אלקטרומגנט: איך זרם חשמלי יוצר מגנט

• כיתה ח’
• מגנטיות והשראה
• 7 דקות קריאה

מה גילה אורסטד, איך בונים אלקטרומגנט ממסמר, תיל וסוללה, מה הופך אותו לחזק יותר, ואיפה משתמשים בו. עם שני תרגילים פתורים.

התשובה בקצרה

אלקטרומגנט הוא מגנט שעובד רק כשזורם בו זרם חשמלי:

• זרם יוצר שדה מגנטי: סביב כל תיל שזורם בו זרם יש שדה מגנטי. כשמלפפים את התיל לסליל, השדות של כל הליפופים מתחברים.
• ליבת ברזל מחזקת: מסמר ברזל בתוך הסליל הופך את המגנט לחזק הרבה יותר.
• שליטה מלאה: יותר ליפופים ויותר זרם נותנים מגנט חזק יותר. מנתקים את הזרם, והמגנטיות נעלמת.

למי זה מיועד: לתלמידי כיתה ח׳ שלומדים מגנטיות. כדאי להכיר קודם את המגנטיות, כלומר קטבים, משיכה ודחייה, ולדעת בערך מה זה זרם חשמלי.

הגילוי של אורסטד: זרם חשמלי מזיז מצפן

פעם חשבו שחשמל ומגנטיות הם שני דברים נפרדים. ב־1820 שם לב הפיזיקאי הדני הנס כריסטיאן אורסטד לדבר מפתיע: מחט של מצפן שמונחת ליד תיל זזה ברגע שמזרימים בתיל זרם חשמלי. כשמנתקים את הזרם, המחט חוזרת להצביע צפונה. וכשהופכים את כיוון הזרם, המחט סוטה לצד השני.

המסקנה של אורסטד: זרם חשמלי יוצר סביבו שדה מגנטי. מחט המצפן היא מגנט קטן, והיא מגיבה לשדה הזה בדיוק כמו שהיא מגיבה למגנט רגיל. מהגילוי הזה התחיל התחום שנקרא היום אלקטרומגנטיות.

איך בונים אלקטרומגנט

השדה סביב תיל ישר אחד חלש. כדי לקבל מגנט שימושי עושים שני דברים:

1. מלפפים את התיל לסליל. כל ליפוף יוצר שדה קטן, ובתוך הסליל כל השדות פונים לאותו כיוון ומתחברים. סליל שזורם בו זרם מתנהג כמו מגנט מוט, עם קוטב צפוני וקוטב דרומי.
2. מכניסים ליבת ברזל לתוך הסליל. בברזל יש אזורים זעירים שכל אחד מהם הוא מגנט קטנטן. השדה של הסליל מסדר אותם באותו כיוון, והם מוסיפים את המגנטיות שלהם. התוצאה חזקה הרבה יותר מסליל ריק.

כך נראה אלקטרומגנט פשוט שאפשר לבנות בבית: מסמר ברזל, תיל נחושת מבודד וסוללה. המסמר מרים מהדקי משרד, ומפיל אותם ברגע שמנתקים את התיל.

איזה קצה הוא הצפוני? זה תלוי בכיוון הזרם בליפופים. אם הופכים את הסוללה, הזרם מתהפך, והקטבים מתחלפים: הקצה שהיה צפוני נעשה דרומי. בתיכון לומדים למצוא את הקוטב בעזרת כלל יד ימין.

מה הופך אלקטרומגנט לחזק יותר

שלושה דברים קובעים כמה חזק יהיה אלקטרומגנט:

• מספר הליפופים: כשאורך הסליל קבוע, יותר ליפופים נותנים שדה חזק יותר.
• עוצמת הזרם: זרם גדול יותר נותן שדה חזק יותר. מקבלים זרם גדול יותר, למשל, בעזרת סוללה עם מתח גבוה יותר.
• ליבת ברזל: סליל עם ליבת ברזל חזק בהרבה מאותו סליל בלי ליבה, או עם ליבה מעץ או מפלסטיק.

הסימן ∝ פירושו “פרופורציוני ל”. היחס הזה נכון כשמשווים סלילים באותו אורך ועם אותה ליבה. בזרמים גדולים מאוד ליבת הברזל כבר לא מצליחה להוסיף עוד הרבה, אבל בניסויים בכיתה הכלל הזה עובד היטב.

תרגיל פתור: איזה אלקטרומגנט הכי חזק

השאלה: לארבעה סלילים יש אותו אורך, ובכולם זורם זרם של 1 אמפר. סליל א: 50 ליפופים סביב עיפרון מעץ. סליל ב: 50 ליפופים סביב מסמר ברזל. סליל ג: 100 ליפופים סביב מסמר ברזל. סליל ד: בדיוק כמו סליל ב, אבל הסוללה מחוברת הפוך. סדרו את הסלילים לפי החוזק, והסבירו.

שלב 1, ב מול א: אותו מספר ליפופים ואותו זרם. ההבדל היחיד הוא הליבה. ברזל מחזק את השדה, ועץ לא. לכן ב חזק מ־א.

שלב 2, ג מול ב: אותה ליבה ואותו זרם, אבל ב־ג יש פי 2 ליפופים. לפי B ∝ N · I, השדה של ג גדול בערך פי 2.

שלב 3, ד מול ב: מספר הליפופים, הזרם והליבה שווים. היפוך הסוללה משנה רק את כיוון הזרם, ולכן הקטבים מתחלפים, אבל החוזק נשאר אותו דבר.

התשובה: ג הכי חזק, אחריו ב ו־ד בחוזק שווה, ו־א הכי חלש. ב־ד הקוטב הצפוני נמצא בקצה השני של המסמר.

תרגיל פתור: כמה זרם צריך

השאלה: נועה בנתה אלקטרומגנט עם 60 ליפופים וזרם של 1.5 אמפר. ליואב יש סליל באותו אורך ועם אותה ליבה, אבל עם 90 ליפופים. איזה זרם צריך יואב כדי לקבל מגנט חזק בדיוק כמו של נועה? ואיזה זרם כדי לקבל מגנט חזק פי 2?

שלב 1, המכפלה אצל נועה: N · I = 60 · 1.5 = 90.

שלב 2, אותו חוזק: יואב צריך את אותה מכפלה, 90. לכן I = 90 / 90 = 1 A.

שלב 3, חוזק כפול: המכפלה צריכה להיות 2 · 90 = 180. לכן I = 180 / 90 = 2 A.

התשובה: לאותו חוזק מספיק זרם של 1 אמפר, כי יש ליואב יותר ליפופים. לחוזק כפול הוא צריך 2 אמפר.

מדליקים ומכבים: היתרון הגדול

מגנט קבוע, כמו מגנט מקרר, מגנטי כל הזמן. אלקטרומגנט עובד רק כשיש זרם: מזרימים זרם, והוא מושך. מנתקים, והוא משחרר.

בשביל זה הליבה עשויה מברזל רך, כלומר ברזל כמעט טהור. ברזל רך מאבד כמעט את כל המגנטיות שלו ברגע שהזרם נעצר. ליבה מפלדה הייתה נשארת מגנטית גם אחרי שמנתקים, וכך בעצם מייצרים מגנטים קבועים.

איפה משתמשים באלקטרומגנטים

• עגורן גרוטאות: אלקטרומגנט ענק מרים ערימות של ברזל ופלדה. כשהעגורן מגיע למקום הנכון, מנתקים את הזרם והמתכת נופלת.
• פעמון חשמלי: הזרם הופך סליל למגנט, והוא מושך לשונית ברזל עם פטיש שמכה בפעמון. התנועה מנתקת את המעגל, המגנט נכבה, וקפיץ מחזיר את הלשונית. המעגל נסגר שוב, וכך הפטיש מכה שוב ושוב.
• ממסר: זרם קטן בסליל מושך מתג מברזל, והמתג סוגר מעגל אחר שבו זורם זרם גדול. כך מעגל חלש שולט במכשיר חזק.
• מכשיר הדמיה מגנטית: בבתי חולים יש מכשירים שמצלמים את פנים הגוף בעזרת אלקטרומגנט עצום. השדה שלו חזק פי עשרות אלפים מהשדה של כדור הארץ.

בתיכון לומדים לחשב את השדה עצמו, בטסלה, ראו שדה מגנטי של תיל ישר ושל סליל.

איפה רואים את זה בחיים

• מנעול מגנטי בכניסה לבניין

  במשקוף יש אלקטרומגנט שמחזיק פלטת פלדה שמחוברת לדלת. כשלוחצים על הכפתור, הזרם מתנתק, המגנט משחרר, והדלת נפתחת.

• מפעל מחזור

  מסוע עם פסולת עובר מתחת לאלקטרומגנט. פחיות פלדה נמשכות ומורמות, ופחיות אלומיניום ממשיכות הלאה, כי אלומיניום לא נמשך למגנט.

• רכבת מרחפת

  יש רכבות שמרחפות מעט מעל המסילה בעזרת אלקטרומגנטים. אין מגע בין הגלגלים למסילה, ולכן אין חיכוך עם המסילה.

שאלות נפוצות

למה הליבה של אלקטרומגנט עשויה מברזל ולא מפלדה?

ברזל רך מאבד כמעט את כל המגנטיות שלו ברגע שהזרם נעצר, ולכן אפשר לכבות את המגנט. פלדה נשארת מגנטית גם אחרי שהזרם נעצר.

אפשר לבנות אלקטרומגנט בבית?

כן, ממסמר ברזל, תיל נחושת מבודד וסוללה. חשוב לחבר רק לזמן קצר, כי התיל מתחמם והסוללה מתרוקנת מהר.

אלקטרומגנט מושך גם אלומיניום?

לא. כמו כל מגנט, הוא מושך בעיקר ברזל, ניקל וקובלט, וחומרים שיש בהם אחד מהם, כמו פלדה. אלומיניום, נחושת ופלסטיק לא נמשכים.

רוצים לתרגל מגנטיות ואלקטרומגנטים עד רמת מבחן?

בקורס הפיזיקה לכיתה ח׳ כל נושא מוסבר בסרטון, ולכל תרגיל בחוברת יש סרטון פתרון מלא. משלמים פעם אחת, והגישה ללא הגבלת זמן.

לקורס כיתה ח׳

או מתחילים בחינם: חוברת כיתה ח׳, להורדה