ható mágneses erőt sugároz ki magából. Ezt az erőt még sokezer kilométer távolságban is észre lehet venni.
Az a kérdés : az áram keletkezésével egyidőben jelenik-e meg tőle még ezer km távolságban is a mágneses erőtér — vagy pedig az áram által keltett gyűrűalakú mágneses erővonalak úgy terjednek-e, mint a vízhullámok? Időre van-e szüksége a mágneses térerősségnek ahhoz, hogy tovaterjedjen a térben?
Ötvenhét év múlott el az áram mágneses hatásának felfedezése után amíg erre a kérdésre kísérleti alapon megtudtak felelni. Kiderült, hogy az elektromos tér erősségének változása változó erősségű mágneses teret kelt és fordítva :
A mágneses tér erősségének változása változó erősségű elektromos teret kelt. Ezeknek az egymással összekötött elektromos és mágneses térerősségváltozásoknak időre van szükségük, hogy tovaterjedjenek a térben.
Ezt Hertz német fizikus bizonyította be 1877-ben, s egyúttal megmérte a mágneses erő terjedésének sebességét is. Azt találta, hogy az áram által átfolyt vezetőből kisugárzó gyűrűalakú mágneses erővonalak a fény sebességével terjednek szét a térben.
Ha tehát kísérleti tekercsünktől 300 000 km távolságban egy rendkívül érzékeny mágnestű lenne — akkor ez nem térne ki az áram bekapcsolásának pillanatában, hanem csak 1 másodperc múlva. (Feltéve, hogy a közbeeső anyag nem nyeli el a mágneses erőt.)
Az a tény, hogy a mágneses erő a fénysebességgel terjed, arra mutat, hogy a fény- és a mágneses jelenségek, illetve a fény- és elektromos jelenségek között is szoros kapcsolat áll fenn, egységet alkotnak. — Valóban, az »Élő Fizika« további kötetében látni fogjuk, hogy a fénytan is csupán egy fejezete az elektromosságtannak.
Bár az áramtekercs kitéríti a mágnestűt, aránylag mégis gyenge a mágnessége. A mágnes erősségét arról ítéljük meg, hogy mily nagytömegű apró szeget tud magához vonzva tartani, vagy milyen súlyos vasdarabot emel fel.
Áramtekercsünk csalódást okoz, amiről könnyen meggyőződhetünk egy kísérlettel.
Negyvenharmad k kísérlet, Tekercseljünk cérnaorsóra 50—100 menetben szigetelt drótot (vastagsága nem lényeges). — Egy dobozfedélbe töltsünk apró szeget vagy összevagdalt vasdrót darabkákat.
Tartsuk föléjük áramtekercsünket (137. ábra). Nyomjuk a vasdarabok közé az áramtekercs végét. Hány szeget tud magánál tartva felemelni, ha egy zsebelem áramát keresztülvezetjük a tekercsen? — Egyet sem.
137. Vasmag nélküli tekercsünk egyetlen szeget sem tart magánál, ha a tekercsen áram folyik át.
138. Dugjunk egy lágyvasszeget az előző ábrán látható tekercs belsejébe. A tekercs mágneses ereje meglepően nagymennyiségű apró szeget emel fel és tart magánál. A tekercs mágnesességének erőssége sokezerszer nagyobb lehet vasszeggel a belsejében, mint vasszeg nélkül.
Negyvennegyedik kísérlet. Ez meglepetést tartogat számunkra.
Dugjunk a cérnaorsónk lyukába egy vastag vasszeget (vagy töltsük ki a nyílást vasdróttal). — Kössük össze a tekercs végződéseit szárazelem sarkaival és most nyomjuk a tekercs végét a szegek közé (138. ábra). — Meglepően nagymennyiségű szeget emel fel és tart magánál, pedig a tekercs is ugyanaz és az áram erőssége is ugyanakkora.
Az ilyen lágy vasmaggal ellátott tekercs az elektromágnes (Seebeck, 1820).
Pillanatok alatt elkészíthetünk elektromágnest úgy, hogy vastagabb vasszegre vagy vaskulcsra szigetelt drótot tekercselünk.
Az elektromágnes előnyei a természetes acélmágnessel szemben :
1. Az elektromágnes erősségét változtathatjuk, sőt meg is szüntethetjük. Csupán a tekercsbe vezetett áram erősségét kell változtatni az áram útjába kapcsolt változtatható ellenállás segítségével; az áramot ki is kapcsolhatjuk.
2. Sokkal erősebb elektromágnest tudunk készíteni, mint acélmágnest.
MILYEN ERŐS AZ ELEKTROMÁGNES ? AZ EMELŐMÁGNES
A közönséges acélmágnesek jónak mondhatók akkor, ha elbírják saját súlyukat; például egy vasdarabon függve maradnak. De a nagyon jó patkómágnesek saját súlyuk ötszörösét is elbírják. Az újabban kobalt és wolframacélbó) készült mágnesek pedig saját súlyuk 12-szeresét tartják maguknál.
De minél nagyobb az acélmágnes, aránylag annál kevesebbet bír el. Például a közönséges acélból készült, legjobb, 130 kg súlyú mesterséges mágnes csak 130 kg-ot tud magánál tartani.
A nagyon erős elektromágnesek készítéséhez nincs szükség különleges acélfajtára, csupán lágyvasra. Az iparban nehézséget szokott okozni hatalmas (többtonnás) gépalkatrészek, vastömbök emelése, átszállítása egyik munkahelyről a másikra.
139. Emelő elektromágnes.
Ez könnyen megy, ha emelőmágnest alkalmazunk.
Az emelőmágnes vasmagja hasonlít a kuglófsütőhöz (139. ábra), de aránylag laposabb. Általában 20—40 cm magas és 70—190 cm átmérőjű.
Gyűrűalakú üregébe fektetik a dróttekercset. Ez a tekercs kívülről nem látható, mert a nyílást kívülről nem mágnesezhető anyagból (réz, alumínium) készült lemezzel befedik, hogy a felemelt vastömbök élei, csúcsai kárt ne tegyenek a tekercsben. — Az emelőmágnes egy futódarura erősített drótkötélen függ. A mágnest ráeresztik az emelendő tárgyra. Bekapcsolják az áramot. A mágnes magához vonzza a tárgyat és felemeli. A kívánt helyre érve az áramot kikapcsolják, a mágnes elereszti a tárgyat.
XXVIII. Emelőmágnesek adatai
|
Átmérő cm |
Magasság cm |
Súly kg |
Fogyasztás kw |
Emelőerő kg vas- | ||
|
tömb |
lemez |
forgács | ||||
|
70 |
23 |
270 |
1,2 |
4 000 |
2 500 |
150 |
|
130 |
33 |
1400 |
5,5 |
15 000 |
6 000 |
550 |
|
190 |
40 |
3 200 |
11,0 |
30 000 |
10 000 |
1 100 |
A táblázatból látjuk, hogy például a 3 200 kg súlyú emelőmágnes működtetéséhez 11 • 1,4 = 15,4 lóerő teljesítményű elektromos energia szükséges, de 30 tonnát emel!