כשחשמל פוגש מגנטיות
זרם חשמלי יכול ליצור שדה מגנטי! הגילוי המדהים הזה שינה את העולם ואפשר מנועים, גנרטורים ועוד!
חשמל ומגנטיות — שני צדדים של אותו מטבע
הגילוי
זרם חשמלי יוצר שדה מגנטי
התגלית של ארסטד
זרם חשמלי בחוט יוצר שדה מגנטי מעגלי סביבו.
מה גילה ארסטד?
כשחיבר סוללה לחוט, מחט מצפן שהייתה לידו הוסטה פתאום!
כשניתק את הזרם, המחט חזרה למצבה.
המסקנה:
זרם חשמלי בחוט יוצר שדה מגנטי סביב החוט!
צורת השדה:
השדה המגנטי סביב חוט ישר הוא מעגלי — עיגולים סביב החוט.
כיוון השדה:
תלוי בכיוון הזרם:
• זרם זורם למעלה → שדה מסתובב בכיוון אחד
• זרם זורם למטה → שדה מסתובב בכיוון הפוך
חוזק השדה:
• קרוב לחוט → שדה חזק
• רחוק מהחוט → שדה חלש
זרם חשמלי = מגנטיות! זה הקשר הבסיסי.
האלקטרומגנט — מגנט מלאכותי
מהו אלקטרומגנט?
אלקטרומגנט הוא מגנט שנוצר על ידי זרם חשמלי.
מבנה אלקטרומגנט:
1. סליל (Coil)
• חוט מוליך כרוך בכמה סיבובים
• יוצר צורת קפיץ או גליל
2. ליבת ברזל (אופציונלי)
• מוט ברזל שמוכנס לתוך הסליל
• מחזק מאוד את השדה המגנטי!
3. מקור זרם
• סוללה או ספק כוח
• כשהזרם זורם → המגנט "דולק"
• כשהזרם מפסיק → המגנט "כבה"
למה הסליל חזק יותר מחוט ישר?
כל סיבוב בסליל יוצר שדה מגנטי. כל השדות מתווספים ויוצרים שדה חזק הרבה יותר!
אלקטרומגנט = סליל + זרם חשמלי (+ ליבת ברזל לחיזוק)
גורמים המשפיעים על חוזק האלקטרומגנט
עוצמת הזרם
זרם חזק יותר → שדה חזק יותר
הכפלת הזרם = הכפלת החוזק המגנטי!
מספר הכריכות
יותר סיבובים → שדה חזק יותר
50 סיבובים פי 5 יותר חזקים מ-10 סיבובים!
ליבת ברזל
ברזל בתוך הסליל → שדה חזק פי 1000!
הברזל הופך למגנט זמני חזק מאוד.
קוטר הסליל
סליל צר יותר → שדה חזק יותר
קווי השדה מרוכזים יותר.
מגנט קבוע מול אלקטרומגנט
מגנט קבוע
יתרונות:
• תמיד פעיל — לא צריך חשמל
• פשוט ואמין
• לא צורך אנרגיה
חסרונות:
• לא ניתן לכיבוי
• חוזק קבוע — אי אפשר לשנות
• מתחלש עם הזמן
דוגמה: {b}שימושים:{/b} מצפן, רמקול פשוט, מגנטי מקרר
אלקטרומגנט
יתרונות:
• ניתן להדלקה/כיבוי לפי רצון
• חוזק מתכוונן — שינוי הזרם
• יכול להיות חזק מאוד
חסרונות:
• צריך זרם חשמלי כל הזמן
• מתחמם בשימוש ממושך
• מורכב יותר
דוגמה: {b}שימושים:{/b} מנוף מגנטי, פעמון דלת, מנוע חשמלי
אלקטרומגנט = שליטה מלאה! זו היתרון הגדול שלו.
בונים אלקטרומגנט
התאם את הפרמטרים כדי לשנות את עוצמת האלקטרומגנט ולמשוך פריטים מתכתיים
מהדק נייר
מסמר קטן
מסמר גדול
מפתח
מטבעמהדק נייר
6.0Vעוצמה מגנטית
איך זה עובד?
- כריכות רבות יותר = שדה מגנטי חזק יותר
- מתח גבוה יותר = זרם חזק יותר = מגנטיות חזקה יותר
- ליבת ברזל מחזקת את השדה המגנטי פי 3!
- לכל פריט יש סף משיכה שונה - פריטים קלים נמשכים קל יותר
שימושים באלקטרומגנט
מנוף מגנטי (Crane)
מנוף עם אלקטרומגנט ענק מרים מכוניות ופסולת ברזל.
• זרם דולק → מושך את הברזל
• זרם כבה → משחרר אותו
מושלם למיחזור!
פעמון דלת
אלקטרומגנט מושך פטיש שדופק בפעמון.
• לוחצים על הכפתור → זרם זורם
• האלקטרומגנט מושך את הפטיש
• הפטיש מצלצל!
רמקול
אלקטרומגנט גורם לממברנה להתנועע ולייצר גלי קול.
זרם משתנה = תנועה משתנה = צליל!
דיסק קשיח (HDD)
אלקטרומגנטים זעירים כותבים וקוראים מידע על דיסק מגנטי.
כל ביט = כיוון מגנטי!
מנעול אלקטרומגנטי
אלקטרומגנט נועל דלת כשיש זרם.
• זרם דולק → דלת נעולה
• זרם כבה → דלת נפתחת
MRI (הדמיית תהודה מגנטית)
אלקטרומגנטים עצומי עוצמה יוצרים תמונות של הגוף מבפנים.
ללא קרינה מזיקה!
מנוע חשמלי — מחשמל לתנועה
איך עובד מנוע חשמלי?
מנוע חשמלי הופך אנרגיה חשמלית לתנועה מכנית.
עקרון הפעולה:
1. סליל במגנט
• סליל שיכול להסתובב ממוקם בין שני קטבי מגנט
• הסליל מחובר למקור זרם
2. כוח מגנטי
• כשזרם עובר בסליל, הוא הופך לאלקטרומגנט
• המגנט הקבוע דוחה ומושך את הסליל
• זה גורם לסליל להסתובב!
3. קומוטטור (מחליף זרם)
• מתג מיוחד שמהופך את כיוון הזרם כל חצי סיבוב
• זה גורם לסליל להמשיך להסתובב באותו כיוון
4. תנועה מתמשכת
• הסליל מסתובב ומסתובב
• ציר המנוע מחובר לגלגלים, מאוורר, וכו'
חשמל → מגנטיות → תנועה מסתובבת!
מנועים חשמליים בכל מקום!
מנועים חשמליים הם אחד ההמצאות החשובות ביותר בהיסטוריה!
היכן יש מנועים חשמליים?
- בבית: מאוורר, מכונת כביסה, מקרר, מדיח כלים, שואב אבק, מיקסר
- ברכב: מנוע הרכב, מנוע החלונות, מנוע המגבים, מאוורר המזגן
- בעבודה: מעליות, מסועים, מכונות תעשייתיות, מחשב (מאווררים)
- בתחבורה: רכבת, רכבת תחתית, רכבים חשמליים, קורקינט חשמלי
גנרטור — מתנועה לחשמל
הגנרטור — היפוך המנוע
גנרטור הוא הפוך ממנוע — הוא הופך תנועה לחשמל!
עקרון הפעולה:
אינדוקציה אלקטרומגנטית (גילוי של מייקל פאראדיי, 1831):
כשמסובבים סליל בתוך שדה מגנטי, נוצר זרם חשמלי בסליל!
השוואה למנוע:
מנוע:
חשמל → סליל במגנט → תנועה
גנרטור:
תנועה → סליל במגנט → חשמל
למעשה:
מנוע וגנרטור הם אותו מכשיר שעובד בשני כיוונים!
איפה רואים גנרטורים?
• תחנות כוח — טורבינה מסובבת גנרטור ענק
• אופניים — דינמו מייצר חשמל לפנס
• רכב — אלטרנטור מייצר חשמל כשהמנוע פועל
• טורבינת רוח — הרוח מסובבת גנרטור
תנועה מכנית → חשמל. זה איך נוצר כל החשמל בעולם!
שאלה לחשיבה
איך תחנת כוח מייצרת חשמל?
על ידי סיבוב גנרטור ענק!
השלבים:
1. חימום מים
• שורפים פחם, גז טבעי או משתמשים באנרגיה גרעינית
• המים הופכים לקיטור בלחץ גבוה
2. הנעת טורבינה
• הקיטור דוחף את להבי הטורבינה
• הטורבינה מסתובבת במהירות גבוהה
3. סיבוב הגנרטור
• הטורבינה מחוברה לציר של גנרטור ענק
• הגנרטור מייצר זרם חשמלי
4. העברה לבית
• החשמל עובר דרך שנאים (שמעלים את המתח)
• נשלח בקווי מתח גבוה לכל הארץ
• שנאים מקומיים מורידים את המתח ל-220V
אנרגיות מתחדשות:
• טורבינת רוח — הרוח מסובבת ישירות
• סכר הידרואלקטרי — מים זורמים מסובבים
• אנרגיה סולארית — לא צריך גנרטור! (תאים פוטו-וולטאיים)
כל החשמל בעולם (מלבד סולארי) נוצר על ידי סיבוב גנרטורים!
איך לזכור את ההבדל?
דרך פשוטה לזכור:
- מנוע חשמלי: חשמל נכנס → תנועה יוצאת
- גנרטור: תנועה נכנסת → חשמל יוצא
- זה אותה טכנולוגיה, רק בכיוון הפוך!
אלקטרומגנט
זרם → מגנטיות
סליל + זרם (+ ליבת ברזל)
מנוע חשמלי
חשמל → תנועה
הופך אנרגיה חשמלית לתנועה.
גנרטור
תנועה → חשמל
הופך תנועה לאנרגיה חשמלית.
מייקל פאראדיי (1791-1867) היה מדען בריטי שגילויו שינו את העולם לנצח.
מילדות עניה לגדלות מדעית
פאראדיי נולד למשפחה עניה מאוד. הוא לא למד באוניברסיטה — התחיל לעבוד כחסן לכרך ספרים בגיל 14!
הוא קרא את הספרים שכרך ולמד בעצמו פיזיקה וכימיה. בגיל 21 הצליח להיכנס לעבוד כעוזר במעבדה של מדען מפורסם.
הגילוי המהפכני (1831)
פאראדיי גילה את האינדוקציה האלקטרומגנטית:
כשמשנים את השדה המגנטי ליד סליל, נוצר זרם חשמלי בסליל!
זה היה הבסיס לגנרטור — ההמצאה שאיפשרה ייצור חשמל בקנה מידה גדול!
המורשת:
• בזכותו יש לנו חשמל בבתים
• בזכותו פועלים מנועים חשמליים
• בזכותו קיימת התעשייה המודרנית
כבוד והכרה
יחידת הקיבול החשמלי נקראת פאראד על שמו.
אלברט איינשטיין שמר את תמונתו של פאראדיי על קיר משרדו — והחשיב אותו כאחד מגדולי המדענים בהיסטוריה!