דלג לתוכן

Magnetism and electromagnetism

AQA · GCSE · Physics · נושא 7

7.1

מגנטיות וחשמל-מגנטי: תנועה מתוך זרם

מגנט נע יכול ליצור זרם; זרם יכול ליצור תנועה. כל מנוע, גנרטור, תחנת כוח ורמקול קיים בנושא זה. עמוד זה מכסה AQA GCSE Physics 8463, נושא 4.7 Magntism and electromagnetism.

כיצב המבחן מטפל בנושא זה:

  • נושא זה מופיע ב-2. $F = BIl$ ושתי נוסחאות המוטר מופיעים בדף הצמוד.
  • חוק היד השמאלית של פלמינו, מנועים, רמקולים, אפקט הגנרטור, אלטרנטורים/דינמו, מיקרופונים ומוטרים הם רק ל-HT; כל מה שמתחיל מ-4.7.3 הוא גם פיזיקה בלבד.
  • עליכם לשרטט תבניות שדות: מגנט מוט, חוט ישר, סולנואיד.
מילון מונחים אימון
English עברית
electromagnet/ɪˌlektrəʊˈmæɡnɪt/ מגנט חשמלי
magnetic flux density/mæɡˈnetɪk flʌks ˈdensɪti/ צפיפות זרימת מגנטית
7.1

מגנטים קבועים ומוגדרים, שדות מגנטיים

סיילבוס

מגנטיות קבועה ומוגרת, כוחות ושדות מגנטיים (AQA 8463 נוסח 4.7.1).

  1. תאר את המשיכה והדחייה בין קטבי מגנט קבועים ככוח אי-מגע.
  2. הבדל בין מגנטים קבועים למגנטים מוגרים, וזכור שמגנטיות מוגרת גורמת תמיד למשיכה.
  3. תאר את השדה המגנטי וכיוונו; זכור ארבעה חומרים מגנטיים.
  4. הסבר כיצד מצפן ציור מראה כיווני שדה, והוכחות מצפן לשדה של כדור הארץ.

מקור: הסיילבוס הבינלאומי של קמבריד'ג'

  • קטבים: המקום שבו הכוח המגנטי הוא החזק ביותר.

קווי שדה של מגנט מוט מ-N ל-S. קטבים זהים דוחים; קטבים שונים נמשכים — כוח שאינו נוגע.

  • מגנט קבוע מייצר את השדה שלו. מגנט מוגדר הופך למגנט רק כאשר הוא בשדה — והמגנטיות המוגדרת תמיד גוררת (היא מאבדת את המגנטיות שלה כשהיא מוסרת).
  • השדה המגנטי הוא האזור שבו כוח פועל על מגנט או חומר מגנטי אחר (ברזל, פלדה, קובלט, ניקל). מגנט תמיד גורר חומר מגנטי.
  • השדה חזק ביותר בקטבים; הכיוון = הכוח על קוטב צפוני בנקודה זו. קווי שדה עוברים צפון → דרום.
  • מצפן הוא מגנט מוט קטן; הוא מצביע לאורך שדה כדור הארץ — עדות לכך לכדור הארץ יש שדה מגנטי (ליבתו מתנהגת כמו מגנט ענק).

שרטוט שדה: להניח מצפן סימון קטן ליד המגנט, לסמן את קצוות המחט, להזיז את המצפן כך שהזנח ישב על הסימון האחרון, לחזור ולחבר את הנקודות. גרגירי ברזל מראים את התבנית כולה בו-זמנית.

7.2

אלקטרומגנטיות

סיילבוס

אלקטרומגנטיות ואפקט המנוע, HT (AQA 8463 נוסחים 4.7.2.1-4.7.2.4).

  1. תאר את השדה המגנטי סביב חוט העובר בו זרם ואת השדה המגנטי החזק והאחיד בתוך סולנואיד; הסבר מגנטים אלקטרומגנטיים.
  2. צייר דפוסי שדה לחוט ישר ולסולנואיד עם כיוונים.
  3. הניחו את חוק היד השמאלית של פלמינג ו-F = BIl למוצרים חשמליים בניצב לשדה.
  4. הסבר סיבוב סליל מנוע ותפקיד מחולק הזרם (קומוטטור).
  5. (פיזיקה בלבד) הסבר כיצד רמקולים ואוזניות ממירים תנודות זרם לתנודות לחץ קול.

מקור: הסיילבוס הבינלאומי של קמבריד'ג'

לחוט העובר בו זרם יש שדה מגנטי סביבו (מעגלים קונצנטריים; אחיזת יד ימנית — האגודל עם הזרם, האצבעות מתכווצות עם השדה). השדה חזק יותר ככל שהזרם גדול וחלש יותר ככל שהמרחק מהחוט גדול.

כיפוף החוט ל-סולנואיד:

השדה של חוט ישר ושל סולנואיד.
  • השדות של הלולאות נוספים — השדה בפנים הוא חזק ואחיד;
  • בחוץ, הצורה תואמת את מגנט המוט;
  • הוספת ליבת ברזל מגבירה את החוזק עוד יותר — זהו אלקטרומגנט.

אלקטרומגנט ניתן להפעלה וכיבוי ועוצמתו משתנה עם הזרם — ולכן הוא טוב יותר ממגנט קבוע במפעלי גירעין ובממסרים.

מילון מונחים אימון
English עברית
poles/pəʊlz/ קוטבי מגנטים
permanent magnet/ˈpɜːmənənt ˈmæɡnɪt/ מגנט קבוע
induced magnet/ɪnˈdjuːst ˈmæɡnɪt/ מגנט מושפע
magnetic field/mæɡˈnetɪk fiːld/ שדה מגנטי
solenoid/ˈsəʊlənɔɪd/ סולנויד
7.2

אפקט המנוע (HT)

סיילבוס

אלקטרומגנטיות ואפקט המנוע, HT (AQA 8463 נוסחים 4.7.2.1-4.7.2.4).

  1. תאר את השדה המגנטי סביב חוט העובר בו זרם ואת השדה המגנטי החזק והאחיד בתוך סולנואיד; הסבר מגנטים אלקטרומגנטיים.
  2. צייר דפוסי שדה לחוט ישר ולסולנואיד עם כיוונים.
  3. הניחו את חוק היד השמאלית של פלמינג ו-F = BIl למוצרים חשמליים בניצב לשדה.
  4. הסבר סיבוב סליל מנוע ותפקיד מחולק הזרם (קומוטטור).
  5. (פיזיקה בלבד) הסבר כיצד רמקולים ואוזניות ממירים תנודות זרם לתנודות לחץ קול.

מקור: הסיילבוס הבינלאומי של קמבריד'ג'

מוליך העובר בו זרם בשדה מגנטי מרגיש בכוח (ה-אפקט המנוע — השדה, המגנט והמוליך דוחפים זה את זה).

חוק היד השמאלית של פלמינג: אגודל = כוח, אצבע הראשונה = שדה (N→S), אצבע השנייה = זרם — כל שלושת האצבעות בזווית ישרה.

חוק היד השמאלית של פלמינג.
$$F = BIl$$
  • $F$ כוח ב-N; $B$ צפיפות שדה מגנטי בטסלה, T; $I$ זרם באמפר, A; $l$ אורך המוליך בתוך השדה, במטר, m.
  • כוח גדול יותר עם: שדה חזק יותר (ערך גבוה יותר ל-$B$), זרם גדול יותר, מוליך ארוך יותר בתוך השדה. כוח מקסימלי כאשר המוליך נמצא ב-זווית ישרה לשדה.

מנוע חשמלי: סליל העובר בו זרם בשדה מסתובב מכיוון ששתי צלעותיו מרגישות בכוחות הפוכים זה לזה.

סליל מנוע עם מחלקת קומוטציה. מחלקת קומוטציה מפנה את הזרם בכל מחצית סיבוב כך שהסיבוק ימשיך.

רמקול (פיזיקה בלבד): זרם מתחלף העובר בסליל בשדה גורם לסליל לרמום פנימה והוצאה; הגביע דוחף את האוויר ליצירת שינויי לחץ — גלי קול שתדרם תואם לתדר האות.

7.3

אפקט הגנרטור (פיזיקה בלבד, HT)

סיילבוס

פוטנציאל מוגר, שעריכי מתח והרשת הלאומית, פיזיקה בלבד ו-HT (AQA 8463 נוסח 4.7.3).

  1. ציינו את התנאים לאפקט הגנרטור וגורמים המשפיעים על הגודל והכיוון של המתח המוגר.
  2. הסבירו אלטרנטורים (AC) ודינמות (DC) ופרשנו גרפים מתח-זמן שלהם.
  3. הסביר כיצד מיקרופונים מסוג סליל זז ממירים קול לתנודות זרם.
  4. השתמשו במשוואות הסיבובים וההספק בשעריכי מתח; הסבירו השראה בין סלילים ואת היתרון של העברת מתח גבוה.

מקור: הסיילבוס הבינלאומי של קמבריד'ג'

אם מוליך נע ביחס לשדה מגנטי, או שהשדה סביבו משתנה, נוצר מתח חשמלי מופע; אם המעגל סגור, עובר בה זרם — ה-אפקט הגנרטור.

  • השדה של הזרם המופע עצמו מתנגד לשינוי שיצר אותו.
  • מתח חשמלי מופע גדול יותר עם: תנועה מהירה יותר, שדה חזק יותר, מספר רב יותר של סלילים. כיוון הפוך עם: תנועה הפוכה או הפכת קוטביות השדה.

מחולק חשמל (גנרטור AC): סליל מסתובב בשדה — המתח החשמלי המופע משנה כיוון בכל מחצית סיבוב, כך שגרף המתח-זמן הוא גל חוזר חצינה העובר באפס.

גרפים של מחולק חשמל AC לעומת דינמו DC. דינמו (DC): מחלקת קומוטציה מפנה את המחברים בכל מחצית סיבוב, כך שהיציאה נשארת בצד אחד של האפס (גרף תנודתי, תמיד חיובי).

מיקרופון: הפוך מרמקול — שינויי לחץ קוליים מזיזים סליל בשדה, מופעים זרם משתנה המשקף את הצליל.

7.3

טראנספורמטורים (פיזיקה בלבד, HT)

סיילבוס

פוטנציאל מוגר, שעריכי מתח והרשת הלאומית, פיזיקה בלבד ו-HT (AQA 8463 נוסח 4.7.3).

  1. ציינו את התנאים לאפקט הגנרטור וגורמים המשפיעים על הגודל והכיוון של המתח המוגר.
  2. הסבירו אלטרנטורים (AC) ודינמות (DC) ופרשנו גרפים מתח-זמן שלהם.
  3. הסביר כיצד מיקרופונים מסוג סליל זז ממירים קול לתנודות זרם.
  4. השתמשו במשוואות הסיבובים וההספק בשעריכי מתח; הסבירו השראה בין סלילים ואת היתרון של העברת מתח גבוה.

מקור: הסיילבוס הבינלאומי של קמבריד'ג'

טראנספורמטור: סליל ראשוני ושנייני סרוגים על ליבת ברזל (נמגנטת בקלות; אינו דורש שכבות מבודדות).

טראנספורמטור עם שתי המשוואות.

זרם מתחלף בסליל הראשוני יוצר שדה מגנטי משתנה בליבה; שדה זה המשתנה מופע מתח חשמלי מתחלף בסליל השנייני.

$$\frac{V_p}{V_s} = \frac{n_p}{n_s} \qquad V_s I_s = V_p I_p \; (100\%\ \text{efficient})$$
  • הגבהת מתח: $V_s > V_p$ (יותר סלילים שנייניים). הנחתת מתח: $V_s < V_p$.
  • המשוואה השנייה היא הספק כניסה = הספק יציאה; השתמש בה כדי למצוא את הזרם הנשאב מהמקור הכניסתי.

דוגמה מוצגת. טרנספורמציה בעלת 345 הילוכים ראשוניים ו6000 הילוכים משניים; הכניסה היא 230 V.

$$\frac{230}{V_s} = \frac{345}{6000} \quad\Rightarrow\quad V_s = 230 \times \frac{6000}{345} = 4000\ \text{V (a step-up)}$$

דוגמה מוצגת (הספק). הטרנספורמציה מספקת 50 mA ב4000 V.

  • הספק יציאה: $P = V_sI_s = 4000 \times 0.050 = 200$ W.
  • זרם כניסה: $I_p = P/V_p = 200/230 = 0.87$ A.

סיפור הרשת הארצית מחזיר את העיגול: העלאת מתח לפני השידור (זרם קטן יותר → הפסדי $P = I^2R$ צומחים), הורדת מתח לבתי מגורים (ראו נושא 2.7).

מילון מונחים אימון
English עברית
transformer/trænsˈfɔːmə/ מתחיל
7.3

רשימת בדיקה לפני סיום נושא זה

  • נסח את חוקי הקוטבים; הבדל בין מגנטים קבועים למגנטים מופעים.
  • צייר דפוסי שדה של מגנט מוט, חוט ישר וסולנויד עם כיוונים; הסבר הקשר בין מצפן/כדור הארץ.
  • (HT) השתמש בחוק היד השמאלית של פלמינג וב$F = BIl$; הסבר המנוע והקומטטור.
  • (פיזיקה בלבד, HT) נסח תנאי אפקט הגנרטור ושדה המופע המתנגד; הבדל בין גרפים של אלטרנטור וג'נרטור; הסבר המיקרופון.
  • (פיזיקה בלבד, HT) השתמש בשתי משוואות הטרנספורמציה; הסבר האינדוקציה בין הילוכים והיתרון של הרשת.

נושאים נוספים בAQA · GCSE · Physics

היכנס או צור חשבון

IGCSE, A-Level & AP