שדה מגנטי הוא שדה פיזי בלתי נראה שנוצר על ידי העברת מטענים חשמליים, חומרים מגנטיים או החלפת שדות חשמליים, שיכולים להפעיל כוח על חומרים מגנטיים או העברת מטענים חשמליים. זהו שדה וקטורי עם גודל וכיוון, ולעתים קרובות נמדד מבחינת אינדוקציה מגנטית. השדה המגנטי סביב מגנט מושך אליו תושבי ברזל, ואילו השדה המגנטי סביב חוט נושאי זרם יכול להסיט מחט מצפן. השדה המגנטי קשור לשדה החשמלי, ושדה חשמלי משתנה יכול לייצר שדה מגנטי (משוואות מקסוול) ולהיפך, שהוא אחד מיסודות הליבה של תופעות אלקטרומגנטיות.
מקור השדה המגנטי
השדה המגנטי הוא תופעה פיזית הנגרמת כתוצאה מתנועת מטענים חשמליים או שדה חשמלי המשתנה לאורך זמן. מקורו של השדה המגנטי תמיד היה נושא חשוב למחקר עבור מדענים. זה קשור להבנתנו את העולם הפיזי וניתן להבין אותו הן ברמות המיקרוסקופיות והן במקרוסקופיות.
רמת מיקרו
שדות מגנטיים מקורם בתנועה של חלקיקים טעונים ותכונות מכניות קוונטיות ברמה המיקרוסקופית. אלקטרודינמיקה קוונטית מראה כי הסיבוב של חלקיקים טעונים מייצר רגעים מגנטיים מיקרוסקופיים. כאשר רגעים מגנטיים אלה מסודרים בחומר, החומר מציג מגנטיות מקרוסקופית. בנוסף, התנועה הכיוונית של אלקטרונים חופשיים במוליך מייצרת שדה מגנטי עוטף על פי חוק הביוט-סאברט. ברמה עמוקה יותר, השדה המגנטי הוא חלק מהשדה האלקטרומגנטי, ויחד עם השדה החשמלי הוא מהווה תיאור טנזור של השדה האלקטרומגנטי.
רמת מאקרו
שדה מגנטי הוא שדה וקטורי עם כיוון ועוצמה, וניתן לתאר את התפלגותו על ידי קווי שטף מגנטי. השדה המגנטי של כדור הארץ הוא שדה מגנטי מקרוסקופי טיפוסי, שמקורו בהסעה של סגסוגת ברזל-ניקל נוזלית בליבת כדור הארץ. באסטרופיזיקה, שדות מגנטיים מורכבים נוצרים על ידי הפרדה וסיבוב של מטעני פלזמה. בהנדסה ניתן לבנות שדות מגנטיים ספציפיים על ידי סידור סלילי סולנואידים או מגנטים קבועים. שדות מגנטיים מקרוסקופיים אלה כולם עוקבים אחר החוקים האלקטרומגנטיים הקלאסיים של משוואות מקסוול.
מהו שדה מגנטי?
יש כוח בלתי נראה אך אמיתי המסתתר בעולם סביבנו -הוא יכול לשמור מצפן שמצביע צפונה, לעשות סיבוב מוטורי חשמלי ואף להגן על החיים על כדור הארץ מפני קרינה קוסמית. הכוח הקסום הזה מגיע מהשדה המגנטי.
הגדרת שדה מגנטי
שדה מגנטי הוא שדה פיזי מיוחד הקיים סביב מגנט או נוצר כאשר זרם חשמלי עובר דרך מוליך. זה יכול להפעיל כוח על מגנטים אחרים או להעביר מטענים חשמליים.
תכונות בסיסיות של שדות מגנטיים
1. השפעה חזקה על מגנטים וזרמים חשמליים
התכונה הבולטת ביותר של שדה מגנטי היא שהוא יכול להפעיל כוח. שני מגנטים ימשכו או תדפו זה את זה כאשר הם קרובים זה לזה, חוט נושאי זרם יופעל על ידי כוח אמפר בשדה מגנטי, ומנועים וגנרטורים חשמליים יעבדו על עיקרון זה.
2. הכינות שלMאגנטField
שדות מגנטיים הם כיווניים ומתוארים בדרך כלל על ידי קווי שטף מגנטי. כיוון המשיק של קווי השטף המגנטי מציין את כיוון השדה המגנטי באותה נקודה, ואילו צפיפות קווי השטף המגנטי משקפת את חוזק השדה המגנטי. קווי השטף המגנטיים של מגנט מוט מתחילים מקוטב N וחוזרים לקוטב S.
3. סופרפוזיציה שלMאגנטFields
אם ישנם מקורות שדה מגנטיים מרובים בחלל, השדות המגנטיים שהם מייצרים יעלו זה על זה ליצירת שדה מגנטי משולב. מאפיין זה מאפשר לנו לחשב את חלוקת השדה המגנטי של מערכות אלקטרומגנטיות מורכבות.
כיצד נוצרים שדות מגנטיים?
יצירת השדה המגנטי היא תופעה חשובה בפיזיקה, הקשורה קשר הדוק לתנועת המטענים החשמליים. מקורו של השדה המגנטי ניתן לייחס לתנועה של מטענים חשמליים. בין אם מדובר בתנועה של חלקיקים מיקרוסקופיים או זרימת זרם מקרוסקופי, זה יכול לעורר שדה מגנטי.
זרם חשמלי מייצר שדה מגנטי
מַגנֶטִי שדה של זרם לינארי: שדה מגנטי נוצר סביב מוליך נושאי זרם. כיווןו עוקב אחר כלל הבורג הימני. קווי הכוח המגנטיים הם עיגולים קונצנטריים. ככל שהמוליך קרוב יותר, כך השדה המגנטי חזק יותר. נוסחת העוצמה היא b =2 πrμ 0 i.
מגנטישדה של זרם מעגלי: בדומה למגנט סרגל, השדה המגנטי של הציר המרכזי נמצא לאורך כיוון הציר, וניתן לפתור את העוצמה על ידי שילוב החוק הביוט-סאברט, המשמש לעתים קרובות למיקוד קרני אלקטרונים.
שדה מגנטי של זרם סולנואיד: כאשר הסולנואיד מופעל, השדה המגנטי הפנימי חזק ואחיד, והכיוון הוא לאורך הציר. נוסחת החוזק היא b {{0}} μ0ni. הוא נמצא בשימוש נרחב באלקטרומגנטים ובציוד אחר כדי למשוך חומרים פרומגנטיים לשליטה על מכשירים מכניים.
חומרים מגנטיים מייצרים שדות מגנטיים
טִבעִיmאגנטmאטריאליות:כדור הארץ הוא מגנט ענק, והשדה המגנטי שלו נוצר בעיקר על ידי זרם הליבה החיצוני הנוזל, הממלא תפקיד חשוב בהגירה ובהגנה ביולוגית מפני קרניים קוסמיות. מגנטיט הוא חומר מגנטי טבעי עם תופעת מגנטיזציה ספונטנית, ששימשה לניווט מצפן בימי קדם.
מְלָאכוּתִיmאגנטmאטריאליות: מגנטים קבועים כמומגנטים בורון ברזל ניאודימיום, המיוצרים על ידי סינטינג בטמפרטורה גבוהה ותהליכים אחרים כדי ליישר את הרגעים המגנטיים ולייצר שדה מגנטי יציב.
שינוי שדות חשמליים מייצרים שדות מגנטיים
מקסוול-פרדייlAW:שינוי השטף המגנטי במעגל סגור מייצר כוח אלקטרומוטיבי המושרה וזרם. השנאי משתמש בזרם המתחלף של הסליל הראשוני ליצירת שדה מגנטי משתנה, והסליל המשני גורם לכוח אלקטרומוטיבי וזרם כדי להשיג המרת מתח.
התפשטות שלeלקטרומגנטיwאבס: גלים אלקטרומגנטיים מתפשטים בחלל על ידי אינטראקציה של שדות חשמליים ומגנטיים משתנים בזמן, ומתפשטים בוואקום במהירות האור. גלי רדיו נוצרים על ידי הזרם המשתנה במהירות באנטנה המשדרת, ויוצרים שדות חשמליים ומגנטיים משתנים, אשר מקיימים אינטראקציה ומתפשטים למקומות רחוקים.
איך מודדים שדות מגנטיים?
ישנן דרכים רבות למדוד שדות מגנטיים. להלן טכניקות מדידת שדה מגנטיות נפוצות.
באמצעות מגנטומטר
מגנטומטר הוא מכשיר המשמש במיוחד למדידת חוזק שדה מגנטי. הוא מגלה את השפעת השדה המגנטי על נושאי המטען במוליך או מוליכים למחצה מוליכים למחצה, מייצר מתח אולם ביחס לחוזק השדה המגנטי, ובכך מחשבת את חוזק השדה המגנטי. המכשיר פשוט להפעלה ובעל דיוק מדידה גבוה.
באמצעות מד שטף
השטף מבוסס על חוק הפראדיי של אינדוקציה אלקטרומגנטית. זה מודד בעקיפין את השטף המגנטי על ידי איתור הכוח האלקטרומוטטיבי המושרה של הסליל ואז קובע את חלוקת השדה המגנטי. לעתים קרובות הוא משמש למדידת האחידות של השדה המגנטי, לאתר את התפלגות השדה המגנטי ולחקור את המאפיינים של חומרים מגנטיים.
אֶלֶקטרוֹןBeamDeflectionMאתוד (Sהניתן לטיפולSנואשEסביבותSuch AsLאמורים)
סטיה של קרני אלקטרונים היא שיטת מדידת שדה מגנטי בעל דיוק גבוה במעבדה. העיקרון שלו הוא להשתמש בכוח לורנץ של השדה המגנטי על האלקטרונים כדי להסיט את קרן האלקטרונים. חוזק השדה המגנטי מחושב על ידי מדידת זווית הסטייה והפרמטרים הידועים כמו מהירות האלקטרונים.
מַההםהגורמים המשפיעים על השדה המגנטי?
הגורמים המשפיעים על השדה המגנטי כוללים בעיקר את הדברים הבאים:
גורם נוכחי
גודל הזרם הוא פרופורציונלי לחוזק השדה המגנטי. כאשר הזרם בסולנואיד גדל, השדה המגנטי ויכולת הספיחה גדלים. כאשר הכיוון הנוכחי משתנה, גם כיוון השדה המגנטי משתנה, מה שיכול לשנות את כיוון הקטבים המגנטיים של האלקטרומגנט. הנתיב הנוכחי משפיע על התפלגות השדה המגנטי. זרם ישר מייצר שדות מגנטיים קונצנטריים, והזרם המעגלי מייצר שדה מגנטי לאורך הציר על הציר. כוחו קשור לזרם ולרדיוס.
חומרים מגנטיים
סוג, הצורה ומידת המגנטציה של חומרים מגנטיים ישפיעו על מאפייני השדה המגנטי שלהם. קל למגנטיות ומגנטיות של חומרים מגנטיים רכים, ולעתים קרובות משתמשים בהם בשנאים; לחומרים מגנטיים קשיחים יש כפיות גבוהות וקשה להדגמן, ומשמשים לרוב במגנטים קבועים. צורת החומר תשפיע גם על התפלגות השדה המגנטי. השדה המגנטי של מגנט מוט מרוכז בשני הקצוות, ואילו השדה המגנטי של מגנט טבעת מופץ בתוך ומחוצה לו. ככל שמידת המגנטציה גבוהה יותר, כך עוצמת השדה המגנטי גבוהה יותר. ניתן להתאים את חוזק השדה המגנטי על ידי שינוי מספר הסיבובים והזרם של סליל האלקטרומגנט כדי לענות על צרכים שונים.
גורמים חיצוניים
עליית הטמפרטורה תחליש את החומר המגנטי, ומגנטים קבועים יאבדו את המגנטיות בטמפרטורות גבוהות. שדות מגנטיים חיצוניים יפריעו לשדה המגנטי המקורי, יגדילו אותו באותו כיוון ויפחיתו אותו בכיוון ההפוך. טכנולוגיית מיגון אלקטרומגנטית משתמשת בעקרון זה. לחץ מכני יכול גם לשנות את מאפייני השדה המגנטי של חומרים מגנטיים.
כיצד אנו רואים כוחות בשדות מגנטיים?
השדה המגנטי הוא תופעה פיזית בלתי נראית הקיימת סביב מגנטים ומוליכים הנושאים חשמל. למרות שאיננו יכולים לראות את השדה המגנטי ישירות בעינינו העירומות, דרך כמה שיטות ניסוי חכמות, אנו יכולים בעקיפין "לראות" את הכוחות בשדה המגנטי ולחקור את חוקיו.
בעזרת תושבי מגנט וברזל (הדמיית קווי שדה מגנטי)
קווי שדה מגנטי הם כלי לתיאור התפלגות השדות המגנטיים ויכולים להראות באופן אינטואיטיבי את הכיוון והעוצמה של השדה המגנטי. כאשר מפזרים את קובץ הברזל סביב מגנט מוט, הם יסודרו לאורך קווי השדה המגנטי, ומצביעים מהקוטב N אל עמוד ה- S מבחוץ ומחזור ה- S לקוטב N מבפנים ויוצרים לולאה סגורה. קומות הברזל צפופות בסמוך לקטבים המגנטיים, והשדה המגנטי חזק, ואילו קומות הברזל דלילות באזור האמצעי, והשדה המגנטי חלש. תופעה זו מדגימה בצורה חיה את חוק ההפצה של השדה המגנטי.
שימו לב לאינטראקציה בין מגנטים
הכוח בין מגנטים בא לידי ביטוי כמו פולנים דוחים זה את זה ובניגוד לקטבים שמושכים זה את זה, ועוצמת הכוח עולה ככל שהמרחק יורד. דרך דינמומטר האביב ניתן לציין כי הקריאה גדלה כאשר כמו קטבים קרובים זה לזה, והקריאה פוחתת כאשר בניגוד לקוטבים קרובים זה לזה. כוח השדה המגנטי הוא וקטור, וכיווןו נמצא לאורך הקו המחבר בין הקטבים. העוצמה תלויה בחוזק המגנטיות ובמרחק.
בעזרת תנועה של זרם חשמלי בשדה מגנטי
כאשר זרם חשמלי נמצא בשדה מגנטי, הוא מופעל על ידי כוח אמפר, הניצב לכיוון הזרם והשדה המגנטי וניתן לקבוע אותו על ידי הכלל הימני. גודל כוח אמפר פרופורציונלי לזרם, לחוזק השדה המגנטי ואורך החוט. באמצעות עיקרון זה ניתן לייצר מכשירים כמו מנועים כדי להמיר אנרגיה חשמלית לאנרגיה מכנית.
יישומים מעשיים של שדות מגנטיים
בענף הכוח החשמלי:גנרטורים ושנאים משתמשים בעקרון האינדוקציה האלקטרומגנטית כדי להשיג את ההמרה ההדדית של אנרגיה חשמלית ואנרגיה מכנית.
רְפוּאִיfield:הדמיית תהודה מגנטית (MRI) משתמשת בשדות מגנטיים חזקים כדי להשיג תמונות בהבחנה גבוהה של פנים גוף האדם, מה שהופך אותו לכלי חשוב לאבחון מחלות.
בtERMS שלtRansportation:רכבות מגלב מסתמכות על הכוח הדוחה שנוצר על ידי השדה המגנטי כדי להשיג פעולה מהירה ללא מגע, מה שמפחית מאוד את אובדן החיכוך.
לְסַכֵּם
כאחד הכוחות הבסיסיים של הטבע, השדה המגנטי ממלא תפקיד חשוב החל מחלקיקים מיקרוסקופיים לסולם הקוסמי. הבנת התחומים המגנטיים לא רק עוזרת לנו לשלוט בעקרונות המדע והטכנולוגיה המודרניים, אלא גם עוזרת לנו להבין טוב יותר את העולם הפיזי בו אנו חיים. עם פיתוח מדעי חומרים וטכנולוגיית קוונטים, סיכויי היישום של שדות מגנטיים באנרגיה, רפואה, טכנולוגיית מידע ותחומים אחרים יהיו רחבים יותר.