תוֹכֶן
- מהו שדה מגנטי?
- מגנטים קבועים
- האם יש למגנטים גדולים כוח מגנטי חזק?
- מה טמפרטורת הקארי?
- אלקטרומגנטים
- שימושים באלקטרומגנטים
- עובדות מגנטיות מעניינות
אנשים רבים מכירים מגנטים מכיוון שלעתים קרובות יש להם מגנטים דקורטיביים במקרר המטבח שלהם. עם זאת, למגנטים יש מטרות מעשיות רבות מעבר לקישוט, ורבים מהם משפיעים על חיי היומיום שלנו בלי שאנו אפילו יודעים זאת.
יש הרבה שאלות לגבי אופן פעולתם של מגנטים, ושאלות מגנטיות כלליות אחרות. עם זאת, כדי לענות על מרבית השאלות הללו, ולהבין כיצד למגנטים שונים יכולים להיות חוזקות שונות של שדות מגנטיים, חשוב להבין מהו שדה מגנטי וכיצד הוא מיוצר.
מהו שדה מגנטי?
שדה מגנטי הוא כוח הפועל על חלקיק טעון, והמשוואה השלטת לאינטראקציה זו היא חוק כוח לורנץ. המשוואה המלאה לכוח של אנ שדה חשמלי ה ו שדה מגנטי ב על חלקיק בעל מטען ש ומהירות v ניתן ע"י:
vec {F} = q vec {E} + q vec {v} times vec {B}.זכור כי בגלל הכוח ו, השדות ה ו בוהמהירות v כולם וקטורים, × הפעולה היא מוצר וקטורי צולב, לא כפל.
שדות מגנטיים מיוצרים על ידי העברת חלקיקים טעונים, המכונים לעתים קרובות זרם חשמלי. מקורות נפוצים לשדות מגנטיים מזרם חשמלי הם אלקטרומגנטים, כמו חוט פשוט, חוט בלולאה, וכמה לולאות חוט בסדרה שנקראת סולנואיד. השדה המגנטי של כדור הארץ נגרם גם כתוצאה מהעברת חלקיקים טעונים בליבה.
עם זאת, נראה כי למגנטים אלה במקרר אין זרמים או מקורות כוח זורמים. איך עובדים אלה?
מגנטים קבועים
מגנט קבוע הוא חתיכה של חומר פרומגנטי שיש לו תכונה מהותית המייצרת שדה מגנטי. האפקט המהותי המייצר שדה מגנטי הוא ספין אלקטרונים, והיישור של ספינים אלו יוצר תחומים מגנטיים. תחומים אלה גורמים לשדה מגנטי נטו.
חומרים פרומגנטיים נוטים לקבל דרגה גבוהה של סדר תחום בצורתם הטבעית, אשר בקלות ניתן ליישרם לחלוטין על ידי שדה מגנטי חיצוני. לכן מגנטים פרומגנטיים נוטים להיות מגנטיים כאשר הם נמצאים בטבע ושומרים בקלות על תכונותיהם המגנטיות.
חומרים דיאמגנטיים דומים לחומרים פרומגנטיים, ועשויים לייצר שדה מגנטי כאשר הם נמצאים בטבע, אך מגיבים לשדות חיצוניים באופן שונה. חומר דימגנטי יפיק שדה מגנטי בעל אוריינטציה מנוגדת בנוכחות שדה חיצוני. אפקט זה יכול להגביל את חוזקו הרצוי של המגנט.
חומרים פרמגנטיים הם רק מגנטיים בנוכחות שדה מגנטי חיצוני מיישר, ונוטים להיות חלשים למדי.
האם יש למגנטים גדולים כוח מגנטי חזק?
כאמור, מגנטים קבועים מורכבים מתחומים מגנטיים המתיישרים באופן אקראי. בתוך כל תחום ישנה מידה מסוימת של סדר שיוצר שדה מגנטי. האינטראקציה בין כל התחומים בחתיכה אחת של חומר פרומגנטי מייצרת אפוא את השדה המגנטי הכולל, או הרשת, עבור המגנט.
אם התחומים מיושרים באופן אקראי, סביר להניח שיש שדה מגנטי קטן מאוד או אפקטיבי מאוד. עם זאת, אם קירוב שדה מגנטי חיצוני למגנט הלא מסודר, הדומיינים יתחילו להתיישר. המרחק של שדה היישור לתחומים ישפיע על היישור הכולל, ועל כן על שדה מגנטי נטו שנוצר.
השארת חומר פרומגנטי בשדה מגנטי חיצוני למשך זמן רב יכולה לעזור בהשלמת ההזמנה, ובהגדלת השדה המגנטי המיוצר. באופן דומה ניתן להפחית את השדה המגנטי נטו של מגנט קבוע על ידי הכנסת מספר שדות מגנטיים אקראיים או מפריעים, שיכולים לאשר את התחומים בצורה שגויה ולהקטין את השדה המגנטי נטו.
האם גודל המגנט משפיע על חוזקו? התשובה הקצרה היא כן, אך רק מכיוון שגודל של מגנט פירושו שיש באופן יחסי יותר תחומים שיכולים ליישר ולייצר שדה מגנטי חזק יותר מחתיכה קטנה יותר מאותו החומר. עם זאת, אם אורך המגנט הוא ארוך מאוד, יש סיכוי מוגבר ששדות מגנטיים תועים יישרו תחומים לא נכון ויפחיתו את השדה המגנטי נטו.
מה טמפרטורת הקארי?
גורם תורם נוסף שעוצמת המגנט הוא טמפרטורה. בשנת 1895 קבע הפיזיקאי הצרפתי פייר קירי כי לחומרים מגנטיים יש ניתוק טמפרטורה ובשלב זה המאפיינים המגנטיים שלהם יכולים להשתנות. באופן ספציפי, התחומים כבר אינם מתיישרים, ולכן יישור הדומיינים בשבוע מוביל לשדה מגנטי נטו חלש.
לגבי ברזל, טמפרטורת הקארי נע סביב 1418 מעלות פרנהייט. עבור מגנטיט, זה בערך 1060 מעלות פרנהייט. שימו לב כי הטמפרטורות הללו נמוכות משמעותית מנקודות ההתכה שלהן. לפיכך, הטמפרטורה של המגנט יכולה להשפיע על חוזקו.
אלקטרומגנטים
קטגוריה שונה של מגנטים הם אלקטרומגנטיםשהם למעשה מגנטים שניתן להפעיל ולכבות.
האלקטרומגנט הנפוץ ביותר שמשמש ביישומים תעשייתיים שונים הוא סולנואיד. סולנואיד הוא סדרת לולאות נוכחיות, אשר מביאות לשדה אחיד במרכז הלולאות. זה נובע מהעובדה שכל לולאות זרם אינדיבידואליות יוצרות שדה מגנטי מעגלי סביב החוט. על ידי הצבת כמה בסדרות, העל-מיקום של השדות המגנטיים יוצר שדה ישר ואחיד במרכז הלולאות.
המשוואה לגודל שדה מגנטי סולנואיד היא פשוט: B = μ0nI, איפה μ0 _ זה החדירות של שטח פנוי, _n הוא מספר הלולאות הנוכחיות לכל אורך יחידה אני הוא הזרם שזורם דרכם. כיוון השדה המגנטי נקבע על ידי כלל הימין וכיוון זרימת הזרם, ולכן ניתן להפוך אותו על ידי היפוך כיוון הזרם.
קל מאוד לראות כי ניתן להתאים את כוחו של סולנואיד בשתי דרכים ראשוניות. ראשית, ניתן להגדיל את הזרם דרך הסולנואיד. אמנם נראה כי ניתן להגדיל את הזרם באופן שרירותי, אך יתכנו מגבלות על אספקת החשמל או על התנגדות המעגל, מה שעלול לגרום לנזק אם הזרם יוטר.
לכן, דרך בטוחה יותר להגדיל את הכוח המגנטי של סולנואיד היא להגדיל את מספר הלולאות הנוכחיות. השדה המגנטי עולה באופן יחסי באופן ברור. המגבלה היחידה במקרה זה יכולה להיות כמות החוט הזמינה, או מגבלות מרחביות אם הסולנואיד ארוך מדי בגלל מספר הלולאות הנוכחיות.
ישנם סוגים רבים של אלקטרומגנטים מלבד סולנואידים, אך לכולם יש את אותו המאפיין הכללי: חוזקם פרופורציונלי לזרימת הזרם.
שימושים באלקטרומגנטים
אלקטרומגנטים הם בכל מקום ויש להם שימושים רבים. דוגמא נפוצה ופשוטה מאוד לאלקטרומגנט, במיוחד סולנואיד, היא רמקול. הזרם המשתנה דרך הרמקול גורם לחוזק השדה המגנטי הסולנואיד לעלות ולירידה.
כאשר זה קורה, מגנט אחר, במיוחד מגנט קבוע, ממוקם בקצה אחד של הסולנואיד ונגד משטח רוטט. כששני השדות המגנטיים מושכים ומודפים בגלל השדה הסולנואיד המשתנה, משטחים את פני השטח הרוטטים ויוצרים צליל.
רמקולים באיכות טובה יותר משתמשים בסולנואידים באיכות גבוהה, מגנטים קבועים ומשטחים רוטטים ליצירת פלט קול באיכות גבוהה יותר.
עובדות מגנטיות מעניינות
המגנט בגודל הגדול ביותר בעולם הוא כדור הארץ עצמו! כאמור, לכדור הארץ יש שדה מגנטי אשר נובע מהזרמים שנוצרו עם ליבת האדמה. אמנם זה לא שדה מגנטי חזק במיוחד יחסית למגנטים קטנים כף-יד קטנים או פעם ששימשו במאיצי החלקיקים, כדור הארץ עצמו הוא אחד המגנטים הגדולים ביותר שאנחנו מכירים!
חומר מגנטי מעניין נוסף הוא מגנטיט. מגנטיט הוא עפרת ברזל שאינה נפוצה מאוד, אלא היא המינרל בעל תכולת הברזל הגבוהה ביותר. לפעמים זה נקרא לודסטון, בשל התכונה הייחודית שלו שיש שדה מגנטי שתמיד מיושר עם השדה המגנטי הארצי. ככאלה, הוא שימש כמצפן מגנטי כבר בשנת 300 לפני הספירה.