Elektromagnetismoa eta Fisika Nuklearra: Oinarrizko Kontzeptuak

Alternadorea

Alternadorea iman iraunkorrek sortutako B eremu magnetiko uniforme batean era mekanikoan ω abiadura angeluar konstantean birarazten den espira lau bat da, izatez. Eremu magnetikoan espira biraka dabilen bitartean, espirako fluxu magnetikoa aldatuz doa eta, beraz, indar elektroeragile (i.e.e.) bat induzitzen da espiran. Horrek kanpo-zirkuituan korronte elektrikoa zirkularazten du. Espira ω balioko abiadura angeluarrean ari da biratzen. Beraz, θ angelua θ = ωt eran adieraz daiteke.

Transformadorea

Transformadorea, izatez, burdina gozozko nukleo baten inguruan kiribildutako hari eroalezko bi harilen multzoa da, bata bestetik isolatuta daudela. Sarrerako korrontea zirkularazten duen harilari zirkuitu primarioa deritzo, eta beste harilari, zirkuitu sekundarioa. Azken horretatik irteerako korrontea pasatzen da. Zirkuitu primariotik zirkulatzen ari den korronte alternoak fluxu magnetiko aldakorra sortzen du, eta fluxu horrek, elkar-indukzioaren bidez, i.e.e. induzitua sortzen du zirkuitu sekundarioan. Haril primarioak N₁ espira baditu, eta sekundarioak N₂, sarrerako V₁ tentsioa eta irteerako V₂ tentsioa honelaxe erlazionatzen dira Faraday-ren legearen arabera (ideal batean: V₂/V₁ = N₂/N₁).

Bestalde, transformazio-prozesuko energia-galerak oso txikiak badira (transformadore ideala), kalkuluetan alde batera utz daitezke. Horrela, sarrerako potentzia eta irteerako potentzia berdinak dira: P₁ ≈ P₂; V₁I₁ ≈ V₂I₂.

Erradioaktibitatea

Erradioaktibitatea zenbait nukleo atomiko ezegonkorrek (substantzia erradioaktiboek) berez partikulak edo energia (erradiazio ionizatzailea) igortzeko duten propietatea da, nukleo egonkorrago bat bihurtzeko prozesuan. Erradiazio horiek gorputz opakuak zeharkatzeko, airea ionizatzeko, plaka fotografikoak inprimatzeko eta zenbait substantziaren fluoreszentzia kitzikatzeko gai dira.

Alfa, beta eta gamma erradiazioak

Erradiazio mota ohikoenak, nukleo atomiko ezegonkorren desintegrazioan sortuak, hauek dira:

• α (alfa) erradiazioa: Helio-nukleoz (bi protoi eta bi neutroi) osatutako partikulak dira (⁴He²⁺). Nahiko astunak dira eta sarkortasun txikia dute (paper orri batek geldiaraz ditzake).
• β (beta) erradiazioa: Elektroi (β^-) edo positroi (β⁺) bizkorrak dira. β^- desintegrazioan, nukleoko neutroi bat protoi bihurtzen da, elektroi bat eta antineutrino bat igorriz. β⁺ desintegrazioan, protoi bat neutroi bihurtzen da, positroi bat eta neutrino bat igorriz. Alfa partikulak baino sarkorragoak dira (aluminiozko xafla fin batek geldiaraz ditzake).
• γ (gamma) erradiazioa: Oso energetikoak diren fotoiez osatutako erradiazio elektromagnetikoa da. Ez du masarik ez kargarik. Nukleoak gehiegizko energia galtzeko igortzen du, askotan alfa edo beta desintegrazio baten ondoren. Oso sarkorra da (berunezko edo hormigoizko geruza lodiak behar dira geldiarazteko).

Fisio Nuklearra

Fisio nuklearra erreakzio nuklear bat da, non nukleo atomiko astun bat (adibidez, uranioa edo plutonioa) neutroi batekin bonbardatzean, nukleo hori zatitu egiten den, bi nukleo arinago (fisio-produktuak), neutroi gehiago (normalean 2 edo 3) eta energia kantitate handia askatuz (nukleoaren lotura-energiaren zati bat askatzen da masaren galera txiki baten bidez, E=mc²).

Fisiorako nukleo erabilienak uranio-235 (²³⁵U) eta plutonio-239 (²³⁹Pu) isotopoak dira.

Nukleo baten fisioan askatutako neutroiek beste nukleo batzuen fisioa eragin dezakete, baldintzak egokiak badira. Horrela kate-erreakzio nuklear bat sor daiteke.

Fisiozko kate-erreakzio nuklearra

Kontrolatua

Kate-erreakzioa kontrolpean mantentzen da, askatutako neutroien kopurua erregulatuz (neutroi bat fisio bakoitzeko beste fisio bat eragiteko soilik erabiltzen da, batez beste). Energia modu jarraitu eta kontrolatuan askatzen da. Zentral nuklearretan energia elektrikoa sortzeko erabiltzen da. Erreaktore nuklearretan gertatzen dira fisio-erreakzio kontrolatuak, baita urpeko nuklearren edo zenbait espazio-ontziren sorgailuetan ere.

Ez-kontrolatua

Askatutako neutroi gehienek beste fisio batzuk eragiten dituzte, erreakzioa esponentzialki haziz. Energia kopuru izugarria oso denbora laburrean askatzen da. Bonba atomikoetan (fisio-bonbetan) mota honetako erreakzio kontrolgabeak eragiten dira. Fisioak kutsadura erradioaktiboa sortzen duten hondakin nuklearrak uzten ditu, eta horien kudeaketa epe luzerako arazo larria da.

Fusio Nuklearra

Fusio nuklearra erreakzio nuklear bat da, non bi nukleo atomiko arin (normalean hidrogenoaren isotopoak, deuterioa eta tritioa) tenperatura eta presio oso altuetan batu egiten diren, nukleo astunago bat (helioa, adibidez) eta neutroi bat (edo beste partikularen bat) eratuz. Prozesu horretan energia kantitate izugarria askatzen da, fisioan baino askoz handiagoa erreakzionatzen duen masa unitateko, masaren galera txiki baten ondorioz (E=mc²).

Fusio erreakzioak era naturalean gertatzen dira Eguzkian eta izarretan, grabitateak sortutako muturreko tenperatura eta presioei esker. Lurrean, baldintza horiek artifizialki lortzea oso zaila da.

Fusiozko kate-erreakzio nuklearra

Kontrolatua

Energia iturri garbi, seguru eta ia agorrezina izan liteke (erregaia, deuterioa, itsasoko uretan ugaria da; tritioa litioarekin sor daiteke). Ez du epe luzeko hondakin erradioaktibo arriskutsurik sortzen fisioak bezala. Hala ere, oraindik ez da lortu energia-balantze positiboa duen erreakzio kontrolatu eta egonkor bat modu errentagarrian mantentzea. Gaur egun, ikerketa-proiektu handiak daude martxan (adibidez, ITER Frantzian), plasma egoeran dagoen erregaia (milioika gradutara berotua) konfinamendu magnetiko edo inertzialaren bidez kontrolatzen saiatzen direnak.

Ez-kontrolatua

Hidrogeno-bonban (fusio-bonba edo bonba termonuklearrean) lortu da. Bonba mota honek fisio-bonba bat behar du "pizgailu" gisa, fusioa hasteko behar diren muturreko tenperaturak eta presioak lortzeko.

Lenz-en Legea

Faraday-ren saiakuntzetatik ondoriozta daitekeenez, zirkuitu eroale itxi batean korronte elektrikoa induzitzen da zirkuitu hori zeharkatzen duen fluxu magnetikoa denboran zehar aldatzen denean. Fluxu magnetikoa (Φ_B = ∫ B ⋅ dA = B ⋅ S ⋅ cos α, eremu uniformea eta azalera laua badira) aldatzeko, hiru faktore alda daitezke: B eremu magnetikoaren intentsitatea; zirkuituak mugatutako gainazalaren S azalera; edo gainazalaren normalaren eta eremuaren arteko α angelua (orientazioa).

Korronte induzituaren noranzkoa zehazteko araua Lenz-en legea da:

Zirkuitu batean induzitutako korronte elektrikoaren noranzkoa beti da fluxu magnetikoaren aldaketaren aurka egiten duena, hau da, korronte hori sortu duen kausaren (fluxuaren aldaketaren) aurkako eremu magnetiko bat sortzeko joera duena.

Energiaren kontserbazioaren printzipioaren ondorio bat da.

Faraday-ren Legea (Indukzio Elektromagnetikoa)

Eremu magnetiko aldakor batek zirkuitu eroale batean korronte elektrikoa (eta, beraz, indar elektroeragilea) nola induzitzen duen kuantitatiboki deskribatzen du lege honek. Indukzio elektromagnetikoa deritzon fenomeno hau Faraday-ren legeak (edo Faraday-Lenz legeak) deskribatzen du matematikoki.

Legeak dioenez:

Zirkuitu itxi batean induzitutako indar elektroeragilea (i.e.e. edo ε) zirkuitu hori zeharkatzen duen fluxu magnetikoaren (Φ_B) denborarekiko aldakuntza-abiaduraren berdina da, baina aurkako zeinukoa.

Matematikoki: ε = -dΦ_B/dt. N espirako bobina bat bada, ε = -N (dΦ_B/dt), non Φ_B espira bakoitzeko fluxua den.

Zeinu negatiboa Lenz-en legearen adierazpen matematikoa da, eta induzitutako i.e.e.-ak fluxuaren aldaketaren aurka egiten duela adierazten du.

Induzitutako korrontearen intentsitatea (I), Ohm-en legearen arabera, induzitutako i.e.e.-aren eta zirkuituaren R erresistentzia totalaren araberakoa izango da: I = ε / R = (-1/R) ⋅ (dΦ_B/dt).