מהי מגנטיות
ואיך עובד מגנט

אנחנו משתמשים בהם לניווט, מצמידים בעזרתם תמונות ופתקים לדלת המקרר ושומרים באמצעותם את המידע הדיגיטלי שלנו בכונני המחשבים. קשה לדמיין איך היו נראים חיינו אלמלא המגנטים שמשרתים אותנו – לא פעם בלי שאנו מודעים לקיומם. אבל אף על פי שמדובר באחת התופעות החשובות ביותר בטבע, רק לעיתים רחוקות אנחנו עוצרים ותוהים מהי בכלל מגנטיות ואיך היא פועלת.

המושג "מגנט" נגזר כנראה משמה של העיר היוונית הקדומה מגנסיה, שם נמצאו בסביבות המאה החמישית לפני הספירה מרבצים גדולים של חומרים בעלי התנהגות מוזרה, שקיבלו את השם מגנטיט. בשעה שכרו מתכות באזור הבחינו היוונים הקדמונים שלמחצבים שלהם יש תכונה ייחודית – הם מושכים אליהם ברזל ומתכות אחרות. אלו הם המגנטים המתועדים הראשונים.

העניין במגנטים נמשך לכל אורך ההיסטוריה, ואט-אט למדו בני האדם לרתום אותם לצורכיהם. כבר במאה השנייה לפני הספירה הופיעו חפצים דמויי מצפן בסין. בשנת 1600 פרסם המדען הבריטי ויליאם גילברט (Gilbert), שיש הרואים בו את אבי חקר החשמל, את הספר "על מגנטיות, גופים מגנטיים, והארץ המגנטית הגדולה", שבו הסיק בין השאר שכדור הארץ עצמו הוא גוף מגנטי.

רק במאה ה-19 החלו הפיזיקאים להבין באמת את המנגנון שעומד מאחורי תופעות מגנטיות, חלוץ ההבנה הזאת היה הפיזיקאי והכימאי הדני הנס כריסטיאן ארסטד (Ørsted) שגילה כי כשמקרבים מצפן לזרם חשמלי, המחט שלו זזה.

חפץ בעל שדה מגנטי. מגנט עם שני קטבים מושך אליו אבקת מתכת | Tek Image, Science Photo Library

כוחות משיכה ודחייה

כיום אנו מגדירים מגנט בדרך הפשוטה ביותר כחפץ שמשרה שדה מגנטי, ובאמצעותו דוחה או מושך חפצים אחרים. אז מהו בעצם מגנט, ומה הקשר בין מתכות מגנטיות, כדור הארץ וזרם חשמלי?

מגנט הוא כל חפץ שיוצר שדה מגנטי או מגיב לשדה כזה. כפי שגופים בעלי מסה מושכים זה את זה באמצעות כוח הכבידה, או שגופים בעלי מטען חשמלי מושכים או דוחים זה את זה באמצעות הכוח החשמלי, כך מגנטים מושכים או דוחים זה את זה באמצעות הכוח המגנטי.

ובכל זאת יש הבדל מהותי – בשונה מכבידה ומחשמל, שמבוססים על מסה ומטען בהתאמה, אין דבר כזה "מטען מגנטי". חוקי הפיזיקה מראים שמנגנון הפעולה של הכוח המגנטי הוא מורכב יותר. למגנט יש שני צדדים שנקראים קוטב צפוני וקוטב דרומי, והם פועלים כך שקטבים הפוכים מושכים זה את זה ואילו קטבים זהים דוחים זה את זה. התופעה הזאת מזכירה את המשיכה בין מטען חשמלי חיובי לשלילי ואת הדחייה בין מטענים חשמליים מאותו סוג, אך בניגוד להם אין, ולא יכול להיות, מגנט בעל קוטב אחד בלבד.

 לתכונה המגנטית המקבילה למטען קוראים מומנט מגנטי. אפשר לחשוב עליו כעל מעין מגנט קטן עם שני קטבים שפונה לכיוון מסוים. הכוח המגנטי קשור בצורה הדוקה לכוח החשמלי, אבל הוא נפרד ממנו ותכונותיו אחרות. הקשר בין הכוחות וההבדלים ביניהם מילאו מקום חשוב בעבודתו של אלברט איינשטיין על תורת היחסות הפרטית.

אפשר ליצור מגנט בקלות מכל מעגל חשמלי. אלקטרומגנט בתוך מכשיר מיקרוגל | Sheila Terry, Science Photo Library

חומר מול זרם

אפשר לחלק את המגנטים לשני סוגים כלליים. הסוג הראשון הוא זה שהאנושות מכירה כבר אלפי שנים: מגנטים שעשויים מחומרים מגנטיים כמו ברזל; השני הוא אלקטרומגנטים, שנוצרים באמצעות זרמים חשמליים, כפי שהדגים לראשונה ארסטד.

ההסבר הפיזיקלי לאופן פעולתם של מגנטים מהסוג הראשון התברר רק במהלך המאה ה-20, בזכות תגליות פורצות דרך במכניקת הקוונטים. כידוע, כל חומר מורכב מאטומים, שמורכבים בעצמם מגרעין של פרוטונים ונייטרונים, שסביבו חגים אלקטרונים. לכל אלקטרון יש מומנט מגנטי קטן, שנקרא "ספין", והוא פונה לכיוון מסוים במרחב. ברוב החומרים, הספינים פונים לכל הכיוונים בלי כל סדר או ארגון, כך שבמצטבר אין כיוון מועדף והמטענים המגנטיים מבטלים זה את זה. אך יש חומרים, למשל ברזל, שהאלקטרונים מעדיפים להסתדר בהם באותו כיוון, והחומר מתנהג כמו מגנט. הסיבה לכך שברזל הופך למגנט וחומרים אחרים לא, קשורה לאופן שבו האטומים מסודרים בחומר, ולא נרחיב על כך כאן.

נהוג להבחין בין סוגי חומרים מגנטיים בהתאם לתכונות של החומרים שמרכיבים אותם בקנה המידה האטומי. חומרים פרומגנטיים (Ferromagnets), למשל ברזל, הם אלה שיכולים להישאר מגנטיים לאורך זמן. אלו הם החומרים שמהם עשויים המגנטים שאנחנו משתמשים בהם בחיי היומיום, כמו אלה שאנו מצמידים לדלת המקרר. לעומת זאת, חומרים פראמגנטיים (Paramagnets) אינם מגנטים בפני עצמם, אך הופכים למגנטים בנוכחות מגנט אחר, כמו דלת המקרר.

סוג שלישי הוא החומרים הדיאמגנטיים (Diamagnets), שאינם מגנטיים בעצמם, אך דוחים שדות מגנטיים בסביבתם. כיום מוכרים גם חומרים מגנטיים נוספים עם תכונות אקזוטיות אף יותר, שמדענים חוקרים מתוך עניין מדעי בשילוב תקווה למצוא להם שימושים טכנולוגיים אפשריים.

אלקטרומגנטים הם עניין אחר. במהלך המאה ה-19 גילו פיזיקאים כי זרם חשמלי יכול ליצור שדה מגנטי, ולהפך. התופעות הללו מכונות חוק אמפר וחוק פאראדיי על שם הפיזיקאים שגילו וחקרו אותן, אנדרה-מארי אמפר ומייקל פאראדיי. לפי החוקים הללו, כששדה מגנטי משתנה לאורך זמן, הוא יוצר שדה חשמלי, ולהפך. במונחים שהצגנו קודם נאמר שלמעגל חשמלי יש מומנט מגנטי, שגודלו תלוי בעוצמת הזרם במעגל וכיוונו תלוי בצורת המעגל וכיוון הזרם.

באמצעות התופעות הללו אפשר ליצור מגנט בקלות מכל מעגל חשמלי. העקרונות האלה עומדים מאחורי טכנולוגיות חיוניות רבות, כגון שנאים חשמליים וגנרטורים.

יתרה מכך, כדור הארץ עצמו הוא אלקטרומגנט, והשדה המגנטי שלו נוצר מזרמים של מתכות נוזליות וטעונות בליבה שלו. אלקטרומגנטים הם כלים נפוצים מאוד ושימושיים מאוד, ואחת הדרכים הנפוצות כיום למגנט חתיכת ברזל היא באמצעות אלקטרומגנט חזק מאוד. שימו לב שפרט לדרך שבה הם נוצרים, אין שום הבדל בין מגנטים מחומר מגנטי לבין אלקטרומגנטים.

ועדיין, להבדלים האלה יש משמעות מעשית רבה. קל ליצור אלקטרומגנט, אך הוא יהיה מגנטי רק כל עוד זורם בו חשמל. לכן כשרוצים מגנט שיישאר במקומו בכל מצב משתמשים בחומרים מגנטיים – וכך המגנטים על דלת המקרר יכולים להישאר באותו מקום במשך שנים. מאותה סיבה התקני זיכרון למחשב מיוצרים לרוב מחומר מגנטי, כדי שלא נאבד את כל המידע שלנו כל פעם שנכבה את המחשב. לעומת זאת, למנוף מגנטי נשתמש באלקטרומגנט, אחרת המשא שהוא מרים לא יתנתק ממנו לעולם.