נגישות
headline
Error processing SSI file




השדה האלקטרומגנטי - חלק ב


הקשר בין מגנט קבוע למטען חשמלי נע


בתחילת לימודינו על תופעת המגנטיות למדנו על תופעת זו מהתבוננות וחקירה של מגנטים קבועים העשויים מחומרים ברי-מגנוט כדוגמת עופרת ברזל. מאוחר יותר למדנו כי תופעת המגנטיות מופיעה גם כאשר מטען חשמלי נמצא בתנועה. בפרק זה נמצא ונחדד את הקשר שבין שתי ההצגות הללו של תופעת המגנט. כפי שמייד נראה אלו שתי הצגות של אותה תופעה פיזיקאלית אחת.

נתחיל בתזכורת לגבי מבנה החומר. כל חומר מורכב מאטומים, שהם החלקיקים הזעירים ביותר של החומר, שאינם ניתנים יותר לחלוקה מבלי שתכונות החומר יאבדו להם. האטומים עצמם מורכבים מניוטרונים ומפרוטונים הנמצאים במנוחה בגרעין האטום ומאלקטרונים הנמצאים בתנועה מתמדת במסלול היקפי סביב הגרעין. כל אלקטרון הוא מטען חשמלי שלילי.

מכיוון שהאלקטרון הוא מטען חשמלי ומכיוון שהוא נמצא בתנועה מתמדת, אז הרי שהוא יוצר סביבו שדה מגנטי.

כעת, מבלי להיכנס לדיוקים של פיזיקה גבוהה של מבנה האטום נציג ללא הסבר את הקביעות הבאות:

1. האלקטרונים שבאטום מתפזרים על-פני מספר מסלולי הקפה שונים סביב הגרעין

2. מסלול ההקפה איננו באמת מסלול מעגלי פשוט. משום כך, הקביעה אם האלקטרון מבצע הקפה בכיוון אחד (למשל, עם כיוון השעון) או בכיוון ההפוך (נגד כיוון השעון) מתבצעת בעזרת תכונה מסוימת של תנועתו - המומנט הזוויתי

3. המומנט הזוויתי של תנועת האלקטרון סביב הגרעין יכול לקבל רק אחד משני ערכים אפשריים השווים בגודלם זה לזה, אך הפוכי סימן זה לזה

4. ברוב החומרים בטבע נמצא בכל מסלול הקפה רק זוגות של אלקטרונים, כשבכל זוג אלקטרון אחד נחשב כמבצע הקפה בכיוון השעון והאחר נגד כיוון השעון

מתוך ארבעת קביעות אלו עולה שעבור רוב החומרים בטבע האלקטרונים שבאטומים שלהם מתחלקים בין המסלולים לזוגות כאשר כל אלקטרון בזוג מייצר בתנועתו שדה מגנטי חלש ההפוך בכיוון לכיוון השדה המגנטי החלש שמייצר האלקטרון האחר בזוג. מכאן שעבור רוב החומרים בטבע, האלקטרונים שבאטום יתחלקו לזוגות שבהם מבטל כל אלקטרון את השדה המגנטי החלש שמייצר האלקטרון האחר בזוג.

לסיכום, רוב החומרים בטבע לא ייצרו מטבעם שדה מגנטי.

אבל יש חומרים בודדים, כמו עופרת ברזל, שבאטומים שלהם יש מסלולי הקפה סביב הגרעין המכילים אלקטרונים בודדים, כאלה שלא זווגו לזוגות ושלכולם אותה תכונה של מומנט זוויתי שבעטיה הם כולם מייצרים שדה מגנטי חלש באותו הכיוון. מכאן שיש חומרים שהאטומים שלהם מייצרים שדה מגנטי חלש באופן טבעי.

נשים לב שהתנועה של האלקטרון, או של כל מטען חשמלי נע אחר, יוצרת קווי שדה מגנטי מעגליים שכיוונם הוא או עם כיוון השעון או נגד כיוון השעון. כיוון התנועה של קווי השדה המגנטי שנוצר נקבע לפי כיוון התנועה של האלקטרון תוך שימוש בכלל הבורג או בכלל יד ימין.

מאחר והאלקטרון נע בתנועה מעגלית ניתן לדמות את תנועתו לזרם חשמלי הנע בכריכה מעגלית. כבר ידוע לנו שבמקרה של כריכה בודדת השדה המגנטי שנוצר הוא מהצורה הבאה,

שדה מגנטי הנוצר מכריכה מעגלית


אך העובדה שהאטומים מייצרים שדה מגנטי חלש אינה מספיקה. האטומים שבחומר יכולים להיות מוטים כל אחד לכיוון אחר, כך שכל אחד מהם ייצר שדה מגנטי בכיוון אחר. במצב ערבוביה שכזה האטומים, רובם ככולם, יבטלו אחד את השני ולא ייצרו בסיכומו של דבר שדה מגנטי מאוחד משמעותי. כפי שכבר למדנו, כדי שגוש חומר יהפוך מחומר בר-מגנוט למגנט קבוע נדרש לסדר את האטומים שבו, כך שהם יפנו לאותו הכיוון.

כשנסדר בחומר בר-מגנוט, כמו עופרת ברזל, את האטומים שבו כך שיפנו כולם באותו הכיוון נקבל שכבות מסודרות של אטומים. כשהאטומים מסודרים אחד מעל השני נקבל סליל מכל טור של אטומים בחומר. כבר ידוע לנו שבמקרה של סליל השדה המגנטי שנוצר הוא מהצורה הבאה,

שדה מגנטי הנוצר מסליל


בחומר בר-המגנוט נקבל כוורת של סלילים המקובצים יחד, כך שנוצר שדה מגנטי בעל שני קטבים בשני קצוות גוש החומר ומתקבל מגנט קבוע.

[לפרק הקודם | לפרק הבא]

[ עמוד ראשי - מגנטיות | השדה האלקטרומגנטי (חלק ב) : שטף מגנטי | חוק אמפר | חוק ביו-סבר | השדה המגנטי של תילים שונים | ההגדרה של יחידת הזרם - אמפר | הקשר בין מגנט קבוע למטען חשמלי נע | סיכום ]