השדה האלקטרומגנטי - חלק א

כיוון השדה המגנטי

כפי שראינו בפרק הקודם, כיוון השדה המגנטי תלוי בכיוון התנועה של הזרם החשמלי.

את התלות בכיוונים של השניים ניתן לזכור בעזרת אחד משני הכללים הבאים.

כלל הבורג

נזכיר שבורג מבריגים פנימה ומניעים קדימה בתוך התבריג בעזרת תנועה סיבובית שלו עם כיוון השעון.

כלל הבורג טוען ש- "הקשר בין כיוון השדה המגנטי לכיוון הזרם החשמלי שיוצר אותו הוא כקשר שבין כיוון התנועה הסיבובית של הבורג לכיוון תנועת התקדמותו בקו ישר"

כלל הבורג

נשים לב שהקשר הזה הוא דו-כיווני!

נסביר מה הכוונה בדו-כיווני. אם זורם זרם חשמלי בתיל בקו ישר, אז נדמה ברוחנו בורג המונח לאורך התיל הישר כך שחודו מצביע על כיוון הזרם החשמלי. במצב זה, הכיוון המעגלי (שהוא עם כיוון השעון) בו יש לסובב את הבורג כדי שינוע קדימה הוא הכיוון של קווי השדה המגנטי שנוצרים.

הקשר הזה עובד כאמור גם בכיוון ההפוך. אם זורם זרם חשמלי בתיל מעגלי, אז הכיוון המעגלי של הזרם החשמלי הוא זה שמתאים הפעם לכיוון התנועה הסיבובית של הבורג הנדרשת כדי להניעו קדימה. במצב זה כיוון התנועה הישר של הבורג הוא גם הכיוון, בנקודת אמצע מעגל התיל, של קווי השדה המגנטי הנוצר, או מצביע לחילופין על מיקומו של הקוטב הצפוני N.

דוגמאות לדו-כיווניות של כלל הבורג

כלל יד ימין

נכווץ את יד ימין לסימון מחווה חיובית.

כלל יד ימין טוען ש- "הקשר בין כיוון השדה המגנטי לכיוון הזרם החשמלי שיוצר אותו הוא כקשר שבין כיוון תנועת האצבעות המכווצות לכיוון האגודל המורם"

כלל יד ימין

גם כאן כמובן שהקשר הזה הוא דו-כיווני.

כלומר, אם זורם זרם חשמלי בתיל בקו ישר, אז נעטוף סביב את התיל ביד ימין, כך שהבוהן יצביע על כיוון הזרם החשמלי. במצב זה הכיוון בו שאר האצבעות עוטפות את התיל מצביע על כיוון התנועה של קווי השדה המגנטי הנוצר.

אבל אם זורם זרם חשמלי בתיל מעגלי (ולא ישר), אז נתאים את כיוון האצבעות המכווצות לפי כיוון זרימת הזרם המעגלי. במצב זה כיוון הבוהן הבולט מצביע על כיוון קווי השדה החשמלי בנקודת אמצע מעגל התיל או לחילופין על מיקום הקוטב הצפוני N.

דוגמאות לדו-כיווניות של כלל יד ימין

נדגים הפעלת כללים אלו על מציאת כיוון השדה המגנטי שיוצר תיל ישר המוליך זרם חשמלי. לפי כלל הבורג, אם כיוון הזרם החשמלי הוא ככיוון תנועה הבורג קדימה, אז הרי שכיוון סיבובו כדי להבריגו קדימה היא ככיוון השדה המגנטי שנוצר. לפי כלל יד ימין, אם כיוון הזרם החשמלי הוא ככיוון האגודל המורם, אז כיוון השדה המגנטי שנוצר סביב הזרם הוא ככיוון שאר האצבעות. נשים לב, שהאצבעות הן כמו כרוכות סביב התיל המוליך ואוחזות בו, כשהאגודל המורם מצביע על כיוון תנועת הזרם בתיל.

האיור הבא ממחיש את השימוש בשני הכללים לקביעת כיוון השדה המגנטי שנוצר סביב תיל ישר המוליך זרם חשמלי.

כיוון השדה המגנטי של תיל ישר

בדוגמה של תיל ישר כיוון התקדמות הבורג קדימה וכיוון האגודל המורם סימנו את כיוון זרימת הזרם החשמלי בעוד שכיוון תנועת סיבוב הבורג וכיוון האצבעות הקפוצות סימנו את כיוון השדה המגנטי.

כפי שציינו הכללים הללו הם דו-כיוונים ולפעמים יהיה יותר נכון ונוח להחליף בהם תפקידים בין כיוון הזרם החשמלי לכיוון השדה המגנטי שהוא יוצר מאלו שתיארנו בדוגמה שלעיל. מקרה זה הוא המקרה של כריכה מעגלית בה זורם זרם חשמלי.

במקרה של כריכה מעגלית בודדת נוכל לבחון איכותית את כיוון השדה המגנטי שנוצר בעזרת הסתכלות כל פעם על קטע קטן של הכריכה. כל קטע כריכה קטן יוצר מעגל של שדה מגנטי. נסכם את תרומות כל מעגלי השדה שנוצרים סביב התיל המעגלי ונקבל את כיוון השדה המגנטי הסופי.

כיוון השדה המגנטי בכריכה מעגלית בודדת

אבל דרך פשוטה יותר היא להפעיל את כלל הבורג ואו את כלל יד ימין שאנו מכירים רק בסדר הפעלה שונה של הקבלת הזרם והשדה המגנטי. לפי כלל הבורג, כיוון הזרם החשמלי קובע את כיוון סיבוב הבורג, בעוד שכיוון השדה המגנטי (באמצע הכריכה) מתקבל לפי כיוון התקדמות הבורג. לפי כלל יד ימין, כיוון הזרם החשמלי קובע את כיוון האצבעות הקפוצות, כיוון השדה המגנטי (באמצע הכריכה) מתקבל לפי כיוון האגודל המורם.

נציין, שלמרות שהאגודל או הבורג מצביעים על קו ישר, קו השדה המגנטי הוא תמיד קו עקום סגור. לכן, כאשר האגודל או הבורג משמשים לקביעת כיוון השדה המגנטי, הם מצביעים על כיוון השדה המגנטי רק בנקודת אמצע הכריכה המעגלית בה זורם הזרם. כשמתרחקים מנקודה זו קו השדה המגנטי הולך ומתעקל בצורה מעגלית ליצירת מעגל סביב התיל.

כיוון השדה המגנטי בכריכה מעגלית בודדת

בסליל המכיל מספר רב של כריכות, הזרם החשמלי נע באותו הכיוון בכל הכריכות. לכן, ניתן להסתכל על התרומה של כריכה אחת לבניין השדה המגנטי הכולל, ולאחר-מכן לסכם את התרומות של כל הכריכות יחד. כבר ראינו כיצד ניתן לקבוע את כיוון השדה המגנטי של כריכה אחת. נצרף את כל התרומות של כל הכריכות ונקבל את כיוון השדה המגנטי בתוך אמצע הסליל.

כיוון השדה המגנטי בסליל

היינו מגיעים לאותה תוצאה של כיוון השדה המגנטי גם אם היינו מפעילים את כלל הבורג או את כלל יד ימין אחרת, באותו אופן שהפעלנו אותם על תיל ישר. כלומר, כעת כיוון הזרם הוא ככיוון תנועת הבורג כשהוא נע קדימה או ככיוון האגודל המורם. נסתכל על כל קטע קטן בכריכה כתיל ישר. מכאן שהכיוון של מעגל השדה המגנטי שכל הכריכות יוצרות סביבן (באותו מישור) הוא זהה. נקבל שבאזור שבין כל שתי כריכות סמוכות נוצרים שני שדות מגנטיים מנוגדי כיוון המבטלים אחד את השני. מכל כריכה נקבל תרומה לבניין שדה מגנטי מאוחד הנע בתנועה אליפטית בתוך הסליל ומחוצה לו. כצפוי, דרך חישוב זו מורכבת יותר.

[לפרק הקודם | לפרק הבא]

[ עמוד ראשי - מגנטיות | השדה האלקטרומגנטי (חלק א) : מבוא | כיוון השדה המגנטי | השדה המגנטי כגודל ווקטורי | עוצמת השדה המגנטי | כוח לורנץ | כוח לורנץ הפועל על חלקיק טעון | כוח לורנץ ושימושיו על חלקיק טעון | כוח לורנץ הפועל על תיל נושא זרם | סיכום ]