U savremenom svetu magnete koristimo na ogroman broj različitih načina. Od načina na koji se zatvaraju vrata frižidera i načina na koji slušalice reprodukuju zvuk, pa sve do proizvodnje i prenosa električne energije i rada motora u automobilu. Sve ovo na neki način koristi magnetnu silu.
S obzirom na to koliko su magneti danas prisutni u gotovo svim oblastima života, teško je zamisliti savremenu civilizaciju bez njih. Ne bismo imali način da prenosimo električnu energiju na velike udaljenosti. Svi naši električni motori bili bi neupotrebljivi. Takođe, ne bismo mogli da komuniciramo na daljinu na način na koji smo danas navikli.
Zbog toga ne bi trebalo da ih uzimamo zdravo za gotovo. Naprotiv, svi bismo trebalo da pokušamo da razumemo šta se zapravo krije iza magnetizma ne samo naučnici. Važno je razumeti kako magneti funkcionišu, kakva je posebna veza između elektriciteta i magnetizma i na koji način omogućavaju funkcionisanje sveta oko nas.
Upravo je to cilj ove serije tekstova: da svima približimo osnovne principe magnetizma i elektromagnetizma. Zašto elektroni imaju magnetni moment? Kako električna struja može da stvori magnetno polje? Na koji način magnetni fluks može da izazove pojavu električnog naboja? I zašto su svi ovi fenomeni toliko važni za savremeni svet?
Hajde da zajedno pogledamo kako sve funkcioniše od osnovnih pojmova magnetnog polja do najvažnijih primena magnetizma u savremenoj tehnologiji.
Šta je magnetizam?
Za početak, hajde da objasnimo šta je magnetizam.
Magnetizam je sila koja postoji u svim objektima i između njih, a nastaje usled kretanja elektrona. Ova sila dovodi do privlačenja i odbijanja različitih objekata. Reč je o sili koja deluje bez direktnog kontakta i koja, u većoj ili manjoj meri, utiče na svaki objekat u svetu. Magnetizam je posledica kretanja subatomskih čestica, elektrona i njihovog električnog naboja.
Elektroni, magnetni momenti i tri vrste magnetizma
Svaki atom u materiji sastoji se od različitih čestica, uključujući neutrone, elektrone i protone. Kada je reč o magnetizmu, elektroni imaju ključnu ulogu.
Elektroni se kreću oko jezgra atoma i imaju električni naboj. U određenim materijalima elektroni se međusobno uparuju, tako da njihovi magnetni efekti mogu da se ponište. Takvi materijali pokazuju osobine koje nazivamo dijamagnetizmom.
Međutim, postoje mnoge vrste materijala, uključujući kiseonik, koji imaju nesparene elektrone. Kada elektroni nisu upareni, materijal može pokazivati izraženija magnetna svojstva, jer njihovi magnetni momenti mogu da se usmere u istom pravcu.
Na kraju, tu su feromagnetni materijali. To su materijali čiji nespareni elektroni imaju magnetne momente koji mogu biti usmereni u istom pravcu. Zbog toga mogu spontano postati magnetni i zadržati magnetizaciju čak i nakon uklanjanja spoljašnjeg magnetnog polja.
Šta je magnetno polje?
Svaki magnet ili magnetni objekat ima magnetno polje, prostor oko magneta u kojem deluje njegova magnetna sila. To je područje u kojem se oseća uticaj magnetnog polja.
Trajni magneti i elektromagneti imaju magnetna polja koja možemo prikazati pomoću gvozdenih opiljaka. Kada ih postavimo u blizinu magneta, oni se raspoređuju duž linija magnetnog polja i na taj način vizuelno prikazuju njegov oblik.
Linije magnetnog polja izvan magneta konvencionalno se prikazuju tako da izlaze iz severnog pola magneta i ulaze u njegov južni pol.
Magnetna polja mogu imati različitu jačinu, u zavisnosti od karakteristika i jačine magneta. Što je magnetno polje jače, to je veći njegov uticaj na okolinu i druge magnetne materijale.
Šta je elektromagnet?
Pored magnetnih momenata elektrona, još jedan faktor koji proizvodi magnetna polja jesu električni naboji. Ovo otkriće, do kojeg je došlo još 1830-ih godina, bilo je jedno od najvažnijih u istoriji nauke jer je pokazalo vezu između magnetizma i elektriciteta.
Već smo videli da elektroni u materijalu imaju magnetni moment zahvaljujući svom kretanju unutar magnetnog materijala.
Međutim, mesto na kojem se elektroni zaista kreću jesu električne struje, koje su zapravo samo kretanje elektrona. Kada se električna struja kreće kroz provodnik, provodnik postaje magnetisan jer kretanje elektrona stvara magnetno polje.
Ovu pojavu otkrio je André-Marie Ampère, koji je pokazao da će se paralelne žice međusobno privlačiti ili odbijati, u zavisnosti od smera električne struje kroz njih. Po njemu je kasnije dobila ime i jedinica za jačinu električne struje – amper.
Kako napraviti elektromagnet?
Od pojave prvih elektromagneta tehnologija njihove izrade nije se mnogo promenila. Elektromagneti su postali snažniji i efikasniji, ali je osnovna konstrukcija ostala gotovo ista.
Elektromagnet se sastoji od namotaja žice koji je obmotan oko metalnog jezgra, najčešće od feromagnetnog materijala kao što je gvožđe. Kroz namotaj prolazi električna struja, čije se magnetno polje koncentriše u unutrašnjosti namotaja, odnosno oko metalnog jezgra.
Ovakva konstrukcija naziva se solenoid i koristi se u različitim uređajima u kojima se primenjuje elektromagnetizam.
Čim se električna struja prekine, solenoid prestaje da bude magnetan.
Veza između magnetizma i elektriciteta
Iako znamo da električna struja proizvodi magnetno polje i da su magnetna svojstva povezana sa elektronima, razdvajanje magnetizma i elektriciteta na dve potpuno odvojene pojave zapravo nije ispravno.
To nisu dve zasebne sile, već dva aspekta istog fizičkog principa, poput dve strane iste medalje. Elektromagnetizam predstavlja jednu od osnovnih sila u prirodi.
Upravo ova povezanost između električnog i magnetnog polja predstavlja osnovu rada transformatora, jer promena električne struje u jednom namotaju stvara promenljivo magnetno polje koje omogućava prenos energije na drugi namotaj.
1820
Ørsted
Otkriveno je da električna struja stvara magnetno polje. Ovo je bio jedan od prvih ključnih dokaza da su elektricitet i magnetizam povezani.
1831
Faraday
Michael Faraday otkriva elektromagnetnu indukciju — promenljivo magnetno polje može da proizvede električnu struju.
1860-e
Maxwell
James Clerk Maxwell matematički objedinjuje elektricitet i magnetizam u teoriju elektromagnetizma.
1880-e
Hertz
Heinrich Hertz eksperimentalno potvrđuje postojanje elektromagnetnih talasa koje je predvideo Maxwell.
Danas
elektromagnetizam
Elektromagnetizam je osnova brojnih tehnologija: elektroenergetskih mreža, transformatora, elektromotora, generatora, radija, komunikacija i mnogih elektronskih uređaja.
Veza između električnog i magnetnog polja postala je osnova za razvoj transformatora i mnogih drugih tehnologija.
Šta je elektromagnetna indukcija?
Jedno od najznačajnijih otkrića u istoriji proučavanja elektromagnetizma napravio je britanski naučnik Majkl Faradej u 19. veku. Ova pojava je poznata kao elektromagnetna indukcija i i danas predstavlja jedan od osnovnih principa elektromagnetizma.
Faradej je proučavao način na koji magnetna polja mogu da utiču na električne naboje. Zaključio je da promene magnetnog polja mogu da izazovu, odnosno indukuju, električnu struju.
Ovo možda zvuči komplikovano, ali njegovi eksperimenti bili su prilično jednostavni. Uzeo je gvozdeni prsten i oko njegovih suprotnih strana namotao dve odvojene žice, čime su nastala dva solenoida na istom komadu gvožđa.
Jednu žicu povezao je sa baterijom, a drugu sa galvanometrom, uređajem koji meri električnu struju. Prilikom povezivanja i prekidanja prve žice sa baterijom, galvanometar je registrovao promenu električnog naboja.
Faradej je na osnovu toga zaključio da promena magnetnog polja u gvozdenom prstenu može da izazove električnu struju u drugoj, odvojenoj žici.
Kako bi dodatno dokazao vezu između elektriciteta i magnetizma, izveo je još jedan eksperiment. Uzeo je solenoid bez jezgra, odnosno samo namotaj žice, i kroz njega pomerao štapni magnet.
Kada bi magnet brže pomerao kroz namotaj, u žici bi se stvarala veća električna struja.
Zašto je ovo otkriće bilo toliko važno?
Faradejev rad postavio je temelje za razumevanje činjenice da električna struja ne mora da postoji samo kao rezultat direktnog protoka kroz žicu. Njegova otkrića postavila su i teorijsku osnovu za proizvodnju električne energije pomoću promena magnetnog polja, što je postalo temelj rada savremenih električnih generatora.
Šta je transformator?
Transformatori su ključni uređaji koji koriste principe elektromagnetne indukcije.
Možemo ih pronaći gotovo svuda, a veliki deo električne energije koju proizvodimo i koristimo tokom svog puta prolazi kroz najmanje jedan transformator.
Dakle, šta je transformator? Transformator je električni uređaj koji menja napon električne struje, odnosno može da pretvori visoki napon u niži ili obrnuto. To postiže pomoću dva međusobno povezana namotaja i principa elektromagnetne indukcije koji je opisao Faradej.
Električna energija se širom zemlje prenosi kroz velike elektroenergetske mreže. Da bi se smanjili gubici tokom prenosa, električna energija se prenosi pri veoma visokim naponima. Na taj način smanjuje se količina energije koja se gubi tokom prenosa, a provodnici mogu imati manji poprečni presek.
Međutim, električna energija visokog napona nije pogodna za direktnu upotrebu u domaćinstvima. Zbog toga se pre distribucije do kuća i drugih objekata napon mora smanjiti na odgovarajući nivo. Upravo tu ulogu imaju transformatori.
Snižavanje i povećavanje napona
Faradejev zakon elektromagnetne indukcije pokazuje kako se elektromagnetna indukcija može koristiti za povećavanje ili smanjivanje napona električne struje.
Setimo se njegovog eksperimenta: koristio je dva različita namotaja, pri čemu je promena magnetnog polja u jednom namotaju izazivala pojavu električne struje u drugom.
Ako promenimo broj namotaja na žici, možemo promeniti i napon indukovane struje. Na primer, ako prvi namotaj ima deset namotaja, a drugi upola manje, odnosno pet namotaja, napon na drugom namotaju biće približno upola manji, pod odgovarajućim idealizovanim uslovima.
Upravo na ovom principu rade transformatori.
Zašto su transformatori važni?
Transformatori su zato od ključnog značaja za savremeni elektroenergetski sistem. Omogućavaju da se električna energija efikasno prenosi na velike udaljenosti pri visokim naponima, a zatim bezbedno prilagodi za upotrebu u domaćinstvima, industriji i različitim električnim uređajima.
Bez transformatora bi savremeni sistem proizvodnje i distribucije električne energije bio mnogo manje efikasan. Zahvaljujući njima, električna energija može da se prenosi na velike udaljenosti uz manje gubitke, a zatim prilagodi potrebama domaćinstava, poslovnih objekata i industrije.
Princip rada transformatora zasniva se na jednostavnoj, ali izuzetno važnoj vezi između električne struje i magnetnog polja. Upravo ta veza omogućila je razvoj brojnih tehnologija koje danas uzimamo zdravo za gotovo. Od elektroenergetskih mreža do punjača, audio uređaja i različitih industrijskih sistema, transformatori imaju važnu ulogu u svakodnevnom životu i predstavljaju jedan od najboljih primera praktične primene elektromagnetizma.
Sažmi uz pomoć AI
Da li ti se dopao članak? Zapiši to!
Loading...
