آهنربای الکتریکی

یک آهنربای الکتریکی ساده را می توان با پیچاندن سیم پیچی به دور یک هسته نرم آهنی، مانند یک میخ بزرگ، ایجاد کرد.

اکنون از آموزش های قبلی می دانیم که یک هادی حامل جریان مستقیم در تمام نقاط طول خود میدان مغناطیسی دایره ای در اطراف خود ایجاد می کند و جهت چرخش این میدان مغناطیسی به جهت جریان از طریق هادی، به قانون دست چپ بستگی دارد.

در آخرین آموزش در مورد الکترومغناطیس دیدیم که اگر رسانا را به یک حلقه خم کنیم، جریان در جهت مخالف از حلقه عبور می کند و یک میدان در جهت عقربه های ساعت و یک میدان خلاف جهت عقربه های ساعت در کنار یکدیگر ایجاد می کند.

الکترومغناطیس از این اصل با داشتن چندین حلقه مجزا که بطور مغناطیسی به یکدیگر متصل شده اند برای تولید یک سیم پیچ استفاده می کند.

الکترومغناطیس ها اساساً سیم پیچ هایی از سیم هستند که وقتی جریان الکتریکی از سیم پیچ عبور می کند مانند آهنرباهای میله ای با قطب شمال و جنوب مشخص رفتار می کنند.

میدان مغناطیسی ساکن تولید شده توسط هر حلقه سیم پیچ مجزا با همسایه خود با میدان مغناطیسی ترکیبی متمرکز

شده مانند حلقه سیم تکی که در آخرین آموزش در مرکز سیم پیچ به آن نگاه کردیم، جمع می شود.

میدان مغناطیسی استاتیک حاصل با یک قطب شمال در یک انتها و یک قطب جنوب در سمت دیگر یکنواخت است و در مرکز سیم پیچ بسیار قوی تر از اطراف بیرونی است.

خطوط نیرو در اطراف یک آهنربای الکتریکی

میدان مغناطیسی که این تولید می کند به شکل یک آهنربای میله ای کشیده می شود که قطب شمال و جنوب متمایز را ایجاد می کند و شار متناسب با مقدار جریان جاری در سیم پیچ است.

اگر لایه‌های اضافی سیم بر‌روی سیم‌پیچ یکسان با جریان یکسان پیچیده‌ بشه، قدرت میدان مغناطیسی افزایش می‌یابد.

از این رو می توان دریافت که مقدار شار موجود در هر مدار مغناطیسی معین به طور مستقیم با جریان عبوری از آن و تعداد چرخش سیم در داخل سیم پیچ متناسب است.

این رابطه نیروی محرکه مغناطیسی یا m.m.f لقب میگیرد.

و به این صورت تعریف می شود:

نیروی محرکه مغناطیسی به صورت جریانی بیان می‌شود که از طریق سیم پیچی از N دور می‌گذرد.

بنابراین، شدت میدان مغناطیسی یک آهنربای الکتریکی با تعداد دور سیم‌پیچ تعیین می‌شود که هر چه تعداد دور سیم در سیم پیچ بیشتر باشد، قدرت میدان مغناطیسی بیشتر خواهد بود.

قدرت مغناطیسی آهنربای الکتریکی

اکنون می دانیم که اگر دو هادی مجاور، حامل جریان هستند، میدان های مغناطیسی با توجه به جهت جریان جاری تنظیم می شوند.

تاثیر حاصل از دو میدان به گونه ای است که یک نیروی مکانیکی توسط دو هادی تجربه می شود.

هنگامی که جریان در یک جهت (همان سمت سیم پیچ) جریان دارد، میدان بین دو رسانا ضعیف است و باعث ایجاد نیروی جاذبه همانطور که در بالا نشان داده شده است میباشد.

به همین ترتیب، هنگامی که جریان در جهت مخالف جریان دارد، میدان بین آنها تشدید می شود و هادی ها دفع می شوند.

شدت این میدان در اطراف هادی متناسب با فاصله از آن است که قوی ترین نقطه در کنار هادی قرار دارد و به تدریج از هادی دورتر و ضعیف تر می شود.

در مورد یک هادی مستقیم، جریان جاری و فاصله از آن عواملی هستند که بر شدت میدان حاکم هستند.

بنابراین فرمول محاسبه “قدرت میدان مغناطیسی”، H که گاهی اوقات “نیروی مغناطیسی” یک هادی حامل جریان مستقیم طولانی نامیده می شود، از جریان عبوری از آن و فاصله از آن به دست می آید.

نیروی میدان مغناطیسی برای آهنربای الکتریکی

جایی که:

H – قدرت میدان مغناطیسی بر حسب تعد دور در متر، At/m  است

N – تعداد دورهای سیم پیچ است

I – جریانی است که از سیم پیچ بر حسب آمپر (A) می گذرد

L – طول سیم پیچ بر حسب متر، m است

سپس به طور خلاصه:

قدرت یا شدت میدان مغناطیسی سیم پیچ به عوامل زیر بستگی دارد.

• تعداد دور سیم در داخل سیم پیچ.
• مقدار جریانی که در سیم پیچ می گذرد.
• نوع مواد هسته.

قدرت میدان مغناطیسی آهنربای الکتریکی به نوع ماده هسته ای که مورد استفاده قرار می گیرد نیز بستگی دارد زیرا هدف اصلی هسته متمرکز کردن شار مغناطیسی در یک مسیر کاملاً مشخص و قابل پیش بینی است.

تاکنون فقط سیم‌پیچ‌های هسته‌دار هوا (توخالی) در نظر گرفته شده‌اند، اما ورود مواد دیگر به هسته (مرکز سیم‌پیچ) تأثیر کنترلی بسیار زیادی بر قدرت میدان مغناطیسی دارد.

اگر ماده غیر مغناطیسی باشد، به عنوان مثال چوب، برای اهداف محاسباتی می توان آن را به عنوان فضای آزاد در

نظر گرفت زیرا دارای مقادیر بسیار کم نفوذپذیری هستند.

اگر ماده هسته از مواد فرومغناطیسی مانند آهن، نیکل، کبالت یا هر مخلوطی از آلیاژهای آنها ساخته باشه،

تفاوت قابل توجهی در چگالی شار در اطراف سیم پیچ مشاهده می شود.

مواد فرومغناطیسی می‌توانند مغناطیسی شوند و معمولاً از آهن نرم، فولاد یا آلیاژهای مختلف نیکل ساخته می‌شوند.

ورود این نوع مواد به مدار مغناطیسی باعث می شود که شار مغناطیسی متمرکزتر و متراکم تر شود و میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط جریان در سیم پیچ تقویت شود.

ما می توانیم این را با پیچاندن سیم پیچی دور یک میخ بزرگ آهنی و اتصال آن به باتری مانند شکل ثابت کنیم.

 این آزمایش ساده کلاسی به ما امکان می‌دهد که تعداد زیادی گیره یا پین را برداریم و می‌توانیم با اضافه کردن چرخش‌های بیشتر به سیم‌پیچ، آهنربای الکتریکی را قوی‌تر کنیم.

این درجه از شدت میدان مغناطیسی یا توسط یک هسته هوای توخالی یا با وارد کردن مواد فرومغناطیسی به هسته، نفوذپذیری مغناطیسی نامیده می شود.

نفوذپذیری آهنربا های الکتریکی

اگر از هسته های مواد مختلف با ابعاد فیزیکی یکسان در آهنربای الکتریکی استفاده شود، قدرت آهنربا در رابطه با مواد هسته مورد استفاده متفاوت خواهد بود.

این تغییر در قدرت مغناطیسی به دلیل تعداد خطوط شار عبوری از هسته مرکزی است.

اگر ماده مغناطیسی نفوذپذیری بالایی داشته باشد، خطوط شار به راحتی می توانند ایجاد شوند و از هسته مرکزی و نفوذپذیری (μ) عبور کنند و این معیاری است برای سهولت مغناطیسی شدن هسته.

ثابت عددی برای نفوذپذیری خلاء به صورت:

μo = 4.π.10-7 H/m

با نفوذپذیری نسبی فضای آزاد (خلاء) به طور کلی مقدار یک تعلق میگیرد.

این مقدار است که به عنوان مرجع در تمام محاسبات مربوط به نفوذپذیری استفاده می شود و همه مواد دارای مقادیر خاص نفوذپذیری خود هستند.

مشکل استفاده از تنها نفوذپذیری هسته‌های مختلف آهن، فولاد یا آلیاژ این است که محاسبات مربوطه می‌تواند بسیار بزرگ شود، بنابراین تعریف مواد با نفوذپذیری نسبی آنها راحت‌تر است.

نفوذپذیری نسبی، نماد μr حاصلضرب μ (نفوذپذیری مطلق) و μo نفوذپذیری فضای آزاد است.

نفوذپذیری نسبی

موادی که نفوذپذیری کمی کمتر از فضای آزاد (خلاء) دارند و حساسیت ضعیف و منفی به میدان های مغناطیسی دارند،

طبیعتاً دیامغناطیس هستند مانند:

• آب
• مس
• نقره و طلا.

موادی که نفوذپذیری کمی بیشتر از فضای آزاد دارند و خودشان فقط اندکی توسط یک میدان مغناطیسی جذب می شوند،

طبیعتاً پارامغناطیس هستند مانند: گازها، منیزیم و تانتالیوم.

مثال شماره 1 آهنربای الکتریکی

نفوذپذیری مطلق یک هسته آهنی نرم 80 میلی‌هنری در متر (3-80.10) است. مقدار نفوذپذیری نسبی معادل را محاسبه کنید.

هنگامی که از مواد فرومغناطیسی در هسته استفاده می شود، استفاده از نفوذپذیری نسبی برای تعریف قدرت میدان،

ایده بهتری از قدرت میدان مغناطیسی برای انواع مختلف مواد مورد استفاده می دهد.

به عنوان مثال، نفوذپذیری نسبی خلاء و هوا یک و برای یک هسته آهنی حدود 500 است، بنابراین می توان گفت که

قدرت میدان یک هسته آهنی 500 برابر قوی تر از یک سیم پیچ هوای توخالی معادل است و این رابطه بسیار است.

درک آسانتر از 0.628×10-3 H/M، (500.4.π.10-7).

در حالی که هوا ممکن است تنها یک نفوذپذیری داشته باشد، برخی از مواد فریت و پرمالیاژ می توانند نفوذپذیری 10000 یا بیشتر داشته باشند.

با این حال، محدودیت‌هایی برای مقدار قدرت میدان مغناطیسی وجود دارد که می‌توان از یک سیم‌پیچ به دست آورد، زیرا با افزایش شار مغناطیسی هسته به شدت اشباع می‌شود و این در آموزش بعدی در مورد منحنی‌های B-H و Hysteresis بررسی می‌شود.

 

منبع : لینک