מגנטיות ואלקטרומגנטיות
מגנטים טבעיים ומלאכותיים
בין עפרות הברזל שנכרות עבור התעשייה המתכתית נמצאת עפרה הנקראת עפרת ברזל מגנטית. לעפרה זו יש את התכונה למשוך אליה חפצי ברזל.
פיסת עפרת ברזל כזו נקראת מגנט טבעי, ותכונת המשיכה שהיא מפגינה היא מגנטיות.
כיום, תופעת המגנטיות נמצאת בשימוש נרחב ביותר במתקני חשמל שונים. עם זאת, עכשיו הם לא משתמשים במגנטים טבעיים, אלא במה שנקרא מלאכותי.
מגנטים מלאכותיים עשויים מפלדות מיוחדות. חתיכת פלדה כזו מתמגנטת בצורה מיוחדת, ולאחר מכן היא רוכשת תכונות מגנטיות, כלומר, היא הופכת מגנט קבוע.
הצורה של מגנטים קבועים יכולה להיות מגוונת מאוד, בהתאם לייעודם.
במגנט קבוע, רק לקטבים שלו יש כוחות כבידה. הקצה הפונה לצפון של המגנט מוסכם להיקרא מגנט הקוטב הצפוני, והקצה הפונה דרומה הוא מגנט הקוטב הדרומי. לכל מגנט קבוע שני קטבים: צפון ודרום. הקוטב הצפוני של מגנט מסומן באות C או N, הקוטב הדרומי באות Yu או S.
המגנט מושך אליו ברזל, פלדה, ברזל יצוק, ניקל, קובלט. כל הגופים האלה נקראים גופים מגנטיים. כל שאר הגופים שאינם נמשכים על ידי מגנט נקראים גופים לא מגנטיים.
מבנה המגנט. מגנטיזציה
כל גוף, כולל זה המגנטי, מורכב מהחלקיקים הקטנים ביותר - מולקולות. בניגוד למולקולות של גופים לא מגנטיים, למולקולות של גוף מגנטי יש תכונות מגנטיות, המייצגות מגנטים מולקולריים. בתוך גוף מגנטי, מגנטים מולקולריים אלו מסודרים כשציריהם בכיוונים שונים, וכתוצאה מכך הגוף עצמו אינו מפגין תכונות מגנטיות כלשהן. אבל אם המגנטים הללו ייאלצו להסתובב סביב הצירים שלהם כך שהקטבים הצפוניים שלהם יסתובבו לכיוון אחד והקטבים הדרומיים שלהם לכיוון השני, אז הגוף ירכוש תכונות מגנטיות, כלומר יהפוך למגנט.
התהליך שבו גוף מגנטי רוכש את תכונותיו של מגנט נקרא מגנטיזציה... בייצור מגנטים קבועים מגנטים מתבצע בעזרת זרם חשמלי. אבל אתה יכול למגנט את הגוף בדרך אחרת, באמצעות מגנט קבוע רגיל.
אם נחתך מגנט ישר בקו ניטרלי, אז יתקבלו שני מגנטים עצמאיים, ותישמר הקוטביות של קצוות המגנט, ובקצוות יופיעו קטבים מנוגדים המתקבלים כתוצאה מחיתוך.
ניתן לחלק כל אחד מהמגנטים שנוצרו גם לשני מגנטים, ולא משנה כמה נמשיך בחלוקה הזו, תמיד נקבל מגנטים עצמאיים עם שני קטבים. אי אפשר להשיג בר עם קוטב מגנטי אחד. דוגמה זו מאשרת את העמדה שהגוף המגנטי מורכב ממגנטים מולקולריים רבים.
גופים מגנטיים נבדלים זה מזה במידת הניידות של המגנטים המולקולריים. ישנם גופים שמתמגנטים במהירות ובאותה מידה מבוטלים במהירות. לעומת זאת, ישנם גופים המתמגנטים לאט אך שומרים על תכונותיהם המגנטיות לאורך זמן.
אז ברזל מתמגנט במהירות בפעולת מגנט חיצוני, אך באותה מהירות דה-מגנטית, כלומר הוא מאבד את תכונותיו המגנטיות כאשר מוציאים את המגנט. פלדה, לאחר שהתמגנטה, שומרת על תכונותיה המגנטיות לאורך זמן, כלומר , הוא הופך למגנט קבוע.
התכונה של הברזל למגנט ולבטל במהירות מוסברת על ידי העובדה שהמגנטים המולקולריים של הברזל הם ניידים ביותר, הם מסתובבים בקלות בהשפעת כוחות מגנטיים חיצוניים, אך באותה מהירות חוזרים למצבם הלא מוסדר הקודם כאשר הגוף הממגנט נמצא הוסר .
בברזל, לעומת זאת, חלק קטן מהמגנטים, ולאחר הסרת המגנט הקבוע, עדיין נשארים זמן מה במיקום שבו הם תפסו בזמן המגנט. לכן, לאחר מגנטיזציה, הברזל שומר על תכונות מגנטיות חלשות מאוד. זה מאושר על ידי העובדה שכאשר צלחת הברזל הוסרה מהקוטב של המגנט, לא כל הנסורת נפלה מקצהו - חלק קטן ממנה נשאר נמשך לצלחת.
התכונה של פלדה להישאר ממוגנטת לאורך זמן מוסברת בכך שהמגנטים המולקולריים של הפלדה כמעט ולא מסתובבים בכיוון הרצוי בזמן המגנט, אך הם שומרים על מיקומם היציב לאורך זמן גם לאחר הסרת הגוף הממגנט.
היכולת של גוף מגנטי להפגין תכונות מגנטיות לאחר מגנטיזציה נקראת מגנטיות שיורית.
תופעת המגנטיות השיורית נגרמת מהעובדה שבגוף מגנטי קיים כוח עיכוב כביכול השומר על המגנטים המולקולריים במיקום שהם תופסים במהלך המגנטיזציה.
בברזל, פעולת הכוח המעכב חלשה מאוד, וכתוצאה מכך הוא מתבטל במהירות ויש לו מעט מאוד מגנטיות שיורית.
התכונה של ברזל למגנט ולבטל במהירות נמצאת בשימוש נרחב ביותר בהנדסת חשמל. די לומר כי הליבות של כל אחד אלקטרומגנטיםאלה המשמשים במכשירים חשמליים עשויים מברזל מיוחד עם מגנטיות שיורית נמוכה במיוחד.
לפלדה יש כוח אחיזה גדול, שבזכותו נשמר בה תכונת המגנטיות. בגלל זה מגנטים קבועים עשויים מסגסוגות פלדה מיוחדות.
המאפיינים של מגנטים קבועים מושפעים לרעה מהלם, פגיעה ותנודות טמפרטורה פתאומיות. אם, למשל, מגנט קבוע מחומם לאדום ואז נותן לו להתקרר, אז הוא יאבד לחלוטין את התכונות המגנטיות שלו. באופן דומה, אם מכניסים מגנט קבוע לזעזועים, כוח המשיכה שלו יקטן משמעותית.
זה מוסבר בעובדה שעם חימום חזק או זעזועים מתגברים על פעולתו של כוח מעכב וכך מופרע הסידור המסודר של המגנטים המולקולריים. לכן, יש לטפל בזהירות במגנטים קבועים ובמכשירי מגנט קבוע.
קווי כוח מגנטיים. אינטראקציה של קטבים של מגנטים
מסביב לכל מגנט יש מה שנקרא שדה מגנטי.
שדה מגנטי נקרא המרחב שבו כוחות מגנטיים... השדה המגנטי של מגנט קבוע הוא אותו חלק בחלל שבו פועלים השדות של מגנט ישר והכוחות המגנטיים של מגנט זה.
הכוחות המגנטיים של השדה המגנטי פועלים בכיוונים מסוימים... כיווני הפעולה של הכוחות המגנטיים הסכימו להיקרא קווי כוח מגנטיים... מונח זה נמצא בשימוש נרחב בחקר הנדסת חשמל, אך יש לזכור אותו שקווי כוח מגנטי אינם חומריים: זהו מונח קונבנציונלי שהוצג רק כדי להקל על ההבנה של תכונות השדה המגנטי.
צורת השדה המגנטי, כלומר מיקומם של קווי השדה המגנטי בחלל תלוי בצורת המגנט עצמו.
לקווי שדה מגנטי יש מספר תכונות: הם תמיד סגורים, לעולם אינם חוצים, נוטים ללכת בדרך הקצרה ביותר ודוחים זה את זה אם הם מצביעים לאותו כיוון. מקובל בדרך כלל שקווי כוח יוצאים מהקוטב הצפוני של המגנט ולהיכנס לקוטב הדרומי שלו; בתוך המגנט, יש להם כיוון מהקוטב הדרומי לצפון.
כמו קטבים מגנטיים דוחים, בניגוד לקטבים מגנטיים מושכים.
קל לשכנע את עצמך בנכונות שתי המסקנות בפועל. קחו מצפן והביאו אליו את אחד הקטבים של מגנט ישר, למשל, הקוטב הצפוני. תראה שהחץ יפנה מיד את הקצה הדרומי שלו לקוטב הצפוני של המגנט. אם תסובב במהירות את המגנט ב-180 מעלות, המחט המגנטית תסתובב מיד ב-180 מעלות, כלומר, הקצה הצפוני שלה יפנה לקוטב הדרומי של המגנט.
אינדוקציה מגנטית. שטף מגנטי
כוח הפעולה (המשיכה) של מגנט קבוע על גוף מגנטי יורד ככל שהמרחק בין קוטב המגנט לגוף זה גדל. מגנט מציג את כוח המשיכה הגדול ביותר ישירות בקטבים שלו, כלומר בדיוק היכן שקווי הכוח המגנטי נמצאים בצפיפות הגבוהה ביותר. מתרחקים מהקוטב, צפיפות קווי הכוח יורדת, הם נמצאים לעתים רחוקות יותר ויותר, יחד עם זה, גם כוח המשיכה של המגנט נחלש.
לפיכך, כוח המשיכה של מגנט בנקודות שונות של השדה המגנטי אינו זהה ומאופיין בצפיפות קווי הכוח. כדי לאפיין את השדה המגנטי בנקודותיו השונות, מוכנסת כמות הנקראת אינדוקציה של שדה מגנטי.
האינדוקציה המגנטית של השדה שווה מספרית למספר קווי הכוח העוברים בשטח של 1 סמ"ר, הממוקמים בניצב לכיוונם.
משמעות הדבר היא שככל שצפיפות קווי השדה בנקודה נתונה בשדה גדולה יותר, כך האינדוקציה המגנטית גדולה יותר באותה נקודה.
המספר הכולל של קווי הכוח המגנטיים העוברים דרך אזור כלשהו נקרא השטף המגנטי.
השטף המגנטי מסומן באות F והוא קשור לאינדוקציה מגנטית דרך הקשר הבא:
Ф = BS,
כאשר F הוא השטף המגנטי, V הוא ההשראה המגנטית של השדה; S הוא השטח שאליו חודר שטף מגנטי נתון.
נוסחה זו תקפה רק אם השטח S מאונך לכיוון השטף המגנטי. אחרת, גודל השטף המגנטי יהיה תלוי גם בזווית שבה נמצא השטח S, ואז הנוסחה תלבש צורה מורכבת יותר.
השטף המגנטי של מגנט קבוע נקבע על ידי המספר הכולל של קווי הכוח העוברים בחתך הרוחב של המגנט.ככל שהשטף המגנטי של מגנט קבוע גדול יותר, כך המגנט הזה אטרקטיבי יותר.
השטף המגנטי של מגנט קבוע תלוי באיכות הפלדה ממנה עשוי המגנט, בגודל המגנט עצמו ובמידת המגנטות שלו.
חדירות מגנטית
התכונה של גוף לאפשר שטף מגנטי דרך עצמו נקראת חדירות מגנטית... קל יותר לשטף מגנטי לעבור באוויר מאשר דרך גוף לא מגנטי.
להיות מסוגל להשוות בין חומרים שונים לפי שלהם חדירות מגנטית, נהוג להחשיב את החדירות המגנטית של האוויר כשווה לאחדות.
הם נקראים חומרים בעלי חדירות מגנטית פחותה מאחדות דיאמגנטית... הם כוללים נחושת, עופרת, כסף וכו'.
אלומיניום, פלטינה, פח וכו'. יש להם חדירות מגנטית גדולה מעט מאחדות והם נקראים חומרים פרמגנטיים.
חומרים בעלי חדירות מגנטית גדולה בהרבה מאחד (נמדד באלפים) נקראים פרומגנטיים. אלה כוללים ניקל, קובלט, פלדה, ברזל וכו'. כל סוגי המכשירים המגנטיים והאלקטרומגנטיים וחלקים של מכונות חשמליות שונות מיוצרים מחומרים אלו וסגסוגותיהם.
עניין מעשי עבור טכנולוגיות תקשורת הן סגסוגות ברזל ניקל מיוחדות הנקראות פרמלואיד.