נושא: מידע|חשמל ומגנטיות

חשמל ומגנטיות
הקדמה
הרכבות היפניות ידועות במהירותן הרבה ובכך שהן כמעט ואינן מרעישות או רועדות במהלך נסיעתן. בשונה מרכבות רגילות הנעות על גלגלים, רכבות אלו מורמות מעל הקרקע
מספר סנטימטרים באמצעות כוח מגנטי והן בעצם מרחפות מעל המסילה שלהן. דבר זה מסייע בהפחתת בזבוז האנרגיה שקורה כתוצאה מחיכוך הגלגלים במסילה ומאפשר
נסיעה חלקה בהרבה. במגרשים של גרוטאות ברזל ניתן למצוא מנופים אלקטרומגנטיים חזקים דיים להרים מכוניות ישנות. לכוח המגנטי ישנם שימושים רבים נוספים ביניהם
הפקת חשמל, סיוע בניווט, בדיקות וטיפולים רפואיים.
המונח "מגנטיות" נקרא על שם האי מגנזיה שבים האגאי. שם מצאו היוונים לפני למעלה מאלפיים שנה אבנים בעלות תכונות מיוחדות, אבנים המסוגלות למשוך ברזל.
בשיעור על אלקטרוסטאטיקה דיברנו בעיקר על מטענים נייחים. בדף הזה נדבר על מטענים ניידים (זרם חשמלי), מגנטיות והקשר ביניהם.

רכבת "קליע" יפנית

שדה מגנטי
שדה מגנטי הוא שדה כוח הנוצר כל אימת שחלקיק טעון נמצא בתנועה. כאשר זרם עובר בתיל חשמלי, סביבו קיים שדה מגנטי. עוצמת השדה המגנטי תלויה בעוצמת הזרם בתיל
ובמרחק ממנו


אם ניקח תיל חשמלי, נכופף אותו לכדי לולאה (או שתיים...) ונזרים בו זרם חשמלי, השדה המגנטי שייווצר ייראה כך:

השדה המגנטי השקול נוצר כתוצאה מסכימת קווי השדה בנקודה מסוימת. ניתן להבחין כי באזור פנים הלולאה קווי השדה ניצבים אליה. אם ניקח יותר לולאות, קווי השדה המגנטי יראו כך:

כוח מגנטי
בדומה לשדה חשמלי, גם שדה מגנטי מפעיל כוח על חלקיק טעון, אולם הוא לא מפעיל כוח על חלקיק טעון הנמצא במנוחה. על מנת שחלקיק טעון יחוש כוח המופעל עליו, הוא צריך
להיות בתנועה. כוח מגנטי על חלקיק תלוי בגודל מהירותו,
כיוונו, במטען החלקיק ובעוצמת השדה המגנטי באזור בו הוא נמצא. כוח על חלקיק טעון הנע בשדה מגנטי נתון בנוסחא הבאה:

כפי שציינתי, הכוח הפועל על חלקיק, תלוי בכיוון תנועתו. החלקיק לא יחוש כוח עליו אם כיוון תנועתו יהיה במקביל לשדה המגנטי, אך הוא כן יחוש כוח אם כיוון תנועתו יהיה ניצב
לכיוון תנועת השדה. כיוון הכוח אותו יחוש יהיה ניצב גם לכיוון השדה המגנטי וגם לכיוון שאליו החלקיק נע. הביטו בתרשים הבא:

על חלקיק בעל מטען q הנע במהירות V בכיוון ציר (y), בתוך שדה מגנטי B בכיוון ציר (z), פועל כוח F בכיוון ציר (x). בתרשים, צירים x, y ו- z ניצבים אחד לשני
(ציר x "יוצא" מהמסך). חשוב לציין כי במקרה זה המטען הוא חיובי. אם היה בתרשים מטען שלילי אז כיוון הכוח היה מתהפך ("נכנס" למסך). הדרך לזכור את כיוון הכוח הפועל על
חלקיק היא לפי כלל יד ימין: קחו את יד ימין והפנו את ארבע אצבעותיכם לכיוון המהירות ואת כף ידכם לכיוון קווי השדה המגנטי. מתחו את אגודלכם, הכיוון שאליו הוא מצביע הוא כיוון
הכוח. לא לשכוח שאם החלקיק שלילי, כיוון הכוח מתהפך.

תוכלו לצפות בסרטון הבא המתאר תנועה של חלקיק טעון בשדה מגנטי:
http://www.youtube.com/watch?v=a2_wU...eature=related
החלקיק בסרטון נע בתנועה מעגלית כיוון שכיוון הכוח בשדה מגנטי תמיד ניצב לכיוון המהירות, כאשר יופעל כוח על החלקיק, הוא ישנה את כיוונו וגם כיוון הכוח ישתנה בהתאם
"לשמור על ניצבות", כך תנועת החלקיק תהיה מעגלית.
אנו יודעים כי שדה מגנטי נוצר כתוצאה ממטענים בתנועה. כיצד יוצר מגנט את השדה המגנטי סביבו ? במידע אלקטרוסטאטיקה(תוכלו ליראות כמה דפים למטה) דיברנו על מבנה האטום וציינו כי האטום מורכב
מגרעין שסביבו חגים אלקטרונים.
כל אלקטרון המסתובב סביב הגרעין מתנהג כמו לולאת זרם זעירה המפיקה שדה מגנטי חלש מאוד. ברוב החומרים, האטומים אינם מסודרים מבחינה זו שלכל אלקטרון ישנו מסלול
בכיוון שונה. במצב כזה, השדות המגנטיים שנוצרים כתוצאה מתנועת האלקטרונים, מבטלים זה את זה. מגנט נוצר כאשר בחומר לרוב האלקטרונים מסלול בכיוון דומה. במצב כזה,
השדות המגנטיים הקטנים מסתכמים לכדי שדה מגנטי משמעותי.
בתרשים הבא תוכלו לראות חומר ממוגנט וחומר לא ממוגנט. החיצים מציינים את כיוון השדה המגנטי שיוצרים האלקטרונים המסתובבים (זכרו כי כיוון השדה המגנטי של אלקטרון
ניצב לשטח בו הוא סובב):

לחומר ממוגנט ישנם שני קטבים (צפון ודרום) המציינים את כיוון קווי השדה המגנטי. קווי השדה הם קווים סגורים שממשיכים גם מחוץ למגנט. תזכורת:

אם נקרב קוטב צפוני של מגנט אחד לקוטב דרומי של מגנט שני, הם ימשכו אחד את השני. קווי השדה שבקרבת הקוטב הדרומי של המגנט השני יפעילו כוח על האלקטרונים
שבאזור הקוטב הצפוני לכיוון המגנט ולהיפך.
דרך פשוטה להמיר אנרגיה חשמלית לאנרגית תנועה היא באמצעות שדה מגנטי. על חלקיקים בתנועה הנמצאים בשדה מגנטי פועל כוח. הדבר נכון גם לגבי חלקיקים הנעים
בתוך חומרים מוליכי זרם חשמלי. כוח המופעל על אלקטרון הנע בתיל מוליך יגרום להזזת המוליך עצמו. מנוע חשמלי בבסיסו הוא לולאת תיל מוליך הנמצאת בשדה מגנטי
ומועבר בה זרם חשמלי.
בסרטון הבא תוכלו לראות סימולציה של מנוע חשמלי. שימו לב לכיוון השדה המגנטי, לכיוון הזרם ולכוח הפועל על לולאת התיל המוליך:
http://www.youtube.com/watch?v=Xi7o8...eature=related