מגנטיות היא אחת מהתכונות בהן חומרים מפעילים על חומרים אחרים כוחות דחייה, או משיכה.
מגנטיות היא תכונה פיזיקאלית של החומר. זאת אחת מתכונות היסוד של החומר.
כוחות מגנטיים הם כוחות יסוד, הנמצאים בחומר ברמת האטום.
כוחות מגנטיים נובעים ממטענים חשמליים הנמצאים בתנועה. מטען חשמלי בתנועה יוצר מגנטיות.
תנועת המטענים החשמליים יכולה להיות זרם חשמלי במעגל חשמלי, או התנועה התוך-אטומית של אלקטרונים בתוך האטום, או, בחומרים מסומים, תנועת הסיבוב של גרעין האטום. במילים אחרות, ברמה האטומית, מגנטיות נוצרת על ידי כל מטען חשמלי בעל תנע זוויתי עצמי.
בעניין כוחות מגנטיים הנוצרים כתוצאה מזרם חשמלי, נעסוק בהרחבה בהמשך הקורס. בדף זה נתמקד בכוחות מגנטיים הנוצרים בתוך אטומים ופרודות של החומר.
קיים קשר הדוק בין תנע זוויתי לבין מגנטיות. ברמה האטומית והסב-אטומית, קשר זה מבוטא על ידי היחס בין המומנט המגנטי לבין המומנט של התנע הזוויתי.
ברמה האטומית, המקור העיקרי למגנטיות הוא התנועה של האלקטרונים במסלולים זוויתיים סביב גרעין האטום והמומנט המגנטי המובנה של האלקטרונים. מקור אפשרי אחר למגנטיות הוא המומנט המגנטי של גרעיני אטומים, המסתובבים סביב צירם – אם כי המגנטיות של גרעיני אטומים קטנה באלפי מונים מהמגנטיות של האלקטרונים.
הערת אגב
כדאי לשים לב לדמיון – וכן גם לשוני – בין זרם חשמלי לבין מגנטיות.
הדמיון הוא שזרם חשמלי, בהגדרתו, הוא תנועה של מטענים חשמליים. בדומה, כוחות מגנטיים נובעים מתנועה של מטענים חשמליים.
ההבדל הוא שזרם חשמלי הוא תנועה של מטענים חשמליים בין אטומים, או בין פרודות, בעוד הכוחות המגנטיים היסודיים של האטומים של החומר נובעים מתנועה של מטענים חשמליים בתוך האטומים. לגבי אופנים נוספים של קשר בין חשמל לבין מגנטיות נדון בהרחבה בהמשך הקורס.
שדה מגנטי (Magnetic field)
שדה מגנטי הוא שדה-כוח תלת-ממדי הנוצר על ידי עצם מגנטי, או על ידי חלקיק מגנטי, או על ידי זרם חשמלי. שדה-כוח הוא תחום במרחב בו פועלים כוחות. השדה המגנטי הוא שדה וקטורי. בפיזיקה, וקטור מתאר גודל פיזיקאלי (או כמות פיזיקאלית), בעל כיוון במרחב התלת-ממדי. דהיינו, וקטור מציין גם גודל (או כמות) וגם כיוון במרחב. שדה מגנטי מכיל אנרגיה. הסימון של שדה וקטורי קבוע הוא
. עוצמת השדה המגנטי נמדדת ביחידות של אמפר למטר ובנוסחה (A/m) או (A•m-1).
שדה מגנטי מתואר באופן גרפי על ידי קווי שדה. יש לציין שקווי השדה המגנטי הם אך ורק ביטוי מתמטי – במציאות לא קיימים קווים ממשיים, פיזיים, כאלה. ליתר דיוק, נושא הקווים של השדה המגנטי הוא מורכב. אמנם לא קיימים קווים כאלה במציאות, באופן פיזי – אבל הם עדיין קיימים. לדוגמא, שבבי ברזל בסביבת מגנט מסתדרים על פי אותם קווי שדה מגנטי.
האיור הבא מתאר שדה מגנטי הנוצר על ידי סיבוב גרעין האטום סביב צירו:
מטענים חשמליים הם חד-קוטביים, או, הם יכולים להופיע באופן חד-קוטבי. לאלקטרון, או ליון שלילי, יש רק קוטב אחד – קוטב שלילי. לפרוטון, או ליון חיובי, יש רק קוטב אחד – קוטב חיובי.
לעומת זאת, ככל הידוע, מגנטיות בטבע מופיעה רק בצורה דו-קוטבית – אם כי הפיזיקה התיאורטית חוזה את קיומם של מגנטים חד-קוטביים. על כל פנים, השדות המגנטיים המוכרים בפועל הם דו-קוטביים (dipole). היחידה הבסיסית ביותר המפיקה שדה מגנטי היא דו-קוטב מגנטי, או דיפול מגנטי (magnetic dipole). לדו-קוטב מגנטי יש קוטב הנקרא "צפוני" וקוטב הנקרא "דרומי" – על פי הכיוונים של המצפן. הקוטב הצפוני מסומן באות האנגלית אן, שסימנה באות גדולה הוא N. הקוטב הדרומי מסומן באות האנגלית אס, שסימנה באות גדולה הוא S.
בדומה למטענים חשמליים, קטבים מגנטיים זהים ("צפוני" ו"צפוני", או "דרומי" ו"דרומי") דוחים זה את זה, בעוד קטבים מגנטיים מנוגדים ("צפוני" ו"דרומי") נמשכים זה לזה.
הרחבה בעניין הקשר בין שדות מגנטיים ושדות חשמליים תובא בהמשך הקורס.
האיור הבא מתאר באופן גרפי את קווי השדה של דו-קוטב מגנטי:
שטף מגנטי (Magnetic flux)
שטף מגנטי הוא המידה של עוצמת שדה מגנטי הקיים במשטח דו-ממדי, כמו בצד אחד של מגנט. השטף המגנטי מסומן באות היוונית פי, שסימנה הוא
. גודל השטף המגנטי דרך משטח הוא יחסי למספר קווי השדה המגנטי העוברים את אותו משטח. סימנו של גודל השטף המגנטי הוא 
. השטף המגנטי מתואר בקווי וקטור. יחידת המידה לעוצמת השטף המגנטי היא וובר (weber) המסומן באותיות Wb. יחידת המידה לצפיפות השדה המגנטי היא יחידות טסלה (tesla) המסומנת באות T, או יחידות וובר למטר מרובע ובנוסחה (Wb/m2), או יחידות מקסוול (maxwell).
האיור הבא מתאר שדה וקטורי של שטף מגנטי של משטח:
חדירות מגנטית או חלחלות מגנטית (Magnetic permeability)
חדירות (פרמביליות) מגנטית היא המידה של היכולת של חומר לתמוך ביצירת שדה מגנטי בתוכו. במילים אחרות, חדירות מגנטית, או חלחלות מגנטית היא מידת המגנוט של חומר בתגובה לשדה מגנטי חיצוני. חלחולת מגנטית מסומנת באות היוונית מיו, שסימנה, באות קטנה הוא
. חלחלות מגנטית נמדדת ביחידות של הנרי (Henry) למטר ובנוסחה (H•m-1), או ביחידות של ניוטון (Newton) לאמפר (Ampere) בריבוע ובנוסחה (N•A-2).
התנגדות מגנטית (Magnetic reluctivity) או (Magnetic reluctance)
התנגדות מגנטית היא היפוכה של חדירות מגנטית, או חלחלות מגנטית. בשדות מגנטיים, התנגדות מגנטית מתנהגת במידה מסוימת בדומה להתנגדות חשמלית במעגל חשמלי. ההבדל בין התנגדות מגנטית להתנגדות חשמלית הוא שבהתנגדות מגנטית נאגרת אנרגיה מגנטית, בעוד התנגדות חשמלית מפיצה אנרגיה (כאנרגיה של חום). במעגל חשמלי סגור, בהתנגדות חשמלית, האנרגיה החשמלית מומרת לאנרגיה של חום ולפעמים גם לאנרגיה של אור, כמו במקרה של נורה חשמלית. הדומה בין שני סוגי ההתנגדות, ההתנגדות המגנטית והתנגדות החשמלית, הוא הנטייה של השטף המגנטי, או של הזרם החשמלי, לבחור במסלול בו ההתנגדות פחותה ביותר. כשם ששדה חשמלי גורם לזרם חשמלי לזרום במסלול של ההתנגדות החשמלית הנמוכה ביותר, כך גם שדה מגנטי גורם לשטף מגנטי לזרום במסלול של ההתנגדות המגנטית הנמוכה ביותר.
תכונות מגנטיות של חומרים שונים
לחומרים שונים יש תכונות מגנטיות שונות, או תגובות מגנטיות שונות.
חומרים דיאמגנטיים (Diamagnetic materials)
בלשון דיבור לא מדעית, חומרים דיאמגנטיים הם חומרים לא-מגנטיים (non-magnetic substances), או חומרים שאינם מושפעים משדות מגנטיים. מבחינה מדעית מדובר בטעות – כל החומרים מושפעים משדות מגנטיים, ההבדל בין חומרים שונים הוא אופן השפעתו של שדה מגנטי על החומר וכן מידת ההשפעה.
דיאמגנטיות (Diamagnetism) היא תכונה, או תופעה, המופיעה בכל החומרים, ללא יוצא מהכלל.
זאת תכונה של החומר ליצור שדה מגנטי בכיוון מנוגד לשדה המגנטי החיצוני בו החומר מצוי. התוצאה היא שהחומר מתנגד להשפעתו של שדה מגנטי בו הוא נתון – ומכך הוא נדחה מהשדה המגנטי החיצוני – או נוטה להתרחק מהשדה המגנטי החיצוני, לנוע ממנו והלאה. חומרים דיאמגנטיים גורמים לקווי שטף מגנטי העוברים דרכם להתעקל מהם והלאה.
תכונת הדיאמגנטיות היא בעלת עוצמה חלשה מאד, לכן היא לא מובחנת בדרך כלל, לבד מאשר בתנאי מעבדה, בנוכחות שדות מגנטיים חזקים מאד. יתר-על-כן, דיאמגנטיות קיימת גם בחומרים פאראמגנטיים (חומרים מגנטיים, חומרים המחזקים שדה מגנטי חיצוני), אבל בחומרים פאראמגנטיים, התכונה הפאראמגנטית שלהם היא בעלת עוצמה הרבה יותר גדולה מאשר התכונה הדיאמגנטית – ובכך התכונה הפאראמגנטית שלהם מאפילה על התכונה הדיאמגנטית שלהם. מבחינה מעשית, כלפי חוץ, זה נראה כאילו התכונה הפאראמגנטית של אותם חומרים מבטלת את התכונה הדיאמגנטית שלהם.
בין החומרים הדיאמגנטיים נמצאים:
- ביסמות
- פחמן (יהלום וגרפיט)
- נחושת
- עופרת
- כספית
- כסף
- מים
חומרים פאראמגנטיים (Paramagnetic materials)
פאראמגנטיות (Paramagnetism) היא צורה של מגנטיות המתרחשת רק בנוכחות שדות מגנטיים חיצוניים.
לאטומים, או לפרודות, יש שדה מגנטי דו-קוטבי משלהם, גם בהיעדר שדה מגנטי חיצוני. במילים אחרות, לאטומים, או לפרודות, הבונים את החומרים הפאראמגנטיים יש מומנט מגנטי משלהם, גם בהיעדר שדה מגנטי חיצוני.
במצבם הטבעי, בהיעדר שדה מגנטי חיצוני, הדו-קטבים המגנטיים של האטומים והפרודות נמצאים בכיוון אקראי – אין קשר בין הכיוון של השדה המגנטי של פרודה אחת לכיוון השדה המגנטי של פרודות אחרות. האטומים והפרודות נמצאים בתנועה תרמית טבעית, כאשר תנועה זאת אקראית לכל פרודה ופרודה. מאחר והשדות המגנטיים של הפרודות השונות נמצאים בכל הכיוונים, באופן אקראי – בסך-כל החומר, השדות המגנטיים בעלי הכיוונים השונים מבטלים זה את (במבט מבחוץ לכלל הגוף). סכום השדה המגנטי של כלל גוף החומר הוא אפס, משום שהכיוונים השונים והאקראיים של השדות המגנטיים הרבים בתוך גוף החומר, במבט כללי, מבטלים זה את זה.
בנוכחות שדה מגנטי חיצוני, השדות המגנטיים של האטומים והפרודות בחומר הפאראמגנטי מסתדרים בהתאם לכיוון השדה המגנטי המופעל עליהם. כתוצאה, המומנט המגנטי, או השדה המגנטי, של כלל גוף החומר, נמצא בכיוון של השדה המגנטי המופעל על החומר. במילים אחרות, בנוכחות שדה מגנטי חיצוני, גוף החומר הפאראמגנטי הופך להיות מגנט שכיוונו ככיוון השדה המגנטי המופעל עליו. המומנט המגנטי, או עוצמת השדה הפאראמגנטי, הנוצר בגוף פאראמגנטי תחת שדה מגנטי חיצוני הוא די חלש, יחסית.
עם הסרת השדה המגנטי החיצוני, האטומים והפרודות של החומר הפאראמגנטי חוזרים לנוע בתנועה תרמית אקראית, כאשר לשדה המגנטי של כל אטום, או פרודה, שדה מגנטי בעל כיוון אקראי – וכך השדה המגנטי של כלל גוף החומר נעלם, או במילים אחרות, לכלל גוף החומר שדה מגנטי בסכום כללי של אפס.
בין החומרים הפאראמגנטיים נמצאים:
- טונגסטן
- צזיום
- חמרן (אלומיניום)
- ליתיום
- מגנזיום
- נתרן
חומרים פרומגנטיים (Ferromagnetic materials)
פרומגנטיות (Ferromagnetism) היא מנגנון בסיסי אשר בו חומרים מסוימים, כמו ברזל, יוצרים מגנט קבוע – כפי שמוצאים בטבע, או, חומרים מסוימים נמשכים לשדה מגנטי חיצוני. בדומה לחומרים פאראמגנטיים, בנוכחות שדה מגנטי חיצוני, השדות המגנטיים של האטומים והפרודות בחומר הפרומגנטי מסתדרים בהתאם לכיוון השדה המגנטי המופעל עליהם. כתוצאה, המומנט המגנטי, או השדה המגנטי, של כלל גוף החומר, נמצא בכיוון של השדה המגנטי המופעל על החומר. במילים אחרות, בנוכחות שדה מגנטי חיצוני, גוף החומר הפרומגנטי הופך להיות מגנט שכיוונו ככיוון השדה המגנטי המופעל עליו.
בניגוד לחומרים פאראמגנטיים, חומרים פרומגנטיים שומרים על שדה מגנטי משותף לכלל גוף החומר גם לאחר הסרת השדה המגנטי החיצוני, לפחות למשך זמן מסוים. במילים אחרות, חומרים פרומגנטיים מתמגנטים, או ממוגנטים (הופכים להיות מגנט) בהשפעת שדה מגנטי חיצוני והם שומרים על המגנטיות שלהם, לפחות למשך זמן מסוים. במקרים מסוימים הם הופכים להיות מגנט קבוע.
בין החומרים הפרומגנטיים נמצאים:
- קובלט
- ברזל
- מגנטיט (magnetite) (Fe3O4)
- ניקל
- סגסוגות מתכת שונות
השדה המגנטי של כדור הארץ
השדה המגנטי של כדור הארץ הוא אחת מהתכונות הפיזיקאליות המאפיינות את כוכב הלכת עליו אנו נמצאים. זה שדה מגנטי המכיל ומקיף את כדור הארץ, שדה מגנטי דו-קוטבי. הקוטב הדרומי של שדה מגנטי זה נמצא סמוך לקוטב הגיאוגרפי הצפוני של כדור הארץ, בעוד הקוטב הצפוני של שדה מגנטי זה נמצא קרוב לקוטב הגיאוגרפי הדרומי של כדור הארץ.
על פי ההשערה המקובלת, מרביתו של השדה המגנטי של כדור הארץ נוצר בגלעין החיצוני של כדור הארץ ומיעוטו של השדה המגנטי נוצר על פני השטח, או בחלל. התיאוריה מסבירה את היווצרות השדה המגנטי על ידי שלושה גורמים:
- כמות גדולה של ברזל נוזלי בגלעין החיצוני של כדור הארץ. הברזל המותך יכול לאפשר הולכה של זרמים חשמליים.
- אנרגיה תרמית שמקורה בגלעין הפנימי החם של כדור הארץ, הגורמת לתנועה של הנוזל בגלעין.
- סיבוב כדור הארץ סביב צירו.
השפעת השדה המגנטי של כדור הארץ מגיעה למרחק גדול מאד בחלל – אלפי קילומטרים. תחום ההשפעה של השדה המגנטי של כדור הארץ נקרא מגנטוספירה (Magnetosphere).
הקטבים המגנטיים של כדור הארץ משנים מדי פעם את מיקומם ביחס לקטבים הגיאוגרפיים. קיימים שינויים במיקום הקטבים המגנטיים המתקיימים בתדירות מחזורית יומית, בעוד שינויים אחרים מתקיימים במחזוריות לא קבועה, עקב סערות גיאומגנטיות אשר נגרמות על ידי פליטה מסיבית של חלקיקים טעונים מהשמש. כמו כן, מידת הסטייה של הקטבים המגנטיים לעומת הקטבים הגיאוגרפיים שונה בקוטב הצפוני לעומת הקוטב הדרומי.
האיור הבא מתאר את השדה המגנטי של כדור הארץ וממחיש את סטיית הקטבים המגנטיים לעומת הקטבים הגיאוגרפיים:
מגנטים קבועים
מגנטים קבועים הם גופים (עצמים, או חפצים), העשויים מחומרים פרומגנטיים, בעלי שדה מגנטי קבוע. יש מגנטים מעשי ידי אדם, דהיינו, עצמים מחומר פרומגנטי שעברו תהליך של מגנוט מכוון, על מנת להפוך אותם למגנטים קבועים. קיימים גם מגנטים קבועים טבעיים, הנמצאים בטבע במצבם זה – מגנטים קבועים, בעלי שדה מגנטי קבוע. המגנטים הראשונים שהתגלו לבני אדם – ובעקבותיהם תופעת המגנטיות – הם מגנטים טבעיים. בעצמים טבעיים מסוימים, העשויים מחומרים פרומגנטיים, השדה המגנטי של אותם עצמים הסתדר בהתאם לשדה המגנטי של כדור הארץ, כאשר לאחר אלפי שנים השדה המגנטי שלהם התקבע בכיוון זה והם הפכו למגנטים קבועים.
האיור הבא ממחיש את השדה המגנטי של מגנט קבוע. זה צילום של שבבי ברזל המפוזרים על דף נייר. כאשר מניחים מגנט מתחת לדף הנייר, שבבי הברזל ממוגנטים והם מסתדרים לפי קווי השדה המגנטי של המגנט:
מצפן (Compass)
מצפן הוא כלי עזר לצורך ניווט. מצפן מגנטי הוא מכשיר ובו מחט (פס מתכת דק וצר) העשויה ממגנט קבוע. המחט נמצאת על ציר, כאשר היא חופשית לנוע בתנועה סיבובית אופקית. מתחת למחט נמצא לוח שנתות אשר עליו מסומנים הכיוונים העיקריים (שושנת הרוחות), או חלוקה ל- 360 מעלות. כאשר המצפן מוצב באופן אופקי, המחט נעה ומתמקמת בהתאם לכיוון השדה המגנטי של כדור הארץ, כאשר חץ המחט, או קודקוד המחט, מצביע לעבר הקוטב המגנטי הדרומי של כדור הארץ, הממוקם בקרבת הקוטב הגיאוגרפי הצפוני של כדור הארץ. כך ניתן לדעת את הכיוון המקורב של הקוטב הגיאוגרפי הצפוני – וממנו להקיש לגבי כל שאר הכיוונים.
האיור הבא ממחיש מצפן כיס:
הרחבות נוספות ניתן לראות בקישורים הבאים:
מגנטיות – ויקיפידיה
מגנטיות – ויקיפידיה באנגלית
שדה מגנטי – ויקיפידיה
שדה מגנטי – ויקיפידיה באנגלית
