שדות מגנטיים

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).

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.

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.