מגנטיות: תכונות מגנטיות של חומרים, שימושים - גוּפָנִי - 2025

מגנטיות או אנרגיה מגנטית היא תנועה הטבע הקשורים בכוח מסוגל לייצר משיכה או דחייה חשמלית המון חומרים מסוימים. מגנטים הם מקורות ידועים למגנטיות.

בתוך אלה יש אינטראקציות המביאות לנוכחות שדות מגנטיים, אשר מפעילים את השפעתם על חתיכות ברזל או ניקל קטנים, למשל.

הצבעים היפים של אורות הצפון נובעים מחלקיקים קוסמיים הפולטים אנרגיה כשהם מוסחים על ידי השדה המגנטי של כדור הארץ. מקור: Pixabay.

השדה המגנטי של מגנט הופך לגלוי כאשר הוא מונח מתחת לנייר עליו מתפשטים סיגי ברזל. התיוק מכוון באופן מיידי לאורך קווי השדה ויוצר תמונה דו ממדית של השדה.

מקור ידוע נוסף הוא חוטים הנושאים זרם חשמלי; אך בניגוד למגנטים קבועים, המגנטיות נעלמת כאשר הזרם נעצר.

בכל פעם ששדה מגנטי מתרחש איפשהו, איזה סוכן היה צריך לעשות עבודה. האנרגיה המושקעת בתהליך זה מאוחסנת בשדה המגנטי שנוצר ואז יכולה להיחשב כאנרגיה מגנטית.

החישוב של כמות האנרגיה המגנטית המאוחסנת בשדה תלוי בשדה ובגיאומטריה של המכשיר או באזור בו הוא נוצר.

משרנים או סלילים הם מקומות טובים לעשות זאת, ויוצרים אנרגיה מגנטית באותו אופן בו מאוחסנת אנרגיה חשמלית בין צלחות קבל.

היסטוריה וגילוי

אפליקציות ישנות

האגדות שסיפר פליניוס על יוון העתיקה מדברות על הרועה מגנס, שלפני למעלה מ- 2000 שנה מצא מינרל מסתורי המסוגל למשוך חתיכות ברזל, אך לא חומרים אחרים. זה היה מגנטיט, תחמוצת ברזל עם תכונות מגנטיות חזקות.

הסיבה למשיכה המגנטית נותרה מוסתרת במשך מאות שנים. במקרה הטוב, זה יוחס לאירועים על טבעיים. למרות שלא מסיבה זו, נמצאו עבורה יישומים מעניינים, כמו המצפן.

המצפן שהמציאו הסינים עושה שימוש במגנטיות של כדור הארץ עצמו כדי להנחות את המשתמש במהלך הניווט.

מחקרים מדעיים ראשונים

לחקר התופעות המגנטיות הייתה התקדמות רבה בזכות ויליאם גילברט (1544 - 1603). מדען אנגלי זה מהתקופה האליזבתאנית חקר את השדה המגנטי של מגנט כדורי והסיק כי לכדור הארץ יש שדה מגנטי משלו.

ממחקר המגנטים שלו, הוא גם הבין שהוא לא יכול להשיג קטבים מגנטיים נפרדים. כאשר מגנט מחולק לשניים, למגנטים החדשים יש גם שני הקטבים.

עם זאת, זה היה בראשית המאה ה -19 כאשר מדענים הבינו את קיום הקשר בין זרם חשמלי למגנטיות.

הנס כריסטיאן אורסטד (1777 - 1851), יליד דנמרק, הרעיד בשנת 1820 את הרעיון להעביר זרם חשמלי דרך מוליך ולבחון את ההשפעה שיש לזה על מצפן. המצפן יסטה, וכשהזרם יפסיק לזרום, המצפן שוב היה מצביע צפונה כרגיל.

ניתן לאמת תופעה זו על ידי קירוב המצפן לאחד הכבלים היוצאים מהסוללה של הרכב, בזמן מתנע ההפעלה.

בזמן סגירת המעגל על ​​המחט לחוות סטיה ניתנת לצפייה, מכיוון שהסוללות של המכוניות יכולות לספק זרמים גבוהים מספיק כדי שהמצפן יסטה.

בדרך זו התברר שמטענים נעים הם אלה שמעוררים מגנטיות.

חקירות מודרניות

כמה שנים לאחר הניסויים של אורסטד, החוקר הבריטי מייקל פאראדיי (1791 - 1867) סימן ציון דרך נוסף בכך שגילה ששדות מגנטיים משתנים בתורם מולידים זרמים חשמליים.

שתי התופעות, חשמליות ומגנטיות, קשורות זו לזו זו בזו, כאשר כל אחת מולידה זו את זו. הם הורכבו על ידי תלמידו של פאראדיי, ג'יימס קלקר מקסוול (1831 - 1879), במשוואות הנושאים את שמו.

משוואות אלה מכילות ומסכמות את התיאוריה האלקטרומגנטית ותקפות גם בתוך הפיזיקה היחסותית.

תכונות מגנטיות של חומרים

מדוע חומרים מסוימים מציגים תכונות מגנטיות או רוכשים מגנטיות בקלות? אנו יודעים שהשדה המגנטי נובע ממטענים נעים, ולכן בתוך המגנט חייבים להיות זרמים חשמליים בלתי נראים המולידים מגנטיות.

כל החומר מכיל אלקטרונים המקיפים את הגרעין האטומי. ניתן להשוות את האלקטרון לכדור הארץ, שיש לו תנועה תרגומית סביב השמש וגם תנועה סיבובית בציר משלו.

הפיזיקה הקלאסית מייחסת תנועות דומות לאלקטרון, אם כי האנלוגיה אינה מדויקת לחלוטין. עם זאת, הנקודה היא ששתי התכונות של האלקטרון גורמות לו להתנהג כמו לולאה זעירה היוצרת שדה מגנטי.

זה הסיבוב של האלקטרון שתורם הכי הרבה לשדה המגנטי של האטום. באטומים עם אלקטרונים רבים הם מקובצים בזוגות ועם ספינים הפוכים. לפיכך, השדות המגנטיים שלהם מבטלים זה את זה. זה מה שקורה ברוב החומרים.

עם זאת, ישנם מינרלים ותרכובות בהם יש אלקטרון ללא זיווג. באופן זה, השדה המגנטי נטו אינו אפס. זה יוצר רגע מגנטי, וקטור שעוצמתו היא תוצר הזרם ואזור המעגל.

רגעים מגנטיים סמוכים קשורים זה בזה ויוצרים אזורים המכונים תחומים מגנטיים, בהם ספינים רבים מיושרים באותו כיוון. השדה המגנטי שהתקבל הוא חזק מאוד.

Ferromagnetism, paramagnetism and diamagnetism

חומרים בעלי איכות זו נקראים פרומגנטיים. הם מעטים: ברזל, ניקל, קובלט, גאדוליניום וכמה סגסוגות זהות.

שאר האלמנטים בטבלה המחזורית חסרים את ההשפעות המגנטיות הבולטות הללו. הם נכנסים לקטגוריה פרמטגנטית או יהלומית.

למעשה, הדיגמנטיזם הוא מאפיין של כל החומרים, אשר חווים דחייה קלה בנוכחות שדה מגנטי חיצוני. ביסמוט הוא האלמנט בעל הדיגמנטיזם המודגש ביותר.

מצד שני, פרמגנטיות מורכבת מתגובה מגנטית פחות אינטנסיבית מפרומגנטיות אך מושכת באותה מידה. חומרים פרמגנטיים הם למשל אלומיניום, אוויר וכמה תחמוצות ברזל כמו גתיט.

שימושים באנרגיה מגנטית

המגנטיות היא חלק מכוחות הטבע הבסיסיים. כיוון שבני אדם הם גם חלק ממנו, הם מותאמים לקיומם של תופעות מגנטיות, כמו גם לשאר החיים על פני כדור הארץ. לדוגמא, בעלי חיים מסוימים משתמשים בשדה המגנטי של כדור הארץ בכדי להתמצא גיאוגרפי.

למעשה, מאמינים כי ציפורים מבצעות את נדידתן הארוכה הודות לעובדה שבמוחן יש להם סוג של מצפן אורגני המאפשר להם לתפוס את השדה הגאומגנטי ולהשתמש בו.

בעוד שבני אדם חסרים מצפן כזה, יש להם במקום זאת יכולת לשנות את הסביבה בדרכים רבות יותר משאר ממלכות החיות. כך, בני המין שלנו השתמשו במגנטיות לטובתם מרגע שגילה הרועה היווני הראשון את אבן הלוד.

כמה יישומים של אנרגיה מגנטית

מאז ישנם יישומים רבים של מגנטיות. הנה כמה:

- המצפן הנ"ל, העושה שימוש בשדה הגאומגנטי של כדור הארץ בכדי להתמצא גיאוגרפי.

- מסכים ישנים לטלוויזיות, מחשבים ואוסילוסקופים, המבוססים על צינור קרן הקתודה, המשתמשים בסלילים המייצרים שדות מגנטיים. אלה אחראים על סטיה של קרן האלקטרונים כך שהיא פוגעת במקומות מסוימים על המסך, וכך נוצרת התמונה.

- ספקטרומטרים המוניים, המשמשים לחקר מולקולות מסוגים שונים ועם יישומים רבים בביוכימיה, קרימינולוגיה, אנתרופולוגיה, היסטוריה ותחומים אחרים. הם משתמשים בשדות חשמליים ומגנטיים בכדי להסיט חלקיקים טעונים במסלולי מסלול התלויים במהירות שלהם.

- הנעה מגנטו-הידרודינמית, בה כוח מגנטי מניע מטוס מי ים (מוליך טוב) לאחור, כך שעל פי החוק השלישי של ניוטון, רכב או סירה מקבלים דחף קדימה.

- הדמיית תהודה מגנטית, שיטה לא פולשנית להשיג תמונות של פנים גוף האדם. בעיקרון, הוא משתמש בשדה מגנטי אינטנסיבי מאוד ומנתח את תגובת גרעיני המימן (הפרוטונים) הקיימים ברקמות, שיש להם את התכונה האמורה של ספין.

יישומים אלה כבר הוקמו, אך בעתיד מאמינים שמגנטיות יכולה גם להילחם במחלות כמו סרטן השד, באמצעות טכניקות היפרתרמיות, המייצרות חום המושרה מגנטית.

הרעיון הוא להזריק מגנטיט נוזלי ישירות לגידול. בזכות החום המופק מהזרמים הנגרמים על ידי מגנטים, חלקיקי הברזל היו מתחממים מספיק כדי להרוס את התאים הממאירים.

יתרונות וחסרונות

כשחושבים על שימוש בסוג מסוים של אנרגיה, הוא מחייב את המרתו לסוג כלשהו של תנועה כמו למשל של טורבינה, מעלית או רכב, למשל; או שהוא הופך לאנרגיה חשמלית שמפעילה מכשיר כלשהו: טלפונים, טלוויזיות, כספומט וכדומה.

אנרגיה היא גודל בעל ביטויים מרובים שניתן לשנות בדרכים רבות. האם ניתן להגביר את האנרגיה של מגנט קטן כך שהוא ינוע ברציפות יותר מכמה מטבעות?

כדי להיות שמיש, האנרגיה חייבת להיות בעלת טווח גדול ומגיעה ממקור שופע מאוד.

אנרגיות ראשוניות ומשניות

אנרגיות כאלה נמצאות בטבע, שממנה מופקים הסוגים האחרים. הם ידועים כאנרגיות ראשוניות:

- אנרגיה סולארית.

- אנרגיה אטומית.

- אנרגיה גיאותרמית.

- אנרגיית רוח.

- אנרגיה מביומסה.

- אנרגיה מדלקים מאובנים ומינרלים.

אנרגיות משניות, כמו חשמל וחום, מופקות מאלו. איפה האנרגיה המגנטית כאן?

חשמל ומגנטיות אינם שתי תופעות נפרדות. למעשה, השניים יחד ידועים כתופעות אלקטרומגנטיות. כל עוד אחד מהם קיים, השני יתקיים.

במקום שיש אנרגיה חשמלית, תהיה אנרגיה מגנטית בצורה כלשהי. אך זוהי אנרגיה משנית, הדורשת טרנספורמציה קודמת של חלק מהאנרגיות הראשוניות.

מאפייני אנרגיות ראשוניות ומשניות

היתרונות או החסרונות של שימוש באנרגיה כלשהי נקבעים על פי קריטריונים רבים. אלה כוללים עד כמה קל וזול הייצור שלו, וגם כמה התהליך מסוגל להשפיע לרעה על הסביבה ועל האנשים.

משהו שחשוב לזכור הוא שאנרגיות מתחלפות פעמים רבות לפני שניתן יהיה להשתמש בהן.

כמה טרנספורמציות כנראה התרחשו בכדי לייצר את המגנט שידביק את רשימת הקניות לדלת המקרר? כמה לבנות מכונית חשמלית? ללא ספק מספיק.

וכמה נקייה האנרגיה המגנטית או האלקטרומגנטית? יש הסבורים כי חשיפה מתמדת לשדות אלקטרומגנטיים ממקור אנושי גורמת לבעיות בריאותיות וסביבתיות.

נכון לעכשיו קיימים קווי מחקר רבים המוקדשים לחקר השפעתם של תחומים אלה על הבריאות והסביבה, אך לפי ארגונים בינלאומיים יוקרתיים, עד כה אין עדות חותכת לכך שהם מזיקים.

דוגמאות לאנרגיה מגנטית

התקן המשמש להכיל אנרגיה מגנטית מכונה משרן. מדובר בסליל שנוצר על ידי חוט נחושת מפותל עם מספר מספק של סיבובים, והוא שימושי במעגלים רבים כדי להגביל את הזרם ולמנוע ממנו להשתנות בפתאומיות.

סליל נחושת. מקור: Pixabay.

על ידי הפצת זרם דרך סיבובי הסליל נוצר בתוכו שדה מגנטי.

אם הזרם משתנה, כך גם קווי השדה המגנטי. שינויים אלה מעוררים זרם בפניות המתנגד להם, על פי חוק הגיוס של פאראדיי-לנץ.

כאשר הזרם עולה או יורד פתאום, הסליל מתנגד לו, ולכן הוא יכול להשפיע על המעגל.

האנרגיה המגנטית של סליל

בשדה המגנטי שנוצר בנפח התוחם על ידי סיבובי הסליל, מאוחסנת האנרגיה המגנטית שתסומן כ- U _B ותלויה ב:

- עוצמת השדה המגנטי B.

- שטח חתך הסליל א '.

- אורך הסליל l.

- החדירות של הוואקום μ _o.

זה מחושב כך:

משוואה זו תקפה בכל איזור במרחב שיש שדה מגנטי. אם ידוע נפח V של אזור זה, חדירותו ועוצמת השדה, ניתן לחשב כמה אנרגיה מגנטית יש לו.

התרגיל נפתר

השדה המגנטי בתוך סליל מלא אוויר בקוטר 2.0 ס"מ ואורך 26 ס"מ הוא 0.70 ט. כמה אנרגיה נשמרת בשדה זה?

פִּתָרוֹן

הערכים המספריים מוחלפים במשוואה הקודמת, ומקפידים להמיר את הערכים ליחידות המערכת הבינלאומית.

1. Giancoli, D. 2006. פיזיקה: עקרונות עם יישומים. המהדורה השישית. אולם פרנטיס. 606-607.
2. ווילסון, JD 2011. פיזיקה 12. פירסון. 135-146.