Magnetism and electromagnetism

מגנט נע יכול ליצור זרם; זרם יכול ליצור תנועה. כל מנוע, גנרטור, תחנת כוח ורמקול קיים בנושא זה. עמוד זה מכסה AQA GCSE Physics 8463, נושא 4.7 Magntism and electromagnetism.

כיצב המבחן מטפל בנושא זה:

• נושא זה מופיע ב-2. $F = BIl$ ושתי נוסחאות המוטר מופיעים בדף הצמוד.
• חוק היד השמאלית של פלמינו, מנועים, רמקולים, אפקט הגנרטור, אלטרנטורים/דינמו, מיקרופונים ומוטרים הם רק ל-HT; כל מה שמתחיל מ-4.7.3 הוא גם פיזיקה בלבד.
• עליכם לשרטט תבניות שדות: מגנט מוט, חוט ישר, סולנואיד.

• קטבים: המקום שבו הכוח המגנטי הוא החזק ביותר.

קטבים זהים דוחים; קטבים שונים נמשכים — כוח שאינו נוגע.

• מגנט קבוע מייצר את השדה שלו. מגנט מוגדר הופך למגנט רק כאשר הוא בשדה — והמגנטיות המוגדרת תמיד גוררת (היא מאבדת את המגנטיות שלה כשהיא מוסרת).
• השדה המגנטי הוא האזור שבו כוח פועל על מגנט או חומר מגנטי אחר (ברזל, פלדה, קובלט, ניקל). מגנט תמיד גורר חומר מגנטי.
• השדה חזק ביותר בקטבים; הכיוון = הכוח על קוטב צפוני בנקודה זו. קווי שדה עוברים צפון → דרום.
• מצפן הוא מגנט מוט קטן; הוא מצביע לאורך שדה כדור הארץ — עדות לכך לכדור הארץ יש שדה מגנטי (ליבתו מתנהגת כמו מגנט ענק).

שרטוט שדה: להניח מצפן סימון קטן ליד המגנט, לסמן את קצוות המחט, להזיז את המצפן כך שהזנח ישב על הסימון האחרון, לחזור ולחבר את הנקודות. גרגירי ברזל מראים את התבנית כולה בו-זמנית.

לחוט העובר בו זרם יש שדה מגנטי סביבו (מעגלים קונצנטריים; אחיזת יד ימנית — האגודל עם הזרם, האצבעות מתכווצות עם השדה). השדה חזק יותר ככל שהזרם גדול וחלש יותר ככל שהמרחק מהחוט גדול.

כיפוף החוט ל-סולנואיד:

• השדות של הלולאות נוספים — השדה בפנים הוא חזק ואחיד;
• בחוץ, הצורה תואמת את מגנט המוט;
• הוספת ליבת ברזל מגבירה את החוזק עוד יותר — זהו אלקטרומגנט.

אלקטרומגנט ניתן להפעלה וכיבוי ועוצמתו משתנה עם הזרם — ולכן הוא טוב יותר ממגנט קבוע במפעלי גירעין ובממסרים.

מוליך העובר בו זרם בשדה מגנטי מרגיש בכוח (ה-אפקט המנוע — השדה, המגנט והמוליך דוחפים זה את זה).

חוק היד השמאלית של פלמינג: אגודל = כוח, אצבע הראשונה = שדה (N→S), אצבע השנייה = זרם — כל שלושת האצבעות בזווית ישרה.

• $F$ כוח ב-N; $B$ צפיפות שדה מגנטי בטסלה, T; $I$ זרם באמפר, A; $l$ אורך המוליך בתוך השדה, במטר, m.
• כוח גדול יותר עם: שדה חזק יותר (ערך גבוה יותר ל-$B$), זרם גדול יותר, מוליך ארוך יותר בתוך השדה. כוח מקסימלי כאשר המוליך נמצא ב-זווית ישרה לשדה.

מנוע חשמלי: סליל העובר בו זרם בשדה מסתובב מכיוון ששתי צלעותיו מרגישות בכוחות הפוכים זה לזה.

מחלקת קומוטציה מפנה את הזרם בכל מחצית סיבוב כך שהסיבוק ימשיך.

רמקול (פיזיקה בלבד): זרם מתחלף העובר בסליל בשדה גורם לסליל לרמום פנימה והוצאה; הגביע דוחף את האוויר ליצירת שינויי לחץ — גלי קול שתדרם תואם לתדר האות.

אם מוליך נע ביחס לשדה מגנטי, או שהשדה סביבו משתנה, נוצר מתח חשמלי מופע; אם המעגל סגור, עובר בה זרם — ה-אפקט הגנרטור.

• השדה של הזרם המופע עצמו מתנגד לשינוי שיצר אותו.
• מתח חשמלי מופע גדול יותר עם: תנועה מהירה יותר, שדה חזק יותר, מספר רב יותר של סלילים. כיוון הפוך עם: תנועה הפוכה או הפכת קוטביות השדה.

מחולק חשמל (גנרטור AC): סליל מסתובב בשדה — המתח החשמלי המופע משנה כיוון בכל מחצית סיבוב, כך שגרף המתח-זמן הוא גל חוזר חצינה העובר באפס.

דינמו (DC): מחלקת קומוטציה מפנה את המחברים בכל מחצית סיבוב, כך שהיציאה נשארת בצד אחד של האפס (גרף תנודתי, תמיד חיובי).

מיקרופון: הפוך מרמקול — שינויי לחץ קוליים מזיזים סליל בשדה, מופעים זרם משתנה המשקף את הצליל.

טראנספורמטור: סליל ראשוני ושנייני סרוגים על ליבת ברזל (נמגנטת בקלות; אינו דורש שכבות מבודדות).

זרם מתחלף בסליל הראשוני יוצר שדה מגנטי משתנה בליבה; שדה זה המשתנה מופע מתח חשמלי מתחלף בסליל השנייני.

• הגבהת מתח: $V_s > V_p$ (יותר סלילים שנייניים). הנחתת מתח: $V_s < V_p$.
• המשוואה השנייה היא הספק כניסה = הספק יציאה; השתמש בה כדי למצוא את הזרם הנשאב מהמקור הכניסתי.

דוגמה מוצגת. טרנספורמציה בעלת 345 הילוכים ראשוניים ו6000 הילוכים משניים; הכניסה היא 230 V.

דוגמה מוצגת (הספק). הטרנספורמציה מספקת 50 mA ב4000 V.

• הספק יציאה: $P = V_sI_s = 4000 \times 0.050 = 200$ W.
• זרם כניסה: $I_p = P/V_p = 200/230 = 0.87$ A.

סיפור הרשת הארצית מחזיר את העיגול: העלאת מתח לפני השידור (זרם קטן יותר → הפסדי $P = I^2R$ צומחים), הורדת מתח לבתי מגורים (ראו נושא 2.7).

• נסח את חוקי הקוטבים; הבדל בין מגנטים קבועים למגנטים מופעים.
• צייר דפוסי שדה של מגנט מוט, חוט ישר וסולנויד עם כיוונים; הסבר הקשר בין מצפן/כדור הארץ.
• (HT) השתמש בחוק היד השמאלית של פלמינג וב$F = BIl$; הסבר המנוע והקומטטור.
• (פיזיקה בלבד, HT) נסח תנאי אפקט הגנרטור ושדה המופע המתנגד; הבדל בין גרפים של אלטרנטור וג'נרטור; הסבר המיקרופון.
• (פיזיקה בלבד, HT) השתמש בשתי משוואות הטרנספורמציה; הסבר האינדוקציה בין הילוכים והיתרון של הרשת.