- שדה מגנטי בפיזיקה
- ג
- מוטות של מגנט
- מקורות
- מינרלים ואלקטרומגנטים מגנטיים
- כוח מגנטי על מטען נע
- כיצד נוצר שדה מגנטי?
- סוגים
- החוק של ביוט-סווארט
- דוגמאות
- שדה מגנטי המיוצר על ידי חוט ישר מאוד ארוך
- שדה שנוצר על ידי סליל הלמהולץ
- הפניות
השדה המגנטי הוא ההשפעה כי מטענים חשמליים הנעים יש על השטח המקיף אותם. למטענים יש תמיד שדה חשמלי, אך רק אלה שנמצאים בתנועה יכולים ליצור אפקטים מגנטיים.
קיומה של מגנטיות ידוע זה זמן רב. היוונים הקדמונים תיארו מינרל שמסוגל למשוך אליו חתיכות ברזל קטנות: זה היה אבן הלוד או המגנטיט.
איור 1. מדגם מגנטיט. מקור: Wikimedia Commons. Rojinegro81.
חכמים תאלס ממילטוס ואפלטון היו עסוקים ברישום אפקטים מגנטיים בכתיביהם; אגב, הם גם הכירו חשמל סטטי.
אולם המגנטיות לא נקשרה לחשמל עד המאה ה -19, אז הנס כריסטיאן אורסטד צפה כי המצפן סטה בסביבתו של חוט מוליך שנשא זרם.
כיום אנו יודעים כי חשמל ומגנטיות הם, כביכול, שני צדדים של אותו מטבע.
שדה מגנטי בפיזיקה
בפיזיקה, המונח שדה מגנטי הוא כמות וקטורית, עם מודולוס (ערכו המספרי), כיוון בחלל ותחושה. יש לו גם שתי משמעויות. הראשונה היא אינדוקציה מגנטית המכונית לעתים וקטור, ומופיעה באמצעות B .
היחידה של B במערכת היחידות הבינלאומית היא הטסלה, המקוצרת T. הכמות האחרת הנקראת גם השדה המגנטי היא H , הידועה גם כ עוצמת השדה המגנטי והיחידה שלה היא אמפר / מטר.
שני הכמויות הם פרופורציונאליים, אך הם מוגדרים בדרך זו לקחת בחשבון את ההשפעות שיש לחומרים מגנטיים על השדות העוברים דרכם.
אם ממוקם חומר באמצע שדה מגנטי חיצוני, השדה שהתקבל יהיה תלוי בזה וגם בתגובה המגנטית של החומר עצמו. לכן B ו- H קשורים ל:
B = μ m H
הנה μ m הוא קבוע כי תלוי בחומר ויש לו יחידות מתאימות כך שכאשר הכפלת H התוצאה היא טסלה.
ג
השדה המגנטי הוא גודל וקטורי, ולכן יש לו גודל, כיוון וחוש.
היחידה של השדה המגנטי B במערכת הבינלאומית היא הטסלה, המקוצרת כ- T ואילו H הוא אמפר / מטר. יחידות אחרות המופיעות לעיתים קרובות בספרות הן הגאוס (G) והמונחות.
קווי שדה מגנטיים הם תמיד לולאות סגורות, משאירים קוטב צפוני ונכנסים לקוטב הדרומי. השדה תמיד משיק לקווים.
-הקטבים המגנטיים מוצגים תמיד בזוג צפון-דרום. לא ניתן לקבל עמוד מגנטי מבודד.
זה תמיד מקורו בתנועת מטענים חשמליים.
העוצמה היא פרופורציונאלית לגודל העומס או לזרם המייצר אותו.
עוצמת השדה המגנטי פוחתת עם ההיפוך של ריבוע המרחק.
-שדות מגנטיים יכולים להיות קבועים או משתנים, הן בזמן והן במרחב.
שדה מגנטי מסוגל להפעיל כוח מגנטי על מטען נע או על חוט הנושא זרם.
מוטות של מגנט
למגנט מוט תמיד יש שני קטבים מגנטיים: הקוטב הצפוני והקוטב הדרומי. קל מאוד לאמת שקטבים מאותו שלט דוחים, בעוד שקטעים מסוגים שונים מושכים אותם.
זה די דומה למה שקורה עם מטענים חשמליים. ניתן גם להבחין שככל שהם קרובים יותר, כך הכוח איתם הם מושכים או דוחים זה את זה גדול יותר.
למגנטים לבר יש דפוס ייחודי של קווי שדה. הם עקומות חדים, עוזבים את הקוטב הצפוני ונכנסים לקוטב הדרומי.
איור 2. קווי שדה מגנטיים של מגנט מוט. מקור: Wikimedia Commons.
ניסוי פשוט להסתכל על קווים אלו הוא לפזר סיגי ברזל על גבי דף נייר ולהניח מגנט מוט מתחת.
עוצמת השדה המגנטי ניתנת כפונקציה של צפיפות קווי השדה. אלה תמיד צפופים ביותר ליד הקטבים, והם מתפשטים ככל שאנחנו מתרחקים מהמגנט.
המגנט ידוע גם כדיפול מגנטי, בו שני הקטבים הם בדיוק הקטבים המגנטיים הצפוניים והדרומיים.
אך לעולם אי אפשר להפריד ביניהם. אם חותכים את המגנט לשניים, מקבלים שני מגנטים, כל אחד עם הקטבים הצפוניים והדרומיים שלו. מוטות מבודדים נקראים מונופולים מגנטיים, אך עד כה אף אחד מהם לא היה מבודד.
מקורות
אפשר לדבר על מקורות שונים של שדה מגנטי. הם נעים בין מינרלים מגנטיים, דרך כדור הארץ עצמו, שמתנהג כמו מגנט גדול, ועד אלקטרומגנטים.
אבל האמת היא שלכל שדה מגנטי מקורו בתנועה של חלקיקים טעונים.
בהמשך נראה כי המקור הקדמון של כל המגנטיות שוכן בזרמים הזעירים שבתוך האטום, בעיקר אלה המיוצרים עקב תנועות האלקטרונים סביב הגרעין וההשפעות הקוונטיות הקיימות באטום.
עם זאת, באשר למוצאו המאקרוסקופי, ניתן לחשוב על מקורות טבעיים ומקורות מלאכותיים.
מקורות טבעיים באופן עקרוני אינם "מכבים", הם מגנטים קבועים, אולם יש לקחת בחשבון כי החום משמיד את המגנטיות של החומרים.
באשר למקורות מלאכותיים, ניתן לדכא את האפקט המגנטי ולשלוט בו. לכן יש לנו:
-מגנטים ממקור טבעי, עשויים מינרלים מגנטיים כמו מגנטיט ומגממיט, שניהם תחמוצות ברזל, למשל.
-זרמים חשמליים ואלקטרומגנטים.
מינרלים ואלקטרומגנטים מגנטיים
בטבע ישנם תרכובות שונות המציגות תכונות מגנטיות ראויות לציון. הם מסוגלים למשוך חתיכות ברזל וניקל, למשל, כמו גם מגנטים אחרים.
תחמוצות הברזל שהוזכרו, כמו מגנטיט ומגממיט, הן דוגמאות לסוג חומרים זה.
רגישות מגנטית היא הפרמטר המשמש לכימות התכונות המגנטיות של סלעים. סלעים דלקתיים בסיסיים הם אלה עם הרגישות הגבוהה ביותר, בגלל התוכן הגבוה שלהם של מגנטיט.
מצד שני, כל עוד יש לך חוט הנושא זרם, יהיה שדה מגנטי קשור. כאן יש לנו דרך נוספת לייצר שדה, שבמקרה זה, הוא לוקח צורה של עיגולים קונצנטריים עם החוט.
כיוון התנועה של השדה ניתן על ידי כלל האגודל הימני. כאשר אגודל כף יד ימין מצביע על כיוון הזרם, ארבע האצבעות שנותרו יציינו את הכיוון בו קווי השדה כפופים.
איור 3. כלל אצבע ימין כדי לקבל את הכיוון ואת התחושה של השדה המגנטי. מקור: Wikimedia Commons.
אלקטרומגנט הוא מכשיר המייצר מגנטיות מזרמים חשמליים. יש לו את היתרון של היכולת להדליק ולכבות כרצונו. כאשר הזרם נפסק, השדה המגנטי נעלם. בנוסף ניתן לשלוט על עוצמת השדה.
אלקטרומגנטים הם חלק ממכשירים שונים, כולל רמקולים, כוננים קשיחים, מנועים וממסרים, בין היתר.
כוח מגנטי על מטען נע
ניתן לאמת את קיומו של שדה מגנטי B באמצעות מטען חשמלי לבדיקה - שנקרא q- וזה שזוז במהירות v . לשם כך נשללת נוכחות שדות חשמליים וכבידה, לפחות כרגע.
במקרה כזה, הכוח שחווה המטען q, שמסומן כ- F B , נובע כולו מהשפעת השדה. מבחינה איכותית, הדברים הבאים נצפים:
-הגודל של F B פרופורציונאלי ל- q ומהירות v.
-אם v מקביל לווקטור השדה המגנטי, גודל F B הוא אפס.
-הכוח המגנטי ניצב הן ל- v והן ל- B.
בסופו של דבר, גודל הכוח המגנטי פרופורציונלי לחטא θ, כאשר θ הוא הזווית בין וקטור המהירות לבין וקטור השדה המגנטי.
כל האמור לעיל תקף לחיובים חיוביים ושליליים כאחד. ההבדל היחיד הוא שהכיוון של הכוח המגנטי הפוך.
תצפיות אלה מסכימות עם התוצר הווקטורי בין שני וקטורים, כך שהכוח המגנטי שחווה מטען נקודה q, הנע במהירות V באמצע שדה מגנטי הוא:
F B = q v x B
שהמודול שלו הוא:
איור 4. איור 4. מימין של הכוח המגנטי על מטען נקודה חיובי. מקור: Wikimedia Commons.
כיצד נוצר שדה מגנטי?
ישנן מספר דרכים, למשל:
על ידי מגנטציה של חומר מתאים.
- העברת זרם חשמלי דרך חוט מוליך.
אך מקורו של המגנטיות בחומר מוסבר על ידי זכירתו שהוא חייב להיות קשור לתנועת המטענים.
אלקטרון המקיף את הגרעין הוא למעשה מעגל זרם סגור זעיר, אך הוא מסוגל לתרום באופן משמעותי למגנטיות האטום. יש הרבה מאוד אלקטרונים בפיסת חומר מגנטי.
תרומה זו למגנטיות האטום נקראת הרגע המגנטי המסלול. אבל יש יותר, מכיוון שהתרגום אינו התנועה היחידה של האלקטרון. יש לו גם רגע ספין מגנטי, אפקט קוונטי שהאנלוגיה שלו היא של סיבוב האלקטרון על צירו.
למעשה, הרגע המגנטי של הסחרור הוא הגורם העיקרי למגנטיות של אטום.
סוגים
השדה המגנטי מסוגל ללבוש צורות רבות, תלוי בהתפלגות הזרמים שמקורם. בתורו, זה יכול להשתנות לא רק בחלל, אלא גם בזמן, או שניהם בו זמנית.
בסביבת הקטבים של אלקטרומגנט יש שדה קבוע בערך.
-גם בתוך סולנואיד מתקבל עוצמה גבוהה ושדה אחיד, כאשר קווי השדה מכוונים לאורך ציר הציר.
-השדה המגנטי של כדור הארץ מתקרב למדי לשדה של מגנט מוט, בעיקר בסביבת פני השטח. רחוק יותר, רוח השמש משנה את זרמי החשמל ומעוותה אותה באופן ניכר.
לחוט הנושא זרם יש שדה בצורה של עיגולים קונצנטריים עם החוט.
באשר לשאלה האם השדה יכול להשתנות לאורך זמן או לא, יש לנו:
-שדות מגנטיים סטטיים, כאשר לא גודלם או כיוונם משתנים עם הזמן. השדה של מגנט מוט הוא דוגמה טובה לסוג זה של שדה. גם אלה שמקורם בחוטים הנושאים זרמים נייחים.
-שדות משתנים לאורך זמן, אם אחד מהמאפיינים שלהם משתנה לאורך זמן. אחת הדרכים להשיג אותם היא מחולל זרם חילופין, העושים שימוש בתופעה של אינדוקציה מגנטית. הם נמצאים במכשירים רבים הנמצאים בשימוש נפוץ, למשל טלפונים סלולריים.
החוק של ביוט-סווארט
כאשר נדרש לחשב את צורת השדה המגנטי המיוצר על ידי חלוקת זרמים, ניתן לעשות שימוש בחוק ביוט-סאבארט, שהתגלה בשנת 1820 על ידי הפיזיקאים הצרפתים ז'אן מארי ביוט (1774-1862) ופליקס סבארט (1791-1841). ).
עבור כמה התפלגויות נוכחיות עם גיאומטריות פשוטות, ניתן לקבל ישירות ביטוי מתמטי עבור וקטור השדה המגנטי.
נניח שיש לנו קטע תיל באורך דיפרנציאלי dl הנושא זרם חשמלי I. כמו כן, ההנחה היא שהחוט נמצא בוואקום. השדה המגנטי המייצר תפוצה זו:
- מתמעט עם ההיפוך של ריבוע המרחק לחוט.
זה פרופורציונאלי לעוצמת הזרם I שעובר דרך החוט.
הכיוון שלו משיק להיקף הרדיוס R שמרכזו בחוט והכיוון שלו ניתן על ידי הכלל של האגודל הימני.
- μ o = 4π. 10 -7 Tm / A
- ד B הוא הפרש שדה מגנטי.
- אני עוצמת הזרם הזורם בחוט.
- r הוא המרחק בין מרכז החוט לנקודה בה תרצו למצוא את השדה.
-r הוא הווקטור שעובר מהחוט לנקודה בה ברצונך לחשב את השדה.
דוגמאות
להלן שתי דוגמאות לשדה מגנטי וביטוייו האנליטיים.
שדה מגנטי המיוצר על ידי חוט ישר מאוד ארוך
באמצעות חוק Biot-Savart ניתן להשיג את השדה המיוצר על ידי חוט מוליך דק וסופי הנושא זרם I. על ידי שילוב לאורך המוליך ולקיחת התיק המגביל בו הוא ארוך מאוד, גודל השדה תוֹצָאָה:
שדה שנוצר על ידי סליל הלמהולץ
סליל הלמהולץ מורכב משני סלילים מעגליים זהים וריכוזיים אליהם מועבר אותו זרם. הם משמשים ליצירת שדה מגנטי אחיד בערך.
איור 5. תרשים של סלילי הלמהולץ. מקור: Wikimedia Commons.
עוצמתו במרכז הסליל היא:
Y מופנה לאורך הציר הצירי. גורמי המשוואה הם:
- N מייצג את מספר סיבובי הסלילים
אני גודל הזרם
μ o הוא החדירות המגנטית של הוואקום
- R הוא רדיוס הסלילים.
הפניות
- Figueroa, D. (2005). סדרה: פיזיקה למדע והנדסה. כרך 1. קינמטיקה. נערך על ידי דאגלס פיגארואה (USB).
- עוצמת השדה המגנטי H . התאושש מ: 230nsc1.phy-astr.gsu.edu.
- Kirkpatrick, L. 2007. פיזיקה: מבט על העולם. המהדורה המקוצר השישי. לימוד Cengage.
- שדה מגנטי וכוחות מגנטיים. התאושש מ: physics.ucf.edu.
- Rex, A. 2011. יסודות הפיזיקה. פירסון.
- Serway, R., Jewett, J. (2008). פיסיקה למדע והנדסה. כרך 2. 7. למידה של אד. צ'נגז '.
- אוניברסיטת ויגו. דוגמאות למגנטיות. התאושש מ: quintans.webs.uvigo.es