אנו מסבירים מהו שדה מגנטי, כיצד הוא מיוצר ומה המאפיינים שלו. אנו גם מספרים לכם על השדה המגנטי של כדור הארץ.
מהו שדה מגנטי?
שדה מגנטי הוא הייצוג המתמטי של האופן שבו כוחות מגנטיים מופצים ב מֶרחָב שמקיף מקור מגנטי. מקור זה יכול להיות א מַגנֵט, עומס על תְנוּעָה או אחד זרם חשמלי (עומסים רבים בתנועה). בכל פעם שקיים אחד מהיסודות הללו, יהיה סביבו שדה מגנטי, כלומר שדה של כוחות מגנטיים. מחוץ לשדה זה אין השפעות מגנטיות.
מאפיין בסיסי של שדות מגנטיים הוא שהם דיפולים: יש להם קוטב צפוני וקוטב דרומי, הנקראים גם קוטב חיובי וקוטב שלילי. לא כמו ה שדות חשמליים שיכולים להיווצר ממטענים חשמליים (כגון א אֶלֶקטרוֹן), אין "מטענים מגנטיים" שיוצרים שדות מגנטיים. לשדות מגנטיים תמיד יש שני קטבים הקשורים אליהם. כתוצאה מכך, קווי השדה המגנטי סגורים תמיד, כמו במקרה של המגנט: הם עוזבים את הקוטב הצפוני ומגיעים לקוטב הדרומי.
מקורו של שדה מגנטי
כדי ששדה מגנטי יתקיים, חייב להיות מקור של אנרגיה מגנטית (כגון מגנט), מטען נע או זרם חשמלי.יסודות אלו הם היחידים המסוגלים ליצור שדה מגנטי והיחידים שיכולים להיות מושפעים ממנו.
מטען חשמלי (כמו אלקטרון שנע בחלל) יוצר סביבו שדה מגנטי שיפעיל כוח על מטען נע אחר. אותו דבר קורה עם זרמים חשמליים.
המקרה של מגנטים הוא מיוחד מכיוון שאין מטענים נעים מעורבים, אלא חומרים אלו יוצרים שדה מגנטי עקב תופעות מיקרוסקופיות מסוימות בעלות מורכבות מסוימת.
כפי שמתואר על ידי חוק אמפר ומשוואות מקסוול, שדות מגנטיים ושדות חשמליים קיימים לעתים קרובות ביחד טֶבַע. שינויים מסוימים בזמן של שדה מגנטי מייצרים שדות חשמליים. דוגמה טובה לדו-קיום של שני שדות אלו היא קרינה אלקטרומגנטית, כגון אוֹר.
ניתן לבדוק נוכחות של שדות מגנטיים באמצעות מכשיר המכונה מגנומטר.
סוגי שדה מגנטי
ניתן לסווג שדות מגנטיים לפי מקור יצירתם:
- שדות מגנטיים המגיעים ממגנט. מגנטים הם חומרים שיש להם את הייחודיות שיש להם שדה מגנטי קבוע, שנוצר על ידי מה ב גוּפָנִי ידוע בשם סיבוב אלקטרונים (ניתן להבין על ידי חשיבה על זה כעל ספין על עצמם). מצד שני, יש מתכות שיכולים "להפוך" למגנטים כאשר הם מתמגנטים על ידי שדה מגנטי חיצוני.
- שדות מגנטיים מזרם. כל מטען בתנועה מייצר שדה מגנטי. לכן, זרם חשמלי מייצר גם שדה מגנטי. לדוגמה: אלקטרומגנטים (כמו זה באיור למעלה) הם מכשירים שבהם באמצעות א סוֹלְלָה הזרם מופץ דרך חוט הכרוך על מתכת. זרם זה יוצר סביבו שדה מגנטי שממגנט את המתכת ויוצר שדה מגנטי נוסף. לפיכך, משתמשים באלקטרומגנטים ליצירת שדות מגנטיים משתנים שכן על ידי שינוי הזרם, השדה המגנטי משתנה.
כיוון של שדה מגנטי
קווי השדה המגנטי אומרים לנו את הכיוון שלו.
הכתובת של שדה מגנטי ניתן לתאר באמצעות קווים או וֶקטוֹר, אחראי להצביע על הכיוון שאליו מכוונים הכוחות המגנטיים. באיור שלמעלה ניתן לראות בבירור את קווי השדה המגנטי שנוצר על ידי המגנט, המציינים את כיוון הכוח שבו המגנט יוצר אינטראקציה עם חלקיקי המתכת.
העובדה שלשדה המגנטי יש כיוון מרמזת שהוא וקטור. כל כּוֹחַ היא כמות וקטורית, כלומר היא מייצגת כמות שיש לה כיוון וחוש, כמו מהירות. מכיוון שהשדה המגנטי פרופורציונלי לכוח המגנטי, אזי הוא גם כמות וקטורית. למעשה, מעניין לציין שהכוח המגנטי שחש חלקיק נע שקוע בשדה מגנטי הוא תמיד בניצב לכיוון השדה הזה ולמהירותו שלו.
השדה המגנטי של כדור הארץ
לכוכב שלנו יש שדה מגנטי טבעי, הנקרא גם שדה גיאומגנטי. במרכז של כדור הארץ יש ברזל יצוק (לגבוהים טמפרטורות). עקב סיבוב כדור הארץ, הנוזל המתכתי הזה נמצא בתנועה מתמדת, ויוצר זרם חשמלי (כשהמתכת נעה, האלקטרונים המרכיבים אותה נעים). הזרם הזה הוא זה שמייצר את השדה המגנטי של כדור הארץ שהוא כל כך חזק שהוא בורח מפני השטח של כדור הארץ.
השדה המגנטי של כדור הארץ ממלא תפקיד חשוב מאוד מכיוון שהוא מסיט קרינה מסוכנת מאוד עבור יצורים חיים מה שמש. ללא השדה המגנטי של כדור הארץ, ה אַטמוֹספֵרָה הוא ייהרס על ידי קרניים קוסמיות. המצפנים שאנו משתמשים בהם לניווט פועלים באינטראקציה עם השדה הזה: המחט הממגנטת שלו תמיד מיושרת עם השדה המגנטי של כדור הארץ, ומציינת צפון. יתר על כן, בעלי חיים נודדים רבים משתמשים בשדה המגנטי של הפלנטה כדי להתמצא תמיד ולנוע באותם כיוונים בתקופות ספציפיות של השנה.