מגנטיות לחשמל הבית
מגנט זז, ומופיע זרם בחוט קילומטרים רחוק. סעיף זה בונה את השלשלת הזו: מגנטים קבועים ותבניות שדה, האפקט המגנטי של זרם, כוח המנוע עם כלל היד השמאלית, השראה בסלילים וגנרטורים, ו(P) המתנעים שמעבירים אנרגיה חשמלית לאורך המדינה.
Edexcel International GCSE פיזיקה 4PH1, סעיף 6 (ניסוחים 6.1–6.20P). ניסוחים המסומנים ב-P הם הרחבה לפיזיקה בלבד.
מגנטיות
מגנטים דוחים קטבים זהים ומשיכים קטבים שונים, ומשיכים חומרים מגנטיים (ברזל, פלדה, ניקל, קובלט). חומרים קשים מגנטית (פלדה) שומרים על מגנטיותם — מגנטים קבועים; חומרים רכים (ברזל) מגוננים ודמוגנטים בקלות — ליבות אלקטרומגנטים. קווי שדה מכוונים מ-N ל-S מחוץ למגנט (לעולם אינם נחתכים); מגנטיות מושרה בחומר מגנטי המוצב בשדה. שני קטבים שונים הפונים זה לזה יוצרים שדה אחיד ביניהם.
אלקטרומגנטיות והשפעת המנוע
זרם במוליך יוצר סביבו שדה מגנטי — מעגלים קונצנטריים, כלל האחיזה ביד הימנית. (P) אלקטרומגנטים: סליל (סולנוide) על גבי ליבת ברזל רך, ניתן להפעלה וכיבוי ולכוונון. (P) דפוסי שדה עבור חוט ישר, סליל שטוח וסולנוide.
חוט העובר בו זרם רוחב שדה מגנטי חווה כוח — השפעת המנוע, המשמשת במנועי DC (סליל מסתובב + מצמצם זרם) וברמקולים. נבא את הכיוון באמצעות כלל היד השמאלית: אצבע ראשונה לשדה, אצבע שנייה לזרם, אצבע קמיצה לתנועה. הכוח גדל עם שדה חזק יותר וזרם גדול יותר, ומתהפך אם אחד מהם מתהפך.
השראת אלקטרומגנטית
מתח מושרה במוליך או בסליל כאשר הוא נע דרך שדה מגנטי או כאשר השדה דרכו משתנה. המתח המושרה גדל עם תנועה מהירה יותר, שדה חזק יותר, מספר הברות רב יותר ו-(למחולקים) סיבוב מהיר יותר. מחולקים מסובבים מגנט בתוך סליל (או סליל בתוך מגנט) — הגודל התדרות של ה-AC המושרה עוקבים אחרי הסיבוב.
(P) מתחלפים משנים מתח AC באמצעות שני סלילים על ליבת ברזל:
מתחלפי הרמה מעלים את המתח (ומונעים את הזרם) להעברה — מתח גבוה פירושו זרם נמוך, ולכן הפסדי אנרגיה כחום בקבלים פחותים בהרבה; מתחלפי הורדה מחזירים אותו לרמות בטוחות לשימוש.
בדיקה פעילה. מתחלף יש לו 200 הברות ראשוניות ו50 הברות שניות; הראשוני הוא 230 V. $V_s = 230 \times 50/200 = 57.5$ V — מתחלף הורדה. אם זרם הראשוני הוא 0.5 A: $I_s = 230 \times 0.5/57.5 = 2.0$ A.
בדוק את עצמך
- ציין שתי הבדלים בין חומרים קשים וחומרים רכים מגנטית.
- באיזה כיוון מצביעים קווי השדה מחוץ למגנט?
- תאר כיצד לייצר שדה מגנטי אחיד עם שני מגנטי מוט.
- מה שיוצר זרם בחוט סביבו?
- ציין את שלושת האצבעות בכלל היד השמאלית.
- ציין שני גורמים שמגדילים את הכוח על חוט זרם בשדה.
- ציין שתי דרכים להשראת מתח בסליל.
- ציין שני גורמים שמגדילים את גודל המתח המושרה.
- (P) מתחלף הורדה יש לו 1000 הברות ראשוניות ו100 הברות שניות; כניסה 230 V. חשב את היציאה.
- (P) מדוע חשמל מועבר במתח גבוה?
תשובות: 1 קשה שומר על מגנטיות (מגנטים נצחיים, פלדה); רך מאבד אותה בקלות (זמני, ברזל — ליבות אלקטרומגנטים); 2 מ-N ל-S; 3 להניח מקטבי N ו-S מול אחד עם מרווח — קווי השדה המקבילים ביניהם אחידים; 4 שדה מגנטי של מעגלים מרוכזים (כלל האחיזה); 5 אצבע ראשונה שדה, אצבע שנייה זרם, אגודל תנועה; 6 שדה חזק יותר; זרם גדול יותר.
תשובות בהמשך: 7 להזיז את הסליל או המגנט כך שהסליל יחתוך קווי שדה, או לשנות את השדה דרך סליל ניח; 8 תנועה מהירה יותר; מגנט חזק יותר; מספר הליפופים גדול יותר; 9 (P) $V_s = 230 \times 100/1000 = 23$ V; 10 (P) מתח גבוה נותן זרם נמוך לאותה הספק; חימום הכבל הוא $I^2R$, ולכן ההפסדים צונחים בחדות במרחקים ארוכים.