המגנט - כוח מסתורי ומרתק
איך מגנט מושך ברזל בלי לגעת בו? מה גורם למצפן להצביע תמיד צפונה? בואו נגלה את עולם המגנטיות!
מהי מגנטיות?
כוח בלתי נראה
קטבי המגנט
לכל מגנט שני קטבים
מגנט הוא גוף בעל שני קטבים מגנטיים - קוטב צפוני וקוטב דרומי - אשר לעולם אינם ניתנים להפרדה, גם אם הגוף נשבר למספר חלקים קטנים יותר.
שני הקטבים:
1. קוטב צפוני (North, N)
• מסומן בדרך כלל באדום או באות N
• מכוון לצפון כשהמגנט חופשי להסתובב
2. קוטב דרומי (South, S)
• מסומן בדרך כלל בכחול או באות S
• מכוון לדרום כשהמגנט חופשי להסתובב
חוק יסוד:
• קטבים שונים (N ו-S) ← נמשכים →←
• קטבים זהים (N ו-N או S ו-S) ← דוחים ←|→
דמיון למטען חשמלי:
בדיוק כמו שמטענים חשמליים שונים נמשכים וזהים דוחים, כך גם קטבים מגנטיים!
קטבים מנוגדים נמשכים, קטבים זהים דוחים - זכרו את זה!
אי אפשר להפריד בין הקטבים!
מה יקרה אם נשבור מגנט לשניים?
התשובה: נקבל שני מגנטים קטנים יותר, לכל אחד שני קטבים (N ו-S)!
אפילו אם נמשיך לשבור אותו שוב ושוב, בכל חתיכה יהיו שני קטבים.
למה?
מגנטיות נובעת מסיבוב אלקטרונים באטומים. כל אטום הוא מגנט זעיר עם שני קטבים, ולכן אי אפשר ליצור קוטב בודד!
חומרים מגנטיים ולא מגנטיים
מה נמשך למגנט ומה לא?
חומרים מגנטיים (פרומגנטיים)
חומרים שנמשכים חזק למגנט ויכולים להפוך למגנטים בעצמם.
דוגמה: דוגמאות:
• ברזל - החומר המגנטי המוכר ביותר
• ניקל
• קובלט
• פלדה (סגסוגת ברזל)
חומרים אלה משמשים לייצור מגנטים קבועים.
חומרים לא מגנטיים
חומרים שכמעט לא מושפעים ממגנט.
דוגמה: דוגמאות:
• נחושת
• אלומיניום
• זהב, כסף
• פלסטיק
• עץ
• זכוכית
• נייר
רוב החומרים בעולם הם לא מגנטיים!
זכרו: רק ברזל, ניקל וקובלט (ומתכות המכילות אותם) הם מגנטיים באמת!
טעות נפוצה: "מתכת" לא אומר "מגנטי"!
תלמידים רבים חושבים שכל מתכת נמשכת למגנט - אבל זה לא נכון!
נחושת, אלומיניום, זהב וכסף הם מתכות, אבל הם לא נמשכים למגנט כלל.
רק ברזל, ניקל וקובלט (ומתכות שמכילות אותם, כמו פלדה) הם חומרים מגנטיים (פרומגנטיים). אז בפעם הבאה, אל תגידו "מגנט מושך מתכות" - אמרו "מגנט מושך חומרים פרומגנטיים"!
מגנטים בחיי היומיום
דלת מקרר
רצועת גומי מגנטית בדלת נמשכת לגוף המתכתי של המקרר ← הדלת נסגרת היטב!
לוח מגנטים
לוח מתכת + מגנטים קטנים = דרך לתלות הודעות, תמונות וציורים.
נעילת תיק/ארנק
מגנטים קטנים מחזיקים את התיק או הארנק סגור.
רמקול/אוזניות
בתוך כל רמקול יש מגנט חזק שמניע את הממברנה ומייצר צליל!
דיסק קשיח (HDD)
שומר מידע על דיסק מגנטי - ביטים מיוצגים על ידי כיווני מגנטיות.
כרטיס אשראי
הרצועה השחורה מאחורי הכרטיס היא רצועה מגנטית שמכילה מידע.
שדה מגנטי
מהו שדה מגנטי?
שדה מגנטי הוא האזור המרחבי שסביב המגנט או הזרם החשמלי, בתוכו מורגש כוח מגנטי המשפיע על חומרים פרומגנטיים ומטענים חשמליים בתנועה.
הגדרה:
שדה מגנטי הוא האזור סביב המגנט שבו עצמים מגנטיים מושפעים מכוח המגנט.
תכונות השדה:
• השדה חזק יותר קרוב למגנט
• השדה חלש יותר רחוק מהמגנט
• השדה בלתי נראה, אבל אפשר לדמות אותו!
קווי שדה מגנטי:
דמיון ויזואלי של השדה המגנטי. אלה לא קווים אמיתיים - הם רק דרך לתאר את כיוון וחוזק השדה.
מאפייני קווי השדה:
• יוצאים מקוטב צפוני (N) ונכנסים לקוטב דרומי (S)
• לא מצטלבים אחד עם השני
• צפופים יותר שם שהשדה חזק
• דלילים יותר שם שהשדה חלש
קווי השדה מראים לנו איפה השדה המגנטי חזק ולאן הוא "מושך".
איך רואים את השדה המגנטי?
ניסוי פשוט:
- שימו מגנט מקל על דף נייר לבן
- פזרו אבקת ברזל (נסורת ברזל דקה) על הדף
- טפחו קלות על הדף
מה יקרה?
האבקה תתארגן בקווים מעוקלים שיוצאים מקוטב אחד ונכנסים לשני!
כל גרגר ברזל קטן הופך למגנט זעיר ומסתדר לאורך קווי השדה.
המצפן - ניווט בעזרת מגנטיות
איך עובד מצפן?
מצפן הוא מכשיר ניווט המורכב ממחט מגנטית קלה וחופשית, אשר מתיישרת במקביל לקווי השדה המגנטי של כדור הארץ ומצביעה לעבר הקטבים המגנטיים שלו.
מבנה המצפן:
• מחט מגנטית קלה, חופשית להסתובב
• ציר שעליו המחט מסתובבת בחופשיות
• לוח עם כיוונים (N, S, E, W)
איך זה עובד?
1. המחט היא מגנט קטן עם קוטב צפוני ודרומי
2. כדור הארץ הוא מגנט ענק (נלמד מיד!)
3. המחט מושפעת מהשדה המגנטי של כדור הארץ
4. הקוטב הצפוני של המחט נמשך לקוטב הדרומי של הארץ (שנמצא ליד הצפון הגאוגרפי)
5. לכן המחט תמיד מצביעה צפונה!
שימושים:
• ניווט - ימאים ומטיילים
• קביעת כיוונים במפה
• בניית בתים - התמצאות בשטח
המצפן הוא כלי פשוט שמשתמש במגנטיות כדור הארץ כדי למצוא את הצפון!
כדור הארץ - מגנט ענק
המגנטיות של כדור הארץ
כדור הארץ משמש כמגנט ענק המייצר שדה מגנטי גלובלי, הנובע בעיקר מתנועת זרמים חשמליים בליבה החיצונית הנוזלית שלו העשויה מברזל וניקל חמים.
המבנה המגנטי של כדור הארץ:
הסיבה:
במרכז הארץ יש ליבה מתכתית (בעיקר ברזל וניקל) שמסתובבת. התנועה הזו יוצרת שדה מגנטי.
הקטבים המגנטיים:
• קוטב מגנטי צפוני - קרוב לצפון הגאוגרפי
• קוטב מגנטי דרומי - קרוב לדרום הגאוגרפי
שימו לב!
הקוטב המגנטי הצפוני של הארץ הוא בעצם קוטב דרומי מגנטית (S)!
למה? כי הוא מושך את הקוטב הצפוני של המחט!
תפקיד השדה המגנטי:
• מגן עלינו מקרינה מהשמש ("רוח שמשית")
• מאפשר ניווט במצפן
• גורם לזוהר הקוטב (Aurora) באזורים קוטביים
השדה המגנטי של הארץ הוא מגן טבעי שמגן על החיים בכדור!
שאלה לחשיבה
למה המצפן לא מצביע בדיוק לצפון הגאוגרפי?
המצפן לא מצביע בדיוק לצפון הגאוגרפי מכיוון שהקוטב המגנטי של כדור הארץ אינו חופף לחלוטין לקוטב הציר הגאוגרפי שעליו כדור הארץ מסתובב. פער זה, המכונה סטייה מגנטית, משתנה לאורך השנים בשל תנועות בליבה הנוזלית של כדור הארץ.
יש תיעוד היסטורי שמראה שבעבר הקטבים המגנטיים אפילו התהפכו - הצפון הפך לדרום!
איך לזכור: משיכה או דחייה?
כלל פשוט:
- שונים נמשכים - N ו-S ← →←
- זהים דוחים - N ו-N או S ו-S ← ←|→
- זה בדיוק כמו מטענים חשמליים - שונים נמשכים, זהים דוחים!
קטבי מגנט
N (צפון) ו-S (דרום).
שונים נמשכים, זהים דוחים.
שדה מגנטי
אזור ההשפעה של המגנט. מיוצג בקווי שדה.
כדור הארץ
מגנט ענק - מאפשר שימוש במצפן.
זוהר הקטב (או אורורה) הוא אחת התופעות הטבעיות היפות והמרהיבות בעולם - וכל זה בזכות המגנטיות של כדור הארץ!
איך זה נוצר?
1. רוח שמשית
• השמש פולטת חלקיקים טעונים (בעיקר אלקטרונים ופרוטונים) לחלל
• זרם החלקיקים הזה נקרא "רוח שמשית"
2. השדה המגנטי מכוון אותם
• השדה המגנטי של הארץ "לוכד" את החלקיקים
• הוא מכוון אותם לכיוון הקטבים (צפון ודרום)
3. התנגשות באטמוספירה
• החלקיקים מתנגשים באטומי חמצן וחנקן באטמוספירה
• האטומים נרגשים ופולטים אור צבעוני!
הצבעים של הזוהר
- ירוק (הנפוץ ביותר) - חמצן בגובה נמוך (100-300 ק"מ)
- אדום - חמצן בגובה גבוה (מעל 300 ק"מ)
- סגול/כחול - חנקן
- ורוד - תערובת של חנקן וחמצן
איפה רואים?
זוהר הקטב נראה רק באזורים קוטביים:
• אורורה בוריאליס (Aurora Borealis) - בקוטב הצפוני (אלסקה, נורווגיה, איסלנד, קנדה)
• אורורה אוסטרליס (Aurora Australis) - בקוטב הדרומי (אנטארקטיקה, ניו זילנד)
ללא השדה המגנטי:
אם לא היה לנו שדה מגנטי, הרוח השמשית הייתה פוגעת בנו ישירות - לא היינו יכולים לחיות על כדור הארץ! המגנטיות מצילה חיים כל יום.
שאלה לחשיבה
למה מצפן מצביע תמיד צפונה, ומה הקשר לכדור הארץ?
כדור הארץ הוא מגנט ענק עם שדה מגנטי. למצפן יש מחט מגנטית קטנה שמסתובבת חופשית. הקוטב הצפוני של המחט נמשך לקוטב הדרומי המגנטי של כדור הארץ, שנמצא ליד הקוטב הצפוני הגיאוגרפי. לכן המצפן תמיד מצביע צפונה!