אלקטרומגנט

אלקטרומגנט הוא סוג של מגנט שבו השדה המגנטי מופק באמצעות זרם חשמלי המועבר מסביב לליבת מתכת, ומתפוגג כאשר הזרם החשמלי נפסק. האלקטרומגנט משתמש בחשמל כדי להפיק כוח מגנטי. המבנה הבסיסי של אלקטרומגנט הוא ליבה של חומר פרומגנטי (לרוב ברזל) סביבה מלופף סליל מחומר מוליך, לרוב נחושת. עם העברת זרם חשמלי בסליל נוצר שדה מגנטי בתוך הליבה והופך אותה למגנט חזק.

איור של האלקטרומגנט הראשון, שהמציא ויליאם סטרג'ן בשנת 1824.

יתרון האלקטרומגנט על פני מגנט רגיל הוא שניתן ליצור שדה מגנטי חזק, וניתן לשלוט על עוצמתו; החסרון הוא שנדרש זרם חשמלי כדי לקיים את השדה המגנטי.

לאלקטרומגנט שימושים רבים בטכנולוגיה, במנועים חשמליים, גנרטורים, שנאים ועוד.

עקרון פעולה

זרם הזורם בחוט יוצר שדה מגנטי שמתנהג לפי כלל יד ימין.

הצורה הבסיסית ביותר של אלקטרומגנט היא תיל שדרכו עובר זרם חשמלי, היוצר שדה מגנטי. שדה מגנטי הנוצר כתוצאה מזרימת זרם דרך חוט מוליך מתנהג לפי כלל יד ימין: כאשר היד סגורה בצורה של אגרוף והאגודל ישר, אזי האגודל מצביע לכיוון הזרם, השדה המגנטי יתעטף מסביב לחוט בכיוון המצוין על ידי האצבעות של יד ימין (ראו איור). עוצמת השדה המגנטי פרופורציונית לעוצמת הזרם החשמלי העובר דרך החוט.

כדי לרכז את השדה המגנטי, מעצבים את התיל בצורה של סליל שבו מקטעים רבים של התיל נמצאים זה לצד זה. הודות למבנה הזה כל התרומות של התיל לשדה המגנטי מתחברות לאורך הציר של הסליל לשדה חזק יותר מזה של תיל ישר. סליל ישר (מעוצב בצורת בורג) נקרא סולנואיד; סולנואיד מכופף לצורת כעך נקרא טורואיד. שדה מגנטי חזק יותר יכול להיווצר בעזרת ליבה מחומר בעל מקדם מגנטיות גבוה (בדרך כלל ברזל) שמוקפת על ידי הסליל. הליבה מחזקת את השדה המגנטי באופן משמעותי לעומת השדה הנוצר מהסליל לבדו, באמצעות מנגנון של התיישרות של האזורים המגנטיים (ראו בהמשך).

המצאה והיסטוריה

אלקטרומגנט פשוט

בשנת 1820 גילה המדען הדני הנס כריסטיאן ארסטד שזרם חשמלי יוצר שדות מגנטיים, גילוי שהוא הבסיס לפעולת האלקטרומגנט.

בשנת 1823 המציא ויליאם סטרג'ן (William Sturgeon) הבריטי את האלקטרומגנט הראשון. האלקטרומגנט של סטרג'ן היה חתיכת ברזל בצורת פרסה וסביבה מלופף תיל נחושת (ראו איור). כאשר הוזרם זרם דרך הסליל, הברזל הפך למגנט ומשך אליו חפצים עשויים ברזל או חומרים המכילים ברזל. ברגע שהופסק הזרם הליבה חזרה למצב הקודם. סטרג'ן הציג את הכוח של המגנט שיצר כשהרים משקל של כ-4 קילוגרם עם זרם שהופק מסוללה אחת בודדה.

בהמשך שיפר ג'וזף הנרי את האלקטרומגנט באמצעות בידוד החוט החשמלי, כך שניתן ללפף אותו בצפיפות גבוהה סביב הליבה. שיפוריו איפשרו לו להרים משקל הקרוב לטון באמצעות אלקטרומגנט.

השימוש המסחרי הראשון של האלקטרומגנט היה ביצירת הצליל בטלגרף. התאוריה הראשונה המסבירה באמצעות אזורים מגנטיים את אופן הפעולה של ליבת האלקטרומגנט הוצעה בידי פייר וייס, ואחריו פיתחו את הניסוח הקוונטי של התאוריה ורנר הייזנברג ולב לנדאו.

אופן הפעולה של אלקטרומגנטים בעלי ליבה

עקומת היסטרזיס של מגנטיזציית ליבה פרומגנטית של אלקטרומגנט, עם המחשת האזורים המגנטיים. השדה החיצוני הוא H, השדה הכולל הנגרם מהמגנטיזציה הוא B, ו-B_R הוא השדה השיורי.

חומר הליבה של אלקטרומגנט הוא פרומגנטיות, ומכיל אטומים בעלי אלקטרונים בלתי-מזווגים שהספין שלהם אינו אפס, וניתן לדמיין אותם כמעין מגנטים זעירים. לפני הזרמת זרם חשמלי באלקטרומגנט, כיווני המגנטים הזעירים הם אקראיים, כך שתרומתם לשדה המגנטי בממוצע מתבטלת. עם הפעלת הזרם, השדה המגנטי גורם להיערכות מחדש של המגנטים הזעירים עם כיוון השדה, כך שתרומתם מתווספת לחוזק השדה. ככל שהשדה החיצוני חזק יותר, הוא יגבר על תנודות תרמיות אקראיות בחומר, והמגנטים הזעירים יהיו מיושרים יותר לכיוון השדה. כך השדה המושרה הנוצר על ידי החומר מגביר את השדה החיצוני שנוצר בגלל הזרם. כאשר כל המגנטים הזעירים מיושרים בכיוון השדה (מצב הנקרא רוויה), במצב זה, הגברה של הזרם כבר לא תשפיע על החומר הפרומגנטי, ותגרום להגברת השדה המגנטי במידה מעטה יותר, כמו בחומר לא-פרומגנטי. לכן עוצמת השדה המגנטי הנוצר על ידי אלקטרומגנט היא מוגבלת. במרבית החומרים הפרומגנטיים עוצמת השדה B ברוויה היא בסביבות 1.6 טסלה.

עם הפסקת הזרם, מרבית האלקטרונים יחזרו לסידור אקראי והשדה המגנטי יתפוגג ברובו. חלק מהאזורים שנערכו יישארו מיושרים גם אחרי שהזרם יופסק, כך שנשאר שדה מגנטי קבוע חלש, הנקרא שדה מגנטי שיורי. תופעה זו נקראת היסטרזיס והיא דומה לתופעות פיזיקליות אחרות, כגון פולריזציה של חומר דיאלקטרי ומתיחה של חומר פלסטי.

ביטול של השדה השיורי נקרא נטילת מיגנוט^[1] (באנגלית demagnetization או degaussing), וניתן לביצוע במספר דרכים, לדוגמה מכה מכנית בליבה יכולה לגרום לשדה הנותר להחלש או להתפוגג.

כוחות על חומרים פרומגנטיים

חישוב השדה שיוצר אלקטרומגנט והכוח שהוא מפעיל על חומרים פרומגנטיים מורכב. ראשית עקב ההשתנות הגדולה בערך השדה בעיקר מחוץ לליבה וברווחי אוויר, עקב זליגה של שטף מגנטי, ושנית עקב התכונות הלא-ליניאריות של הפרומגנט והאזורים המגנטיים, כלומר השדה שיוצרת הליבה אינו בדיוק מתכונתי לשדה שיוצר התיל. לכן חישובים מקורבים נדרשים לקירוב שדה קבוע (בתוך הליבה), וחישובים מדויקים מבוצעים בשיטת אלמנטים סופיים.

ניתן להעריך את הכוח בקירוב שדה קבוע, עבור חומר עם מקדם מגנטיות גבוה מאוד כגון סגסוגת פלדה:

${\displaystyle F={\frac {B^{2}A}{2\mu _{o}}}}$

כאשר ${\displaystyle \ F}$ הוא הכוח, ${\displaystyle \ B}$ הוא השדה המגנטי, ${\displaystyle \ A}$ הוא שטח החתך של החומר הפרומגנטי ו-${\displaystyle \ \mu _{0}}$ הוא מקדם המגנטיות של הריק.

עבור שדה מגנטי מקסימלי, כלומר השדה האופייני של רוויה שצוין למעלה, שהוא כ-1.6 טסלה, הכוח המקסימלי ליחידת שטח (הלחץ המרבי) שיוצר האלקטרומגנט הוא כמיליון פסקל, או כ-100 ניוטון לסמ"ר.

עבור ליבה הבנויה כצורה סגורה (כמו מעגל או מסגרת מלבנית), ללא רווחי אוויר, ובקרוב שדה אחיד, השדה הוא:

${\displaystyle \ B={\frac {\mu NI}{L}}}$

כאשר ${\displaystyle \ N}$ הוא מספר הכריכות סביב האלקטרומגנט, ${\displaystyle \ I}$ הוא הזרם ו-${\displaystyle \ L}$ הוא היקף הליבה. יחד עם הנוסחה לכח על חומר מגנטי נקבל:

${\displaystyle F={\frac {\mu ^{2}N^{2}I^{2}A}{2\mu _{0}L^{2}}}}$

מנוסחה זו ניתן לראות שכדי להגדיל את הכח שמפעיל האלקטרומגנט, עדיפה ליבה בעלת היקף קטן ושטח חתך גדול.

מנופי אלקטרומגנט תעשייתיים מעוצבים עם שני מוטות בתחתית, התוחמים את קווי השדה ומרכזים אותם כך שהשדה המגנטי מתחזק. רמקולים משתמשים באותה גאומטריה, אך בהם קווי השדה הם בצורת קשת מהצילינדר הפנימי ולא ניצבים לפני השטח^{[דרוש מקור]}.

אלקטרומגנטים ליצירת שדות חזקים

אלקטרומגנטים בעלי ליבה מוגבלים לשדה מגנטי מרבי של כ-1.6 טסלה, בהשוואה למגנטים קבועים שיכולים להגיע עד 1.4 טסלה, עבור פרומגנט העשוי מסגסוגת נאודימיום. קיימים סוגים נוספים של אלקטרומגנטים שיכולים ליצור שדה חזק יותר:

אלקטרומגנט מוליך על - סוג של אלקטרומגנט בו התיילים עשויים ממוליך על. חומרים מוליכי על פועלים בטמפרטורות נמוכות ולכן זקוקים לקירור. השדה המגנטי הנוצר מוגבל על פי הזרם החשמלי והשדה המגנטי המרביים בהם התיל נותר מוליך על, וערכו מגיע עד 30 טסלה, כתלות בחומר ממנו התיל עשוי. אלקטרומגנטים מוליכי על משמשים במאיצי חלקיקים ובמכשירי דימות תהודה מגנטית.

אלקטרומגנט ביטר (Bitter) - על שם ממציאו פרנסיס ביטר, הוא אלקטרומגנט בו במקום תיל מצויות דיסקיות מתכת בצורת סליל. המבנה חזק בהרבה מסליל של תיל ויכול לעמוד בלחץ שיוצר שדה מגנטי חזק, ובנוסף דרך חורים בדסקיות זורם נוזל קירור המשמש לפיזור החום הרב שנוצר. באמצעות מגנט ביטר ניתן להגיע ל-35 טסלה, ושילוב מגנט ביטר בתוך מגנט מוליך על יצר שדה מגנטי של 45 טסלה.

אלקטרומגנט לזמן קצר - אלקטרומגנטים מוגבלים עקב החום הגדול שנוצר בזרם חשמלי גדול. ניתן באמצעות פולס חשמלי ליצור שדה מגנטי חזק, עד 90 טסלה, לזמן קצר. באמצעות פיצוץ מבוקר סביב אלקטרומגנט, ניתן לרכז את השדה כך שמגיע עד לחוזק של 1000 טסלה, מבנה זה נקרא "אלקטרומגנט מתפוצץ".

שימושים של אלקטרומגנטים

אלקטרומגנט תעשייתי המרים גרוטאות מתכת

• במנועים חשמליים זרם שכוונו מתהפך באופן מחזורי יוצר שדה מגנטי בין שני אלקטרומגנטים הגורם לאחד משניהם להסתובב. גנרטורים פועלים באותו אופן אך הפוך, ובהם תנועה סיבובית של אלקטרומגנטים יוצרת זרם חילופין חשמלי.
• שנאים, הממירים מתח על פי יחס ליפוף התיילים משני צדדיה של ליבת מתכת.
• רישום וקריאה של מדיה מגנטית, למשל דיסק קשיח או קלטת שמע.
• מגנטים תעשייתיים להרמת מתכות
• ריחוף מגנטי, המשמשת גם לרכבת ריחוף מגנטי.
• ממסר, אשר שימש במקור במרכזיית טלפון, כיום בעל שימושים רבים, למשל במגברים.
• רמקולים
• מאיצי חלקיקים
• הפרדה מגנטית בין חומרים

ראו גם

• מגנט
• כלל יד ימין
• שדה מגנטי

לקריאה נוספת

• Kristen Coyne, Magnets: from Mini to Mighty, National High Magnetic Field Laboratory, 2008

קישורים חיצוניים

מיזמי קרן ויקימדיה
ערך מילוני בוויקימילון: אלקטרומגנט
תמונות ומדיה בוויקישיתוף: אלקטרומגנט

• National High Magnetic Field Laboratory
• אלקטרומגנט, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית)

הערות שוליים

1. ראו מילון פיזיקה חשמל ומגנטיות (תשל"ו), מונחי האקדמיה ללשון העברית