Magnetiline energia
Mis on magnetiline energia?
Magnetilise energia all mõistetakse magnetvälja energiat. Igas püsimagnetis on talletatud teatud hulk magnetilist energiat. See määrab magneti kvaliteedi. Kui magnet tõmbab enda poole tüki rauda, tehakse tööd ja magnetiline energia väheneb täpselt selle töö võrra. Kui rauatükk eemaldatakse, suureneb magnetiline energia taas.Mida suurem on magneti magnetiline energia, seda suuremad on ka magnetjõud.
Magnetilist energiat mõõdetakse energiatoote abil.
Sisukord
Magnetiline energia on füüsikas tavaline energia vorm.
Selle all mõistetakse energiat, mis on peidus magnetväljas.
Magnetvälja tekitamiseks tuleb teha tööd.
See tehtud töö talletub siis energiana magnetväljas.
Seda võib ette kujutada tööna, mida on vaja, et kõik materjalis olevad elementaarmagnetid
paralleelselt joondada – ehk tööna, mis kulub aatomspinide
pööramiseks.
Paralleelselt joondatud elementaarmagnetitel on omakorda teatud potentsiaalne energia, nimelt magnetiline energia.
Kui suur on magnetiline energia, mis pärast elementaarmagnetite paralleelset joondumist magnetisse salvestub, sõltub materjalist. Selle energia väärtus on võrdeline pindalaga niinimetatud hüsteresisilmuse all.
Energiasaadus magnetilise energia mõõduna
Magnetilise energia saab arvutada energiasaaduse abil ning see määrab magneti kvaliteedi. See kasvab magnetväljaga ruutsõltuvuses. See tähendab, kui üks magnetväli on teisega võrreldes kaks korda tugevam, kuid sama ulatusega, siis sisaldab see neli korda rohkem magnetilist energiat.Mida suurem on magnetvälja magnetiline energia, seda suuremad on ka magnetjõud. Need on võrdeline seoses magnetilise energiaga. See tähendab, et kaks korda energilisemal magnetväljal on ka kaks korda suuremad magnetjõud.
Energeetilise minimiseerimise printsiip
Kindlasse suunda mõjuv jõud arvutatakse konkreetselt magnetilise energia muutusena selles suunas. Seda võib ette kujutada kui energeetilise minimiseerimise printsiipi. Kui on saavutatud energiamiinimum, ei ole ühtegi suunda, mille pidi energiat edasi vähendada, ja kõik jõud kaovad. Kui magnetvälja energiat minimeeritakse siis, kui kaks keha teineteisele lähenevad, mõjub jõud suunas, mis vähendamisele kaasa aitab, seega tõmbejõud kahe keha vahel. See juhtub näiteks siis, kui tükk rauda tuuakse magnetile lähemale või kui magnetiline põhjapoolus tuuakse magnetilisele lõunapoolusele lähemale.Kui seevastu magnetvälja energia suureneb, nagu ühenimeliste pooluste lähendamisel (st põhjapoolus põhjapoolusele või lõunapoolus lõunapoolusele), siis mõjub tõrjuv jõud.
Magneti ja rauatüki vahel või kahe magneti erimärgiliste pooluste vahel asub õhuvaheline magnetiline energia, mis on suurem kui magnetiline energia materjalis. Kui raual on magnetiline läbitavus (permeabiilsus) μ, siis väheneb rauast läbi kulgeva energia osa võrreldes õhuvahelise energiaga selle teguri võrra.
Kui magnet ja raud puudutavad teineteist, on õhuvahe ja seega ka õhuvälj energia kadunud. Füüsikas mõjuvad jõud alati energiamiinimumi suunas. Seda saab üldiselt väljendada avaldisega \( \vec{F}=-\vec{\nabla}U\) iga jõu \( \vec{F}\) jaoks energia-potentsiaalis U.
Siin tähistab \( \vec{\nabla}\) "tuletisvektorit" kõigis ruumisuundades (matemaatikas ka "gradient") ja seda saab kirjutada kujul
\( \vec{\nabla}=\left(\begin{array}{c} \frac{\partial}{\partial{x}} & & \frac{\partial}{\partial{y}} & & \frac{\partial}{\partial{z}} \end{array}\right) \)
kus \(\frac{\partial}{\partial{x}}\) tähistab "muutust" piki x-telge, s.t osatuletist x suhtes.
Kui potentsiaalis U on energia muutus mingis suunas eriti suur, siis mõjub selles suunas eriti tugev jõud.
Magnetilise energia rakendused
Magnet võib ka tööd teha. Näiteks võib see tõmmata enda poole rauatüki.Siis väheneb magnetiline energia tehtud töö võrra. Magnetväli ei kao aga jäädavalt. Magnet seega ei hävi, kui lasta rauatükil korduvalt magneti külge tõmmata ja seejärel eemaldada, sest eemaldamisel tuleb väljastpoolt tööd teha. Siis suureneb taas õhuvahe magnetiline energia ja annab kogu püsimagneti magnetväljale tagasi varem kaotsi läinud magnetilise energia hulga.
Kui magnetit pööratakse mähises pidevalt ringi, teeb ringpööre magnetvälja arvelt tööd, mida saab kasutada elektrivoolu tekitamiseks. Magnetvälja muutumine indutseerib pinge. Nii töötab tavaline generaator.
Maa magnetenergia kasutatavus
Paljud ideed keerlevad selle ümber, kuidas ära kasutada Maa või isegi kosmiliste magnetväljade magnetenergiat. Seda ei ole siiski võimalik mööda Maa pinda teha, sest siin on magnetväli suuresti konstantne. Seega ei mõju üldise seaduse \( \vec{F}=-\vec{\nabla}U\) kohaselt ka ühtegi jõudu, kuna energiapotentsiaali U muutus, s.o \( \vec{\nabla}U\) mööda Maa pinda on võrdne nulliga.Maxwelli võrrandid kohaselt ei ole ka üksikut põhja- ega lõunapoolust, mida saaks Maa põhjapooluse või lõunapooluse suunas kiirendada. Kõik need ideed vaba energia või magnetenergia kasutamisest on füüsikaliselt mõttetud.
Magnetilise energia kasutatavuse, eriti Maa magnetvälja energia kasutamise ümber, keerleb palju esoteerilisi seisukohti.
Tegelikkuses ei saa aga Maa pinna suunas liikumisest magnetilist energiat tööks muundada.
Maa pinnaga risti suunas ei mõju ühtegi jõudu, sest jõujoonte tihedus ei muutu.
Seega ei saa olemas olla ka magnetajamiga autot, nagu siin kujutatud.
Maa magnetenergiat saab ära kasutada ainult nii, et viite Maa poolustest kaugel asuva ferromagnetilise keha ühele poolusele lähemale.
Sellega vähendataks Maa magnetvälja magnetenergiat ning seda võiks näiteks kasutada voolu indutseerimise teel.
Ent mõju on kaduvväike, sest Maa magnetväli on väga nõrk. Tunduvalt rohkem energiat saadakse lihtsalt Maa gravitatsiooniväljas kukkumisega. Energiakogus on siiski maksimaalselt sama suur kui töö, mis tuli varem teha, et keha Maast eemaldada.
Autor:
Dr. Franz-Josef Schmitt
Dr. Franz-Josef Schmitt on füüsik ja Martin Lutheri nimelise Halle-Wittenbergi ülikooli füüsika edasijõudnute praktikumi teaduslik juht. Aastatel 2011–2019 töötas ta Tehnikaülikoolis ning juhtis mitmeid õppeprojekte ja keemia projektlaborit. Tema teadustöö keskmes on ajalahutusega fluorestsents-spektroskoopia bioloogiliselt aktiivsetel makromolekulidel. Lisaks on ta Sensoik Technologies GmbH tegevjuht.
Dr. Franz-Josef Schmitt
Dr. Franz-Josef Schmitt on füüsik ja Martin Lutheri nimelise Halle-Wittenbergi ülikooli füüsika edasijõudnute praktikumi teaduslik juht. Aastatel 2011–2019 töötas ta Tehnikaülikoolis ning juhtis mitmeid õppeprojekte ja keemia projektlaborit. Tema teadustöö keskmes on ajalahutusega fluorestsents-spektroskoopia bioloogiliselt aktiivsetel makromolekulidel. Lisaks on ta Sensoik Technologies GmbH tegevjuht.
Kogu kompendiumi sisu (tekstid, fotod, illustratsioonid jms) autoriõigus kuulub autorile Franz-Josef Schmittile. Teose ainuõigused kuuluvad Webcraft GmbH-le (kui supermagnete.ee haldajale). Ilma Webcraft GmbH-i selgesõnalise loata ei tohi sisu kopeerida ega muul viisil kasutada.
© 2008–2026 Webcraft GmbH
© 2008–2026 Webcraft GmbH
