אלקטרומגנטים.

מגנט שאפשר לכבות

עגורן במגרש גרוטאות מניף דיסקת פלדה מעל ערימת גרוטאות, וסבך של חלקי מכוניות ישנים מזנק למעלה אל הדיסקה. העגורן מסתובב אל מעל מכולה, המפעיל לוחץ על כפתור, וכל המטען נופל. שום מגנט רגיל לא היה יכול לעשות את זה, כי מגנט רגיל אף פעם לא משחרר. הדיסקה שעל העגורן היא אלקטרומגנט: סליל של חוט שהוא מגנט רק כל עוד זורם בו זרם חשמלי.

אלקטרומגנטים קטנים יותר מצלצלים בפעמוני דלת, מחזיקים דלתות ביטחון סגורות ומניעים רמקולים.

זרם יוצר שדה

בשנת 1820 הבחין הנס כריסטיאן ארסטד שמחט של מצפן זעה בכל פעם שהפעיל זרם בחוט שהיה בקרבתה. מטען חשמלי בתנועה יוצר שדה מגנטי. סביב חוט ישר השדה מקיף את החוט במעגלים, והוא חלש: כמה סנטימטרים מחוט שזורם בו אמפר אחד, הוא רק חלק קטן מהשדה של כדור הארץ עצמו.

כופפו את החוט ללולאה, וכל המעגלים פונים לאותו כיוון דרך המרכז, כך שהשדה מצטבר. לפפו הרבה לולאות זו לצד זו לסליל, וכל לולאה מוסיפה את חלקה. בתוך הסליל השדה עובר בקו ישר לאורכו; מבחוץ הוא מתעגל מקצה אחד אל הקצה השני. קצה אחד מתנהג כקוטב צפוני והשני כקוטב דרומי, בדיוק כמו במגנט מוט. הפכו את כיוון הזרם, והקטבים מתחלפים.

יותר כריכות, יותר זרם

בסליל ארוך השדה בפנים הוא $B = \mu_0 N I/\ell$⁠: הוא נמצא ביחס ישר למספר הכריכות $N$⁠ ולזרם $I$⁠, וביחס הפוך לאורך הסליל $\ell$⁠. $\mu_0$⁠, הקבוע המגנטי, קובע כמה שדה יוצר זרם בריק. הכפילו את מספר הכריכות או את הזרם, והשדה יוכפל. 200 הכריכות שבסצנה, כשזורם בהן אמפר אחד, יוצרות כ־4 מיליטסלה בתוך הסליל, כמעט פי מאה מהשדה של כדור הארץ על פני השטח, ועדיין הן חלשות מכדי להרים לבדן מהדק נייר מהלוח.

נסו: הוציאו את ליבת הברזל והעלו את הזרם עד 5 A, כשכריכות החוט על 500. אחר כך החזירו את הליבה והורידו את הזרם ל־0.5 A: עשירית מהזרם מרימה עכשיו יותר מהדקים מקודם.

חזרה לניסוי ↑

למה ברזל עוזר כל כך

ברזל בנוי מאזורים זעירים שנקראים תחומים מגנטיים, וכל אחד מהם הוא כבר מגנט קטן. בדרך כלל הם פונים לכל הכיוונים, כך שהשדות שלהם מבטלים זה את זה. השדה של הסליל מסובב אותם עד שהם מתיישרים, ואז השדות שלהם מתווספים לשדה של הסליל. ליבה מברזל רך יכולה להגדיל את השדה פי כמה וכמה, ולכן כמעט כל אלקטרומגנט מעשי מלופף סביב ברזל.

להגברה הזאת יש גבול. כשכמעט כל התחומים מיושרים, הברזל מגיע לרוויה, איפשהו בין 1.5 ל־2 טסלה, וזרם נוסף מוסיף רק את התרומה הקטנה של הסליל עצמו. ברזל רך גם שוכח: כשהזרם נפסק, התחומים שלו חוזרים לאי־סדר והמהדקים נופלים. פלדה מחוסמת הייתה שומרת על חלק גדול מהמגנטיות שלה, וכך מייצרים מגנטים קבועים.

חשפו את השדה כדי לראות קווים שיוצאים מהקצה הצפוני של הברזל ומתעגלים אל הקצה הדרומי. החצים על החוט מראים לאיזה כיוון זורם הזרם; כופפו את אצבעות יד ימין בכיוון הזה סביב הסליל, והאגודל יצביע אל הקוטב הצפוני.

מה המודל הזה משאיר בחוץ

הסצנה משתמשת בנוסחה של סליל ארוך אף על פי שהסליל הזה קצר, והיא מתייחסת לברזל כאל מכפיל קבוע של פי 25 עם גבול חלק, בעוד שההגברה של ליבה אמיתית תלויה בצורה שלה, בסוג הברזל ובמה שעבר עליה קודם. כמה מהר השדה דועך מעבר לקוטב, וכמה שדה צריך מהדק כדי לקפוץ, נבחרו כדי להראות את המגמה ולא נמדדו. סליל אמיתי שזורמים בו חמישה אמפר דרך חוט דק גם היה מתחמם, כי ההתנגדות של החוט הופכת חלק מהאנרגיה החשמלית לחום.