זרם חשמלי מטען חשמלי שדה מגנטי כוח מגנטי

מאמרים על זרם חשמלי, מטען חשמלי, שדה מגנטי, כוח מגנטי

בשנת 1819, מדען דני בשם הנס כריסטיאן אורסטד (1777-1851) גילה את הקשר בין מגנטיות לזרמים חשמליים או מטענים נעים. הוא גילה שכאשר מחט מצפן נמצאת ליד חוט פעיל, מחט המצפן מוסטת. כאשר אין זרם, מחט המצפן מצביעה צפונה.

מחט מצפן היא מגנט, ולכן ניתן להזיז אותה באמצעות כוח מגנטי. מהיכן מגיע הכוח המגנטי (F)? ליד מחט המצפן, יש חוט הנושא זרם חשמלי כך שהכוח המגנטי חייב להיות מופעל על ידי הזרם החשמלי.

התבוננו בתמונה בצד. ניתן למצוא את כיוון הזרם החשמלי ואת כיוון השדה המגנטי באמצעות כלל יד ימין. אם הזרם החשמלי (I) עולה, כיוון השדה המגנטי (B) הוא כפי שמוצג משמאל. אם כיוון הזרם החשמלי הוא כלפי מטה, כיוון השדה המגנטי הוא כפי שמוצג מימין.

השדה המגנטי מפעיל כוח על חוט נושא הזרם

קודם לכן, הוסבר שזרם חשמלי יכול להפעיל כוח על מחט מצפן מגנטי. האם מגנט יכול גם להפעיל כוח על זרם חשמלי?

נניח שיש חוט הנושא זרם חשמלי הממוקם בין הקוטב הצפוני לקוטב הדרומי של מגנט. כיוון השדה המגנטי מסומן על ידי חץ מהקוטב הצפוני לקוטב הדרומי. אם כיוון הזרם החשמלי (I) מסומן על ידי חץ אדום, אזי מופיע כוח מגנטי (F) שכיוונו מיוצג על ידי חץ כחול.

כיוון הכוח המגנטי F ניצב לכיוון הזרם החשמלי I וניצב לכיוון השדה המגנטי B.

ניתן לקבוע את כיוון הזרם החשמלי, את כיוון השדה המגנטי ואת כיוון הכוח המגנטי באמצעות כלל יד ימין.

הקשר בין כוח מגנטי, זרם חשמלי ושדה מגנטי מבוטא על ידי המשוואה הבאה.

F = BI l sin θ

F הוא סמל לכוח מגנטי, B הוא סמל לשדה מגנטי, I הוא סמל לזרם חשמלי, l הוא סמל לאורך של חוט הנמצא בשדה מגנטי.

θ היא הזווית בין כיוון הזרם החשמלי לכיוון השדה המגנטי. אם הזרם החשמלי ניצב לשדה המגנטי (90o) אז הערך של sin 90 = 1. הנוסחה משתנה ל- F = BI l, לעומת זאת, אם הזרם החשמלי מקביל לשדה המגנטי (0o) אז הערך של sin 0 = 0 כך שהכוח המגנטי הוא 0.

כדי לחשב את השדה המגנטי, הנוסחה לעיל משתנה ל: B = F / I l.

היחידה הבינלאומית לכוח מגנטי היא ניוטון (בקיצור N), היחידה הבינלאומית לשדה מגנטי היא טסלה (בקיצור T). טסלה קרוי על שם הממציא והפיזיקאי הסרבי-אמריקאי, ניקולה טסלה (1856-1943). בהתבסס על נוסחת השדה המגנטי לעיל, ניתן לבטא את השדה המגנטי גם ביחידות של ניוטון לאמפר-מטר (N/A m). מלבד טסלה, השדה המגנטי מתבטא גם ביחידות של גאוס (G). גאוס מגיע משמו של המתמטיקאי, האסטרונום והפיזיקאי הגרמני, יוהאן קרל פרידריך גאוס (1777-1855). 1G = 10-4T

הכוח המגנטי על מטענים חשמליים הנעים בשדה מגנטי

שדה מגנטי יכול להפעיל כוח מגנטי על חוט נושא זרם. זרמים חשמליים הם מטענים חשמליים בתנועה, כך ששדה מגנטי יכול להפעיל כוח מגנטי גם על מטענים חשמליים הנעים בחופשיות, לא רק על חוטים מוליכים.

הנוסחה לחישוב הכוח המגנטי על מטענים חשמליים הנעים בשדה מגנטי נגזרת מנוסחת הכוח המגנטי הקודמת F = BI l sin θ. מכיוון ש-I = q/t ו-l = vt, נוסחת הכוח המגנטי משתנה ל-,

תיאור הנוסחה: F = כוח מגנטי, B = שדה מגנטי, q = מטען חשמלי, v = מהירות תנועת המטען, θ = הזווית בין v ל-B

אם v ניצב ל-B אז θ = 90 ^° , כאשר sin 90 ^° = 1. לעומת זאת, אם v מקביל ל-B אז θ = 0 ^° , כאשר sin 0 ^° = 0. לכן, הכוח המגנטי הוא מקסימלי כאשר v ניצב ל-B והכוח המגנטי הוא אפס כאשר v מקביל ל-B.

כיוון הכוח המגנטי F ניצב לשדה המגנטי B ומנוצב למהירות המטען החשמלי v.