מה גורם לעוצמות שונות במגנטים?

אנשים רבים מכירים מגנטים מכיוון שלעתים קרובות יש להם מגנטים דקורטיביים על מקרר המטבח שלהם. עם זאת, למגנטים יש מטרות מעשיות רבות מעבר לקישוט, ורבים משפיעים על חיי היומיום שלנו מבלי שנדע זאת.

יש הרבה שאלות לגבי אופן הפעולה של מגנטים, ועוד שאלות מגנטיות כלליות. עם זאת, כדי לענות על רוב השאלות הללו, ולהבין כיצד מגנטים שונים יכולים להיות שונים חוזק של שדות מגנטיים, חשוב להבין מהו שדה מגנטי ואיך זה מיוצר.

שדה מגנטי הוא כוח הפועל על חלקיק טעון, ומשוואת השלטון לאינטראקציה זו היא ה-חוק כוח לורנץ.המשוואה המלאה לכוח שלשדה חשמלי​ ​הושדה מגנטי Bעל חלקיק עם מטעןשומהירותvניתן ע"י:

זכרו את זה כי הכוחF, השדותהוב, והמהירותvכולם וקטורים, ה×הפעולה היאמוצר צולב וקטורי, לא כפל.

שדות מגנטיים מיוצרים על ידי חלקיקים טעונים נעים, המכונים לעתים קרובותזרם חשמלי. מקורות נפוצים של שדות מגנטיים מזרם חשמלי הם אלקטרומגנטים, כגון חוט פשוט, חוט בלולאה, וכמה לולאות חוט בסדרה הנקראתסולנואיד. השדה המגנטי של כדור הארץ נגרם גם על ידי הזזת חלקיקים טעונים בליבה.

עם זאת, נראה כי למגנטים האלה במקרר שלך אין זרמים או מקורות חשמל זורמים. איך אלה עובדים?

מגנט קבוע הוא חתיכתחומר פרומגנטיבעל תכונה מהותית המייצרת שדה מגנטי. האפקט הפנימי המייצר שדה מגנטי הוא ספין אלקטרונים, והיישור של ספינים אלה יוצר תחומים מגנטיים. תחומים אלה גורמים לשדה מגנטי נטו.

חומרים פרומגנטיים נוטים להיות בעלי רמה גבוהה של סדר דומיינים בצורתם הטבעית, אשר ניתן ליישר אותם לחלוטין באמצעות שדה מגנטי חיצוני. כך שמגנטים פרומגנטיים נוטים להיות מגנטיים כאשר הם נמצאים בטבע ושומרים בקלות על תכונותיהם המגנטיות.

​חומרים דיאמגנטייםדומים לחומרים פרומגנטיים ועשויים לייצר שדה מגנטי כאשר הם נמצאים בטבע, אך מגיבים בצורה שונה לשדות חיצוניים. חומר דיאמגנטי ייצר שדה מגנטי מכוון מנוגד בנוכחות שדה חיצוני. השפעה זו עשויה להגביל את חוזק המגנט הרצוי.

​חומרים פרמגנטייםמגנטיים רק בנוכחות שדה מגנטי חיצוני ומיישר, ונוטים להיות חלשים למדי.

כאמור, מגנטים קבועים מורכבים מתחומים מגנטיים שמתיישרים באופן אקראי. בתוך כל תחום, ישנה מידה מסוימת של סדר שיוצר שדה מגנטי. האינטראקציה של כל התחומים בפיסת חומר פרומגנטית אחת מייצרת אפוא את השדה המגנטי הכולל, או נטו, עבור המגנט.

אם התחומים מיושרים באופן אקראי, סביר להניח שיש שדה מגנטי קטן מאוד או אפקטיבי. עם זאת, אם שדה מגנטי חיצוני יתקרב למגנט הלא מסודר, התחומים יתחילו להתיישר. המרחק של שדה היישור לתחומים ישפיע על היישור הכללי, ועל כן על השדה המגנטי הנקי.

השארת חומר פרומגנטי בשדה מגנטי חיצוני למשך תקופה ארוכה יכולה לסייע בהשלמת ההזמנה ובהגדלת השדה המגנטי המיוצר. באופן דומה ניתן להפחית את השדה המגנטי נטו של מגנט קבוע על ידי הבאת מספר שדות מגנטיים אקראיים או מפריעים, אשר יכולים ליישר את התחומים בצורה לא נכונה ולהפחית את השדה המגנטי ברשת.

האם גודל המגנט משפיע על חוזקו? התשובה הקצרה היא כן, אך רק מכיוון שגודל המגנט אומר שישנם באופן פרופורציונלי יותר תחומים שיכולים ליישר ולייצר שדה מגנטי חזק יותר מחתיכה קטנה יותר מאותו דבר חוֹמֶר. עם זאת, אם אורך המגנט ארוך מאוד, קיים סיכוי מוגבר ששדות מגנטיים תועים יישורו לא נכון לתחומים ויקטינו את השדה המגנטי נטו.

גורם תורם נוסף שעוצמת המגנט היאטֶמפֶּרָטוּרָה. בשנת 1895, הפיזיקאי הצרפתי פייר קירי קבע כי לחומרים מגנטיים יש חיתוך טמפרטורה ובו נקודה המאפיינים המגנטיים שלהם יכולים להשתנות. באופן ספציפי, התחומים כבר אינם מתיישרים, ולכן יישור התחום בשבוע מוביל לשדה מגנטי חלש.

עבור ברזל, טמפרטורת הקירי היא סביב 1418 מעלות פרנהייט. עבור מגנטיט, זה סביב 1060 מעלות פרנהייט. שימו לב כי הטמפרטורות הללו נמוכות משמעותית מנקודות ההיתוך שלהן. לפיכך, הטמפרטורה של המגנט יכולה להשפיע על חוזקו.

קטגוריה אחרת של מגנטים הםאלקטרומגנטים, שהם בעצם מגנטים שניתן להדליק ולכבות.

האלקטרומגנט הנפוץ ביותר המשמש ביישומים תעשייתיים שונים הוא סולנואיד. סולנואיד הוא סדרת לולאות זרם, המביאות לשדה אחיד במרכז הלולאות. זאת בשל העובדה שכל לולאות זרם בודדות יוצרות שדה מגנטי מעגלי סביב החוט. על ידי הצבת מספר בסדרות, סופרפוזיציה של השדות המגנטיים יוצרת שדה ישר ואחיד במרכז הלולאות.

המשוואה לגודל של שדה מגנטי סולנואיד היא בפשטות:B = μ₀אני, איפהμ₀ היא החדירות של שטח פנוי,נהוא מספר הלולאות הנוכחיות ליחידת אורך ואניהוא הזרם שזורם דרכם. כיוון השדה המגנטי נקבע על ידי הכלל הימני וכיוון זרימת הזרם, ולכן ניתן להפוך אותו על ידי היפוך כיוון הזרם.

קל מאוד לראות כי ניתן לכוונן את כוחו של סולנואיד בשתי דרכים עיקריות. ראשית, ניתן להגדיל את הזרם דרך הסולנואיד. אמנם נראה כי ניתן להגדיל את הזרם באופן שרירותי, אך ייתכן שיש מגבלות על אספקת החשמל או על התנגדות המעגל, מה שעלול לגרום לנזק אם הזרם מוגזם.

לכן, דרך בטוחה יותר להגדיל את הכוח המגנטי של סולנואיד היא להגדיל את מספר הלולאות הנוכחיות. השדה המגנטי עולה בבירור באופן פרופורציונלי. המגבלה היחידה במקרה זה עשויה להיות כמות החוטים הזמינה, או מגבלות מרחביות אם הסולנואיד ארוך מדי בגלל מספר הלולאות הנוכחיות.

ישנם סוגים רבים של אלקטרומגנטים מלבד סולנואידים, אך לכולם יש אותו מאפיין כללי: עוצמתם פרופורציונאלית לזרימה הנוכחית.

אלקטרומגנטים נמצאים בכל מקום ויש להם שימושים רבים. דוגמה נפוצה ופשוטה מאוד לאלקטרומגנט, במיוחד סולנואיד, היא רמקול. הזרם המשתנה דרך הרמקול גורם לחוזק השדה המגנטי הסולנודי לגדול ולירידה.

כשזה קורה, מגנט אחר, במיוחד מגנט קבוע, ממוקם בקצה אחד של הסולנואיד ועל רקע משטח רוטט. כאשר שני השדות המגנטיים מושכים ודוחים עקב השדה הסולנואיד המשתנה, המשטח הרוטט נמשך ודוחף ויוצר צליל.

רמקולים איכותיים יותר משתמשים בסולנואידים איכותיים, מגנטים קבועים ומשטחים רוטטים כדי ליצור פלט סאונד באיכות גבוהה יותר.

המגנט הגדול ביותר בעולם הוא כדור הארץ עצמו! כאמור, לכדור הארץ יש שדה מגנטי אשר נובע מהזרמים שנוצרו עם ליבת האדמה. זה אמנם לא שדה מגנטי חזק מאוד ביחס להרבה מגנטים כף-יד קטנים או פעם ששימשו במאיצי חלקיקים, אך כדור הארץ עצמו הוא אחד המגנטים הגדולים ביותר שאנו מכירים!

חומר מגנטי מעניין נוסף הוא מגנטיט. מגנטיט הוא עפרת ברזל שאינו נפוץ מאוד אלא הוא המינרל בעל תכולת הברזל הגבוהה ביותר. לפעמים הוא נקרא אבן חן, בשל המאפיין הייחודי שלו שיש שדה מגנטי שתואם תמיד עם השדה המגנטי של כדור הארץ. ככזה, הוא שימש כמצפן מגנטי כבר בשנת 300 לפני הספירה.