Overview
מקור: יונג פ. חן, PhD, המחלקה לפיזיקה ואסטרונומיה, המכללה למדע, אוניברסיטת פרדו, מערב לאפייט, IN
שדות מגנטיים יכולים להיווצר על ידי הזזת מטענים, כגון זרם חשמלי. ניתן לחשב את השדה המגנטי שנוצר על ידי זרם משוואת מקסוול. בנוסף, עצמים מגנטיים כגון מגנטים בר יכול גם ליצור שדות מגנטיים בשל דינמיקה מיקרוסקופית של מטענים בתוך החומר. שדות מגנטיים יפעילו כוח מגנטי על מטענים נעים אחרים או עצמים מגנטיים, כאשר הכוח פרופורציונלי לשדה המגנטי. שדות מגנטיים הם היסוד לאלקטרומגנטיות ומבססים יישומים מעשיים רבים החל מצפנים ועד הדמיית תהודה מגנטית.
ניסוי זה מדגים שדות מגנטיים המיוצרים על ידי מגנט מוט קבוע כמו גם זרם חשמלי, באמצעות מגנטים מחט מצפן קטן להתיישר עם שדות מגנטיים. ניסוי זה גם מדגים את הכוח המופעל על ידי השדות המגנטיים המיוצרים על ידי זרם על חוט נושא זרם אחר.
Principles
שדות מגנטיים (המכונים בדרך כלל "שדות B") יכולים להיות מיוצרים על ידי מטענים נעים (כגון זרם חשמלי) או "מגנטים קבועים" (כגון מגנטים נפוצים של מוטות) העשויים מחומרים מגנטיים (כגון ברזל). אם עוקבים אחר הכיוון המקומי של השדה המגנטי כדי לעקוב אחר קווי השדה הווקטוריים, קווים אלה (שהטנגנס שלהם משקף את הכיוון המקומי של השדה המגנטי, וצפיפות הקווים משקפת את חוזק השדה המגנטי המקומי) ידועים כ"קווי שדה מגנטי". הם קווים פיקטיביים המסייעים לדמיין את ההפצה והכיוון של שדות מגנטיים.
לדוגמה, חוט ישר ארוך הנושא זרם חשמלי אני אפיק שדה מגנטי בחלל שמסביב: גודל השדה המגנטי הוא פרופורציונלי לזרם I והפוך פרופורציונלי למרחק r מהתיל; וכיוון השדה המגנטי (המיוצג על ידי "קווי שדה מגנטי") הוא לאורך כיוון הטנגנס המעגלי סביב החוט (שנקבע על ידי מה שמכונה "כלל יד ימין", כאשר האגודל מצביע לאורך הזרם והאצבעות מסתלסלות סביב כיוון השדה המגנטי), המתואר באיור 1a. סולנואיד (עשוי סיבובים רבים של לולאות או סלילים נוכחיים) יפיק שדה מגנטי שהוא גם פרופורציונלי לזרם בסליל, ובעיקר אחיד ולאורך הציר הארוך בתוך סולנואיד (נקבע גם על ידי כלל יד ימין, עם אצבעות מתכרבלות סביב הזרם ואגודל מצביע לאורך השדה המגנטי), אבל מתפשט ומתפורר מחוץ לסולנואיד (קווי השדה המגנטי יחזרו לקצה השני של סולנואיד), המתואר באיור 1b. תבנית השדה המגנטי המיוצרת על ידי מגנט מוט דומה לזו של סולנואיד, כאשר קווי השדה המגנטי עוזבים את הקוטב הצפוני של המגנט ונכנסים לקוטב הדרומי של המגנט, כפי שמתואר באיור 1c.
איור 1: דיאגרמה המציגה תבניות שדה מגנטי (הדמיה על-ידי קווי שדה מגנטי) הנוצרות על-ידי זרם קו ישר (a), סולנואיד(b)ומגנט פס (c).
שדה מגנטי (B) יפעל על עצמים מגנטיים אחרים ומטענים נעים. מגנט מוט קטן (כגון מחט מצפן) המוצב בשדה מגנטי נוטה להיות מיושר עם השדה המגנטי המקומי (כלומר הציר הדרום-צפון של מגנט הבר נמצא בכיוון השדה המגנטי המקומי, וכך גם מחט המצפן פועלת כדי לזהות את כיוון השדה המגנטי של כדור הארץ). שדה מגנטי יפעיל כוח לורנץ על מטען נע. הכוח פרופורציונלי לשדה המגנטי המקומי (B), למטען (q) ומהירותו (v) ומצביע בכיוון בניצב הן לתנועה והן לשדה המגנטי. וקטור הכוח של לורנץ (F) הוא פרופורציונלי למכפלה הווקטורית בין v ל- B והוא ניתן על ידי:
לכן, כאשר F הוא אפס, כיוון התנועה מקביל לשדה המגנטי אך אחרת היה מכופף את מסלול תנועת המטען. בגלל כוח לורנץ, שדה מגנטי מפעיל גם כוח על חוט נשיאה זרם (כל עוד הזרם אינו מקביל לכיוון השדה המגנטי).
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Procedure
1. דמיינו קווי שדה מגנטי
- השג מקטע של חוט מוליך ישר (באורך של לפחות כמה ס"מ) ומקור נוכחי DC.
- להשיג צלחת עם חור באמצע וכמה מחטי מצפן קטנות על הצלחת, כל רכוב על סיכה בחופשיות מסתובב.
- להאכיל את חוט הניצוח דרך החור כך החלק הישר הוא מאונך לצלחת. חברו את חוט הניצוח למקור הנוכחי של DC, כפי שמוצג באיור 2a. החיבור יכול להיעשות על ידי כבלים עם מלחציים.
- הפעל את המקור הנוכחי ואספקה +5 A של הזרם בחוט. שים לב להתנהגות מחטי המצפן.
- הפוך את הזרם ל- −5 A והתבונן שוב בהתנהגות מחט המצפן.
- נתק והסר את חוט הניצוח ואת המקור הנוכחי. השיגו והבאו מגנט פס קבוע עם צירו הארוך המקביל ללוח, כדי להתקרב ללוח מהצד, כשהקצה הצפוני של המגנט קרוב יותר לצלחת, כפי שמוצג באיור 2b. שים לב להתנהגות מחטי המצפן.
- הפוך את הכיוון של מגנט הבר, עם הקצה הדרומי שלו קרוב יותר לצלחת. שים לב להתנהגות מחטי המצפן.
איור 2: דיאגרמה המציגה הגדרות ניסיוניות באמצעות (א)זרם הזורם במקטע חוט ישר העובר בניצב לצלחת ודרך החור המרכזי בצלחת; או (ב)מגנט בר שהובא קרוב לצלחת ומכוון בניצב לצלחת, כדי ליצור שדות מגנטיים, אשר יכוונו מחטי מצפן על הצלחת לאורך כיוון השדות המגנטיים המקומיים.
2. השפעת השדה המגנטי
- השג שני חוטי ניצוח ארוכים ומקבילים המעוגנים במסגרת, כפי שמוצג באיור 3a. במידת הצורך, ניתן להשתמש במסגרת עץ עם שני פסים מקבילים (למעלה ולמטה) ועוגן או קלטת את שני קצות החוטים לשני הפסים.
- השתמשו בכבלים ובמהדקים כדי לחבר את שני החוטים בסדרה ולמקור הכוח, כאשר הקצה העליון של חוט אחד מחובר לקצה התחתון של החוט השני, כפי שמוצג באיור 3a.
- הפעל את מקור הכוח כך שהזרם יזרום באותו כיוון (זורם מלמעלה למטה) בשני החוטים. שים לב לשני החוטים כאשר הזרם פועל.
- כבה וניתק את מקור החשמל, כעת התחבר מחדש את שני החוטים כך שהם מחוברים כעת שוב בסדרה למקור, אך עם הקצות העליונים של שני החוטים מקוצרים, כפי שמוצג באיור 3b.
- עכשיו להפעיל את מקור הכוח ולהתבונן כי הזרם יזרום דרך שני החוטים בכיוונים מנוגדים. שים לב לשני החוטים.
איור 3: דיאגרמה המציגה הגדרות ניסיוניות של שני חוטים מקבילים עם זרם זורם באותם כיוונים (a) או ממול (b).
שדות מגנטיים הם היסוד לאלקטרומגנטיות ומבססים יישומים מעשיים רבים החל מצפנים ועד הדמיית תהודה מגנטית.
שדות מגנטיים או שדות B יכולים להיווצר על ידי מטענים נעים, כגון זרם חשמלי, או אובייקטים כגון מגנטים של מוטות בשל הדינמיקה המיקרוסקופית של מטענים בתוך החומר המגנטי.
וידאו זה ימחיש כיצד לדמיין שדות מגנטיים המיוצרים על ידי מוליך נושא זרם ומגנט פס קבוע. יתר על כן, וידאו זה גם מדגים את הכוח המופעל על ידי השדות המגנטיים המיוצרים על ידי זרם על חוט נושא זרם אחר.
ניתן לדמיין שדות מגנטיים באמצעות קווי שדה מגנטי. אלה הם קווים פיקטיביים המסייעים להבין את ההפצה והכיוון של שדות מגנטיים.
הטנגנס מקו שדה מגנטי משקף את הכיוון המקומי של השדה המגנטי, וצפיפות הקווים משקפת את חוזק השדה המגנטי המקומי, אשר במקרה של מגנט מוט פוחת ככל שאנו מתרחקים מפני השטח שלו. תצורות מוליך זרם שונות מייצרות וריאציות שונות בהתפלגות שדות מגנטיים.
לדוגמה, חוט ישר ארוך הנושא זרם חשמלי מייצר שדה מגנטי, אשר הכיוון שלו, כפי שהוא מיוצג על ידי "קווי שדה מגנטי", הוא לאורך הכיוון המשיק המעגלי סביב החוט.
במקרה של מגנט מוט, קווי השדה המגנטי עוזבים את הקוטב הצפוני של המגנט ונכנסים לקוטב הדרומי של המגנט. זה דומה לתבנית השדה המגנטי המיוצר על ידי סולנואיד, שהוא סליל גלילי של חוט הנושא זרם.
כיוון השדה המגנטי המיוצר על ידי זרם יכול להיקבע על ידי "כלל יד ימין". הכלל קובע כי אם האגודל מצביע לאורך כיוון הזרם, האצבעות המתכרבלות סביב המוליך מציינות את כיוון השדה המגנטי. לכן, מגנט בר, כאשר הוא מובא קרוב למוליך, מיישר קו עם השדה המגנטי המקומי שנוצר.
עכשיו אנחנו יודעים ששדות מגנטיים, המיוצרים על ידי כל מוליך או מגנט, מתקשרים עם חומרים מגנטיים סמוכים. בנוסף, השדות המגנטיים שנוצרו מתקשרים גם עם מטענים חשמליים נעים, כמו אלה שנמצאו במוליך נושא זרם שני.
כאשר מטען נע 'q' מוצג בשדה מגנטי 'B', השדה מפעיל כוח 'F' על המטען. זה נקרא כוח לורנץ. הכוח פרופורציונלי לשדה המגנטי 'B', למטען 'q' ומהירותו 'v', והוא נקבע על ידי המכפלה הווקטורית של מהירות המטען והשדה המגנטי, כפול המטען. הכוח מצביע אפוא בכיוון מאונך הן לתנועת המטען והן לשדה המגנטי שנקבע על ידי "כלל האגודל הימני".
לאחר שבדקנו את היסודות של שדות מגנטיים, הבה נבצע ניסוי פשוט כדי לדמיין את קווי השדה המגנטי האלה ולהדגים כיצד כוח לורנץ המופעל על ידי שדה מגנטי שנוצר משפיע על חוט מקביל הנושא זרם.
אסוף את החומרים והמכשירים הדרושים, כלומר מקור נוכחי DC, לוח פלסטיק רכוב עם כמה מחטי מצפן חוט מוליך ישר עובר דרך המרכז שלה, ומגנט מוט קבוע.
שימו לב ללוח הפלסטיק עם חור במרכזו. הוא מותקן עם כמה מחטי מצפן סביב החור המרכזי באמצעות סיכות, כך המחטים חופשיות לסובב.
כמו כן, שים לב כי חוט הניצוח מוזן דרך החור המרכזי של הלוח. ודא כי החוט הוא מאונך ללוח. חבר את החוט לאספקת הזרם DC באמצעות כבלים עם מלחציים.
הפעל את המקור הנוכחי והגדר את האספקה הנוכחית ל- +5 אמפרים. שים לב להתנהגות מחטי המצפן.
לאחר מכן, כבה את ספק הכוח והעבר את הכבלים החיוביים והשליליים. לאחר מכן, הפעל את ספק הכוח כדי להפוך את כיוון הזרם הזורם דרך החוט ולהתבונן שוב במחטי המצפן.
עכשיו לכבות ולנתק את האספקה הנוכחית ולקבל לוח פלסטיק דומה רכוב עם מחטים מגנטיות, אבל בלי חוט מוליך מוזן דרכו. לאחר מכן, זהה את הקוטב הצפוני של מגנט הבר.
עם הציר הארוך של מגנט הבר במקביל ללוח, קרב את הקוטב הצפוני ללוח מהצד. שים לב למחטי המצפן לכל שינוי בכיוון.
עכשיו הפוך את מגנט הבר כך שהקוטב הדרומי קרוב יותר ללוח. שוב, התבונן במחטי המצפן לכל שינוי בכיוון.
ראשית להרכיב מסגרת עם שני פסים, אחד מהם אופקי פועל לאורך החלק העליון של המסגרת והשני הוא אנכי המחבר את הבסיס לסרגל הראשון. לאחר מכן, עוגן או קלטת את החלק האמצעי של שני חוטי ניצוח ארוכים למסגרת. התנדנדו בקצה אחד של שני החוטים מהמסגרת כך ששני החוטים מקבילים זה לזה.
עכשיו, לחבר את הקצה של שני החוטים למתג ואת המסופים. לאחר מכן חבר את ההתקנה לסוללה.
ודא כי החוטים מחוברים כך שהזרם זורם באותו כיוון בשני החוטים. לאחר מכן, הפוך את המתג כדי לחבר את הסוללה לחוטים הניצצים.
שים לב לשני החוטים כאשר הזרם עובר דרכם. לאחר מכן, כבה את המתג כדי לעצור את זרימת הזרם דרך החוטים.
הפוך את כיוון המתג כדי לשנות את כיוון הזרימה הנוכחית דרך החוטים. שים לב לשני החוטים כאשר הזרם מופעל.
עכשיו לאחר שבדקנו את הפרוטוקולים, הבה נסקור את תוצאות הניסויים שבוצעו.
בניסוי עם מחטי המצפן, בתחילה, המחטים מכוונות באופן אקראי. עם יישום הזרם, מחטי המצפן מיישרות את עצמן עם השדה המגנטי המקומי בתבנית מעגלית.
בהיפוך כיוון הזרם, השדה המגנטי המקומי הופך, אשר בתורו הופך את הכיוון של מחטי המצפן.
באופן דומה, כאשר הקוטב הצפוני של מגנט המוט מתקרב למחטי המצפן, הוא יוצר שדה מגנטי מקומי, ומחטי המצפן מתיישרות לאורך קווי השדה המגנטי המקומיים האלה.
וכאשר מגנט הבר מתהפך, כיוון השדה המגנטי גם הופך, מה הופך את הכיוון של מחטי המצפן.
בניסוי עם שני החוטים הארוכים, החוטים נמשכים זה לזה כאשר הזרם הזורם בהם יש את אותו הכיוון. הסיבה לכך היא כוח לורנץ שנוצר על ידי השדה המגנטי.
על פי כלל יד ימין, החוט השמאלי מייצר שדה מגנטי, המצביע בכיוון בניצב לזרימת הזרם באתר החוט הימני. כעת, השתמש בכלל יד ימין האחר, והנח את האצבעות לאורך כיוון הזרם והשדות המגנטיים. ואז האגודל המורחב נותן את הכיוון של כוח לורנץ. במקרה זה, הכוח הוא לכיוון החוט השמאלי ולכן אטרקטיבי.
מצד שני, כאשר זרימת הזרם בשני החוטים נמצאת בכיוונים מנוגדים זה לזה, כלל יד ימין מראה כי הכיוון של כוח לורנץ באתר התיל הימני נמצא הרחק מהחוט השמאלי, מה שהופך את הכוח דוחה. לכן, שני החוטים נדחפים זה מזה.
שדות מגנטיים נמצאים בכל מקום סביבנו, ומשמשים כיום ביישומים החל מניווט ועד לסביבה הקלינית. הבה נבחן כעת כמה יישומים נפוצים של שדות מגנטיים.
לפני מאות שנים, שושלת סונג של סין המציאה את המצפן המגנטי הראשון ששימש לניווט. מאז הסתמכנו על המצפן, הפועל בד בבד עם השדה המגנטי של כדור הארץ עצמו, לכיוון.
הקוטב הדרומי המגנטי של כדור הארץ ממוקם ליד הקוטב הצפוני הגיאוגרפי שלו. לפיכך, הקוטב הצפוני המגנטי של מחט מצפן מתיישר לשדה המגנטי של כדור הארץ ומצביע לכיוון הצפון הגיאוגרפי של כדור הארץ.
לשדות מגנטיים יש גם יישומים שלל בתחום הרפואה והאבחון הרפואי. השימוש הנפוץ ביותר בשדות מגנטיים הוא בהדמיית תהודה מגנטית או MRI. סורקי MRI משתמשים בשדות מגנטיים חזקים ובמדרגי צבע שדה כדי ליצור תמונות של החלק הפנימי של הגוף.
הרגע צפית בהקדמה של ג'וב לשדות מגנטיים. עכשיו אתה צריך לדעת איך לדמיין שדות מגנטיים באמצעות מחטי מצפן ולהבין איך כוח לורנץ של שדה מגנטי המיוצר על ידי זרם משפיע על זרם כמעט מקביל אחר. תודה שצפיתם!
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Results
עבור שלבים 1.3-1.4, לפני שהזרם מופעל, מחטי המצפן מכוונות באופן אקראי. לאחר ההפעלה של הזרם, הזורם בחוט מלמעלה למטה, מחטי המצפן יתיישרו עם השדה המגנטי המקומי בתבנית מעגלית, כפי שמתואר באיור 4a (מבט עליון). לאחר היפוך הזרם, השדה המגנטי מתהפך, וכך גם הכיוונים של המצפנים, כפי שמתואר באיור 4ב.
איור 4: תרשים המציג דפוסים מייצגים של מחטי המצפן המגיבות לשדות המגנטיים המושרים בזרם (א)כאשר הזרם חיובי כפי שמוצג בהגדרה המוצגת באיור 2a, שבו הזרם זורם מלמעלה למטה, ו- (b) כאשר הזרם מתהפך (כעת מלמטה למעלה).
עבור שלבים 1.6-1.7, מחטי המצפן יכוונו את עצמן לאורך השדות המגנטיים המקומיים שנוצרו על ידי מגנט הבר (שתבנית השדה המגנטי שלו מוצגת באיור 1c). איור 5a (ו- 5b) מתאר את התבנית הייצוגית של מחטי המצפן כאשר הקצה הצפוני (או הדרומי) של המגנט קרוב יותר לצלחת. שימו לב שכאשר הקוטביות של מגנט הבר מתהפכת, כך גם השדה המגנטי שהוא יוצר, וכך גם הכיוונים של כל מחטי המצפן.
איור 5: תרשים המציג דפוסים מייצגים של מחטי המצפן המגיבים לשדות המגנטיים הנוצרים על-ידי מגנט הבר (א)במערך המוצג באיור 2b,כאשר הקוטב הצפוני של המגנט קרוב יותר לצלחת; ו- (b) עם קוטביות הפוכה, עם הקוטב הדרומי של המגנט קרוב יותר לצלחת.
עבור סעיף 2, שני החוטים ייראו כדי למשוך זה לזה כאשר הזרמים הזורמים בהם יש את אותו כיוון, ולהדוף אחד את השני כאשר הזרמים בהם יש כיוונים מנוגדים. הסיבה לכך היא כוח לורנץ של השדה המגנטי שנוצר על ידי זרם אחד הפועל על החוט נושא הזרם האחר. למצב באיור 3a (לזרמים בשני חוטים יש אותו כיוון), השדה המגנטי (B) המיוצר על ידי החוט השמאלי מצביע על העמוד במיקום החוט הימני (לפי כלל יד ימין, כמו גם באיור 4b), ולכן כוח לורנץ כפי שנקבע על ידי המכפלה הווקטורית של qv (לאורך הכיוון הנוכחי) ו- B יצביע שמאלה (ולכן אטרקטיבי). הכוח מתהפך (מצביע ימינה, ולכן דוחה) למצב באיור 3b, כאשר הזרם בחוט הימני מתהפך (qv מתהפך). כיווני הכוח בשל השדה המגנטי שנוצר על ידי חוט שמאל הפועל על החוט הימני מתוארים על ידי חצים אדומים באיור 3.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
Applications and Summary
בניסוי זה, דמיינו שדות מגנטיים באמצעות מחטי מצפן המכוונות את השדה המגנטי המקומי. הדגמנו גם את כוחו של לורנץ של שדה מגנטי המיוצר על ידי זרם בזרם כמעט מקביל אחר.
לשדות מגנטיים תפקידים חשובים בחיי היומיום והטכנולוגיה שלנו. הם נוצרים על ידי מגנטים בר נפוץ או "מגנטים למטבח" כמו גם אלקטרומגנטים (סולנואידים), ומשמשים להרים אובייקטים מגנטיים אחרים. כדור הארץ מייצר גם שדה מגנטי וכך מחט מצפן (המתיישרת עם השדה המגנטי המקומי) משמשת כדי לומר את הכיוון (שים לב לקוטב הדרומי המגנטי של כדור הארץ כמגנט קרוב למעשה לקוטב הצפוני הגיאוגרפי, כך שהשדה המגנטי על פני כדור הארץ מצביע לכיוון הצפון הגיאוגרפי). הדמיית תהודה מגנטית (MRI), כלי אבחון חשוב ברפואה, זקוקה גם לשדה מגנטי חזק כדי לפעול.
מחבר הניסוי מכיר בסיועו של גארי הדסון להכנת חומר וצ'ואנחסון לי על כך שהדגים את הצעדים בסרטון.
Subscription Required. Please recommend JoVE to your librarian.
