חשמל ומגנטיות
שקופית 1 |
ביחידה זו נלמד על –
שקופית 2
1. תכונות המגנט
2. הקשר שבין מגנט לחשמל: אלקטרומגנטיות
|
 |
מהלך ההוראה |
מבנה היחידה
שקופיות 3–4
יחידת ההוראה כוללת ארבעה חלקים:
חלק 1
מהו מגנט? דיון פתיחה
חלק 2
א. חוקרים תכונות של מגנטים – חקירה בקבוצות
קבוצה 1: מה נמשך למגנט?
קבוצה 2: מה קורה כאשר מקרבים שני מגנטים זה לזה?
קבוצה 3: האם מגנטים פועלים גם מרחוק?
ב. חוקרים תכונות של מגנטים – הסקת מסקנות וסיכום
חלק 3
מה בין מגנטים לחשמל?
א. צפייה בסרטון פעמון חשמלי – פתיחה
ב. בונים אלקטרומגנט – עבודה קבוצתית
ג. תופעת האלקטרומגנט – דיון וסיכום
חלק 4
משתמשים באלקטרומגנט – יישום
|
| |
השלב בשיעור |
הנחיות לתלמיד |
הנחיות למורה |
 |
פתיחה |
חלק 1: מהו מגנט? פתיחה
שקופית 5
התבוננו בתמונה של מקרר ומגנטים רבים הצמודים אליו.
1. איזו תכונה מאפשרת להצמיד את מגנטי הפרסומת האלה למקרר?
2. האם אפשר להצמיד את מגנטי הפרסומת גם למכשירי חשמל אחרים? לקירות? לרהיטי עץ?
|
חלק 1: מהו מגנט? פתיחה
מטרת הפעילות היא לבדוק ידע מוקדם על תופעת המגנטיות ולהמחיש אותה.
רקע למורה:
המונח מגנטיות נקרא על שם האי מגנזיה בים האגאי, שבו מצאו היוונים לפני למעלה מ-2,000 שנה אבנים בעלות תכונה מיוחדת. אבן כזאת, שכונתה אבן שואבת, ניחנה בכושר למשוך אליה ברזל. השימוש הראשון שנמצא בחומרים מגנטיים היה במצפים, שהיו ידועים בסין כבר במאה התשיעית או העשירית. ויליאם גילברט, בספרו
על המגנט (1600), הציג את כדור הארץ כמגנט הקובע את כיוונם של מצפנים. באותה תקופה (וגם אחר כך) ייחסו למגנט תכונות רפואיות.
בהתחלה התמקד חקר המגנטיות בתכונותיהם של חומרים מגנטיים, ורק בתחילת המאה ה-19 קישרו בין מגנטיות לחשמל.
במאה ה-18 ניסחו שני חוקרים (האנגלי ג'ון מיצ'ל והצרפתי ש' א' קולון) את החוקים הכמותיים של המגנטיות. שני קצותיו של מטיל העשוי חומר מגנטי כונו "קטבים" וסומנו באורח שרירותי "צפוני" ו"דרומי". שני קטבים זהים של שני מגנטים שונים דוחים זה את זה, ושני קטבים הפוכים מושכים זה את זה. עוצמת הכוח הפועל בין קטבים קטנה ביחס ישר לריבוע המרחק. בכך קיים דמיון רב בין הכוח המגנטי לכוח החשמלי (וינט), שכן הקטבים המגנטיים (צפוני ודרומי) אנלוגיים למטענים החשמליים (חיובי ושלילי).
כששוברים מגנט לשני חלקים מתקבלים שני מגנטים בעלי עוצמה שווה.
שלוש מתכות בטבע הן בעלות תכונת מגנטיות: ברזל, ניקל וקובלט. המגנט פועל על גופים גם כשאינם נמצאים עמו במגע ישיר (תכונה זו מתוארת במושג שדה מגנטי).
|
 |
גוף השיעור |
חלק 2: חוקרים תכונות של מגנטים – חקירה בקבוצות
שקופית 6
בפעילות זו תחקרו תכונות של מגנטים. כל קבוצה תתנסה בפעילות אחת הקשורה למגנטים.
קבוצה 1: מה נמשך למגנט?
קבוצה 2: מה קורה כאשר מקרבים שני מגנטים זה לזה?
קבוצה 3: האם מגנטים פועלים גם ממרחק?
|
חלק 2: חוקרים תכונות של מגנטים – חקירה בקבוצות
קבוצה 1: מה נמשך למגנט?
בתצפית זו התלמידים לומדים על תופעת המגנטיות ועל כך שיש חומרים שנמשכים למגנט ויש חומרים שאינם נמשכים אליו. התצפית מעמתת את התלמידים עם התפיסה השגויה הרווחת שכל מתכת נמשכת למגנט. למעשה, רק ברזל ומסגים שלו, וכן קובלט וניקל, נמשכים למגנט.
על סמך הממצאים התלמידים צריכים להגיע להכללה שרק מתכות אחדות נמשכות למגנט ולא כולן.
על פי שיקול דעתו של המורה אפשר להחליף את הפעילות בכיתה לפעילות אינטראקטיבית באתר "סוגרים מעגל".
יש להיכנס לקישור ולהפעיל את ההדמיה. בהמשך יש לארגן את ממצאי הבדיקה בטבלה שיתופית.
קבוצה 2: מה קורה כאשר מקרבים שני מגנטים זה לזה?
לכל מגנט יש שני קטבים, הנקראים בשם קוטב צפוני וקוטב דרומי. קטבים זהים דוחים זה את זה ואילו קטבים מנוגדים מושכים זה את זה.
שני הקטבים כאחד מושכים ברזל ומסגים שלו – קובלט וניקל.
קבוצה 3: האם מגנטים פועלים גם ממרחק?
מגנטים מושכים אליהם מתכות הנמשכות למגנט גם ממרחק, ללא מגע פיזי.
עוצמת המשיכה תלויה במרחק שביניהם: ככל שהמרחק גדול יותר, המשיכה קטנה יותר (ביחס הופכי לריבוע המרחק –
1/x2).
|
| |
|
חלק 2: חוקרים תכונות של מגנטים – הסקת מסקנות וסיכום
שקופית 7
1. עיינו בממצאי קבוצות שונות של תלמידים בכיתה (שלוש טבלאות).
2. רשמו מה למדתם מן הממצאים על משיכה של חומרים שונים למגנט.
3. רשמו מה למדתם מהפעילות של קירוב מגנטים זה לזה.
4. רשמו מה אפשר להסיק על המרחק שממנו מגנטים פועלים.
דיון בכיתה
אילו תכונות של מגנטים הכרתם בפעילויות השונות?
|
חלק 2: חוקרים תכונות של מגנטים – הסקת מסקנות וסיכום
שאלה 2: שלוש מתכות בלבד נמשכות למגנט: ברזל, ניקל וקובלט. גם מסגים שמכינים ממתכות אלה, ובעיקר פלדה שמכינים מברזל, הם בעלי תכונות דומות.
שאלה 3: שני קטבים שווים דוחים זה את זה, שני קטבים שונים מושכים זה את זה.
שאלה 4: מידת המשיכה בין מגנטים תלויה במרחק ביניהם. ככל שהמגנטים קרובים זה לזה הם נמשכים זה לזה או נדחים זה מזה בעוצמה גדולה יותר. ככל שהמגנטים רחוקים זה מזה המשיכה או הדחייה חלשות יותר. מעבר למרחק מסוים הם אינם נמשכים זה לזה או נדחים זה מזה.
|
| |
|
חלק 3: מה בין מגנטים לחשמל? פתיחה
שקופית 8
צפו בסרטון "פעמון חשמלי" (יוטיוב)
דיון בכיתה
דונו בשאלות הבאות:
1. תארו את התופעה המוצגת בסרטון.
2. מה הקשר בין הזרם החשמלי ובין צליל הפעמון?
|
חלק 3: מה בין מגנטים לחשמל? פתיחה
לאחר הצפייה מומלץ לדון בכיתה בתופעה המוצגת בסרטון.
דיון בכיתה
יש להתייחס לתיאור התופעה, לרכיבים המשתתפים בה, ולכוון לקשר שבין הסליל המחובר לסוללה ובין המגנט.
שאלה 2 ממקדת את התיאור בעניין העיקרי: הקשר בין הזרם החשמלי ובין צליל הפעמון.
|
| |
|
חלק 3: מה בין מגנטים לחשמל – בונים אלקטרומגנט
שקופית 9
עבודה קבוצתית
1. היעזרו בדף העבודה ובנו אלקטרומגנט על פי ההנחיות.
2. בדקו את תכונות המגנט והשלימו את הטבלה המוצגת בקובץ.
3. הציגו את ממצאיכם בטבלה בגוגלדוקס.
|
חלק 3: מה בין מגנטים לחשמל – בונים אלקטרומגנט
עבודה קבוצתית
הנחיות לבניית אלקטרומגנט:
1. מתח הסוללות משפיע על עוצמת הזרם העובר במעגל ועל עוצמת המגנוט של מוט הברזל. רצוי להשתמש בסוללות של 9 וולט.
2. האלקטרומגנט הנוצר על ידי ליפוף תיל נחושת על מסמר ברזל אינו חזק, לכן עדיף להשתמש באבקת ברזל או בפירורי ברזל, שהם קלים ונמשכים אליו בקלות רבה יותר.
3. יש להשתמש בבורג מברזל מגולוון: אפשר להשתמש גם במסמר פלדה, אך נוח יותר ללפף את תיל הנחושת בצורה מסודרת על בורג.
4. להכנת הסליל נחוץ תיל נחושת המצופה בפלסטיק דק, שאפשר להשיג בכל חנות לצורכי חשמל.
5. יש לקחת חוט באורך של שניים-שלושה מטרים לכל בורג, כדי להכין מספר ליפופים גדול ככל האפשר, ולהשאיר בשוליים עוד חוט חופשי המאפשר להזיז את מוט הברזל כשהוא מחובר למעגל החשמלי.
6. הליפוף דורש מעט מאמץ ולכן כדאי להדגים את הכנת התיל בפני הכיתה.
דיון בכיתה
מטרת הפעילות – להוביל את התלמידים להבנת העקרונות המדעיים שעליהם מבוסס האלקטרומגנט.
רקע למורה:
אלקטרומגנט הוא מגנט שנוצר בהשפעת זרם חשמלי העובר דרכו ומכאן שמו – אלקטרו – מגנט.
לאלקטרומגנט שימושים רבים בטכנולוגיה, במנועים חשמליים, בגנרטורים, בשנאים (ויקיפדיה) ועוד.
באמצעות אלקטרומגנט אפשר להרים משאות כבדים מאוד.
|
| |
|
חלק 3: מה בין מגנטים לחשמל – הסקת מסקנות וסיכום
שקופית 10
דיון בכיתה
1. עיינו בממצאי קבוצות שונות של תלמידים בכיתה, המוצגים בטבלאות שהעליתם לגוגלדוקס:
2. מה קורה כשמקרבים מסמרי פלדה קטנים או אבקת ברזל לסליל כאשר המעגל החשמלי פתוח?
3. מה קורה למסמר שמלופף סביבו סליל נחושת כשזרם חשמלי עובר דרך הסליל?
4. הסיקו מהממצאים: כיצד הפך המסמר שנמצא בליבת הסליל לאלקטרומגנט?
5. הסבירו על פי ממצאיכם: מהו אלקטרומגנט?
|
חלק 3: מה בין מגנטים לחשמל – הסקת מסקנות וסיכום
דיון בכיתה
בפעילות זו התלמידים מעיינים בממצאים של קבוצות אחרות. אפשר להתייחס למיומנות חקר, לחשיבות החזרה. כל הקבוצות קיבלו ממצאים דומים, לכן אפשר להסיק שהממצאים נכונים.
שאלה 2: כאשר מנתקים את הסליל מהמעגל החשמלי, מאבדים מסמרי הפלדה או אבקת הברזל את תכונת המגנטיות.
שאלה 3: הברזל מתמגנט ומושך אליו חפצים העשויים מברזל או מפלדה.
שאלה 4: מעבר זרם חשמלי סביב המסמר (הגוף מברזל) משרה מגנטיות במסמר, כלומר, הופך את המסמר למגנט.
שאלה 5: אלקטרומגנט הוא מגנט שנוצר בהשפעת זרם חשמלי העובר דרכו ומכאן שמו – אלקטרו-מגנט. באמצעות אלקטרומגנט אפשר להרים משאות כבדים מאוד.
אפשר ליצור אלקטרומגנט בעל עוצמות שונות, גם חזקות מאוד, בעוד שאי אפשר לשנות עוצמה של מגנט טבעי. החיסרון הוא שנדרש זרם חשמלי כדי להפעיל אותו. חיסרון נוסף הוא בזמניות של פעולת האלקטרומגנט. כאשר עובר זרם נוצר מגנוט (אלקטרומגנט), לעומת המגנט הטבעי שהוא קבוע.
|
 |
יישום |
חלק 4: משתמשים באלקטרומגנט – יישום
שקופית 11
אלקטרומגנטים חזקים משמשים כיום להרמת משאות כבדים העשויים מתכות שנמשכות למגנט (בעיקר פלדה).
חפשו מידע על שימוש חדשני נוסף של אלקטרומגנט – רכבת מרחפת, וענו על השאלות הבאות:
1. מהי רכבת מרחפת?
2. כיצד היא מרחפת?
3. מהם יתרונות הרכבת המרחפת?
4. מהם חסרונות הרכבת המרחפת?
|
חלק 4: משתמשים באלקטרומגנט – יישום
מטרת הפעילות ליישם את עקרון הפעולה של אלקטרומגנט. הפעילות יוצרת קשר בין ידע מדעי ובין יישום טכנולוגי.
רכבת מרחפת היא רכבת המרחפת מעל המסילה ללא שימוש בגלגלים ומונעת באמצעות כוח אלקטרומגנטי.
רכבות הריחוף המגנטי נעות באמצעות מגנטים ואלקטרומגנטים (ויקיפדיה), הנמצאים על המסילה ועל המרכב עצמו (הרכבת). האלקטרומגנטים משנים את מצבם בהתאם להוראות הנהג ויוצרים כוחות הדוחפים או מושכים את הרכבת.
עקרון הרחיפה המגנטית
שני סוגים של מערכות רחיפה מגנטיות מקובלים היום.
האחת פועלת בעזרת כוח הדחייה המגנטית, המתפתח בין מגנטים הבנויים בתוך הרכבת ובין הזרם החשמלי במוליכים הבנויים בתוך המסילה, והיא קרויה מתלה אלקטרודינמי
(EDS ElectroDynamic Suspension). המערכת השנייה פועלת בעזרת כוח המשיכה בין אלקטרומגנטים בעלי ליבת ברזל, המותקנים בתוך הרכבת, בינה ובין המסילה הפרומגנטית שמעליהם. מערכת זו מכונה מתלה אלקטרומגנטי
(EMS ElectroMagnetic Suspension).
במערכת EDS נושאת הרכבת את מערכת המגנטים המשמשים אותה לרחיפה, להכוונת מיקומה מעל המסילה ולהנעתה. גובה הרכבת מעל הפסים תלוי בשיטה זו במהירות הרכבת ונע בין 100 ל-150 מ"מ.
במערכת EMS נושא הקרון אלקטרומגנטים מתחת לגופו, סמוך למסילה, ובעזרתם נשמרת הגבהתו בשיעור של 10 עד 15 מ"מ.
יתרונות הטכנולוגיה
• רכבת ריחוף מגנטי יכולה לנוע במהירות גבוהה יותר מן הרכבות הנפוצות, הנוסעות על גלגלים (ויקיפדיה). היא מגיעה למהירויות גבוהות ביותר (בניסוי עד 580 קמ"ש ויקיפדיה).
• כיוון שאין מגע פיזי בין הרכבת למסילה, אין חיכוך (ויקיפדיה) ביניהן, ההתנגדות היחידה הפועלת על הרכבת בזמן נסיעה היא התנגדות האוויר. הנסיעה ברכבת זו חלקה מאוד וללא רעידות.
חסרונות הטכנולוגיה
• עקב הצורה והמהירות הגבוהה של רכבות הריחוף המגנטי, הרעש שיוצרת הרכבת דומה לרעש של מטוסי סילון (ויקיפדיה). רעש זה מפריע ומטריד יותר מהרעש של רכבת רגילה. מחקר מצא שההבדל בין הרעש שיוצרת רכבת הריחוף המגנטי ובין הרעש שיוצרות רכבות גלגלים רגילות הוא dB5 (הרעש חזק בכ-78%)[1].
• בניית המסילה יקרה יחסית לרכבות רגילות, והדיוק חייב להיות גבוה מאוד.
|
 |
רפלקציה |
שקופית 12
1. מה למדתם על תופעת המגנטיות, על תכונות המגנט, על הקשר שבין חשמל למגנט?
2. באילו קשיים נתקלתם במשימות ומה המסקנות שהסקתם מהן?
3. איך התגברתם על הקשיים?
4. כיצד אתם מעדיפים לעבוד – לבד? בקבוצה?
|
עקרון הרחיפה המגנטית
שתי מערכות רחיפה מגנטיות מקובלות היום.
האחת פועלת בעזרת כוח הדחייה המגנטית המתפתח בין מגנטים הבנויים בתוך הרכבת ובין הזרם החשמלי במוליכים הבנויים בתוך המסילה, והיא קרויה
מתלה אלקטרודינמי (EDS). המערכת השנייה פועלת בעזרת כוח המשיכה בין אלקטרומגנטים בעלי ליבת ברזל, המותקנים בתוך הרכבת, ובין המסילה הפרומגנטית שמעליהם. מערכת זו מכונה
מתלה אלקטרומגנטי (EMS).
|
|
