איך קשורים מגנטים וחשמל?

מגנטיות וחשמל הן שתי התופעות המסתוריות יותר של העולם היומיומי. חשמל הוא תנועה של חלקיקים טעונים תת מיקרוסקופיים דרך חומר. זרם מטענים זה, או "זרם", העובר דרך חוטי הבית מספק את האנרגיה החשמלית הדרושה לכלים ומכשירים מודרניים. מגנטיות היא כוח בלתי נראה המאפשר למגנטים להזיז מרחוק מגנטים אחרים ומתכות מסוימות. למרות שלכאורה דברים שונים מאוד, מגנטיות וחשמל למעשה קשורים זה לזה מאוד.

בשנת 1820, הפיזיקאי הדני האנס כריסטיאן אורסטד הבחין במשהו חריג בזמן שערך ניסויים בחשמל. הוא גילה שכאשר זרם חשמלי זורם בחוט, מחט המצפן שהוצבה בסמוך תנוע. הדבר היחיד שיכול היה לעשות זאת היה שדה מגנטי. אורסטד גילה שזרם חשמלי מייצר שדה מגנטי.

מייקל פאראדיי, לאחר ששמע על תגליתו של אורסטד, האמין שאם זרמים חשמליים יכולים ליצור שדות מגנטיים, אז שדות מגנטיים צריכים להיות מסוגלים לייצר זרמים חשמליים. בשנת 1831, בעת ביצוע סדרת ניסויים שנועדו לבדוק את הרעיון שלו, גילה פאראדי שמגנט שנע ליד חוט עלול לגרום לזרם חשמלי לזרום בחוט זה.

אפילו המגנט לא היה צריך לנוע כדי לייצר כוח. הגורם החשוב היה שהשדה המגנטי סביב החוט צריך להשתנות. שינוי זה יכול להיגרם על ידי מגנט נע, או על ידי החזקת המגנט דומם והנעת הסליל, או על ידי הגדלה והפחתה של הכוח באלקטרומגנט. עיקרון זה, ששדה מגנטי משתנה יביא זרם חשמלי במוליך, נודע כחוק האינדוקציה האלקטרומגנטית.

התגלית של אורסטד מראה מדוע למגנטים יש שדות מגנטיים שיכולים להזיז אובייקטים אחרים. כל החומר מורכב מאטומים. אלקטרונים טעונים מקיפים גרעין אטום צפוף. כל מה שזרם הוא מטען חשמלי נע. כלומר כל אטום בטבע מוקף בזרם חשמלי זעיר, כלומר לכל האטומים יש שדה מגנטי זעיר, שכן כפי שהראה אורסטד, זרמים חשמליים מייצרים שדות מגנטיים. ברוב החומרים, מגנטים אטומיים זעירים אלה מכוונים לכל כיוון, ומבטלים את ההשפעות זה של זה. זו הסיבה שרוב החומרים אינם מגנטיים. אך בחומרים מסוימים מגנטים זעירים אלה מסתדרים, ויוצרים שדה מגנטי חזק. חומרים אלה הם מגנטים, וכמעט תמיד הם מתכת מסוג כלשהו.

כפי שאורסטד ופראדיי הראו, מגנטיות וחשמל קשורים זה לזה מאוד. נראה שכל אחד מהם מסוגל ליצור את השני. אפילו מגנטים טבעיים הם מגנטיים בגלל כל הזרמים החשמליים הזעירים העוברים בהם בדיוק בצורה הנכונה. לא יהיה זה נכון לומר שמגנטיות וחשמל הם שני היבטים שונים של אותה תופעה.