תופעת האלקטרומגנטיות 1807 - 1873

הִיסטוֹרִיָה

האלקטרומגנטיות התגלתה ב-1819 על ידי הנס כריסטיאן אורסטד וג'וזף הנרי, שניהם הבחינו בקשר בין חשמל למגנטיות. מייקל פאראדיי, כימאי, מיוחס לגילוי האינדוקציה האלקטרומגנטית בשנת 1831. הוא שם לב ששדה מגנטי משתנה (כלומר אחד שזז או משתנה) גרם לזרם לזרום בחוט שהוצב ליד המגנט. זה היה הרמז הראשון שלו לכך ששדה מגנטי משתנה יכול לייצר חשמל. לפני הגילוי של פאראדיי, החשמל נחשב כזרימה של אלקטרונים בתוך מוליך. אולם עבודתו של פאראדיי הביאה אחרים להאמין שחשמל יכול לנבוע משינוי בכיוון זרימת האלקטרונים בלבד, ללא קשר לחומר שבו הם נעים. שינוי זה בנקודת המבט הוביל לפיתוח של גנרטורים אלקטרוסטטיים שאינם מסתמכים על זרימת אלקטרונים דרך מוליך. גנרטורים אלו מייצרים חשמל, אך לא אלקטרומגנטיות.

תיאוריה אלקטרומגנטית במאה ה-19

בשנות ה-1800 הוצעו שתי תיאוריות מתחרות כדי להסביר כיצד האלקטרומגנטיות פועלת. הראשון היה קו תיאוריית ה"לחץ", שקבע שמטענים חשמליים נעים, כמו אלה שבזרם חשמלי, דחפו אל שדה מגנטי סמוך ובכך גרמו להשראת שדה מגנטי במוליך הסמוך. התיאוריה השנייה, תיאוריית ה-"E-field", קבעה כי המטענים הנעים עצמם הפעילו כוח על השדה הסמוך וכך גרמו ליצירת שדה מגנטי. היום אנחנו יודעים שתיאוריית השדה האלקטרוני נכונה אבל היו ניסויים רבים שנעשו במאה ה-19 כדי לנסות ולהוכיח איזו תיאוריה הייתה נכונה. ב-1832 ביצע פאראדיי סדרת ניסויים במגנט נע (כלומר מגנט מוט מסתובב) וחוט סמוך. הוא ראה שזרם מושרה בחוט למרות שהחוט לא היה בנתיב המגנט הנע. זו הייתה עדות לכך שתיאוריית ה"לחץ" הייתה שגויה מכיוון שהחוט לא היה בנתיב הישיר של המטענים הנעים. במקום זאת, השדה המגנטי של המגנט הנע גרם להשראת הזרם בחוט, ותומך בתיאוריית שדה ה-E.

אינדוקציה של שדות מגנטיים על ידי הזזת מטענים חשמליים

זרמים במוליך יוצרים שדה מגנטי בכיוון הזרימה. זרם נע (כלומר משתנה) יוצר גם שדה מגנטי, אך בכיוון המנוגד לזרימה. אם הזרם משתנה בעוצמתו, כיוון שדה המגנטי משתנה. כאשר זרם נע בצורה סדירה וניתנת לחיזוי, השדה המתקבל הוא החזק ביותר בזווית ישרה לכיוון הזרימה. עם זאת, אם הזרם משתנה בעוצמתו, כיוון השדה המתקבל משתנה ככל שעוצמת הזרם משתנה. אם חוט ממוקם ליד חומר מוליך חשמלי והזרם דרך החוט משתנה, השדה שנוצר יהיה בזווית ישרה גם לחוט וגם לחומר.

חוזק שדה מגנטי והתמצאות

עוצמת השדה המגנטי שנוצר על ידי מוליך תלויה בזרם שלו ובמרחק בין החוט לחומר הסמוך. אם המרחק בין המוליך לחומר קטן, חוזק השדה הוא פרופורציונלי לזרם במוליך. אם מרחיקים את המוליך, עוצמת השדה פוחתת עם המרחק. השדה הוא החזק ביותר בזווית ישרה הן לחוט והן לחומר. הוא החלש ביותר בזווית ישרה הן לחוט והן לחומר. זה נכון גם לזרם משתנה וגם לזרם יציב (כלומר לא משתנה). חוזק השדה משתנה הפוך לקוביית המרחק. זה אומר שככל שהמרחק מוכפל, עוצמת השדה מצטמצמת לשמינית ממה שהיה.

סלילים ואלקטרומגנטים

אם לולאת חוט ממוקמת ליד מוליך, שדה מגנטי מושרה בלולאה. חוזק השדה הוא פרופורציונלי לזרם במוליך הסמוך. כיוון השדה הוא בזוית ישרה הן ללולאה והן למוליך הסמוך. כאשר החוט משתנה כך שהוא מעביר זרם דרך הלולאה, נוצר אלקטרומגנט. חוזק האלקטרומגנט תלוי בזרם במוליך הסמוך. כאשר הזרם יציב החוזק הוא פרופורציונלי בערך לריבוע הזרם. כאשר הזרם משתנה, החוזק הוא בערך פרופורציונלי לזרם.

יישומים של אינדוקציה אלקטרומגנטית

לאינדוקציה אלקטרומגנטית יש יישומים חשובים רבים. המוכר ביותר הוא גנרטור חשמלי. כאשר מוליך (רוטור) מסובב ליד חוט נייח, מושרה זרם בחוט. זרם זה משמש להפעלת אורות, מחשבים ומכשירים חשמליים אחרים. יישום חשוב נוסף הוא האלקטרומגנט. אלקטרומגנטים משמשים במגוון רחב של יישומים, כולל הדמיה רפואית, ייצור של שבבי מיקרו, ושיגור חלליות. אלקטרומגנטים משמשים להרמת חפצים כבדים. הם משמשים גם כדי לשלוט ולכוון את זרימת החומרים בתעשיות כמו כרייה, עיבוד מזון וייצור פלדה. אלקטרומגנטים משמשים כחיישני זרם במערכות חשמל כדי לקבוע אם יש זרם זורם במערכת.

סיכום

אלקטרומגנטיות היא תופעה מעניינת שיש לה יישומים חשובים במקומות רבים בעולם. הקשר בין חשמל למגנטיות לא הובן היטב עד סוף המאה ה-19. מייקל פאראדיי הניח את הבסיס לגילוי האינדוקציה האלקטרומגנטית בשנת 1831. הוא גילה שהזזת מגנט ליד חוט תגרום לזרם בחוט. גילוי זה פתח תחום חדש של מחקר וכתוצאה מכך נולדו טכנולוגיות חדשות. אינדוקציה אלקטרומגנטית אחראית לייצור חשמל במקומות רבים בעולם.