שדה חשמלי ומגנטי: מהם ההבדלים?

המונח "שדה" ברוסית פירושו שטח גדול מאוד של הרכב אחיד, למשל חיטה או תפוח אדמה.

בפיזיקה והנדסת חשמל משתמשים בו לתיאור סוגים שונים של חומר, למשל אלקטרומגנטי, המורכב ממרכיבים חשמליים ומגנטיים.

מטען חשמלי קשור לצורות אלה של חומר. כשהוא נייח תמיד יש סביבו שדה חשמלי וכשהוא זז נוצר גם שדה מגנטי.

הרעיון של האדם לגבי אופי השדה החשמלי (ליתר דיוק, אלקטרוסטטי) נוצר על בסיס מחקרים ניסיוניים של תכונותיו, שכן עדיין אין שיטת מחקר אחרת. בשיטה זו, נמצא כי הוא פועל על מטענים חשמליים נעים ו/או נייחים בכוח מסוים. על ידי מדידת ערכו, מוערכים המאפיינים התפעוליים העיקריים.

שדה חשמלי

נוצר:

• סביב מטענים חשמליים (גופים או חלקיקים);

• עם שינויים בשדה המגנטי, כגון המתרחשים במהלך תנועה גלים אלקטרומגנטיים. 

הוא מתואר בקווי כוח, שבדרך כלל מוצגים כנובעים ממטענים חיוביים ומסתיימים במטענים שליליים. מטענים הם אפוא מקורות לשדה חשמלי. על ידי פעולה לפיהם תוכל:

• זיהוי נוכחות של שדה;

• הזן ערך מכויל כדי למדוד את ערכו.

לשימוש מעשי, כוח מאפיין מה שנקרא מתח, אשר מוערך על ידי הפעולה על מטען יחיד עם סימן חיובי.

שדה מגנטי

פועל על:

• גופים ומטענים חשמליים בתנועה במאמץ מובהק;

• רגעים מגנטיים מבלי להתחשב במצבי התנועה שלהם.

השדה המגנטי נוצר:

• מעבר זרם של חלקיקים טעונים;

• על ידי סיכום המומנטים המגנטיים של אלקטרונים בתוך אטומים או חלקיקים אחרים;

• עם שינוי זמני בשדה החשמלי.

הוא מתואר גם בקווי כוח, אבל הם סגורים לאורך קו המתאר, אין להם התחלה וסוף, בניגוד לאלה החשמליים.

אינטראקציה של שדות חשמליים ומגנטיים

ההצדקה התיאורטית והמתמטית הראשונה של התהליכים המתרחשים בשדה האלקטרומגנטי בוצעה על ידי ג'יימס קלרק מקסוול. הוא הציג מערכת של משוואות של צורות דיפרנציאליות ואינטגרליות שבהן הראה את הקשר של השדה האלקטרומגנטי למטענים חשמליים ולזרמים הזורמים במדיה מתמשכת או בוואקום.

בעבודתו הוא משתמש בחוקים:

• אמפר, המתאר את זרימת הזרם דרך חוט ויצירת אינדוקציה מגנטית סביבו;

• פאראדיי, מסביר את התרחשות זרם חשמלי מפעולת שדה מגנטי לסירוגין על מוליך סגור.

עבודותיו של מקסוול קבעו את היחסים המדויקים בין ביטויי שדות חשמליים ומגנטיים בהתאם למטענים המופצים בחלל.

זמן רב חלף מאז פרסום יצירותיו של מקסוול. מדענים חוקרים כל הזמן את הביטויים של עובדות ניסויות בין שדות חשמליים ומגנטיים, אבל אפילו עכשיו קשה לקבוע את טבעם. התוצאות מוגבלות ליישומים מעשיים גרידא של התופעות הנידונות.

זה מוסבר בכך שעם רמת הידע שלנו אנחנו יכולים לבנות רק השערות, שכן בינתיים אנחנו יכולים רק להניח משהו, הרי לטבע יש תכונות בלתי נדלות שעדיין צריך ללמוד הרבה ולאורך זמן.

מאפיינים השוואתיים של שדות חשמליים ומגנטיים

מקורות חינוך

הקשר ההדדי בין שדות החשמל והמגנטיות עוזר להבין את העובדה הברורה: הם אינם מבודדים, אלא מחוברים, אך הם יכולים להתבטא בדרכים שונות, המייצגים ישות אחת - שדה אלקטרומגנטי.

אם נדמיין ששדה לא-הומוגני של מטען חשמלי נוצר מהחלל בנקודה מסוימת, שהוא נייח ביחס לפני השטח של כדור הארץ, אז זה לא יעבוד כדי לקבוע את השדה המגנטי סביבו במנוחה.

אם הצופה יתחיל לנוע ביחס למטען זה, אז השדה יתחיל להשתנות עם הזמן, והרכיב החשמלי כבר יצור רכיב מגנטי, אותו יכול החוקר הקבוע לראות במכשירי המדידה שלו.

באופן דומה, תופעות אלו יתרחשו כאשר מגנט נייח מונח על משטח כלשהו, ​​ויוצר שדה מגנטי. כאשר הצופה יתחיל לנוע לעברו, הוא יזהה הופעת זרם חשמלי.תהליך זה מתאר את תופעת האינדוקציה האלקטרומגנטית.

לכן, אין זה הגיוני לומר שבנקודה הנחשבת בחלל יש רק אחד משני שדות: חשמלי או מגנטי. שאלה זו חייבת להישאל ביחס למסגרת ההתייחסות:

• יַצִיב;

• זָחִיחַ.

במילים אחרות, מסגרת ההתייחסות משפיעה על ביטוי של שדות חשמליים ומגנטיים באותו אופן כמו צפייה בנופים דרך מסננים בעלי גוונים שונים. השינוי בצבע הזכוכית משפיע על תפיסתנו את התמונה הכוללת, אך גם אם ניקח כבסיס את האור הטבעי שנוצר ממעבר אור השמש באווירת האוויר, זה לא ייתן את התמונה האמיתית בכללותה, זה יעוות את זה.

המשמעות היא שמסגרת הייחוס היא אחת הדרכים לחקור את השדה האלקטרומגנטי, היא מאפשרת להעריך את תכונותיו, תצורתו. אבל זה לא באמת משנה.

מחווני שדה אלקטרומגנטי

שדה חשמלי

גופים טעונים חשמלית משמשים כאינדיקטורים המראים את נוכחותו של שדה במיקום מסוים בחלל. הם יכולים להשתמש בפיסות נייר קטנות מחושמלות, כדורים, שרוולים, "סולטאנים" כדי לצפות ברכיב החשמלי.

הבה נבחן דוגמה שבה שני כדורי מחוון ממוקמים בהשעיה חופשית משני הצדדים של דיאלקטרי מחושמל שטוח. הם יימשכו באותה מידה אל פני השטח שלו וימשכו בקו.

בשלב השני מניחים פלטת מתכת שטוחה בין אחד הכדורים לדיאלקטרי מחושמל. זה לא ישנה את הכוחות הפועלים על האינדיקטורים. הכדורים לא ישנו את מיקומם.

השלב השלישי של הניסוי קשור להארקה של יריעת המתכת. ברגע שזה קורה, כדור המחוון הממוקם בין הדיאלקטרי המחושמל למתכת המוארקת ישנה את מיקומו, וישנה את הכיוון שלו לאנכי. הוא יפסיק להימשך ללוח ויהיה נתון רק לכוחות הכבידה של כוח המשיכה.

ניסיון זה מראה שמגני מתכת מקורקעים חוסמים את התפשטותם של קווי שדה חשמליים.

שדה מגנטי

במקרה זה, האינדיקטורים יכולים להיות:

• סתימות פלדה;

• לולאה סגורה שדרכה זורם זרם חשמלי;

• מחט מגנטית (דוגמה מצפן).

עקרון ההפצה של שבבי פלדה לאורך קווי כוח מגנטיים הוא הנפוץ ביותר. הוא כלול גם בפעולת המחט המגנטית, אשר על מנת להפחית את התנגדות כוחות החיכוך, היא קבועה על נקודה חדה וכך מקבלת חופש סיבוב נוסף.

חוקים המתארים את האינטראקציות של שדות עם גופים טעונים

שדות חשמליים

עבודת הניסוי של קולומב, שבוצעה עם מטענים נקודתיים תלויים על חוט דק וארוך של קוורץ, שימשה להבהרת תמונת התהליכים המתרחשים בשדות חשמליים.

כשהביאו לידם כדור טעון, האחרון השפיע על מיקומם, ואילץ אותם לסטות בסכום מסוים. ערך זה קבוע על חוגת קנה המידה של מכשיר שתוכנן במיוחד.

בדרך זו, כוחות הפעולה ההדדית בין מטענים חשמליים, מה שנקרא אינטראקציה חשמלית, קולומב... הם מתוארים על ידי נוסחאות מתמטיות המאפשרות חישובים ראשוניים של המכשירים המעוצבים.

שדה מגנטי

זה עובד מצוין כאן חוק אמפר מבוסס על אינטראקציה של מוליך נושא זרם המוצב בתוך קווי הכוח המגנטיים.

כלל המשתמש בסידור אצבעות יד שמאל חל על כיוון הכוח הפועל על החוט נושא הזרם. ארבע האצבעות המחוברות זו לזו חייבות להיות ממוקמות בכיוון הזרם, וקווי הכוח של השדה המגנטי חייבים להיכנס לכף היד. ואז האגודל הבולט יציין את כיוון הכוח הרצוי.

גרפיקת טיסה

קווי כוח משמשים לציון אותם במישור הציור.

שדות חשמליים

כדי לציין קווי מתח במצב זה, נעשה שימוש בשדה פוטנציאלי כאשר קיימים מטענים נייחים. קו הכוח יוצא מהמטען החיובי והולך לשלילה.

דוגמה למידול שדות חשמליים היא גרסה של הנחת גבישי כינין בשמן. שיטה מודרנית יותר היא שימוש בתוכנות מחשב של מעצבים גרפיים.

הם מאפשרים לך ליצור תמונות של משטחים שווי-פוטנציאלים, להעריך את הערך המספרי של השדה החשמלי ולנתח מצבים שונים.

שדה מגנטי

לבהירות תצוגה רבה יותר, הם משתמשים בקווים האופייניים לשדה מערבולת כשהוא סגור בלולאה. הדוגמה לעיל עם קבצי פלדה ממחישה בבירור תופעה זו.

מאפייני כוח

נהוג לבטא אותם ככמויות וקטוריות שיש:

• דרך פעולה מסוימת;

• ערך כוח מחושב על ידי הנוסחה המתאימה.

שדות חשמליים

וקטור עוצמת השדה החשמלי במטען יחידה יכול להיות מיוצג בצורה של תמונה תלת מימדית.

גודלו:

• מופנה הרחק ממרכז החיוב;

• בעל ממד התלוי בשיטת החישוב;

• נקבע על ידי פעולה ללא מגע, כלומר במרחק, כיחס בין הכוח הפועל למטען.

שדה מגנטי

ניתן לראות את המתח העולה בסליל כדוגמה בתמונה הבאה.

לקווי הכוח המגנטיים שבו מכל סיבוב בחוץ יש את אותו כיוון ומצטברים. בתוך חלל הפנייה הם מכוונים הפוך. בגלל זה, השדה הפנימי נחלש.

גודל המתח מושפע מ:

• עוצמת הזרם העובר דרך הסליל;

• מספר וצפיפות הפיתולים, הקובעים את האורך הצירי של הסליל.

זרמים גבוהים יותר מגבירים את הכוח המגנטו-מוטיבי. כמו כן, בשני סלילים בעלי אותו מספר סיבובים אך בצפיפות פיתול שונה, כאשר אותו זרם זורם, כוח זה יהיה גבוה יותר במקום בו הסיבובים קרובים יותר.

לפיכך, לשדות חשמליים ומגנטיים יש הבדלים ברורים, אבל הם מרכיבים מחוברים של דבר אחד שכיח, אלקטרומגנטי.