Luku 1.1 (Füüsika. Elekter ja magnetism)

Elekter looduses ja tehnikas

  • Elektromagnetiline mõju kui üks neljast vastastikmõjust
  • Elektrienergia saamine ja kasutamine
  • Elektromagnetiline side- ja infotehnika

Elekter looduses ja tehnikas

Elekter

Tänapäeval ümbritsevad meid kõikjal esemed ja nähtused, mille iseloomustamisel kasutame sõna elekter. Teler ja tasku­arvuti, külmik ja laualamp, tolmu­imeja ning tramm − need kõik on äärmiselt erinevad asjad nii oma välja­nägemiselt kui otstarbelt. Sellest hoolimata teame, et neil on üks tähtis ühine omadus − nad kõik tarbivad elektri­energiat. Elektri­seadmete töö­põhi­mõtet ning looduses esinevaid elektri- ja magnetnähtusi käsitlebki kursus nimetusega Elekter ja magnetism.

Sõna elekter on jõudnud meieni kreeka keelest. Nii nimetasid vanad kreeklased kuldse läikega metalli­sulamit ja ka sellega väliselt sarnast ainet – merevaiku (kr k – elektron). Nad märkasid, et villase riidega hõõrutud mere­vaigu­tükk suudab kergeid aine­kübemeid enda külge tõmmata. Ajapikku hakati kõiki selliseid loodus­nähtusi nimetama merevaigu-sarnasteks ehk elektrilisteks.

Huvitav on märkida, et kuigi enamikus Euroopa keeltes on levinud kreeka sõna elekter, kasutavad meie naabrid soomlased samas tähenduses omatüvelist sõna sähkö. Ka eestlane ütleb pärast elektri­löögi saamist, et ta sai särtsu. Meil jääb vaid kahetseda, et eesti keele­mehed pole seda asjaolu märganud. Muidu võiksime ka meie praegu rääkida särtsu­nähtustest, särtsu­energiast või särtsuvoolust.

Magnet

Kreeka päritoluga on ka sõna magnet. Magnesia kivina (kr k – Magnetis lithos) tunti vanas Kreekas kivimit, mis oli suuteline raud­esemeid enda külge tõmbama. Elektrilise ja magnetilise tõmbejõu sarnasusest lähtuvalt oli vana- ja keskajal kombeks arvata, et need jõud põhi­mõtte­liselt ei erinegi. Alles esimestes teaduslikes käsitlustes hakati erinevust selgelt rõhutama. Siitpeale kulges elektri- ja magnet­nähtuste uurimine teineteisest üha rohkem lahus.

Gilberti De Magnete tiitelleht

Elektri ja magnetismi uurimise algatajaks peetakse inglise arsti ja füüsikut William Gilbertit (1544–1603). 1600. aastal ilmus trükist tema töö De magnete..., mille täieliku pealkirja võib eesti keelde tõlkida kujul: Magnetist, magnetilistest kehadest ja suurest magnetist – Maast. Vaatamata pealkirjale sisaldas Gilberti uurimus rea põhi­mõtte­li­selt uusi tulemusi just elektri­nähtuste vald­konnas. Varem arvati, et elektriline aktiivsus on ainult mere­vaigu omadus. Gilbert aga näitas, et elektriseerida võib veel paljusid teisi aineid, näiteks teemanti, klaasi või väävlit.

Elektri ja magnetismi alasele uurimis­tööle oli aga määratud uuesti teineteisele läheneda ja lõpuks kokku sulada. 19. sajandi suured füüsikud Michael Faraday ning James Clerk Maxwell avastasid, et elektrilistel ja magnetilistel jõududel on tõepoolest ühine allikas. Elektri- ja magnet­nähtused on looduses toimiva üldise elektro­magnetilise vastastik­mõju avaldumisvormid.

Michael Faraday
James Clerk Maxwell

Kõik loodusnähtused taanduvad kokkuvõttes neljale vastastik­mõju liigile: tugevale, elektro­magnetilisele, nõrgale ja gravitat­sioonil­isele. Gravitat­siooni­line vastastik­mõju on meie jaoks eelkõige Maa külge­tõmbe­jõu põhjustaja. Ta määrab kehade käitumise oluliselt vaid siis, kui vähemalt üks kehadest on väga suur. Tugev ja nõrk vastastik­mõju tulevad esile vaid mikro­maailma protsesside käigus. Näiteks hoiavad tugeva vastastik­mõju jõud koos aatomite tuumi. Nende jõudude toime on ruumiliselt väga piiratud. Tugev vastastik­mõju rakendub alles vahekaugustel 10–15 m ning nõrk vastastikmõju ei ulatu kaugemale 10–18 meetrist.

Elektromagnetjõud meie ümber

Jõud, millega me oma igapäevases elutegevuses vältimatult kokku puutume, on valdavalt elektro­magnetilise päritoluga. Nendeks on näiteks elastsus­jõud, hõõrde­jõud ja ka elus­organismide lihasjõud. Elektrijõud hoiavad koos lihtaine aatomeid. Vedeliku või gaasi molekulideks, tahkisteks ja keerulisteks orgaanilisteks ühenditeks liidab aatomeid keemiline side, mis on samuti tingitud elektro­magneti­li­sest vastastik­mõjust. Seega ei ole elekter mitte ainult kassi karvas, vaid paneb liikuma ka kassi enda.

Elektromagnetjõudude kaks tähtsaimat tehnilist rakendust on elektro­energeetika ning elektriline side- ja infotehnika.

Elektroenergeetika hõlmab kogu inimtegevust elektri­energia tootmisel, ülekandel ja kasutamisel. Elektri­jaamades muudetakse elektri­energiaks mingi osa kütuse põlemisel vabanevast soojus­hulgast, voolava vee kineetilisest energiast või koguni aatomi­tuumade seose­energiast. Neid jaamu nimetatakse seetõttu vastavalt soojus-, hüdro- ja tuuma­elektri­jaamadeks. Päikese­patarei muundab elektri­energiaks valgus­kiirguse energiat. Tasku­lambi­patareis, autoakus ja teistes keemilistes voolu­allikates saadakse elektrienergiat keemilisel reaktsioonil vabaneva energia arvelt.

Tarvitis leiab aset vastupidine protsess. Elektri­energia muundub mehaaniliseks energiaks (elektri­mootoris), valgus­kiirguse energiaks (elektri­lambis), soojuseks (kütte­seadmes) või mingiks muuks energia liigiks. Elektri­energia on omamoodi vahelüliks loodusest ammutatava ja inim­tegevuses kasutatava energia vahel. Seda soodustab asjaolu, et elektri­energiat saab üle kanda juhtmete abil. Pole vaja mingeid rihmu, võlle ega hammasrattaid.

Elektrilise energiaülekande põhieeliseks tulebki pidada mugavust. Näiteks tuleb aurumasina käima­panemist alustada tule süütamisest. Mopeedi või mootorratta korral peab pöörama vänta. Elektri­seadme käivitamiseks piisab aga nupule vajutamisest. Elektri­energia suurima puudusena võiks nimetada raskusi suurte energia­koguste salvestamisel. Elektrilise energia tootmine ja tarbimine peavad toimuma sama­aegselt.

Esmapilgul võib küll näida, et elektrienergia konserveerimine on võimalik. Akut saab ju laadida. Tegelikult on akus salvestunud keemilise sideme energia, mida ei saa otsekohe elektri­energiaks muundada. Näiteks kulgeb vastav reaktsioon autoakus külma ilmaga aeglasemalt. Seetõttu on auto käivitamine külmal ajal raskendatud.

Elektroenergeetikast veelgi kiiremini areneb tänapäeval elektro­magnetiline infotehnika. See hõlmab andmete, kõne, muusika või muu sellise esitamist ja ülekandmist elektro­magnetilise signaalina. Samas on ka tegemist info elektrilise, magnetilise või optilise salvestamise ning töötlemisega.

Kõik see sai alguse telegraafi leiutamisest, mis võimaldas teateid elektrisignaali kujul mööda juhtmeid edasi anda. Sidetehnika järgmine sõna − telefon, suutis telegraafi­märkide asemel edastada juba inimese elavat kõnet. Elektro­magnet­lainete vahendusel toimiva raadioside kasutusele­võtt võimaldas vabaneda tülikatest ühendus­juhtmetest. Televisioon tegi aga teoks kujutise edastamise suurte vahemaade taha. Kaasajal on iga­päevaseks muutunud seadmed, mis suudavad salvestada ja taas esitada heli ning ka kujutist.

Elektronarvutite rakendamine võimaldab tänapäeval lahendada ülesandeid, mis arvutustöö mahukuse poolest seni inimesele üle jõu käisid. Mitte vähem tähtis pole arvutus­tehnika osa andmete liigitamisel ning vajalikule kujule viimisel. Elektriliste infotöötlus- ja side­süsteemide kiire­toimelisuse aluseks on elektro­magnetilise vastastik­mõju suur levimis­kiirus − kuni 3 · 108 m/s.

Käesolev õpik käsitleb elektro­magnetilise vastastik­mõju seadus­pärasusi, mille tundmine aitab meil mõista väga paljude loodus­nähtuste tekkimist. Nendel seadus­pärasustel põhineb ka elektri­seadmete töö, mida me oma iga­päevases elus pidevalt kasutame. Seega on elektrialased teadmised nii tunnetusliku kui ka rakendusliku väärtusega.

Telefoni esmatutvustus ajakirjas Scientific American

?

  1. Milline on teie arvates parim viis elektrienergia saamiseks? Aga milline sobiks kõige paremini Eesti oludes?
  2. Miks kasutatakse elektrivedureid, tramme ja trollibusse eelkõige suuremates linnades?
Odota