מגנטיות: הגדרה, סוגים, מאפיינים ואופן פעולתם (עם דוגמאות)

מגנטים. יש לך אותם על המקרר שלך, שיחקת איתם בילדותך, אפילו החזקת מצפן ביד שלך כשמחט המצפן הצביעה על הקוטב הצפוני המגנטי של כדור הארץ. אבל איך הם עובדים? מהי תופעה זו של מגנטיות?

מגנטיות היא היבט אחד של הכוח האלקטרומגנטי הבסיסי. הוא מתאר תופעות וכוחות הקשורים למגנטים או עצמים מגנטיים.

כל השדות המגנטיים נוצרים על ידי מטען נע או שינוי של שדות חשמליים. זו הסיבה שתופעות החשמל והמגנטיות מכונות באופן קולקטיבי אלקטרומגנטיות. הם באמת אותו דבר!

בתוך כל החומרים, האטומים מכילים אלקטרונים, ואלקטרונים אלה יוצרים ענן סביב גרעין האטום, כאשר התנועה הכוללת שלהם יוצרת דיפול מגנטי מיניאטורי. ברוב החומרים, לעומת זאת, התפלגות הכיוונים האקראית של מיני מגנטים אלה גורמת לביטול השדות. יוצאי דופן הם חומרים פרומגנטיים.

חומרים רבים מציגים תופעות מגנטיות, כולל ברזל, מנגן, מגנטיט וקובלט. אלה עשויים להתקיים כמגנטים קבועים או עשויים להיות פרמגנטיים (כלומר, נמשכים לחומרים מגנטיים אך אינם שומרים על מגנטיות קבועה בעצמם). אלקטרומגנטים נוצרים על ידי העברת זרם חשמלי דרך חוט המתפתל סביב חומר כגון ברזל (או על ידי כל מצב בו יש מטען חשמלי נע).

חומרים מגנטיים יכולים למשוך זה את זה או להדוף זה את זה, תלוי אילו חלקים מאותם חומרים מאוחדים.

בדיוק כמו בכוח החשמלי ובכוח הכבידה, עצמים המפעילים כוחות מגנטיים זה על זה מייצרים שדה סביבם. מגנט בר, למשל, יוצר שדה מגנטי בחלל סביבו, וגורם לכל מגנטים או חומרים פרומגנטיים אחרים המובאים לאותו שדה להרגיש כוח כתוצאה מכך.

אחת הדרכים לדמיין את השדה המגנטי היא שימוש בתיקי ברזל. תיוקי ברזל הם פיסות ברזל קטנות שכאשר מפזרים אותם סביב מגנט, הם יתיישרו עם קווי השדה המגנטי החיצוניים, מה שמאפשר לכם לדמיין אותם.

יחידת ה- SI הקשורה לחוזק השדה המגנטי היא הטסלה.

יחידה נפוצה נוספת הקשורה לחוזק השדה המגנטי היא הגאוס.

גאוס 1 = 1 G = 10^-4 ט

ישנם סוגים רבים ושונים של מגנטיות:

​פרמגנטיותמתאר חומרים מסוימים שעשויים להימשך חלש למגנטים אך אינם שומרים בעצמם שדה מגנטי קבוע. בנוכחות שדה חיצוני, הם יהוו שדות מגנטיים פנימיים, המושרים. זה יכול לגרום להגברה זמנית של השדה המגנטי בסך הכל. ישנם סוגים רבים ושונים של חומרים פרמגנטיים, אפילו כולל כמה אבני חן.

​דיאמגנטיותהוא נכס המוצג על ידי כל החומרים, אך בדרך כלל הוא הברור ביותר בחומרים שאנו חושבים עליהם שאינם מגנטיים. חומרים דיאמגנטיים דוחים מאוד חלש על ידי שדות מגנטיים. במגנטים קבועים ובחומרים פרמגנטיים, ההשפעות של דיאמגנטיות זניחות.

​אלקטרומגנטיותמתרחש כאשר זרם חשמלי מועבר דרך חוט. חוט זה עשוי להיפצע סביב מוט ברזל כדי להגביר את האפקט שכן הברזל ייצור שדה מגנטי משלו שמתיישר עם השדה החיצוני. צורה זו של מגנטיות היא תוצאה ישירה של העובדה שתנועת האלקטרונים יוצרת שדה מגנטי. (שוב, חשמל ומגנטיות הם שני צדדים של אותו מאפיין פיזי בסיסי!)

​פרומגנטיותמתאר כיצד חומרים מסוימים - המכונים חומרים פרומגנטיים - יוצרים מגנטים קבועים עליהם נדון ביתר פירוט בחלק הבא.

חומרים הנמשכים מאוד למגנטים נקראים פרומגנטיים. ברזל הוא החומר הנפוץ ביותר מסוג זה. (לא מפתיע מאז הקידומת הלטיניתבַּרזִלִי- פירושו "ברזל".)

לחומרים פרומגנטיים יש מה שמכונה תחומים מגנטיים; כלומר, אזורים בתוכם הדומים למגנטים, אך מכוונים לכיוונים שונים כך שההשפעה הכוללת מתבטלת והם בדרך כלל אינם פועלים כמו מגנטים. אם לעומת זאת, חומרים אלה מונחים בשדות מגנטיים, הדבר יכול לגרום ליישור התחומים כך שכולן מיושרות לאותו כיוון, ומכאן שהן הופכות (לרוב באופן זמני) למגנטים עצמם.

חומרים פרומגנטיים כוללים אבני אבן, ברזל, ניקל, קובלט וחומרי אדמה נדירים שונים כולל ניאודימיום.

מגנט מוט הוא מוט מלבני או גלילי של חומר מגנטי. הקצוות של מגנט הבר הם הקטבים הצפוניים והדרומיים. אלה שני סוגי הקטבים המגנטיים, והם מתקשרים זה עם זה באמצעות כוח מגנטי באופן דומה לאופן שבו מטענים חיוביים ושליליים מתקשרים באמצעות הכוח החשמלי.

מגנטים של בר הם דיפולות מגנטיות. יש להם קטבים מנוגדים המופרדים על ידי מרחק, בדומה לדיפול חשמלי. הבדל עיקרי אחד, לעומת זאת, הוא שעם מגנטים, לא יכול להיות לך מונופול (מוט מבודד) כמו שאתה יכול לקבל עם מטענים. מגנט קיים תמיד כדיפול ולעולם לא כקוטב צפוני בפני עצמו או קוטב דרומי בפני עצמו. (אם אתה חותך מגנט מוט לשניים כדי לנסות להפריד בין הקטבים, פשוט תקבל שני מגנטים דיפולאריים קטנים יותר!)

כפי שאתה בוודאי יודע, לכדור הארץ יש שדה מגנטי. זה מאפשר לאנשים להשתמש במצפנים כדי לקבוע לאיזה כיוון הם פונים ביחס לקטבים. מצפן מגנטי מורכב ממגנט קטן שיכול לנוע בחופשיות ולהתיישר עם כל שדה חיצוני. הקצה האדום של מחט המצפן מצביע צפונה. השדה המגנטי של כדור הארץ פועל כמו מגנט בר ענק. מגנט הבר הדמיוני הזה מכוון כך שהקצה הצפוני של המגנט נמצא בקוטב הדרומי של כדור הארץ והקצה הדרומי של המגנט נמצא בקוטב הצפוני של כדור הארץ.

גם השדה המגנטי של כדור הארץ אינו מקביל לפני השטח של כדור הארץ ברוב המקומות. אתה יכול לקבוע את ההידרדרות של השדה המגנטי של כדור הארץ באמצעות מחט טבולה. ראשית כיוון את המחט בצורה אופקית ויישר אותה עם הצפון המגנטי של כדור הארץ. ואז סובב אותו אנכית והתבונן בזווית הטבילה. הזווית גדולה יותר ככל שאתה קרוב יותר לקטבים.

השדה המגנטי של כדור הארץ יוצר אזור בחלל שמקיף את כדור הארץ הנקרא מגנטוספירה. המגנטוספירה נראית למעשה כמו השדה המגנטי של מגנט מוט גדול מאוד המיושר קרוב לציר כדור הארץ, אם כי המגנטוספירה יכולה להתעוות כשהיא מתקשרת עם חלקיקים טעונים.

המגנטוספירה מגנה עלינו מפני רוח השמש, המכילה חלקיקים טעונים. אינטראקציות בין חלקיקים אלה לקווי השדה המגנטי הם שמולידים אורורות.

תופעת המגנטיות משמשת בכל מיני יישומים יומיומיים.

תופעת האלקטרומגנטיות מאפשרת לנו להמיר אנרגיה מכנית לאנרגיה חשמלית בגנרטורים חשמליים. גנרטורים חשמליים משתמשים באמצעים מכניים להפעלת טורבינה (רוח נושבת או מים זורמים) המשנה שדה מגנטי ביחס לסלילי התיל, מה שמביא את הזרם לזרום.

מנועים חשמליים הם למעשה ההפך מגנרטורים חשמליים המשתמשים באלקטרומגנטיות להמרה אנרגיה חשמלית לאנרגיה מכנית, בין אם זה להפעיל מקדח חשמל, מערבל או חשמלי רכב.

אלקטרומגנטים תעשייתיים הם מגנטים ענקיים עם שדות מגנטיים חזקים מאוד המאפשרים להם לאסוף כלי רכב ישנים בחצר הגרוטאות.

מכונות MRI משתמשות בשדות מגנטיים חזקים כדי ליצור תמונות של החלק הפנימי שלך ומאפשרות לרופאים לאבחן שורה שלמה של מצבים רפואיים.