מכונית מגנטית – כוח שפועל בלי לגעת
איך אפשר לגרום למכונית לנוע בלי מנוע, בלי סוללה ובלי לגעת בה?
בפעילות נבנה מכונית קטנה שנעה באמצעות כוח מגנטי. מגנט אחד נמצא על המכונית, ומגנט שני מוחזק ביד. כאשר מפנים זה אל זה קטבים זהים, המגנטים דוחים זה את זה – והמכונית מתחילה לנוע.
זהו כוח מיוחד משום שהוא מסוגל לפעול גם כאשר שני הגופים אינם נוגעים זה בזה. כוח מגנטי הוא דוגמה לכוח הפועל ממרחק.
4
מהו מגנט?
מגנט הוא גוף שיוצר סביבו שדה מגנטי.
לא כל מגנט עשוי פשוט מברזל או מניקל. מגנטים יכולים להיות עשויים מחומרים וסגסוגות שונות, למשל חומרים המבוססים על ברזל, ניקל, קובלט או ניאודימיום.
המגנט יכול להפעיל כוח על מגנטים אחרים וגם על חומרים מסוימים שנמשכים אליו.
חשוב מאוד:
לא כל מתכת נמשכת למגנט.
ברזל נמשך היטב למגנט, אבל למשל נחושת ואלומיניום רגילים אינם נמשכים אליו בצורה חזקה כמו ברזל.
כוח בלי מגע – השדה המגנטי
אנחנו לא יכולים לראות שדה מגנטי בעיניים.
אבל אנחנו יכולים לראות את ההשפעה שלו.
אם מפזרים שבבי ברזל סביב מגנט, השבבים מסתדרים בתבנית מיוחדת סביבו. התבנית מאפשרת לנו לדמיין את האזור שבו המגנט מסוגל להפעיל כוח.
למרחב הזה קוראים:
שדה מגנטי
השדה קיים סביב המגנט גם כאשר שום דבר אחר אינו נמצא לידו.
כאשר מגנט אחר נכנס לשדה הזה, יכול לפעול עליו כוח.
בתמונה של שבבי הברזל אפשר לראות שהשדה צפוף במיוחד ליד קצות המגנט – שם נמצאים הקטבים.
לכל מגנט יש שני קטבים
לכל מגנט יש שני קטבים:
צפון – N
ו־
דרום – S
אי אפשר לקחת מגנט רגיל ולשמור רק על קוטב אחד.
אם נשבור מגנט לשניים, בדרך כלל נקבל שני מגנטים קטנים יותר – ולכל אחד שוב יהיה צפון ודרום.
מושכים או דוחים?
כאן נמצא העיקרון המרכזי של המכונית שלנו.
קטבים שונים מושכים זה את זה
N מול S → משיכה
קטבים זהים דוחים זה את זה
N מול N → דחייה
S מול S → דחייה
לפני הבנייה כדאי לתת לתלמידים שני מגנטים ולבקש מהם לגלות בעצמם:
מתי הם "רוצים" להתקרב?
ומתי מרגישים כאילו הם דוחפים זה את זה?
ההתנסות הזו מופיעה גם במערך המקורי.
איך המכונית שלנו זזה?
על המכונית מותקן מגנט.
ביד שלנו נמצא מגנט נוסף.
כאשר נפנה אל מגנט המכונית קוטב זהה, נוצר ביניהם כוח דחייה.
אנחנו מקרבים את המגנט שביד – בלי לגעת במכונית.
הכוח המגנטי פועל על המכונית ודוחף אותה קדימה.
כלומר:
מגנט ביד → שדה מגנטי → כוח דחייה → כוח על המכונית → המכונית מאיצה ונעה
זהו חיבור יפה גם לרעיון של החוק השני של ניוטון:
כאשר פועל על גוף כוח שקול, התנועה שלו משתנה.
אז למה צריך גלגלים?
המגנט מספק את הכוח שמניע את המכונית, אבל המכונית צריכה להתגבר גם על חיכוך.
אילו היינו מניחים קוביית עץ על השולחן ודוחפים אותה באמצעות מגנט, החיכוך עם השולחן היה גדול יחסית.
הגלגלים מאפשרים למכונית להתגלגל ולכן מפחיתים מאוד את ההתנגדות לתנועה.
לכן פעולת המכונית תלויה בשני דברים יחד:
כוח מגנטי שדוחף קדימה
מול
חיכוך והתנגדות שמפריעים לתנועה
מה קורה כאשר מרחיקים את המגנטים?
ככל שמרחיקים את המגנטים זה מזה, ההשפעה ביניהם בדרך כלל נחלשת.
ככל שמקרבים אותם, הכוח יכול להיות חזק יותר.
אבל כאן חשוב לתקן נקודה מהמערך המקורי:
אין חוק פשוט שאומר שבכל שני מגנטים, אם המרחק קטן פי 2 הכוח יהיה בדיוק גדול פי 4.
הקשר תלוי בגודל המגנטים, בצורה שלהם, בכיוון שלהם ובמרחק ביניהם.
לכן לתלמידים נאמר:
ככלל – קרוב יותר = השפעה חזקה יותר.
רחוק יותר = השפעה חלשה יותר.
השדה של מגנט מוט אכן נחלש ככל שמתרחקים ממנו.
ניסוי הנייר – מה באמת קורה?
במערך המקורי מוצע להכניס דפי נייר בין שני מגנטים ולראות מתי הם כבר אינם מחזיקים זה את זה.
זה ניסוי מצוין, אבל חשוב להבין למה.
הנייר עצמו אינו "חוסם" את השדה המגנטי כמו קיר.
כאשר מוסיפים עוד ועוד שכבות נייר, אנחנו בעיקר:
מגדילים את המרחק בין המגנטים.
וכשהמרחק גדל – הכוח נחלש.
אפשר להוכיח זאת גם באמצעות חומרים אחרים באותו עובי.
זו יכולה להיות שאלת חקר מצוינת:
האם אותו מספר שכבות של נייר, פלסטיק וקרטון ישפיע באותה צורה אם המרחק יהיה זהה?
מה קורה אם הופכים מגנט אחד?
עכשיו במקום קטבים זהים, נעמיד:
N מול S
המכונית כבר לא תידחף מאיתנו.
המגנטים ימשכו זה את זה.
אם נקרב את המגנט שביד אל המכונית ונזיז אותו, נוכל אפילו לגרום למכונית לעקוב אחרינו.
כך אותו זוג מגנטים יכול ליצור:
דחייה
או
משיכה
רק באמצעות שינוי הכיוון של אחד המגנטים.
כדור הארץ הוא כמו מגנט ענק
גם לכדור הארץ יש שדה מגנטי.
מחט של מצפן היא למעשה מגנט קטן שמסוגל להסתובב.
כאשר נותנים לה לנוע בחופשיות, היא מסתדרת בהתאם לשדה המגנטי של כדור הארץ.
זו הסיבה שמצפן יכול לעזור לנו למצוא כיוון.
השדה המגנטי של כדור הארץ משתרע למרחק רב סביבו.
בתמונה אפשר להראות לתלמידים שכדור הארץ מוקף בשדה, ממש כמו מגנט – רק בקנה מידה עצום.
מגנטיות נמצאת סביבנו
אנחנו משתמשים במגנטים בהרבה מאוד מערכות:
מצפנים.
רמקולים ואוזניות.
מנועים חשמליים.
גנרטורים.
מנעולים וחיישנים.
צעצועים.
מערכות הרמה תעשייתיות.
ואפילו ברכבות מסוימות שמנצלות כוחות מגנטיים כדי ליצור ריחוף או הנעה.
הדגם הקטן שהתלמיד בונה מדגים את אותו רעיון בסיסי:
כוח מגנטי יכול להפוך לתנועה.
חוזרים למכונית שהתלמידים בונים
מגנט על המכונית
מגנט ביד
כיוון כוח הדחייה
כיוון תנועת המכונית
גלגלים
אנחנו לא דוחפים את המכונית – המגנטים עושים זאת ממרחק.
ניסוי 1 – מצאו את הקטבים
קחו שני מגנטים.
קרבו אותם.
אם הם מושכים – הפכו אחד מהם.
מה קרה?
נסו לסמן:
N / S
ולגלות אילו קצוות דוחים ואילו מושכים.
ניסוי 2 – כמה רחוק הכוח מגיע?
העמידו את המכונית במקום קבוע.
התחילו עם המגנט במרחק גדול.
הקריבו אותו בהדרגה.
שאלו:
באיזה מרחק המכונית מתחילה לזוז?
נסו שוב עם אותה מכונית ובאותו משטח.
האם קיבלתם תוצאה דומה?
ניסוי 3 – קרוב מול רחוק
נסו לדחוף את המכונית כשהמגנט:
רחוק.
במרחק בינוני.
קרוב מאוד.
איזה מצב גורם למכונית להאיץ בצורה החזקה ביותר?
ההשערה צריכה להגיע לפני הניסוי.
ניסוי 4 – מה משפיע על מרחק הנסיעה?
אפשר לבדוק:
מה קורה על שולחן חלק?
מה קורה על קרטון?
מה קורה על משטח מחוספס?
כך אנחנו מגלים שלא רק הכוח המגנטי קובע – גם החיכוך משפיע על תנועת המכונית.
אתגר המכונית המגנטית
בסוף השיעור ניצור מסלול.
המטרה:
להעביר את המכונית מקו הזינוק לקו הסיום בלי לגעת בה בכלל.
מותר להשתמש רק במגנט שביד.
אפשר להוסיף:
מסלול ישר.
סלאלום.
עצירה באזור מסומן.
תחרות מרחק.
או אתגר דיוק.
לפני כל ניסיון התלמידים צריכים לנבא:
האם עדיף להחזיק את המגנט קרוב או רחוק?
איזה קוטב צריך להפנות למכונית?
מה יקרה אם נהפוך אותו?
והאם מכונית על משטח מחוספס תגיע לאותו מרחק?
השערה → ניסוי → תצפית → מסקנה
המסר המרכזי:
מגנט יוצר סביבו שדה מגנטי. כאשר מגנט אחר נכנס לשדה הזה, יכולה לפעול עליו משיכה או דחייה – וכך כוח שאיננו רואים ואינו דורש מגע יכול לגרום למכונית שלמה לנוע.
הארה בפייסבוק
-1.jpg)
