מגנטיות
מתוך ויקיפדיה, האנציקלופדיה החופשית
בפיזיקה, מגנטיות היא תופעה שבה חומרים מפעילים כוח דוחה או מושך על חומרים אחרים. כמה חומרים ידועים שמראים תכונות מגנטיות קלות להבחנה הם ברזל, כמה מיני מתכות והמינרל מגנטיט; ברם, כל חומר מושפע בצורה זו או אחרת מנוכחות שדה מגנטי, רק שברוב המקרים ההשפעה קטנה מכדי להבחין בה ללא ציוד מיוחד.
כוחות מגנטיים הם כוחות יסוד שעולים כתוצאה מתנועה של מטען חשמלי. משוואות מקסוול מסבירות את המקור וההתנהגות של השדות האחראים על הכוחות הללו (ראו גם חוק ביו-סבר) לכן, מגנטיות נראית בכל זמן שחלקיקים טעונים חשמלית נמצאים בתנועה. זה יכול להגרם או מתנועת אלקטרונים בזרם חשמלי, היוצרת אלקטרומגנטיות, או מהתנועה התת-אטומית של אלקטרונים, היוצרת מה שנקרא 'מגנט תמידי'.
תוכן עניינים |
[עריכה] מגנטים דו-קוטביים
בדרך כלל, מתייחסים לשדות מגנטיים כדו קוטביים, בעלי 'קוטב דרומי' ו'קוטב צפוני'; מונחים המתוארכים לשימוש במגנטים כמצפנים, היוצרים אינטראקציה עם השדה המגנטי של כדור הארץ כדי להצביע על צפון ודרום על כדור הארץ.
שדה מגנטי מכיל אנרגיה, ומערכות פיזיקליות יתיצבו לתוך התצורה עם האנרגיה הנמוכה ביותר. לכן, כשמונח בשדה מגנטי, מגנט דו-קוטבי יטה לישר את עצמו בקוטביות מנוגדת לזו של השדה, ובכך מבטל את נטו חוזק השדה ככל האפשר ומוריד את האנרגיה המאוחסנת בשדה למינימום. לדוגמה, שני מוטות מגנט זהים בדרך כלל יתישרו צפון לדרום הגורמים לאי נטו שדה מגנטי, ויהיו עמידים בפני כל נסיון לשנות את כיוונם שיצביעו לאותו כיוון. האנרגיה הדרושה לשינוי הכיוון בתצורה הזו נשמרת בשדה המגנטי שנוצר, שהוא כפול החוזק של השדה של כל מגנט. (זו הסיבה שבגללה המגנט המשומש כמצפן יקיים יחסי גומלין על השדה המגנטי של כדור הארץ להצבעה על צפון ודרום).
[עריכה] מגנטים חד-קוטביים
בניגוד לחוויה הרגילה, פיזיקה תאורטית חוזה את הקיום של מגנטים חד-קוטביים. פול דיראק ציין ב-1931 את העובדה שהתאוריה החשמלית והתאוריה המגנטית מראות סימטריה מסוימת, על כן כמו שתורת הקוונטים חוזה שמטענים חשמליים חיוביים או שליליים יחידים יכולים להתקיים ללא המטען הנגדי, קטבים מגנטיים צפונים ודרומיים מבודדים אמורים להיות אפשריים. בפועל, לעומת זאת, על אף שניתן בקלות לבודד פרוטונים ואלקטרונים למטענים אלקטרוניים יחידים, מוצאים רק שדות מגנטיים דו-קוטביים, בעלי קוטב דרומי וצפוני. שאלה זו נותרה אחת השאלות הישנות והקשות ביותר בפיזיקה.
[עריכה] סוגי מגנטים
[עריכה] אלקטרומגנטים
אלקטרומגנטים הם שימושיים מאוד במקרים שבהם צריך מגנט שנתן לכבות ולהדליק; לדוגמה, מנופים גדולים המשמשים להרמת מכוניות הרוסות. במקרה של זרם חשמלי העובר דרך חוט, השדה הנוצר מופנה בהתאמה ל"חוק יד ימין". אם משתמשים ביד ימין כמודל, והאגודל של יד ימין מופנה לאורך החוט מהצד החיובי לשלילי ('זרם קונבנציונלי', ההפך מהכיוון של תנועת אלקטרונים), השדה המגנטי יתעטף מסביב לחוט בכיוון המצוין על ידי האצבעות של יד ימין. כפי שניתן לראות גאומטרית, אם עודים לולאה לולאה או סליל של חוט בצורה כזאת שהזרם עובר בצורה סיבובית, כל קווי השדה במרכז הלולאה מופנים לאותו כיוון, ובכך נוצרת מגנטיות דו-קוטבית שכוחה תלוי בזרם שמסבב ללולאה, או הזרם בסליל כפול מספר הסיבובים של החוט. במקרה של לולאה כזאת, אם האצבעות ביד ימין מצביעות בכיוון של הזרם הקונבנציונלי, האגודל תצביע לכיוון של הקוטב הצפוני.
[עריכה] מגנטים תמידיים
[עריכה] יסודות מתכתיים מגנטיים
בשל סיחרורי האלקטרונים מחוסרי הזוגות, כמה מתכות הן מגנטיות כשנצמצאות בצורתן הטבעית, כמחצבים. אלה כוללים עפרת ברזל (מגנטיט), קובלט, וניקל. מגנטיים הנוצרים בצורה טבעית כגון אלה שומשו בנסויים הראשונים במגנטיות. טכנולוגיה הרחיבה את נגישותם של חומרים מגנטיים למוצרים שונים ידי אדם, אף על פי כן, כולם מבוססים על יסודות מגנטים טבעיים.
[עריכה] תרכובות
[עריכה] קרמי או פריתי
מגנטים קרמיים, או פריתיים, נוצרים מתרכובת מדובקקת של אבקת תחמוצת ברזל וקרמיקה פחמתית בריומית/סטרונטיומית. בשל עלות החומרים הנמוכה ושיטות הייצור, ניתן לייצר בייצור המוני מגנטים זולים (או ליבות פרומגנטיות לא מגנטיות, לשימוש ברכיבים אלקטרוניים כמו אנטנות רדיו, לדוגמה) בעיצובים שונים. המגנטים הנוצרים לא מחלידים, אבל שבריריים וצריך לטפל בהם כקרמיקות אחרות.
[עריכה] אלניקו
מגנטי אלניקו מיוצרים על ידי יציקת או דיבקוק תערובת של אלומיניום, ניקל, וקובלט יחד עם כמויות קטנות של יסודות אחרים שמחזקים את תכונות המגנט. דיבקוק מציע מאפיינים מכניים עליונים, בעוד שיציקה משחררת שדות מגנטיים גבוהים יותר ומאפשרת עיצוב של צורות מסובכות. מגנטי אלניקו עמידים בפני חלודה ובעלי תכונות פיזיות סלחניות יותר מאשר פרית, אבל לא רצויים כמו מתכת.
[עריכה] מעוצבים בהזרקה
מגנטים המעוצבים בהזרקה הם תרכובת מסוגים שונים של שרף ואבקות מגנטיות, ובכף מתאפשר ייצור של חלקי צורות מסובכות על ידי עיצוב בהזרקה. התכונות הפיזיקליות והמגנטיות של המוצר תלויים בחומרי הגלם, אבל בדרך כלל חלשים בחוזקם המגנטי ומזכירים פלסטיק בתכונותיהם הפיזיקליות.
[עריכה] גמישים
מגנטים גמישים דומים למגנטים מעוצבים בהזרקה, בנויים משרף גמיש או מקשר כגון ויניל, ומיוצר כרצועות או דפים שטוחים. המגנטים הללו חלשים בחוזקם המגנטי אבל יכולים להיות מאוד גמישים, תלוי במקשר המשומש.
[עריכה] מגנטי אדמה נדירים
ליסודות אדמה נדירים יש f קליפת אלקטרונים, מלאה ב-14 אלקטרונים. ניתן לישר את סחרור האלקטרונים האלו, שיוצר שדות מגנטיים חזקים מאוד, כתוצאה מזה משתמשים ביסודות אלה למגנטים דחוסים בעלי חוזק מגנטי גבוה שבהם המחיר הגבוה אינו בעיה.
[עריכה] קובלט סמריומי
מגנטי קובלט סמריומי (Sammarium Cobalt) עמידים מאוד בפני חימצון, עם חוזק מגנטי ועמידות בפני טמפרטורות גבוהים יותר מאלניקו או חומרים קרמיים. מגנטי קובלט סמריומי מדובקק שבריריים מאוד נוטים להסדק ולהתרסק ועלולים להשבר כשנחשפים לשוק תרמי.
[עריכה] בור ברזלי נאודיריומי
למגנטי בור ברזלי נאודיריומי (Neodymium Iron Boron - NdFeB) חוזק השדה המגנטי הוא הגבוה ביותר, אבל נחותים מקובלט סמריומי בעמידות בפני חימצון וטמפרטורה.סוג המגנט הזה הוא יקר, הן בשל מחיר חומרי הגלם והן בשל התר השימוש בפטנטים שבהם משתמשים. מחיר גבוה זה מגביל את שימושם למקרים בהם הצורך בחוזקים גבוהים כאלו ממגנטים דחוסים הוא קריטי. שימוש בציפויי מגן כגון זהב, ניקל, אבץ, שרף אפוקסי, ולוחיות פח יכולים לתת הגנה בפני חלודה וטמפרטורות.
