כיצד מודדים את עוצמתו של מגנט?

מגנטים היו חפצים מרתקים במשך מאות שנים, וכבדו מדענים וחובבים כאחד בזכות יכולתם המסתורית למשוך חומרים מסוימים. ממחטי מצפן המנחים חוקרים קדומים ועד למנגנונים המורכבים של הטכנולוגיה המודרנית, מגנטים ממלאים תפקיד מכריע בהיבטים שונים של חיינו. אבל כיצד נכמת את עוצמתם של אלה?שדות מגנטייםכיצד מודדים את עוצמתם של מגנטים? בואו נתעמק בשיטות ובכלים המשמשים לכימות עוצמתו של מגנט.

עוצמת השדה המגנטי

עוצמתו של מגנט נקבעת באופן בסיסי על ידי השדה המגנטי שלו, האזור סביב המגנט שבו מורגשת השפעתו. שדה זה מיוצג על ידי קווי כוח, המשתרעים מקוטב הצפוני של המגנט לקוטב הדרומי שלו. ככל שצפיפות הקווים הללו גדולה יותר, כך השדה המגנטי חזק יותר.

גאוס וטסלה: יחידות מידה

כדי לכמת את עוצמתו של שדה מגנטי, מדענים משתמשים בשתי יחידות מידה עיקריות: גאוס וטסלה.

גאוס (G): יחידה זו, הנקראת על שם המתמטיקאי והפיזיקאי הגרמני קרל פרידריך גאוס, מודדת את צפיפות השטף המגנטי או האינדוקציה המגנטית. גאוס אחד שווה למקסוול אחד לסנטימטר רבוע. עם זאת, בשל גודלו הקטן יחסית של גאוס, במיוחד בהקשרים מודרניים, מדענים משתמשים לעתים קרובות בטסלה עבור שדות מגנטיים חזקים יותר.

טסלה (T)יחידה זו, שנקראה לכבודו של הממציא ומהנדס החשמל הסרבי-אמריקאי ניקולה טסלה, מייצגת צפיפות שטף מגנטי גדולה יותר בהשוואה לגאוס. טסלה אחד שווה ל-10,000 גאוס, מה שהופך אותה ליחידה מעשית יותר למדידת שדות מגנטיים חזקים יותר, כמו אלה המופקים על ידי מגנטים רבי עוצמה המשמשים במחקר מדעי או ביישומים תעשייתיים.

מגנטומטרים

מגנטומטרים הם מכשירים שנועדו למדוד את עוצמתם וכיוונם של שדות מגנטיים. מכשירים אלה מגיעים בצורות שונות, החל ממצפנים ידניים פשוטים ועד לציוד מעבדה מתוחכם. להלן מספר סוגים נפוצים של מגנטומטרים המשמשים למדידת עוצמת שדה מגנטי:

1. מגנטומטרים של פלוקסגייטמגנטומטרים אלה משתמשים בעקרונות האינדוקציה האלקטרומגנטית כדי למדוד שינויים בשדות מגנטיים. הם מורכבים מליבה מגנטית אחת או יותר המוקפות בסלילי חוט. כאשר הן נחשפות לשדה מגנטי, הליבות מתמגנטיות, מה שגורם לאות חשמלי בסלילים, אותו ניתן למדוד ולכייל כדי לקבוע את עוצמת השדה המגנטי.

2. מגנטומטרים לאפקט הולמגנטומטרים בעלי אפקט הול מסתמכים על אפקט הול, המתאר את יצירת הפרש המתח (מתח הול) על פני מוליך חשמלי כאשר הוא נתון לשדה מגנטי הניצב לזרימת הזרם. על ידי מדידת מתח זה, מגנטומטרים בעלי אפקט הול יכולים לקבוע את עוצמת השדה המגנטי.

3. מגנטומטרים של SQUIDמגנטומטרים של התקן הפרעה קוונטית מוליך-על (SQUID) הם בין המגנטומטרים הרגישים ביותר שקיימים. הם פועלים על סמך תכונות קוונטיות של מוליכי-על, מה שמאפשר להם לזהות שדות מגנטיים חלשים ביותר, עד לרמת פמטוטסלה (10^-15 טסלה).

כיול וסטנדרטיזציה

כדי להבטיח מדידות מדויקות, יש לכייל ולתקנן מגנטומטרים כראוי. כיול כרוך בהשוואת הפלט של המגנטומטר עם עוצמות שדה מגנטי ידועות כדי ליצור קשר ליניארי בין קריאות המכשיר לערכי השדה המגנטי בפועל. סטנדרטיזציה מבטיחה שמדידות שבוצעו עם מגנטומטרים שונים יהיו עקביות וניתנות להשוואה.

יישומים של מגנטומטריה

ליכולת למדוד במדויק את עוצמת השדה המגנטי יש יישומים רבים בתחומים שונים:

גיאופיזיקהמגנטומטרים משמשים לחקר השדה המגנטי של כדור הארץ, המספק מידע חשוב על מבנה והרכב פנים כדור הארץ.

ניווטמצפנים, סוג של מגנטומטר, היו כלים חיוניים לניווט מאז ימי קדם, וסייעו למלחים ולחוקרים למצוא את דרכם על פני אוקיינוסים עצומים.

מדעי החומריםמגנטומטריה משמשת לאפיוןחומרים מגנטייםולחקור את תכונותיהם, חיוניות לפיתוח טכנולוגיות כגון התקני אחסון מגנטיים ומכונות דימות תהודה מגנטית (MRI).

חקר החללמגנטומטרים מוצבים על גבי חלליות כדי לחקור את השדות המגנטיים של גופים שמימיים, ומספקים תובנות לגבי הרכבם וההיסטוריה הגיאולוגית שלהם.

מַסְקָנָה

מדידת עוצמת השדה המגנטי חיונית להבנת התנהגותם של מגנטים ויישומיהם בתחומים שונים. באמצעות יחידות כמו גאוס וטסלה ומכשירים כמו מגנטומטרים, מדענים יכולים לכמת במדויק את עוצמת השדות המגנטיים, ובכך לסלול את הדרך להתקדמות בטכנולוגיה, בחקירה ובמחקר המדעי. ככל שההבנה שלנו את המגנטיות ממשיכה להעמיק, כך גם יכולתנו לרתום את כוחה לטובת האנושות תגדל.