השדה המגנטי של מגנט קבוע נגרם מתנועת אלקטרונים במסלוליהם באטום.

השדה המגנטי מאופיין בעוצמה. חוזק השדה המגנטי H דומה לכוח מכני. זוהי כמות וקטורית, כלומר יש לה גודל וכיוון.

ניתן לדמיין את השדה המגנטי, כלומר החלל סביב המגנט, מלא בקווים מגנטיים, הנחשבים בדרך כלל כיוצאים מהקוטב הצפוני של המגנט ונכנסים לדרום (איור 1). טנגנטים לקו מגנטי מראים את כיוון עוצמת השדה המגנטי.

עוצמת השדה המגנטי גדולה יותר כאשר הקווים המגנטיים צפופים יותר (בקטבים של מגנט או בתוך סליל נושא זרם).

השדה המגנטי ליד המוליך (או בתוך הסליל) גדול יותר, ככל שהזרם I ומספר הסיבובים ω של הסליל גדולים יותר.

עוצמת השדה המגנטי H בכל נקודה בחלל גדולה יותר, ככל שהמכפלה I∙ω גדול יותר ואורך הקו המגנטי קצר יותר:

H=(I∙ω)/l.

מהמשוואה עולה שיחידת המדידה לחוזק השדה המגנטי היא אמפר למטר (A/m).

עבור כל קו מגנטי בשדה אחיד נתון, התוצרים H1∙l1=H2∙l2=...=H∙l=I∙ω שווים (איור 1).

אוֹרֶז. 1.

המוצר H∙l במעגלים מגנטיים דומה למתח במעגלים חשמליים ונקרא מתח מגנטי, ונלקח לכל אורך קו האינדוקציה המגנטי נקרא כוח מגנטי (f.s.) Fm: Fm=H∙l=I∙ ω.

הכוח הממגנט Fm נמדד באמפר, אך בתרגול טכני, במקום השם אמפר, משתמשים בשם אמפר-סיבוב, המדגיש כי Fm פרופורציונלי לזרם ולמספר הסיבובים.

עבור סליל גלילי ללא ליבה, שאורכו גדול משמעותית מקוטרו (l≫d), השדה המגנטי בתוך הסליל יכול להיחשב אחיד, כלומר בעל אותו חוזק שדה מגנטי H בכל המרחב הפנימי של הסליל (איור 1). מכיוון שהשדה המגנטי מחוץ לסליל כזה חלש הרבה יותר מאשר בתוכו, ניתן להזניח את השדה המגנטי החיצוני ובחישוב ניתן להניח ש-n. עִם. סליל שווה למכפלת עוצמת השדה בתוך הסליל ולאורך הסליל.

הקוטביות של השדה המגנטי של החוט והסליל עם הזרם נקבעת על ידי כלל הגימלט. אם התנועה קדימה של הגימלט עולה בקנה אחד עם כיוון הזרם, אזי כיוון הסיבוב של ידית הגימלט יציין את כיוון הקווים המגנטיים.

דוגמאות

1. זרם של 3 A זורם דרך סליל בעל 2000 סיבובים מה זה n. עִם. סלילים?

Fm=I∙ω=3∙2000=6000 A. כוח הממגנט של הסליל שווה ל-6000 סיבובי אמפר.

2. סליל בעל 2500 סיבובים חייב להיות n. עִם. 10000 A. איזה זרם צריך לעבור דרכו?

I=Fм/ω=(I∙ω)/ω=10000/2500=4 A.

3. זרם I = 2 A זורם דרך הסליל כמה סיבובים צריכים להיות בסליל כדי להבטיח n. עִם. 8000 אה?

ω= Fm/I=(I∙ω)/I=8000/2=4000 סיבובים.

4. בתוך סליל באורך 10 ס"מ עם 100 סיבובים, יש צורך להבטיח את עוצמת השדה המגנטי H = 4000 A/m. כמה זרם צריך לעבור דרך הסליל?

כוח הממגנט של הסליל הוא Fм=H∙l=I∙ω. מכאן 4000 A/m ∙0.1 m =I∙100; I=400/100=4 א.

5. קוטר הסליל (סולנואיד) הוא D=20 מ"מ, ואורכו הוא l=10 ס"מ הסליל מלופף מחוטי נחושת בקוטר d=0.4 מ"מ. מהי עוצמת השדה המגנטי בתוך הסליל אם הוא מופעל ב-4.5V?

מספר הסיבובים ללא התחשבות בעובי הבידוד ω=l∶d=100∶0.4=250 סיבובים.

אורך סיבוב π∙d=3.14∙0.02 מ' =0.0628 מ'.

אורך חוט סליל l1=250∙0.0628 מ' =15.7 מ'.

התנגדות פעילה של הסליל r=ρ∙l1/S=0.0175∙(4∙15.7)/(3.14∙0.16)=2.2 אוהם.

זרם I=U/r=4.5/2.2=2.045 A ≈2 A.

עוצמת השדה המגנטי בתוך הסליל הוא H=(I∙ω)/l=(2∙250)/0.1=5000 A/m.

6. קבע את עוצמת השדה המגנטי במרחק של 1, 2, 5 ס"מ מחוט ישר שדרכו זורם זרם I = 100 A.

בוא נשתמש בנוסחה H∙l=I∙ω.

עבור חוט ישר ω=1 ו-l=2∙π∙r,

מכאן H= I/(2∙π∙r).

H1=100/(2∙3.14∙0.01)=1590 A/m; H2=795 A/m; H3=318 A/m.

חוזק שדה מגנטי(ייעוד סטנדרטי נ ) - כמות פיזית וקטורית שווה להפרש בווקטור האינדוקציה המגנטי ב וקטור מגנטיזציה מ .

ב-SI: איפה הקבוע המגנטי.

• במקרה הפשוט ביותר של מדיום איזוטרופי (מבחינת תכונות מגנטיות) ובקירוב של תדרים נמוכים מספיק של שינויי שדה ב ו ח פשוט פרופורציונלי זה לזה, נבדלים פשוט על ידי גורם מספרי (תלוי בסביבה) ב = μ ח במערכת GHS או ב = μ 0 μ ח במערכת SI (ראה חדירות מגנטית, ראה גם רגישות מגנטית).

במערכת CGS עוצמת השדה המגנטי נמדדת באורסטד (Oe), במערכת SI - באמפר למטר (A/m). בטכנולוגיה, ה-oersted מוחלף בהדרגה ביחידת SI - אמפר למטר.

1 E = 1000/(4π) A/m ≈ 79.5775 A/m.

1 A/m = 4π /1000 Oe ≈ 0.01256637 Oe.

משמעות פיזית

בוואקום (או בהיעדר מדיום המסוגל לקיטוב מגנטי, כמו גם במקרים שבהם האחרון זניח), חוזק השדה המגנטי עולה בקנה אחד עם וקטור האינדוקציה המגנטי עד למקדם השווה ל-1 ב-CGS ו-μ 0 ב-SI.

במגנטים (מדיה מגנטית), לעוצמת השדה המגנטי יש משמעות פיזית של שדה "חיצוני", כלומר, הוא חופף (אולי, בהתאם ליחידות המדידה שאומצו, בתוך מקדם קבוע, כמו במערכת SI , שאינו משנה את המשמעות הכללית) עם וקטור כזה של אינדוקציה מגנטית, ש"היה אם לא היה מגנט".

לדוגמה, אם השדה נוצר על ידי סליל נושא זרם שאליו מוכנסת ליבת ברזל, אזי עוצמת השדה המגנטי ח בתוך הליבה עולה בקנה אחד (ב-SGS בדיוק, וב-SI - עד מקדם ממדי קבוע) עם הווקטור ב 0, שייווצר על ידי סליל זה בהיעדר ליבה ואשר, עקרונית, ניתן לחשב על סמך הגיאומטריה של הסליל והזרם שבו, ללא כל מידע נוסף על חומר הליבה והמגנטי שלה. נכסים.

יש לזכור כי מאפיין בסיסי יותר של השדה המגנטי הוא וקטור האינדוקציה המגנטי ב . הוא זה שקובע את עוצמת השדה המגנטי על חלקיקים וזרמים טעונים נעים, וניתן גם למדוד ישירות, בעוד שעוצמת השדה המגנטי ח יכול להיחשב דווקא ככמות עזר (אם כי קל יותר לחשב אותה, לפחות במקרה הסטטי, שם טמון הערך שלה: אחרי הכל ח ליצור מה שנקרא זרמים חופשיים, שקל יחסית למדוד ישירות, ואילו כאלה שקשה למדוד זרמים קשורים- כלומר זרמים מולקולריים וכו' - אין צורך לקחת בחשבון).

נכון, הביטוי הנפוץ לאנרגיית השדה המגנטי (במדיום) ב ו ח נכללים כמעט באותה מידה, אך עלינו לזכור שאנרגיה זו כוללת גם את האנרגיה המושקעת בקיטוב של המדיום, ולא רק את האנרגיה של השדה עצמו. האנרגיה של השדה המגנטי ככזה מתבטאת רק דרך היסוד ב . אף על פי כן, ברור שהערך ח מבחינה פנומנולוגית וכאן זה מאוד נוח.

ראה גם

הערות

קרן ויקימדיה.

• 2010.
• יוסי

כן קטן

ראה מה זה "חוזק שדה מגנטי" במילונים אחרים:- כמות וקטור H, שהיא כמות. har koi mag. שדות. N.m.p לא תלוי במגנט. סנט ביום רביעי. בוואקום, השדה המגנטי חופף לאינדוקציה המגנטית B, מספרית H=B במערכת היחידות CGS ו-H=B/m0 במערכת היחידות הבינלאומית (SI), m0... ... אנציקלופדיה פיזית

ראה מה זה "חוזק שדה מגנטי" במילונים אחרים:- (H), וקטור המאפיין את השדה המגנטי, ללא תלות בתכונות המגנטיות של המדיום. בוואקום, H חופף (ביחידות CGS) עם האינדוקציה המגנטית B. במדיום, H קובע את התרומה להשראה המגנטית הנעשית על ידי חיצוני (ביחס למדיום)... … אנציקלופדיה מודרנית

חוזק שדה מגנטי- - [יא.נ.לוגינסקי, מ.ס.פזי ז'ילינסקאיה, יו.ש.קבירוב. מילון אנגלי-רוסי להנדסת חשמל והנדסת חשמל, מוסקבה, 1999] נושאי הנדסת חשמל, מושגי יסוד EN עוצמת שדה מגנטי עוצמה מגנטית שדה מגנטי... ... מדריך למתרגם טכני

חוזק שדה מגנטי- חוזק שדה מגנטי MAGNETIC FIELD STRENGTH (H), וקטור מאפיין של השדה המגנטי, ללא תלות בתכונות המגנטיות של המדיום. בוואקום, H חופף (ביחידות CGS) עם האינדוקציה המגנטית B. במדיום, H קובע את התרומה ל... ... מילון אנציקלופדי מאויר

חוזק שדה מגנטי- magnetinio lauko stipris statusas T sritis automatika atitikmenys: engl. עוצמת השדה המגנטי; עוצמת השדה המגנטי; חוזק שדה מגנטי; חוזק השדה המגנטי vok. magnetische Feldstärke, f rus. חוזק שדה מגנטי... אוטומטי terminų žodynas

חוזק שדה מגנטי- magnetinio lauko stipris statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. עוצמת השדה המגנטי; חוזק שדה מגנטי vok. Magnetfeldstärke, f; magnetische Feldstärke, f rus. חוזק שדה מגנטי, f pranc. intensité de champ magnétique … Fizikos terminų žodynas

חוזק שדה מגנטי- (H), החוזק המאפיין את השדה המגנטי, ללא תלות בתכונות המגנטיות של המדיום. בוואקום, H חופף (ביחידות CGS) עם האינדוקציה המגנטית B. במדיום, H קובע את התרומה להשראה המגנטית הנעשית ממקורות שדה חיצוניים. * * *… … מילון אנציקלופדי

חוזק שדה מגנטי- כמות פיזיקלית וקטורית (H), שהיא מאפיין כמותי של השדה המגנטי (ראה שדה מגנטי). N.p אינו תלוי בתכונות המגנטיות של המדיום. בוואקום, השדה המגנטי עולה בקנה אחד עם אינדוקציה מגנטית (ראה אינדוקציה מגנטית) ... האנציקלופדיה הסובייטית הגדולה

כנראה שכולנו נתקלנו בילדות בתכונות הנפלאות של מגנטים רגילים. חתיכת מתכת קטנה משכה כמה חתיכות ברזל ודחה אחרות.

התכונות המדהימות של מגנט לא עוצרות שם. לדוגמה, מגנט תלוי על חוט תמיד ממוקם בחלל בצורה מסוימת - תכונה זו היווה את הבסיס להמצאת המצפן. נקודות הקצה של המגנט הן ה"חזקות ביותר". הם נקראים בדרך כלל "קטבים". התכונות הספציפיות של מגנט נובעות מהשדות המגנטיים שלו, שאינם חומר, אלא מתנהגים בצורה מאוד מוחשית. אחד המאפיינים החשובים ביותר הוא עוצמת השדה המגנטי.

מאפייני השדה המגנטי

לכל שדה מגנטי יש אנרגיה שמתבטאת באינטראקציה עם גופים אחרים. בהשפעת כוחות מגנטיים, חלקיקים נעים משנים את כיוון הזרימה שלהם. שדה מגנטי מופיע רק סביב אותם מטענים חשמליים שנמצאים בתנועה. כל שינוי בשדה החשמלי גורר הופעת שדות מגנטיים.

גם ההצהרה ההפוכה נכונה: שינוי בשדה המגנטי הוא תנאי מוקדם להופעתו של שדה חשמלי. אינטראקציה הדוקה כזו הביאה ליצירת תורת הכוחות האלקטרומגנטיים, שבעזרתה מוסברות בהצלחה תופעות פיזיקליות שונות כיום.

תמונה של שדות מגנטיים

ניתן לתאר שדה מגנטי על דף נייר באמצעות קווי כוח. הם מצוירים בצורה כזו שהכיוון האמיתי של כוחות השדה בכל נקודה עולה בקנה אחד עם אלה שצוירו. ניתן לקבוע את כיווני שדות הכוח באמצעות מחט מצפן, שהקוטב הצפוני שלה משיק תמיד לקו השדה. הקוטב הצפוני מוגדר בדרך כלל כמקום שממנו יוצאים קווי שדה מגנטי, והקוטב הדרומי כמקום כניסתם. יש לזכור שחלוקה כזו היא שרירותית מאוד ונלקחת בחשבון רק בגלל הבהירות שלה.

מהי עוצמה מגנטית

סתימות ברזל המסתדרות לאורך שדות מגנטיים מוכיחות שלשדה מגנטי שני פרמטרים חשובים - גודל וכיוון. בכל נקודה בחלל, השדה המגנטי מתפשט במהירות השווה למהירות האור בוואקום - 300,000 קילומטר/שנייה.

כדי להגדיר את המאפיינים של השדה המגנטי, מדענים הציגו את הערך של "מתח". זוהי כמות וקטורית המציינת את כיוון הפעולה של השדה המגנטי ומספר קווי הכוח שלו. במאפייניו, חוזק השדה המגנטי דומה למושג "כוח" במכניקה. אינדיקטור זה אינו תלוי בפרמטרים של הסביבה בה מתבצעים הניסויים, אלא רק בעוצמת השטף המגנטי ובמרחק למקור המייצר את השדה. במקרים שונים, מקור כזה יכול להיות מגנט בודד, סליל מגנטי או חוט חשמלי. בכל אחד מהמקרים הללו נוצר שדה מגנטי בעל מאפיינים מסוימים.

חוזק שדה אלקטרומגנטי בניסויים

שקול חוט יחיד הנושא זרם חשמלי. כאשר חוט זה נע, נוצר סביבו שדה מגנטי. ניתן לבטא את מאפייניו באמצעות עוצמה, אשר נקבעת על פי מידת השפעת השדה המגנטי על הגוף הנחקר.

ניתן לבחון את השדה המגנטי בתוך הסליל. במקרה זה, המתח יהיה תלוי ישירות במספר הסיבובים של הסליל ובמרחק בינו לבין הגוף הנבדק.

בשילוב שתי המסקנות הללו, נוכל לסכם: עוצמת השדה המגנטי בכל נקודה בחלל עומדת ביחס הפוך לאורך הקו המגנטי ובפרופורציה ישירה למכפלת מספר הסיבובים של הסליל ועוצמת הזרם.

אינדוקציה מגנטית

ההגדרה של עוצמת השדה המגנטי לא תהיה שלמה ללא המושג "אינדוקציה מגנטית". ערך זה מסביר כמה עבודה יכול לייצר שדה מגנטי נתון. ככל שהשדה המגנטי חזק יותר, ככל שהוא יכול לייצר יותר עבודה, כך גדל הערך של האינדוקציה המגנטית שלו.

בפיזיקה, אינדוקציה מגנטית מסומנת באות Ḇ. ניתן לתאר אותו חזותית כצפיפות קווי השדה המגנטי ליחידת שטח פנים, הממוקמת בניצב לשדה המגנטי הנמדד. נכון לעכשיו, אינדוקציה מגנטית נמדדת בטסלה.

שטף מגנטי

כמות נוספת המאפיינת את השדה המגנטי בצורה קיבולת. השטף המגנטי קובע כמה קווי כוח חודרים ליחידת שטח מסוימת. בשדה מגנטי אחיד, ערך השטף המגנטי יחושב לפי הנוסחה:

Ф= Ḇ/S, כאשר:

F - שטף מגנטי;

Ḇ - ערך אינדוקציה מגנטי;

S הוא האזור שדרכו עוברים קווי השדה המגנטי.

ביחידות SI, השטף המגנטי נמדד בווברס.

נוסחת מתח

ניתן לבטא את המשמעות הפיזית של כמות זו באמצעות הנוסחה: Н= I×ω/ L, כאשר:

L הוא המרחק בין הגוף למקור השדה המגנטי;

ω - מספר סיבובי סליל;

I הוא עוצמת הזרם במעגל החשמלי.

ממשוואה זו ניתן להסיק שהמתח נמדד ב-[A/m], שכן הסיבובים בסליל הם ערך כמותי.

כוח מגנט

המוצר Н×I בנוסחה זו הוא לא יותר מאשר אנלוגיה של מתח השדה החשמלי. אם פרמטר זה מוחל על כל אורך קו האינדוקציה המגנטי, המוצר המתקבל ייקרא כוח מגנט (ns). כמות פיזיקלית זו נמדדת באמפר, אך מומחים מעדיפים את המונח "אמפר-סיבוב", המדגיש את התלות הישירה של הכוח במספר הסיבובים של הסליל.

כלל גימלט

כדי לקבוע את כיוון השדה המגנטי של סליל או חוט, מומחים משתמשים בכלל הגימלט. אם תנועת "ההברגה" של גימלט דמיוני מקבילה לכיוון הזרם במעגל, אזי ה"ידית" של הגימלט מראה כיצד ימוקמו קווי השדה המגנטי.

דוגמאות לקביעת עוצמת השדה המגנטי

דוגמה 1.יש סליל עם מספר סיבובים של 100 ואורך של 10 ס"מ יש צורך להבטיח ערך נתון של עוצמת השדה המגנטי של 5000 A/m. כמה זרם צריך לעבור דרך הסליל?

פתרון: לפי ההגדרה, כוח הממגנט של הסליל שווה ל-H = I × ω/ L. והמכפלה H × I נותן את כוח הממגנט. מכאן ניתן לגזור את ערך עוצמת הזרם, השווה ל: 5000A/m*0.1m = חוזק זרם * מספר סיבובים. בפתרון פרופורציה פשוטה, אנו מוצאים שהחוזק הנוכחי בבעיה זו צריך להיות שווה ל-5A.

דוגמה 2.לסליל יש 2000 סיבובים וזרם של 5 אמפר זורם דרכו. מהו כוח הממגנט של הסליל?

פתרון: נוסחה פשוטה נותנת את התשובה: n.s = I×ω. לפיכך n.s = 2000×5 = 10000 סיבובי אמפר.

דוגמה 3.

כיצד לקבוע את עוצמת השדה המגנטי של חוט חשמלי ישר במרחק של 5 ס"מ? הזרם הזורם דרך החוט הוא 30 A.

בדוגמה זו נצטרך גם את הנוסחה

במקרה של חוט ישר, מספר הסיבובים של הסליל יהיה שווה ל-1, והאורך l = 2∙π∙r.

מכאן נוכל להסיק זאת

H = 30/(2*3.14*0.02) = 238.85 A/m.

בעיות אלו ודומות להן ניתנות לפתרון בקלות בעזרת קורס פיזיקה בסיסי בבית הספר. פתרון דוגמאות פשוטות כאלה יעזור להבין את המהות האיכותית של תהליכים אלקטרומגנטיים בטבע שסביבנו.

חוזק שדה מגנטיכלומר, חוזק השדה המגנטי מוערך לפי צפיפות קווי השדה המגנטי בנקודה נתונה בשדה. עוצמת השדה המגנטי מסומנת בנוסחאות באות נ. חוזק השדה המגנטי מראה את מספר קווי השדה המגנטי העוברים דרך 1 ס"מ 2 של חתך השדה.

קווי כוח מגנטיים שחודרים לכל אזור נקראים שטף מגנטידרך הפלטפורמה הזו. לכן השטף המגנטי דרך אזור נתון יהיה גדול יותר, ככל שיעברו יותר קווי כוח דרכו. שטף מגנטי מסומן באות ו.

כיוון קווי השדה המגנטי קשור לכיוון הזרם במוליך. הדרך הפשוטה ביותר לקבוע את כיוון קווי השדה המגנטי היא להשתמש חוקי גימלט(איור 1).

איור 1. קביעת כיוון קווי השדה המגנטי באמצעות כלל הגימלט.

כלל הגימלט הוא כדלקמן: אם כיוון התנועה הטרנסציונלית של הגימלט עולה בקנה אחד עם כיוון הזרם במוליך, אזי כיוון הסיבוב של הגימלט עולה בקנה אחד עם כיוון קווי הכוח המגנטיים.

הדגמה אינטראקטיבית של כלל הגימלט. לחץ על המתג!

איור 2. הדגמה אינטראקטיבית של קביעת כיוון קווי השדה המגנטי באמצעות כלל הגימלט.

כדי להחיל זרם, לחץ על המתג

כדי לשנות את כיוון הזרם, לחץ על מקור המתח

בואו ניתן למוליך נושא הזרם צורה של טבעת (איור 2). באמצעות כלל הגימלט, נוכל לקבוע בקלות שקווי הכוח המגנטיים שנוצרו על ידי כל חלקי המוליך הם בעלי אותו כיוון בתוך הטבעת. המשמעות היא שהשדה המגנטי בתוך הטבעת יהיה חזק יותר מאשר מחוצה לו.

בואו ניצור ספירלה גלילית ממוליך ונעביר דרכה זרם חשמלי (איור 3). הזרם דרך כל הסיבובים יזרום באותו כיוון. זה יהיה שווה ערך להצבת סדרה של מוליכים טבעת על ציר משותף אחד. מוליך בעל צורה זו נקרא סולנואידאוֹ סְלִיל.

באמצעות כלל הגימלט, נוכל לקבוע בקלות שלקווי הכוח המגנטיים שנוצרו על ידי כל סיבובי הסליל יש אותו כיוון בתוכו. זה אומר שבתוך הסליל יהיה שדה מגנטי חזק יותר מאשר בתוך סיבוב אחד. בין סיבובים סמוכים של הסליל, קווי השדה המגנטי מכוונים זה לזה, ולכן השדה המגנטי במקומות אלו ייחלש מאוד. מחוץ לסליל, כיוון כל קווי הכוח המגנטיים יהיה זהה.

השדה המגנטי של הסליל חזק יותר, ככל שהזרם העובר דרך פניותיו גדול יותר, וככל שהסיבובים ממוקמים קרוב יותר, כלומר קרוב יותר זה לזה. מבין שני סלילים עם אותו זרם ואותו מספר סיבובים, לסליל עם הסיבובים הממוקמים קרוב יותר זה לזה, כלומר, לסליל עם אורך צירי קצר יותר, יש שדה חזק יותר.

מכפלת הזרם באמפר ומספר הסיבובים נקראת סיבובי אמפרומאפיין את ההשפעה המגנטית של זרם חשמלי, כלומר כוח מגנטומוטיב.

באמצעות מונח זה, אנו יכולים לומר שהשדה המגנטי של הסליל חזק יותר, ככל שיש יותר סיבובי אמפר ליחידה של האורך הצירי שלו.

מידע כללי

חוזק שדה מגנטי ואינדוקציה מגנטית. נראה, מדוע פיסיקאים סיבכו מושגים פיזיקליים מורכבים כבר בעת תיאור תופעות המגנטיות? שני וקטורים, מכוונים שווה, הנבדלים רק במקדם המידתיות - ובכן, מה הטעם בכך מנקודת מבטו של אדם רגיל שאינו עמוס מדי בידע מתחום הפיזיקה המודרנית?

עם זאת, בהבדל הזה הניואנסים החבויים אפשרו למדענים לגלות את התכונות המדהימות של חומרים שונים ואת חוקי האינטראקציה שלהם עם השדה המגנטי, ואפילו לשנות את הרעיונות שלנו על העולם הסובב אותנו.

במציאות, ההבדל הזה מסתיר גישה מתודולוגית שונה. בפשטות, כשמשתמשים במושג עוצמת השדה המגנטי, אנו מזניחים את השפעת השדה המגנטי על החומר במקרה מסוים; כאשר מיישמים את הרעיון של אינדוקציה מגנטית, אנו לוקחים את הגורם הזה בחשבון.

מנקודת מבט טכנית, ניתן לחשב בפשטות את עוצמתו של שדה מגנטי בכל תצורה מורכבת, וניתן למדוד את האינדוקציה המגנטית המתקבלת.

מאחורי הפשטות הנראית לעין זו מסתתרת העבודה הטיטאנית של גלקסיה שלמה של מדענים המופרדים בזמן ובמרחב. הרעיונות והמושגים שלהם קבעו וקובעים את התפתחות המדע והטכנולוגיה בעבר, בהווה ובעתיד.

וזה לא משנה תוך כמה זמן אנו שולטים באנרגיה תרמו-גרעינית בעזרת דור חדש של כורים תרמו-גרעיניים המבוססים על הגבלה של פלזמה "חמה" בשדה מגנטי. כאשר אנו שולחים דורות חדשים של רובוטים מחקריים לחלל על רקטות המבוססות על שימוש בעקרונות שאינם שריפה של דלק כימי. או, בפרט, נפתור את הבעיה של תיקון המסלולים של מיקרו-לוויינים באמצעות דחפי הול. או באיזו מידה אנו יכולים לנצל את אנרגיית השמש, באיזו מהירות ובזול אנו יכולים לנוע סביב הפלנטה שלנו - שמותיהם של חלוצי המדע יישארו לנצח בזיכרון שלנו.

כבר הדור המודרני של המדענים והמהנדסים של המאה העשרים ואחת, חמושים בידע המצטבר של קודמיהם, ינצח את משימת הריחוף המגנטי, שנבדק עד כה במעבדות ובפרויקטי פיילוט; והבעיה של הפקת אנרגיה מהסביבה באמצעות יישום טכני של "השד של מקסוול" תוך שימוש בחומרים שלא נראו עד כה וסוגים חדשים של אינטראקציות. אבות הטיפוס הראשונים של מכשירים כאלה כבר הופיעו בקיקסטארטר.

במקביל, הבעיה העיקרית של האנושות תיפתר - המרת מאגרי פחם ופחמימנים שהצטברו במשך מאות מיליוני שנים לחום, המשנה ללא רחם את האקלים של הפלנטה שלנו עם תוצרי בעירה. והמהפכה התרמו-גרעינית הקרובה, המבטיחה, בעקבות התפתחותה חסרת המחשבה, את המוות התרמי של כל החיים האורגניים על פני כדור הארץ, לא תהפוך לגזר דין המוות של הציוויליזציה. אחרי הכל, האנרגיה מכל סוג שאנו מוציאים הופכת בסופו של דבר לחום ומחממת את הפלנטה שלנו.

זה רק עניין של זמן; נחיה ונראה!

רקע היסטורי

למרות העובדה שהמגנטים עצמם ותופעת המגנטיזציה ידועים מזה זמן רב, המחקר המדעי של המגנטיות החל בעבודתו של המדען הצרפתי מימי הביניים פייר פלרין דה מריקור עוד ב-1269. דה מריקור חתם על יצירותיו בשם פטרוס פרגרינוס.

בזמן שחקר את התנהגותה של מחט ברזל ליד מגנט כדורי, גילה המדען שהמחט מתנהגת בצורה מיוחדת ליד שתי נקודות, שאותן כינה קטבים. זה מפתה לתת אנלוגיה עם הקטבים המגנטיים של כדור הארץ, אבל באותה תקופה דרך חשיבה כזו יכולה בקלות להוביל ליתרון! בנוסף, החוקר גילה שלכל מגנט יש תמיד (במונחים מודרניים) קטבים צפוניים ודרומיים. ולא משנה איך חותכים את המגנט בחתך אורך או רוחב, לכל אחד מהמגנטים המתקבלים יהיו תמיד שני קטבים, לא משנה כמה הוא דק.

הרעיון ה"מרידני" לפיו כדור הארץ עצמו הוא מגנט פורסם על ידי הרופא וחוקר הטבע האנגלי ויליאם גילברט ביצירתו "דה מגנטה", שפורסמה כמעט שלוש מאות שנים מאוחר יותר בשנת 1600.

בשנת 1750, המדען האנגלי ג'ון מיטשל גילה שמגנטים מושכים ודוחים (אינטראקציה) בהתאם לחוק הריבוע ההפוך. בשנת 1785, המדען הצרפתי שארל אוגוסטין דה קולומב בדק בניסוי את הנחותיו של מיטשל ומצא שלא ניתן להפריד את הקוטב המגנטי הצפוני והדרומי. עם זאת, באנלוגיה לחוק האינטראקציה של מטענים חשמליים שגילה בעבר, קולומב עדיין הניח את קיומם של מטענים מגנטיים - היפותטי מונופולים מגנטיים.

בהתבסס על העובדות שהיו ידועות לו באותה תקופה על מגנטיות ועל הגישה המתודולוגית הרווחת במדע באותה תקופה לבניית תיאוריות של אינטראקציה לגבי נוזלים מסוימים, ב-1824 יצר בן ארצו של קולומב, סימאון דניס פויסון, את המודל המוצלח הראשון של מגנטיות. במודל התיאורטי שלו, השדה המגנטי תואר על ידי דיפולים של מטענים מגנטיים.

אבל ממש מיד, שלוש תגליות ברציפות מטילות ספק במודל הפואסון. בואו נסתכל עליהם למטה.

הפיזיקאי הדני הנס כריסטיאן אורסטד ב-1819 הבחין בסטייה של המחט של מצפן מגנטי כאשר זרם חשמלי הזורם דרך מוליך בצורת חוט מופעל ומכבה, ובכך גילה את הקשר בין חשמל למגנטיות.

בשנת 1820 גילה המדען הצרפתי אנדרה-מארי אמפר שמוליכים עם זרמים הזורמים בכיוון אחד מושכים זה את זה ודוחים בכיוון ההפוך. באותה שנת 1820 גילו הפיזיקאים הצרפתים ז'אן-בטיסט ביו ופליקס סווארד את החוק שנקרא מאוחר יותר על שמם. חוק זה איפשר לחשב את עוצמת השדה המגנטי סביב כל מוליך נושא זרם, ללא קשר לתצורה הגיאומטרית שלו.

בסיכום הנתונים התיאורטיים והניסיוניים שהתקבלו, אמפר הביע את הרעיון של השקילות של זרמים חשמליים וביטויים של מגנטיות. הוא פיתח מודל מגנטיות משלו, שבו החליף דיפולים מגנטיים במחזור של זרמים חשמליים בלולאות סגורות זעירות. למודל של אמפר לביטוי המגנטיות היה יתרון על פני מודל פואסון, שכן הוא הסביר את חוסר האפשרות להפריד בין קטבי המגנטים.

אמפר גם הציע את המונח "אלקטרודינמיקה" כדי לתאר תופעות כאלה, שהרחיב את היישום של מדעי החשמל לאובייקטים חשמליים דינמיים, ובכך השלים את האלקטרוסטטיקה. אולי ההשפעה הגדולה ביותר על הבנת המהות של גילויי המגנטיות הופעלה על ידי הרעיון של ייצוג האינטראקציה של מגנטים באמצעות שדה כוח המתואר על ידי קווי כוח, שהוצע על ידי המדען האנגלי מייקל פאראדיי. תופעת האינדוקציה האלקטרומגנטית, שהתגלתה ב-1831 על ידי פאראדיי, הוסברה מאוחר יותר על ידי המתמטיקאי הגרמני פרנץ ארנסט נוימן. האחרון הוכיח כי התרחשות של זרם חשמלי במעגל סגור כאשר השטף המגנטי העובר דרכו משתנה היא פשוט תוצאה של חוק אמפר. נוימן הכניס לשימוש מדעי את המושג של פוטנציאל מגנטי וקטור, אשר מקביל במובנים רבים לעוצמתם של קווי השדה המגנטי של פאראדיי.

הנקודה האחרונה במחלוקת בין שני הדגמים של מגנטיות הועלתה בשנת 1850 על ידי הפיזיקאי האנגלי המצטיין ויליאם תומפסון (לורד קלווין). הצגת הרעיון של מגנטיזציה בינונית מ, שבו יש שדה מגנטי, הוא לא רק ביסס את הקשר בין עוצמת השדה המגנטי חוקטור האינדוקציה המגנטי ב, אלא גם קבע את תחומי היישום של מושגים אלה.

חוזק שדה מגנטי. הַגדָרָה

חוזק השדה המגנטי הוא כמות פיזיקלית וקטורית השווה להפרש בוקטור האינדוקציה המגנטי בוקטור מגנטיזציה מ. במערכת היחידות הבינלאומית (SI), הערך של עוצמת השדה המגנטי נקבע על ידי הנוסחה:

ח= (1/μ 0) · ב - מ

כאשר μ0 הוא הקבוע המגנטי, הנקרא לפעמים החדירות המגנטית של ואקום

במערכת יחידות CGS, עוצמת השדה המגנטי נקבעת על ידי נוסחה אחרת:

נ = ב- 4·π· מ

במערכת הבינלאומית של יחידות SI, עוצמת השדה המגנטי נמדדת באמפר למטר (A/m), במערכת CGS - ב-oersteds (Oe).

בהנדסת חשמל קיימת גם יחידת מדידה לא מערכתית של מתח - אמפר-סיבוב למטר. כמויות אחרות למדידת עוצמת השדה המגנטי המשמשים ביישומים שונים, והמרותם מכמות אחת לאחרת, ניתן למצוא בממיר היחידות הפיזיקליות.

מכשירי מדידה למדידת גודל עוצמת השדה המגנטי, וכן מכשירי מדידת אינדוקציה מגנטית, נקראים טסלמטרים או מגנומטרים.

חוזק שדה מגנטי. פיזיקה של תופעות

מחקר טוקאמק ( זֶהרוידל kaלמדוד עם אִמָאסלילים מגנטיים), שעבד במכון המחקר של חברת האנרגיה הממשלתית Hydro-Québec בפרברי מונטריאול מ-1987 עד 1997, כשהפרויקט נסגר כדי לחסוך בכספי תקציב. המיצב מוצג במוזיאון הקנדי למדע וטכנולוגיה

בוואקום (במובן הקלאסי של המונח) או בהיעדר מדיום המסוגל לקיטוב מגנטי או במקרים בהם ניתן להזניח את הקיטוב המגנטי של המדיום, עוצמת השדה המגנטי נחופף (עד מקדם) לווקטור האינדוקציה המגנטי IN. עבור מערכת CGS מקדם זה שווה ל-1, עבור מערכת SI של יחידות - μ0.

עוצמת השדה המגנטי נגרמת על ידי זרמים חופשיים (חיצוניים), שקל למדוד או לחישוב. כלומר, המתח הגיוני לשדה המגנטי החיצוני שנוצר על ידי סליל נושא זרם שלתוכו מוחדר חומר המסוגל למגנט. אם איננו מעוניינים בהתנהגות של חומר בהשפעת שדה מגנטי, אז די לפעול רק עם עוצמת השדה המגנטי. לדוגמה, המתח יספיק לחישוב טכני של האינטראקציה של השדות המגנטיים של שני סלילים נושאי זרם או יותר. המתח המתקבל יהיה הסכום הווקטורי של השדות שנוצרו על ידי הסלילים נושאי הזרם הבודדים.

מכיוון שרוב המכשירים האלקטרומגנטיים פועלים באוויר, חשוב לדעת את החדירות המגנטית שלו. החדירות המגנטית המוחלטת של האוויר שווה בערך לחדירות המגנטית של ואקום ובחישובים טכניים היא נחשבת שווה ל-4π 10⁻⁷ H/m.

זה עניין אחר כאשר אנו מתעניינים דווקא בהתנהגות של מדיום המסוגל למגנטיזציה, למשל, בעת שימוש בתופעות תהודה מגנטית גרעינית. ב-NMR, גרעיני אטום, הנקראים אחרת נוקלונים ובעלי ספין חצי שלם (מומנט מגנטי), סופגים או פולטים אנרגיה אלקטרומגנטית בתדרים מסוימים כאשר הם נחשפים לשדה מגנטי. במקרים אלו, יש לקחת בחשבון את האינדוקציה המגנטית.

יישום חוזק שדה מגנטי בטכנולוגיה

ברוב המקרים של יישום מעשי של שדה מגנטי, למשל, כדי ליצור אותו או כדי למדוד את גודלו, עוצמת השדה המגנטי משחקת תפקיד מפתח. ישנן דוגמאות רבות לשימוש בשדות מגנטיים, בעיקר בטכנולוגיית מדידה ובמערכי ניסוי שונים.

שדה מגנטי בעל חוזק ותצורה מסוימים מחזיק חוטי פלזמה או זרמים של חלקיקים טעונים בכורי היתוך מחקריים ומאיצי חלקיקים, ובכך מונע מהפלזמה להתקרר במגע עם הקירות התוחמים. זה גם מסיט זרימות של יונים או אלקטרונים בספקטרומטרים וצינורות תמונה.

מדידת עוצמת השדה המגנטי של כדור הארץ בנקודות שונות חשובה מאוד להערכת מצב המגנטוספירה שלו. יש אפילו רשת שלמה של תחנות קרקע וקבוצות כוכבים של לוויינים מדעיים לניטור עוצמת השדה המגנטי של כדור הארץ. עבודתם מאפשרת לחזות סופות מגנטיות המתרחשות על השמש, ולמזער את ההשלכות שלהן ככל האפשר.

מדידת עוצמת השדה מאפשרת לערוך סקרים שונים, למיין חומרים ואשפה, וגם להבטיח את שלומנו על ידי איתור נשק טרור או מוקשים נטועים.

מגנומטרים

מגנומטרים הם מחלקה שלמה של מכשירי מדידה שנועדו למדוד את המגנטיזציה של חומרים או לקבוע את חוזק וכיוונו של שדה מגנטי.

המגנומטר הראשון הומצא על ידי המתמטיקאי והפיזיקאי הגרמני הגדול קרל פרידריך גאוס ב-1833. מכשיר זה היה מכשיר אופטי עם מוט ממוגנט מסתובב תלוי על חוט זהב, ומראה שהודבקה אליו בניצב לציר המגנט. נמדד ההבדל ברעידות של מוט ממוגנט ומוט ממוגנט.

כיום משתמשים במגנטומטרים רגישים יותר על פי עקרונות אחרים, בפרט בחיישני הול, מגעי מנהרת ג'וזפסון (מגנטומטר SQUID), אינדוקציה ותהודה NMR. הם נמצאים בשימוש נרחב ביישומים שונים: מדידת השדה המגנטי של כדור הארץ, במחקרים גיאופיזיים של חריגות מגנטיות ובחיפוש אחר מינרלים; בענייני צבא כדי לזהות עצמים כמו צוללות, ספינות טבועות או טנקים מוסווים המעוותים את השדה המגנטי של כדור הארץ עם השדה שלהם; לחפש תחמושת שלא התפוצצה או שתול באזורי לחימה. בשל מזעור והפחתת הצריכה הנוכחית, סמארטפונים וטאבלטים מצוידים במגנטומטרים מודרניים. בימינו, מגנומטרים הם מרכיב אינטגרלי מהציוד של סיור כלי טיס בלתי מאוישים ולווייני ריגול.

פרט מעניין: בשל העלייה ברגישות של מגנומטרים, אחד הגורמים למעבר של בנייה צוללת לגוף טיטניום במקום לגוף פלדה היה דווקא ההפחתה הרדיקלית בנראות שלהם בשדה המגנטי. בעבר, צוללות בעלות גוף פלדה, כמו גם ספינות עיליות, נאלצו לעבור מדי פעם הליך דה-מגנטיזציה.

מגנומטרים משמשים בקידוח בארות ובמנהרות, בארכיאולוגיה לתיחום חפירות וחיפוש חפצים, בביולוגיה וברפואה.

גלאי מתכות

ניסיונות להשתמש בחוזק שדה מגנטי בלחימה נעשו מאז מלחמת העולם הראשונה, שהותירה מיליוני כלי נשק שלא התפוצצו והטמינו מוקשים בשדות הקרב. הפיתוח המוצלח ביותר היה בתחילת שנות ה-40 של המאה הקודמת, סגן הצבא הפולני יוזף סטניסלב קוסטסקי, אומץ על ידי הצבא הבריטי ושימש תועלת ניכרת בפינוי שדות מוקשים במהלך המרדף אחר הגרמנים הנסוגים על ידי חיילי הגנרל מונטגומרי בשעה הקרב השני באל עלמיין. למרות העובדה שהציוד של קוסטצקי נעשה באמצעות צינורות ואקום, הוא שקל רק 14 קילוגרם כולל סוללות והיה כל כך יעיל עד שהשינויים שלו שימשו את הצבא הבריטי במשך 50 שנה.

כיום, עקב התפשטות הטרור, איננו מופתעים מלעבור דרך מסגרות האינדוקציה של גלאי מתכות לפני העלייה למטוס או במשחקי כדורגל, בדיקת המזוודות שלנו על ידי מאבטחים או חיפוש אישי על ידי גלאי מתכות ידניים. לזהות כלי נשק.

גם גלאי מתכות ביתיים הפכו נפוצים, ובחופים של אתרי נופש אופנתיים הפך למראית עין של מחפשי אוצרות אבודים הסורקים חופים מקומיים בתקווה למצוא משהו יקר ערך.

אפקט הול ומכשירים המבוססים עליו