מגנטיות היא סוג של תופעות פיזיקליות המתווכות על ידי שדות מגנטיים. זרמים חשמליים והמומנטים המגנטיים הבסיסיים של חלקיקים יסודיים יוצרים שדה מגנטי, הפועל על זרמים ומומנטים מגנטיים אחרים.
כל החומרים מושפעים במידה מסוימת משדה מגנטי. ההשפעה המוכרת ביותר היא על מגנטים קבועים, שיש להם מומנטים מגנטיים מתמשכים הנגרמים על ידי פרומגנטיות.
בפוסט זה נסקור:
כוחו של הכוח המגנטי
כוח מגנטי הוא הכוח המופעל על חלקיק טעון הנע בשדה מגנטי. זהו כוח המאונך למהירות החלקיק הטעון והשדה המגנטי. כוח זה מתואר על ידי משוואת כוח לורנץ, הקובעת כי הכוח (F) הפועל על מטען (q) הנע במהירות (v) בשדה מגנטי (B) ניתן על ידי המשוואה F = qvBsinθ, כאשר θ היא הזווית בין מהירות המטען לשדה המגנטי.
איך כוח מגנטי קשור לזרם חשמלי?
כוח מגנטי קשור קשר הדוק לזרם חשמלי. כאשר זרם חשמלי זורם דרך חוט, הוא יוצר שדה מגנטי סביב החוט. שדה מגנטי זה יכול להפעיל כוח על עצמים אחרים בנוכחותו. גודלו וכיוון הכוח תלויים בעוצמתו ובכיוון השדה המגנטי.
אילו חומרים מושפעים מכוח מגנטי?
כוח מגנטי יכול להשפיע על מספר רב של חומרים, כולל:
- חומרים מגנטיים כגון ברזל, פלדה וניקל
- חומרים מוליכים כגון נחושת ואלומיניום
- אלקטרונים ניידים במוליך
- חלקיקים טעונים בפלזמה
דוגמאות לכוח מגנטי בפעולה
כמה דוגמאות לכוח מגנטי בפעולה כוללות:
- מגנטים מושכים או דוחים זה את זה
- מדבקות שנדבקות למקרר או לדלת בגלל שהן מצוידות במגנט
- מוט פלדה שנמשך לעבר מגנט חזק
- חוט הנושא זרם חשמלי המוטה בשדה מגנטי
- תנועה יציבה של מחט מצפן עקב השדה המגנטי של כדור הארץ
כיצד מתואר כוח מגנטי?
כוח מגנטי מתואר באמצעות יחידות של ניוטון (N) וטסלות (T). הטסלה היא יחידת עוצמת השדה המגנטי, והיא מוגדרת ככוח הפועל על חוט הנושא זרם של אמפר אחד המוצב בשדה מגנטי אחיד של טסלה אחת. הכוח המגנטי הפועל על עצם שווה למכפלת עוצמת השדה המגנטי והמטען של העצם.
איזה סוג של שדות קשור לכוח מגנטי?
כוח מגנטי קשור לשדות אלקטרומגנטיים. שדה אלקטרומגנטי הוא סוג של שדה שנוצר על ידי נוכחות של מטענים וזרמים חשמליים. השדה המגנטי הוא מרכיב אחד של השדה האלקטרומגנטי, והוא נוצר על ידי תנועה של מטענים חשמליים.
האם כל החפצים חווים כוח מגנטי?
לא כל העצמים חווים כוח מגנטי. רק עצמים בעלי מטען נטו או נושאים זרם חשמלי יחוו כוח מגנטי. עצמים שאין להם מטען נטו ואינם נושאים זרם חשמלי לא יחוו כוח מגנטי.
מה הקשר בין כוח מגנטי למשטחים מוליכים?
כאשר משטח מוליך ממוקם בשדה מגנטי, האלקטרונים על פני השטח יחוו כוח הנובע מהשדה המגנטי. כוח זה יגרום לאלקטרונים לנוע, דבר שייצור זרם על פני השטח. הזרם, בתורו, יוצר שדה מגנטי שייצור אינטראקציה עם השדה המגנטי המקורי, ויגרום למשטח לחוות כוח.
מה הקשר בין כוח מגנטי לגודל המהירות של עצם?
הכוח המגנטי הפועל על עצם הוא פרופורציונלי לגודל המהירות של העצם. ככל שעצם נע מהר יותר, כך הכוח המגנטי יהיה חזק יותר.
ההיסטוריה המרתקת של מגנטים
- המילה "מגנט" מגיעה מהמילה הלטינית "magnes", המתייחסת לסוג מיוחד של סלע שנמצא בטורקיה על הר אידה.
- הסינים הקדמונים גילו לפני יותר מ-2,000 שנה את אבני האדמה, שהם מגנטים טבעיים העשויים מתחמוצת ברזל.
- המדען האנגלי ויליאם גילברט אישר תצפיות קודמות על תכונות המגנטים בסוף המאה ה-16, כולל קיומם של קטבים מגנטיים.
- המדען ההולנדי כריסטיאן אורסטד גילה את הקשר בין חשמל למגנטיות ב-1820.
- הפיזיקאי הצרפתי אנדרה אמפר הרחיב על עבודתו של אורסטד, חקר את הקשר בין חשמל ומגנטיות ופיתח את הרעיון של השדה המגנטי.
פיתוח מגנטים קבועים
- בשנים הראשונות של המגנטיות, חוקרים היו מעוניינים לייצר מגנטים חזקים וחזקים יותר.
- בשנות ה-1930 פיתחו חוקרים בסומיטומו סגסוגת של ברזל, אלומיניום וניקל שיצרה מגנט בעל צפיפות אנרגיה גבוהה יותר מכל חומר קודם.
- בשנות ה-1980 הציגו חוקרים באקדמיה למדעים במוסקבה סוג חדש של מגנט העשוי מתרכובת של ניאודימיום, ברזל ובור (NdFeB), שהוא המגנט החזק ביותר הקיים כיום מבחינה טכנולוגית.
- מגנטים מודרניים יכולים לייצר שדות מגנטיים בעלי חוזק של עד 52 מגה גאוס-אוירסטד (MGOe), שהוא עצום בהשוואה ל-0.5 MGOe המיוצרים על ידי אבני ריח.
תפקידם של מגנטים בייצור אנרגיה
- למגנטים תפקיד מכריע בייצור חשמל, במיוחד בייצור כוח מטורבינות רוח וסכרים הידרואלקטרים.
- מגנטים משמשים גם במנועים חשמליים, שנמצאים בכל דבר, החל ממכוניות ועד מכשירי חשמל ביתיים.
- העניין במגנטים נובע מהיכולת שלהם לייצר שדה מגנטי, שניתן להשתמש בו להפקת חשמל.
עתיד המגנטים
- מדענים חוקרים חומרים חדשים ופיתוחים במגנטיות, כולל שימוש במתכות וסגסוגות אדמה נדירות.
- הניאו מגנט הוא סוג חדש של מגנט חזק יותר מכל מגנט קודם ובעל פוטנציאל לחולל מהפכה בתחום המגנטיות.
- ככל שההבנה שלנו לגבי מגנטים תמשיך להתרחב, הם ימלאו תפקיד חשוב יותר ויותר בחברות מתקדמות מבחינה טכנולוגית.
חקר העולם המרתק של המגנטיות
מגנטיות היא תכונה שיש לחומרים מסוימים, המאפשרת להם למשוך או להדוף חומרים אחרים. סוגי המגנטיות כוללים:
- דיאמגנטיות: סוג זה של מגנטיות קיים בכל החומרים ונגרם על ידי תנועת אלקטרונים בחומר. כאשר מניחים חומר בשדה מגנטי, האלקטרונים בחומר יפיקו זרם חשמלי המנוגד לשדה המגנטי. זה גורם לאפקט דחייה חלש, שבדרך כלל אינו מורגש.
- פרמגנטיות: סוג זה של מגנטיות קיים גם בכל החומרים, אך הוא חלש בהרבה מדיאמגנטיות. בחומרים פרמגנטיים, המומנטים המגנטיים של האלקטרונים אינם מיושרים, אך ניתן ליישר אותם על ידי שדה מגנטי חיצוני. זה גורם לחומר להימשך חלש לשדה המגנטי.
- פרומגנטיות: סוג זה של מגנטיות הוא המוכר ביותר וזה מה שרוב האנשים חושבים עליו כשהם שומעים את המילה "מגנט". חומרים פרומגנטיים נמשכים מאוד למגנטים ויכולים לשמור על התכונות המגנטיות שלהם גם לאחר הסרת השדה המגנטי החיצוני. הסיבה לכך היא שהמומנטים המגנטיים של האלקטרונים בחומר מיושרים לאותו כיוון, ומייצרים שדה מגנטי חזק.
המדע שמאחורי המגנטיזם
מגנטיות נוצרת על ידי תנועה של מטענים חשמליים, כגון אלקטרונים, בחומר. ניתן לתאר את השדה המגנטי המיוצר ממטענים אלה כקבוצה של קווים היוצרים שדה מגנטי. עוצמת השדה המגנטי משתנה בהתאם למספר המטענים הקיימים ולמידת יישורם.
מבנה החומר משחק תפקיד גם בתכונותיו המגנטיות. בחומרים פרומגנטיים, למשל, המומנטים המגנטיים של המולקולות מיושרים לאותו כיוון, ומייצרים שדה מגנטי חזק. בחומרים דיאמגנטיים, המומנטים המגנטיים מכוונים באופן אקראי, וכתוצאה מכך אפקט דחייה חלש.
החשיבות של הבנת מגנטיות
מגנטיות היא תכונה חשובה של חומר שיש לה יישומים מעשיים רבים. חלק מהדרכים בהן נעשה שימוש במגנטיות כוללות:
- מנועים חשמליים וגנרטורים: מכשירים אלה משתמשים בשדות מגנטיים כדי לייצר תנועה או לייצור חשמל.
- אחסון מגנטי: שדות מגנטיים משמשים לאחסון נתונים על כוננים קשיחים וסוגים אחרים של אמצעי אחסון מגנטיים.
- הדמיה רפואית: הדמיית תהודה מגנטית (MRI) משתמשת בשדות מגנטיים כדי לייצר תמונות מפורטות של הגוף.
- ריחוף מגנטי: ניתן להשתמש בשדות מגנטיים לריחוף עצמים, שיש לו יישומים בהובלה וייצור.
הבנת המגנטיות חשובה גם למדענים ומהנדסים שעובדים עם חומרים. על ידי הבנת התכונות המגנטיות של חומר, הם יכולים לעצב חומרים בעלי תכונות מגנטיות ספציפיות עבור יישומים שונים.
חקר השדות המגנטיים בחומרים
עוצמתו של שדה מגנטי מוגדרת ביחידות של אמפר למטר (A/m). עוצמת השדה המגנטי קשורה לצפיפות השטף המגנטי, שהוא מספר קווי השדה המגנטי העוברים באזור נתון. כיוון השדה המגנטי מוגדר על ידי וקטור, המצביע לכיוון הכוח המגנטי על מטען חיובי הנע בשדה.
תפקידם של המנצחים בשדות מגנטיים
חומרים המוליכים חשמל, כמו נחושת או אלומיניום, יכולים להיות מושפעים משדות מגנטיים. כאשר זרם חשמלי זורם דרך מוליך, נוצר שדה מגנטי הניצב לכיוון זרימת הזרם. זה ידוע בתור כלל יד ימין, שבו האגודל מצביע לכיוון זרימת הזרם, והאצבעות מתפתלות לכיוון השדה המגנטי.
הסוגים הספציפיים של חומרים מגנטיים
ישנם שני סוגים ספציפיים של חומרים מגנטיים: פרומגנטיים ופראמגנטיים. לחומרים פרומגנטיים, כמו ברזל, ניקל וקובלט, יש שדה מגנטי חזק וניתן למגנט אותם. חומרים פרמגנטיים, כמו אלומיניום ופלטינה, הם בעלי שדה מגנטי חלש ואינם מתמגנטים בקלות.
האלקטרומגנט: מכשיר רב עוצמה המונע על ידי חשמל
אלקטרומגנט הוא סוג של מגנט שנוצר על ידי הזרמת זרם חשמלי דרך חוט. החוט כרוך בדרך כלל סביב ליבה העשויה מברזל או חומר מגנטי אחר. העיקרון מאחורי אלקטרומגנט הוא שכאשר זרם חשמלי זורם דרך חוט, הוא יוצר שדה מגנטי סביב החוט. על ידי עטיפה של החוט לסליל, השדה המגנטי מתחזק, והמגנט שנוצר חזק הרבה יותר ממגנט קבוע רגיל.
כיצד נשלטים אלקטרומגנטים?
ניתן לשלוט בקלות בעוצמתו של אלקטרומגנט על ידי שינוי כמות הזרם החשמלי שזורם דרכו. על ידי הגדלת או הקטנה של כמות הזרם, ניתן להחליש או לחזק את השדה המגנטי. ניתן אפילו להפוך את הקטבים של אלקטרומגנט על ידי היפוך של זרימת החשמל. זה הופך את האלקטרומגנטים לשימושיים מאוד במגוון רחב של יישומים.
מהם כמה ניסויים מהנים עם אלקטרומגנטים?
אם אתה מתעניין במדע מאחורי האלקטרומגנטים, יש הרבה ניסויים מהנים שאתה יכול לנסות בבית. הנה כמה רעיונות:
- צור אלקטרומגנט פשוט על ידי כריכת חוט סביב מסמר וחיבורו לסוללה. ראה כמה אטבים אתה יכול לאסוף עם האלקטרומגנט שלך.
- בנה מנוע פשוט באמצעות אלקטרומגנט וסוללה. על ידי היפוך הקוטביות של הסוללה, אתה יכול לגרום למנוע להסתובב בכיוון ההפוך.
- השתמש באלקטרומגנט כדי ליצור גנרטור פשוט. על ידי סיבוב סליל של חוט בתוך שדה מגנטי, אתה יכול לייצר כמות קטנה של חשמל.
בסך הכל, קיומו של אלקטרומגנטים חייב את התועלת שלו לעובדה שניתן לשלוט בהם בקלות באמצעות חשמל, מה שהופך אותו למרכיב חיוני במכשירים ויישומים רבים.
דיפולים מגנטיים: אבני הבניין של המגנטיות
דיפולים מגנטיים הם אבני הבניין הבסיסיות של מגנטיות. הם היחידה הקטנה ביותר של מגנטיות ומורכבים ממגנטים זעירים הנקראים אלקטרונים. אלקטרונים אלו נמצאים במולקולות של חומר ויש להם את היכולת ליצור שדה מגנטי. דיפול מגנטי הוא פשוט לולאה של זרם המורכבת ממטענים חיוביים ושליליים.
הפונקציה של דיפולים מגנטיים
דיפולים מגנטיים ממלאים תפקיד פעיל במבנה ובתפקוד של תרכובות רבות. הם נמצאים בדרך כלל בחוט ובמעגל האופייניים, ונוכחותם קשורה ישירות לעוצמת השדה המגנטי. עוצמת השדה המגנטי נתונה על ידי שטח הלולאה והזרם הזורם דרכה.
החשיבות של דיפולים מגנטיים במדע הרפואה
לדיפולים מגנטיים יש חשיבות רבה במדע הרפואה. הם משמשים ליצירת מגנטים זעירים שיכולים לשמש לאבחון ולטפל במצבים רפואיים שונים. השימוש בדיפולים מגנטיים במדע הרפואה נקרא הדמיית תהודה מגנטית (MRI). MRI היא טכניקה רפואית יציבה ובטוחה המשתמשת בדיפולים מגנטיים ליצירת תמונות של פנים הגוף.
סיכום
אז, מגנטי פירושו משהו שמושך או דוחה מגנט. זה כוח שקשור לחשמל ומגנטיות. אתה יכול להשתמש בו כדי להחזיק דברים על מקרר או ליצור נקודת מצפן צפונה. אז, אל תפחד להשתמש בו! זה לא כל כך מסובך כמו שזה נראה. רק תזכור את הכללים ואתה תהיה בסדר.
אני יוסט נוסלדר, המייסד של Tools Doctor, משווק תוכן ואבא. אני אוהב לנסות ציוד חדש, ויחד עם הצוות שלי אני יוצר מאמרי בלוג מעמיקים מאז 2016 כדי לעזור לקוראים הנאמנים עם כלים וטיפים ליצירה.
