השדה המגנטי של סליל

1. השדה המגנטי של סליל אידאליזציה: השדה אחיד בתוך הסליל ואפס מחוצה לו

2. חישוב השדה בתוך סליל בעזרת חוק Ampere המכפלה הסקאלארית של השדה וכיוון הלולאה בכל מקום היא בהנחה שהסליל אידאלי (שדה אחיד בתוך הסליל, אפס בחוץ) נבנה לולאה אמפרית abcd כמסומן בציור בקטע ab- השדה אחיד, B מקביל ללולאה ולכן בקטע cd- השדה הוא B=0 ולכן בקטעים bcו-ad- השדה מאונך לכיוון הלולאה ולכן מסקנה: על-פני כל הלולאה:

3. חישוב השדה בתוך סליל (המשך) נוח להחליף מN- לLn-, כאשר n היא צפיפות הליפופים – כמה יש ליחידת אורך סך הכל הזרם שעובר בתוך הלולאה הוא Ni, כאשר i הוא הזרם וN- הוא מספר הליפופים שבתוך הלולאה נפעיל עכשיו את חוק אמפר: עוצמת השדה בתוך סליל אידיאלי תלוייה לינארית בזרם ובצפיפות הליפופים

4. שדות מגנטיים יכולים להשרות זרמים חשמליים השראות = inductance

5. V תרגיל מחשבתי B • לולאה סגורה של מוליך ללא מקור מתח • נתחיל להזיז את המוט הניד בניצב לכיוון השדה x x xx x x xx x x xx x x xx x x x xx x x xx x x xx x x xx x + - x x xx x x xx x x xx x x xx x x x xx x x xx x x xx x x xx x x x xx x x xx x x xx x x xx x • אם יש מטענים חשמליים חופשיים, הם ינועו לפי חוק היד הימנית יווצר זרם בלולאה! שאלה: מהו כיוון השדה המגנטי הנוצר בגלל הזרם בלולאה?

6. B V x x xx x x xx x x xx x x xx x x x xx x x xx x x xx x x xx x + - x x xx x x xx x x xx x x xx x • הכוח על כל מטען F=qvB (sinq=1) • הכוח פועל על המטענים על-פני מרחק L, ולכן תורם להם אנרגיה W=FL=qvBL • הכא"מ הוא כמו פוטנציאל – זוהי אנרגיה ליחידת מטען, ולכן e=W/q=vBL • שימו לב – vL הוא קצב השינוי של השטח בלולאה • אם ללולאה התנגדות R יתקבל זרם נטו e=iR • אם נעצור את הלולאה, v=0, F=0, W=0 ואין כא"מ כלל! x x xx x x xx x x xx x x xx x x x xx x x xx x x xx x x xx x כיוון הזרם – נגד כיוון השעון כיוון השדה המגנטי – החוצה מהמסך, כלומר, מנוגד לכיוון השדה העיקרי!

7. חוק Faraday • עובדה: רק כאשר ישנו שינוי "יחסי" של המצב המגנטי והמוליך נוצר זרם (בלולאה קבועה המצוייה בשדה קבוע לא זורם זרם) • Faraday ניסח את האפקט באופן כמותי: הכוח האלקטרומגנטי (כא"מ – emf) המושרה פרופורציוני לקצב השינוי של השטף המגנטי דרך הלולאה הערה (2)- אם יש ללולאה N ליפופים, הדבר שקול להכפלת השטח שלה פי N הערה (1) – בניגוד לחוק גאוס, אין מדובר במשטח הסוגר נפח, אלא בשטח שבתוך הלולאה בלבד.

8. אפליקציה של השראות – שנאים נאמר שאנו מעוניינים לשנות את המתח שאנו מקבלים (ממקור חיצוני) למתח המתאים להפעלת הציוד שלנו. • אם השנאי יעיל, השינוי בשטף המגנטי דרך סליל אחד (הנותן) גורר שינוי זהה בשטף המגנטי דרך הסליל השני (המקבל) אם מפסיקים ומחדשים את e1 בתדירות מסויימת, מקבלים e2 (מתנדנד גם כן) בצד המקבל ליבת ברזל

9. איך משנים את השטף המגנטי דרך לולאה? • כמו בדוגמה – משנים את שטח הלולאה • כמובן – אפשר גם לשנות את השדה המגנטי • וגם, אפשר לשנות את הכיוון היחסי בין הלולאה לשדה המגנטי x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x x נסובב את הלולאה על ציר אופקי המקביל למסך

10. אפליקציה של השראות – גלאי מתכות • בעזרת מתקן (קבוע או ידני) מפעילים פולסים של שדה מגנטי • הפולסים יוצרים שינוי של השטף המגנטי סביב הנבדק • בחפצי המתכת של הנבדק מושרים זרמים (לזמן קצר) • גלאים מגלים את השדות המגנטים המושרים שיוצרים אותם זרמים

11. N למגבר i S אפליקציה של השראות – גיטרה חשמלית • המטרה – לתרגם תנועה מכנית עדינה לאות חשמלי • השיטה – יצירת שטף מגנטי משתנה דרך סליל, ושימוש בזרם להפקת צליל (דרך מגבר) N S

12. אפליקציה של השראות – זיכרון מגנטי • דרוש – חומר שניתן לשנות את מצב המיגנוט שלו בכל מקום ומקום (כתיבה), שמצב המיגנוט ישאר כפי שהצבנו אותו לאחר הפעולה (זיכרון), ולעיתים - שניתן לבטל את המיגנוט כשנחפוץ (מחיקה) ולכתוב מחדש כתיבה: העברת זרם דרך הסליל – משנה את השדה המגנטי שבטבעת הברזל – משנה את המיגנוט באזור מצומצם של החומר המגנטי תיל ראש (לרוב מברזל רך) קריאה: הסעת טבעת הברזל על החומר המגנטי (אן להפך) – משנה את השדה המגנטי שבטבעת הברזל – משרה זרם בסליל חומר מגנטי אנאלוגי – "מיגנוט משתנה" בחומר המגנטי דיגיטלי – שני מצבי מיגנוט (0 או 1)

13. חוק Lentz • חוק Lentz קובע: הזרם המושרה הנוצר לפי חוק Faraday מכוון כך שהוא יוצר שדה מגנטי המתנגד לשינוי בשטף המגנטי שהשרה את הזרם. • אם השטף המגנטי גדל – השדה מכוון בכיוון הפוך מהשדה המקורי. • אם השטף המגנטי קטן – השדה מכוון במקביל לשדה המקורי.

14. מדוע חוק Lentzהוא "בלתי-נמנע" • שינוי השטף המגנטי כרוך בהשקעת אנרגיה על-ידי מקור חיצוני. • תגובת המערכת היא ליצור אפקט מתנגד (כמו חיכוך או התנגדות), שיגרום להפסקת הזרם אם מקור האנרגיה החיצוני יפסיק לעבוד. • שימו לב שבהשראות הזרם איננו נובע מהפרש פוטנציאלים (שיכול להתקיים רק במצב סטאציונארי), אלא מגלגול אנרגיה לתנועה של מטענים

15. חומרים דיאמגנטיים(diamagnetism) • "בכל חומר" ניתן להשרות דיפולים מגנטיים לפי תנועת מטענים (באטומים ואפילו בתנועת מטענים סביב עצמם). כאשר מניחים את העצם בשדה מגנטי חיצוני הדיפולים המגנטיים מסתדרים לפי הכיוון (במידת האפשר), ויוצרים שדה מגנטי חלש קולקטיבי. • השדה הדיאמגנטי נעלם, למעשה, כאשר מסירים את השדה החיצוני. • זוהי הצורה החלשה ביותר של מגנטיות בטבע.

16. חומרים פאראמגנטיים(paramagnetism) • חומרים שבהם ישנם מומנטים מגנטים "קבועים", אך לרוב מצויים באי-סדר יחסי (אין כיוון מועדף), ולכן השדה המגנטי נטו חלש. • בעת הפעלת שדה חיצוני המומטים מסתדרים לפי כיוון שדה זה, והאפקט (שדה מגנטי מושרה) גדול יחסית. • השדה הפאראמגנטי נעלם ברובו, כאשר מסירים את השדה החיצוני. • לקבוצה זו שייכות רוב מתכות המעבר, והמתכות נדירות.

17. חומרים פרומגנטיים(ferromagnetism) • “ferro” מלשון “ferrum” – ברזל. מאפיין בעיקר סגסוגות של ברזל ושל ניקל, שבהם קל ליצור סדר קבוע בכיוון הדיפולים המגנטיים באופן טבעי. • בפרט, בעת הפעלת שדה חיצוני, הדיפולים המגנטיים יכולים להסתדר לפי כיוון השדה, וליצור שדה מושרה חזק יחסית. • השדה הפרומגנטי איננו נעלם גם כאשר מסירים את השדה החיצוני. • המגנטים המוכרים לנו הם חומרים "פרומגנטיים".