מגנטיות

שלטי אזהרה המזהירים על שדה מגנטי מַגְנֶטִיּוּת היא תופעה פיזיקלית לפיה עצם המפיק שדה מגנטי, כגון חומר פרומגנטי, מפעיל כוח דוחה או מושך על עצם אחר המפיק שדה מגנטי. חומרים שמראים תכונות מגנטיות בולטות הם ברזל, כמה מיני מתכות (ניקל וקובלט) והמינרל מגנטיט; אולם, כל חומר מושפע בצורה זו או אחרת מנוכחות שדה מגנטי, רק שברוב המקרים ההשפעה קטנה מכדי להבחין בה ללא ציוד מיוחד. כוחות מגנטיים הם כוחות יסוד שעולים כתוצאה מתנועה של מטען חשמלי. משוואות מקסוול מסבירות את המקור וההתנהגות של השדות האחראים על הכוחות הללו (ראו גם חוק ביו-סבר) לכן, מגנטיות נראית בכל זמן שחלקיקים טעונים חשמלית נמצאים בתנועה. זה יכול להגרם או מתנועת אלקטרונים בזרם חשמלי, היוצרת אלקטרומגנטיות, או מהתנועה התת-אטומית של אלקטרונים, היוצרת מה שנקרא 'מגנט תמידי'. בדרך כלל, מתייחסים לשדות מגנטיים כדו־קוטביים (דיפולים מגנטיים), בעלי 'קוטב דרומי' ו'קוטב צפוני'; מונחים המתוארכים לשימוש במגנטים כמצפנים, היוצרים אינטראקציה עם השדה המגנטי של כדור הארץ כדי להצביע על צפון ודרום על כדור הארץ. שדה מגנטי מכיל אנרגיה, ומערכות פיזיקליות יתייצבו לתוך התצורה עם האנרגיה הנמוכה ביותר. לכן, כשמונח בשדה מגנטי, מגנט דו-קוטבי יטה לישר את עצמו בקוטביות מנוגדת לזו של השדה, ובכך מבטל את נטו חוזק השדה ככל האפשר ומוריד את האנרגיה המאוחסנת בשדה למינימום. לדוגמה, שני מוטות מגנט זהים בדרך כלל יתיישרו צפון לדרום הגורמים לאי נטו שדה מגנטי, ויהיו עמידים בפני כל ניסיון לשנות את כיוונם שיצביעו לאותו כיוון. האנרגיה הדרושה לשינוי הכיוון בתצורה הזו נשמרת בשדה המגנטי שנוצר, שהוא כפול החוזק של השדה של כל מגנט. (זו הסיבה שבגללה המגנט המשמש כמצפן יקיים יחסי גומלין עם השדה המגנטי של כדור הארץ להצבעה על צפון ודרום). בפיזיקה קלאסית (או ליתר דיוק משוואת מקסוואל הרביעית) לא קיימים מגנטים חד-קוטביים. בניגוד לחוויה הרגילה, פיזיקה תאורטית חוזה את הקיום של מגנטים חד-קוטביים. פול דיראק ציין ב-1931 את העובדה שהתאוריה החשמלית והתאוריה המגנטית מראות סימטריה מסוימת, על כן כמו שתורת הקוונטים חוזה שמטענים חשמליים חיוביים או שליליים יחידים יכולים להתקיים ללא המטען הנגדי, קטבים מגנטיים צפונים ודרומיים מבודדים אמורים להיות אפשריים. בפועל, לעומת זאת, על אף שניתן בקלות לבודד פרוטונים ואלקטרונים למטענים אלקטרוניים יחידים, מוצאים רק שדות מגנטיים דו-קוטביים, בעלי קוטב דרומי וצפוני. שאלה זו נותרה אחת השאלות הישנות והקשות ביותר בפיזיקה. חוץ מההשפעה על מגנטים אחרים, למגנטים יש גם השפעה על זרמים שעוברים לידם, ובכיוון ההפוך - זרמים יוצרים שדה מגנטי. ההשפעה של שדה מגנטי על מטען נע היא מסובכת מעט, ומתוארת על ידי חוק ביו-סבר. התכונה העיקרית של הכח המגנטי היא שהוא פועל בניצב למהירות החלקיק. זרם הוא, בתכלית, אוסף מטענים נעים - ולכן שדה מגנטי משפיע גם על זרם, ופועל גם עליו בניצב לכיוונו. מכיוון שכל מגנט יוצר שדה מגנטי, אם נשים מגנט ליד חומר שזורם בו זרם, נוכל לראות את השפעת המגנט על החומר. כך למשל בנורת ליבון, בה זורם זרם שמגיע מרשת החשמל, וכן בטלוויזיות המשתמשות בטכניקה של שפופרת קרן קתודית (טלוויזיות ה"קופסה" הישנות). במקרה של נורת ליבון, הזרם משנה את כיוונו בתדירות גבוהה - 50 או 60 הרץ, כתלות במערכת חשמל, ולכן גם הכח מתהפך - ומתקבלות רטיטות של התיל בנורה, שמופעל עליו כח בכיוון משתנה. במקרה של הטלוויזיה, אלקטרונים "נזרקים" מהצד האחורי שלה לכיוון הצד של המסך. הצמדת מגנט תגרום לשינוי מסלול האלקטרון בניצב לכיוונו, כלומר על אחד הצירים למעלה-למטה או ימינה-שמאלה (אבל לא קדימה-אחורה, כי זה הכיוון בו הוא נע מראש) ולכן להסטת התמונה. אלקטרומגנטים הם שימושיים מאוד במקרים שבהם צריך מגנט שניתן לכבות ולהדליק; לדוגמה, מנופים גדולים המשמשים להרמת מכוניות הרוסות. במקרה של זרם חשמלי העובר דרך חוט, השדה הנוצר מופנה בהתאמה לכלל יד ימין. אם משתמשים ביד ימין כמודל, והאגודל של יד ימין מופנה לאורך החוט מהצד החיובי לשלילי ('זרם קונבנציונלי', ההפך מהכיוון של תנועת אלקטרונים), השדה המגנטי יתעטף מסביב לחוט בכיוון המצוין על ידי האצבעות של יד ימין. כפי שניתן לראות גאומטרית, אם עושים לולאה או סליל של חוט בצורה כזאת שהזרם עובר בצורה סיבובית, כל קווי השדה במרכז הלולאה מופנים לאותו כיוון, ובכך נוצרת מגנטיות דו-קוטבית שכוחה תלוי בזרם שמסבב ללולאה, או הזרם בסליל כפול מספר הסיבובים של החוט. במקרה של לולאה כזאת, אם האצבעות ביד ימין מצביעות בכיוון של הזרם הקונבנציונלי, האגודל תצביע לכיוון של הקוטב הצפוני. בשל הספין של אלקטרונים בלתי-מזווגים, מתכות מסוימות (בעיקר ברזל, קובלט וניקל וסגסוגותיהן) יכולות להפוך למגנטיות כתוצאה מהשדה המגנטי של כדור הארץ, גם בצורתן הטבעית, כמחצבים, כגון עפרת ברזל (מגנטיט). תופעת המגנטיות תוארה לראשונה בסלעים מגנטיים שנוצרו בצורה טבעית במגנזיה שביוון. חומרים אלה בצורתם המתכתית יכולים להיות ממוגנטים כתוצאה מתהליך החישול. מגנטים כגון אלה שימשו בניסויים הראשונים במגנטיות. מגנטים קרמיים, או פריטיים, נוצרים מתרכובת מודבקת של אבקת תחמוצת ברזל וקרבונטים של בריום או סטרונציום. בשל עלות החומרים הנמוכה ושיטות הייצור, ניתן לייצר בייצור המוני מגנטים זולים (או ליבות פרומגנטיות לא ממוגנטות, לשימוש ברכיבים אלקטרוניים כמו אנטנות רדיו) בעיצובים שונים. המגנטים הנוצרים לא מחלידים, אבל שבריריים וצריך לטפל בהם כבקרמיקות אחרות. מגנטי אלניקו מיוצרים על ידי יציקה או סינטור תערובת של אלומיניום, ניקל וקובלט יחד עם כמויות קטנות של יסודות אחרים שמחזקים את תכונות המגנט. סינטור מאפשר מאפיינים מכניים עדיפים ועיצוב של צורות גאומטריות מורכבות, אך תהליכי הייצור מורכבים יותר מאשר יציקה. מגנטי אלניקו יוצרו לראשונה בשנות ה-30 של המאה ה-20, ואיפשרו יצירת שדה מגנטי חזק משמעותית מאשר מגנטים מבוססי ברזל. הם עמידים בפני קורוזיה ושומרים על מגנטיות גם בטמפרטורה גבוהה, אך אינם גמישים כמו מגנטים מתכתיים או פריטיים. מגנטים המעוצבים בהזרקה הם תרכובת מסוגים שונים של שרף ואבקות מגנטיות, ובכך מתאפשר ייצור של מגנטים בעלי צורות רצויות. התכונות הפיזיקליות והמגנטיות של המוצר תלויים בחומרי הגלם, אבל בדרך כלל חלשים בחוזקם המגנטי ומזכירים פלסטיק בתכונותיהם הפיזיקליות. מגנטים גמישים דומים למגנטים מעוצבים בהזרקה. הם בנויים משרף גמיש או מקשר כגון ויניל, ומיוצרים כרצועות או דפים שטוחים. המגנטים הללו חלשים בחוזקם המגנטי אבל יכולים להיות מאוד גמישים, כתלות במקשר שבשימוש. מגנטים מהסוג הזה משמשים בין היתר כמצע לדפוס - למשל תמונות על גבי מגנט, או פרסומות. ליסודות מקבוצת המתכות הנדירות יש עד 14 אלקטרונים בקליפת האלקטרונים f, ולכן יכולים להיות עד שבעה אלקטרונים בלתי-מזווגים, היוצרים מומנט מגנטי חזק. בנוסף, גבישים של סגסוגות של מתכות אלה הם אנאיזוטרופיים, כלומר בעלי כיווניות מרחבית. ניתן לגרום לספין של אלקטרונים אלה להיות בכיוון אחיד על כל המבנה הגבישי. כיוון אחיד זה יוצר שדות מגנטיים חזקים מאוד. משתמשים ביסודות אלה לבניית מגנטים קומפקטיים בעלי חוזק מגנטי גבוה ביישומים שבהם המחיר הגבוה אינו בעיה. מגנטי קובלט סמריום (Samarium Cobalt) עמידים מאוד בפני חימצון, עם חוזק מגנטי ועמידות בפני טמפרטורות גבוהות יותר מאלניקו או חומרים קרמיים. מגנטי קובלט סמריום מסונטר שבריריים מאוד, נוטים להיסדק ועלולים להישבר כתוצאה משוק תרמי. למגנטי בור ברזל נאודימיום (Neodymium Iron Boron - NdFeB) חוזק השדה המגנטי הגבוה ביותר, אבל הם נחותים מקובלט סמריום בעמידות בפני חימצון וטמפרטורה. סוג המגנט הזה הוא יקר, הן בשל מחיר חומרי הגלם והן בשל פטנטים המגינים עליהם. מחיר גבוה זה מגביל את שימושם למקרים בהם הצורך במגנטים קטנים וחזקים הוא קריטי. שימוש בציפויי מגן כגון זהב, ניקל, אבץ, שרף אפוקסי, ולוחיות פח יכולים לתת הגנה בפני חלודה וטמפרטורות. וולט - יחידת מערכת היחידות הבינלאומית (SI) למתח חשמלי. אמפר - יחידת SI לזרם חשמלי. ובר - יחידת SI לשטף מגנטי, שקולה לוולט-שנייה. טסלה - יחידת SI לשדה מגנטי (B), שקולה לוובר למטר רבוע. גאוס - יחידת מערכת היחידות cgs לשדה מגנטי, שקולה ל-‎1×10-4‎ (רבבית) טסלה. ארסטד(אנ') - יחידת cgs לעוצמת השדה המגנטי (H), שקולה ל-‎1000/4π אמפר למטר. מקסוול(אנ') - יחידת cgs לשטף המגנטי, שקולה ל-‎1×10-8‎ (מאית-מיליונית) ובר. מגנט פרומגנט פאראמגנט דיאמגנט ספין השדה המגנטי של כדור הארץ מגנטוספירה מצפן אלקטרומגנטיות היסטרזיס ננו-חלקיקים מגנטיים ארז גרטי, כללי כף יד בחישוב הכח המגנטי, במדור "מאגר המדע" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 2 ביולי 2011 ארז גרטי, מהם קווי שדה מגנטי?, במדור "מאגר המדע" באתר של מכון דוידסון לחינוך מדעי, 2 ביולי 2011 נמרוד צוק, משיכת יתר, באתר כלכליסט, 24 בספטמבר 2015 מילון למונחי חשמל ומגנטיות (1976), באתר האקדמיה ללשון העברית מגנטיות, באתר אנציקלופדיה בריטניקה (באנגלית) מגנטיות, דף שער בספרייה הלאומית