מאפייני מגנטים ואלקטרומגנטים

פיזיקה לעתים רחוקות מרגישה קסומה יותר מאשר כשפוגשים לראשונה מגנט בילדותך. להשיג מגנט בר בשיעור מדע ומנסה - בכל הכוח - לדחוף אותו לעבר הקוטב התואם של מגנט אחר אבל ישות לא מסוגל לחלוטין, או משאיר מוטות מנוגדים קרוב אחד לשני אך לא נוגעים כדי שתוכלו לראות אותם מתגנבים יחד ובסופו של דבר לְהִצְטַרֵף. אתה לומד במהירות שהתנהגות זו היא תוצאה של מגנטיות, אך מהי באמת מגנטיות? מה הקשר בין חשמל למגנטיות שמאפשר לעבוד על אלקטרומגנטים? מדוע שלא תשתמש במגנט קבוע במקום אלקטרומגנט בחצר גרוטאות מתכת, למשל? מגנטיות היא נושא מרתק ומסובך, אבל אם אתה רק רוצה ללמוד את המאפיינים של מגנט ואת היסודות, זה ממש קל להרים.

התנהגות מגנטית נגרמת בסופו של דבר מתנועה של אלקטרונים. מטען חשמלי נע נע מייצר שדה מגנטי, וכפי שניתן היה לצפות - מגנטים ושדות מגנטיים קשורים זה לזה בצורה מורכבת. מכיוון שאלקטרון הוא חלקיק טעון, תנועתו המסלולית סביב גרעין האטום יוצרת שדה מגנטי קטן. באופן כללי, לעומת זאת, יש טונות של אלקטרונים בחומר, והשדה שנוצר על ידי אחד יהיה בוטל על ידי השדה שנוצר על ידי אחר, ולא יהיה שום מגנטיות מהחומר כ- כֹּל.

יש חומרים שעובדים אחרת. השדה המגנטי שנוצר על ידי אלקטרון אחד יכול להשפיע על כיוון השדה המיוצר על ידי אלקטרונים שכנים, והם מתיישרים. זה מייצר מה שמכונה "תחום" מגנטי בתוך החומר, שבו כל האלקטרונים מכוונים שדות מגנטיים. חומרים שעושים זאת נקראים פרומגנטיים, ובטמפרטורת החדר רק ברזל, ניקל, קובלט וגדוליניום הם פרומגנטים. אלה החומרים מאשר יכולים להפוך למגנטים קבועים.

התחומים בתוך חומר פרומגנטי יהיו כולם בעלי כיוונים אקראיים; למרות שאלקטרונים שכנים מיישרים את שדותיהם זה לזה, קבוצות אחרות עשויות להיות מיושרות לכיוון אחר. זה לא משאיר שום מגנטיות בקנה מידה גדול, מכיוון שתחומים שונים מבטלים זה את זה בדיוק כמו שהאלקטרונים בודדים עושים בחומרים אחרים.

עם זאת, אם אתה מיישם שדה מגנטי חיצוני - על ידי קירוב מגנט בר לחומר, למשל - התחומים מתחילים להתיישר. מתי את כל מהתחומים מיושרים, כל פיסת החומר מכילה למעשה תחום יחיד ו מתפתח שני קטבים, הנקראים בדרך כלל צפון ודרום (אם כי גם חיובי ושלילי עשוי להיות בשימוש).

בחומרים פרומגנטיים, יישור זה נמשך גם כאשר מסירים את השדה החיצוני, אך באחרים סוגי חומר (חומרים פרמגנטיים), המאפיינים המגנטיים הולכים לאיבוד כאשר השדה החיצוני נמצא הוסר.

המאפיינים המגדירים של מגנטים הם שהם מושכים חומרים מסוימים וקטבים מנוגדים של מגנטים אחרים, ודוחים כמו מוטות של מגנטים אחרים. כך שאם יש לכם שני מגנטים של בר קבוע, דחיפה של שני עמודי צפון (או דרום) יחד מייצרת כוח דוחה, שמתחזק ככל שמתקרבים שני הקצוות. אם אתה מקרב שני קטבים מנוגדים (צפון ודרום) יש כוח מושך ביניהם. ככל שאתה מקרב אותם, כוח זה חזק יותר.

חומרים פרומגנטיים - כמו ברזל, ניקל וקובלט - או סגסוגות המכילות אותם (כגון פלדה) נמשכים למגנטים קבועים, גם אם אינם מייצרים שדה מגנטי משל עצמם. הם רק נִמשָׁך למגנטים, אם כי, והם לא יידחקו אלא אם כן הם יתחילו לייצר שדה מגנטי משלהם. חומרים אחרים, כגון אלומיניום, עץ וקרמיקה, אינם נמשכים למגנטים.

מגנט קבוע ואלקטרומגנט שונים לגמרי. אלקטרומגנטים כרוכים בחשמל בצורה ברורה יותר והם נוצרים בעצם על ידי תנועת אלקטרונים דרך חוט או מוליך חשמלי. כמו ביצירת תחומים מגנטיים, תנועת האלקטרונים דרך חוט מייצרת שדה מגנטי. צורת השדה תלויה בכיוון אליו עוברים האלקטרונים - אם אתה מכוון את אגודל יד ימין לכיוון הזרם, אצבעותיך מסתלסלות לכיוון שדה.

כדי לייצר אלקטרומגנט פשוט, חוט חשמל מפותל סביב ליבה מרכזית, בדרך כלל עשויה מברזל. כאשר זרם זורם דרך החוט, שעובר במעגלים סביב הליבה, נוצר שדה מגנטי העובר לאורך הציר המרכזי של הסליל. שדה זה קיים ללא קשר לשאלה אם יש לך גרעין או לא, אך עם ליבת ברזל, השדה מיישר את התחומים בחומר הפרומגנטי ובכך מתחזק.

כאשר זרם החשמל נעצר, האלקטרונים הטעונים מפסיקים לנוע סביב סליל החוט והשדה המגנטי נעלם.

אלקטרומגנטים ומגנטים הם בעלי מאפייני מפתח זהים. ההבחנה בין מגנט קבוע לאלקטרומגנט היא בעצם דרך יצירת השדה, ולא מאפייני השדה לאחר מכן. כך שלאלקטרומגנטים יש עדיין שני קטבים, עדיין מושכים חומרים פרומגנטיים, ועדיין יש קטבים שדוחים אחרים כמו קטבים ומושכים בניגוד לקטבים. ההבדל הוא שהמטען הנע במגנטים קבועים נוצר על ידי תנועת אלקטרונים פנימה אטומים, ואילו באלקטרומגנטים הוא נוצר על ידי תנועת אלקטרונים כחלק מחשמל נוֹכְחִי.

לאלקטרומגנטים יתרונות רבים. מכיוון שהשדה המגנטי מיוצר על ידי הזרם, ניתן לשנות את מאפייניו על ידי שינוי הזרם. לדוגמא, הגדלת הזרם מגדילה את חוזק השדה המגנטי. באופן דומה, ניתן להשתמש בזרם חילופין (חשמל AC) כדי לייצר שדה מגנטי המשתנה כל הזמן, באמצעותו ניתן להניע זרם במוליך אחר.

עבור יישומים כמו מנופים מגנטיים בחצרות גרוטאות מתכת, היתרון הגדול של אלקטרומגנטים הוא שניתן לכבות את השדה בקלות. אם בחרת חתיכת גרוטאות עם מגנט קבוע גדול, הסרתה מהמגנט תהיה אתגר לא קטן! בעזרת אלקטרומגנט כל שעליכם לעשות הוא לעצור את זרימת הזרם וגרוטאות המתכת יירדו.

חוקי האלקטרומגנטיות מתוארים בחוקי מקסוול. אלה נכתבים בשפה של חשבון וקטורי ודורשים שימוש במתמטיקה מסובכת למדי. עם זאת, ניתן להבין את יסודות הכללים הנוגעים למגנטיות מבלי להתעמק במתמטיקה המסובכת.

החוק הראשון הנוגע למגנטיות נקרא "אין חוק מונופול". זה בעצם קובע שלכל המגנטים יש שני קטבים, ולעולם לא יהיה מגנט עם מוט אחד. במילים אחרות, אינך יכול לקבל קוטב צפוני של מגנט ללא קוטב דרומי, ולהיפך.

החוק השני המתייחס למגנטיות נקרא חוק פאראדיי. זה מתאר את תהליך האינדוקציה, שבו שדה מגנטי משתנה (המיוצר על ידי אלקטרומגנט עם זרם משתנה או על ידי מגנט קבוע נע) גורם למתח (וזרם חשמלי) בקרבה מנצח.

החוק הסופי המתייחס למגנטיות נקרא חוק אמפר-מקסוול, וזה מתאר כיצד שדה חשמלי משתנה מייצר שדה מגנטי. עוצמת השדה קשורה לזרם העובר באזור ולקצב השינוי של השדה החשמלי (המיוצר על ידי מובילי מטען חשמליים כמו פרוטונים ואלקטרונים). זה החוק שאתה משתמש בו כדי לחשב שדה מגנטי במקרים פשוטים יותר, למשל עבור סליל חוט או חוט ישר ארוך.