مغناطیس
مغناطیس یا magnetism نیرویی است که هنگام عبور جریان الکتریکی از یک هادی ساده مانند یک قطعه سیم یا کابل ایجاد می شود.
یک میدان مغناطیسی کوچک در اطراف هادی ایجاد می شود که جهت این میدان مغناطیسی با توجه به قطب های “شمال” و “جنوب” آن توسط جهت جریان عبوری از هادی تعیین می شود.
مغناطیس نقش مهمی در مهندسی برق و الکترونیک دارد زیرا بدون آن اجزایی مانند رله ها، سلونوئیدها، سلف ها، چوک ها، سیم پیچ ها، بلندگوها، موتورها، ژنراتورها، ترانسفورماتورها و کنتورهای برق و غیره اگر مغناطیس وجود نداشت، کار نمی کرد.
سپس هر سیم پیچی از الکترومغناطیس در زمانی که جریان الکتریکی از آن عبور می کند استفاده می کند.
اما قبل از اینکه بتوانیم با جزئیات بیشتری به مغناطیس و به ویژه الکترومغناطیس نگاه کنیم، باید کلاس های فیزیک خود در مورد نحوه عملکرد آهنربا و مغناطیس را به یاد بیاوریم.
ماهیت مغناطیس یا magnetism
آهن رباها را می توان در حالت طبیعی به شکل سنگ معدنی مغناطیسی یافت که دو نوع اصلی آن عبارتند از مگنتیت که به آن اکسید آهن نیز می گویند (FE3O4) و لودستون که به آن سنگ سرب نیز می گویند.
اگر این دو آهنربای طبیعی از یک تکه ریسمان معلق باشند، موقعیتی را در راستای میدان مغناطیسی زمین خواهند گرفت که همیشه به سمت شمال است.
یک مثال خوب از این اثر، سوزن قطب نما است.
برای بیشتر کاربردهای عملی، این آهنرباهای طبیعی را می توان نادیده گرفت زیرا خاصیت مغناطیسی آنها بسیار کم است.
امروزه آهنرباهای مصنوعی را می توان در اشکال، اندازه ها و قدرت های مغناطیسی مختلف تولید کرد.
اساساً دو شکل مغناطیس وجود دارد، “مغناطیس دائمی” و “مغناطیس موقت” که نوع مورد استفاده بستگی به کاربرد آن دارد.
انواع مختلفی از مواد برای ساخت آهنرباها مانند آهن، نیکل، آلیاژهای نیکل، کروم و کبالت وجود دارد و در حالت طبیعی برخی از این عناصر مانند نیکل و کبالت به تنهایی مقادیر مغناطیسی بسیار ضعیفی از خود نشان می دهند.
با این حال، هنگامی که با مواد دیگری مانند آهن یا پراکسید آلومینیوم مخلوط یا اصطلاحا ” آلیاژ ” می شوند به آهنرباهای بسیار قوی تبدیل می شوند که نام های غیر معمولی مانند “alcomax”، “hycomax”، “alni” و “alnico” را تولید می کنند.
مواد مغناطیسی در حالت غیر مغناطیسی ساختار مولکولی خود را به شکل زنجیره های مغناطیسی شل یا آهنرباهای ریز جداگانه دارند که به شکل آزاد در یک الگوی تصادفی مرتب گردیده اند.
اثر کلی این نوع آرایش منجر به مغناطیس صفر یا بسیار ضعیف می شود زیرا در این آرایش تصادفی هر آهنربای مولکولی تمایل دارد همسایه خود را خنثی کند.
هنگامی که ماده مغناطیسی می شود، این آرایش تصادفی مولکول ها تغییر می کند و آهنرباهای مولکولی تصادفی و نامرتب کوچک به گونه ای “مرتب” می شوند که آرایش مغناطیسی سری ایجاد می کنند.
ایده (تراز مولکولی) مواد فرومغناطیسی بعنوان نظریه وبر شناخته شده و در زیر به نمایش در آمده است.
تراز مولکولی مغناطیسی یک قطعه آهن و یک آهنربا
نظریه وبر بر این واقعیت استوار است که به دلیل عملکرد چرخشی الکترون های اتم، همه اتم ها دارای خواص مغناطیسی هستند.
گروههایی از اتمها به هم میپیوندند و میدانهای مغناطیسی آنها همه در یک جهت میچرخند.
مواد مغناطیسی از گروههایی از آهنرباهای ریز در سطح مولکولی در اطراف اتمها تشکیل گردیده اند،
و یک ماده مغناطیسی شده بیشتر آهنرباهای ریز خود را صرفا در یک راستا قرار میده تا یک قطب شمال در یک سمت و یک قطب جنوب در سمت دیگر ایجاد کند. .
به همین ترتیب، ماده ای که دارای آهنرباهای مولکولی ریز خود در همه جهات باشد، آهنرباهای مولکولی آن توسط آهنربای همسایه خنثی می شود و در نتیجه هرگونه اثر مغناطیسی خنثی می شود.
این مناطق از آهنرباهای مولکولی “دامنه” نامیده می شوند.
هر ماده مغناطیسی خودش میدان مغناطیسی تولید می کند که بستگی به درجه همسویی حوزه های مغناطیسی در ماده ایجاد شده توسط الکترون های مداری و چرخان دارد. این درجه از هم ترازی را می توان با کمیتی به نام مغناطیسی، M مشخص کرد.
در یک ماده مغناطیسی نشده، M = 0، اما برخی از حوزهها پس از حذف میدان مغناطیسی، روی نواحی کوچکی از ماده در یک راستا باقی میمانند.
اثر اعمال نیروی مغناطیسی به ماده، تراز کردن برخی از حوزه ها برای تولید یک مقدار مغناطیسی غیر صفر است.
هنگامی که نیرویمغناطیسی حذف گردید، مغناطیس درون ماده بسته به ماده مغناطیسی مورداستفاده، یا باقی میماند یا به سرعت خاموش میشود.
این توانایی یک ماده برای حفظ خاصیت مغناطیسی خود را Retentivity می نامند.
موادی که برای حفظ خاصیت مغناطیسی لازم هستند، قابلیت نگهداری نسبتاً بالایی دارند و به همین دلیل برای ساخت آهنرباهای دائمی استفاده می شوند، در حالی که آن دسته از موادی که برای از دست دادن سریع مغناطیس لازم هستند، مانند هسته های آهنی نرم برای رله ها و شیر برقی، قابلیت نگهداری بسیار پایینی دارند.
شار مغناطیسی
همه آهنرباها، صرف نظر از شکلشان، دارای دو ناحیه به نام قطب مغناطیسی هستند که مغناطیس هم در داخل
و هم در اطراف یک مدار مغناطیسی ایجاد می کند که زنجیره مشخصی از الگوی منظم و متعادل از خطوط نامرئی
شار در اطراف آن ایجاد می کند.
این خطوط شار در مجموع به عنوان “میدان مغناطیسی” آهنربا نامیده می شوند.
شکل این میدان مغناطیسی در برخی قسمتها شدیدتر از قسمتهای دیگر است و ناحیه آهنربایی که بیشترین مغناطیس یا magnetism را دارد «قطب» نامیده میشود.
در هر انتهای یک آهنربا یک قطب وجود دارد.
این خطوط شار (که میدان برداری نامیده میشود) با چشم غیرمسلح قابل مشاهده نیستند،
اما با استفاده از پرکنندههای آهنی که روی یک صفحه کاغذ پاشیده شدهاند یا با استفاده از قطبنمای کوچک برای ردیابی آنها میتوان آنها را به صورت بصری دید.
قطب های مغناطیسی همیشه به صورت جفت وجود دارند، همیشه ناحیه ای از آهنربا به نام قطب شمال و همیشه یک ناحیه مخالف به نام قطب جنوب وجود دارد.
میدانهای مغناطیسی همیشه به صورت بصری بهعنوان خطوط نیرو به نمایش در میاد که قطب مشخصی را در هر انتهای ماده ایجاد میکنند، جایی که خطوط شار متراکمتر و متمرکزتر هستند.
خطوطی که میدان مغناطیسی را تشکیل میدهند و جهت و شدت آن را نشان میدهند، خطوط نیرو یا معمولاً «شار مغناطیسی» نامیده میشوند و مانند شکل زیر نماد یونانی Phi (Φ) به آنها اطلاق میشود.
خطوط نیرو از میدان مغناطیسی میله آهنربا
همانطور که در بالا دیدید، میدان مغناطیسی در نزدیکی قطب های آهنربا قوی تر است، در صورتی که خطوط شار از یکدیگر فاصله بیشتری داشته باشند.
جهت کلی برای جریان شار مغناطیسی از شمال (N) به قطب جنوب (S) است.
علاوه بر این، این خطوط مغناطیسی حلقههای محصور را تشکیل میدن که از قطبشمال آهنربا خارج میشه و در قطب جنوب وارد می شوند.
قطب های مغناطیسی همیشه جفت هستند.
با این حال، شار مغناطیسی در واقع از شمال به قطب جنوب جریان نمییابد، زیرا شار مغناطیسی یک ناحیه ساکن در اطراف آهنربا است که در آن نیروی مغناطیسی وجود دارد.
به عبارت دیگر شار مغناطیسی جریان ندارد یا حرکت نمی کند، فقط در آنجاست و تحت تأثیر گرانش نیست.
برخی از حقایق مهم هنگام ترسیم خطوط نیرو ظاهر می شوند:
- هرگز عبور نمی کنند.
- (متصل) میباشند.
- در همه حال حلقه های محصور منفرد را در اطراف آهنربا تشکیل میدهند.
- دارای جهت مشخصی از شمال به جنوب هستند.
- که نزدیک به هم هستند نشان دهنده یک میدان مغناطیسی قوی است.
- خطوط نیرویی که از هم دورتر هستند نشان دهنده میدان مغناطیسی ضعیف است.
نیروهای مغناطیسی مانند نیروهای الکتریکی جذب و دفع می شوند و هنگامی که دو خط نیرو به هم نزدیک می شوند،
برهمکنش بین دو میدان مغناطیسی باعث می شود یکی از این دو اتفاق بیفتد:
- وقتی قطب های مجاور یکسان هستند (شمال-شمال یا جنوب-جنوب) یکدیگر را دفع می کنند.
- وقتی قطب های مجاور یکسان نیستند (شمال-جنوب یا جنوب-شمال) یکدیگر را جذب می کنند.
این اثر را به راحتی با عبارت معروف که “اضافه جذب می کنند” به یاد می آورد و این برهمکنش میدان های مغناطیسی را می توان به راحتی با استفاده از پر کردن آهن برای نشان دادن خطوط نیرو در اطراف آهنربا نشان داد.
اثر میدان های مغناطیسی ترکیب های مختلف قطب ها مانند دفع و بر خلاف قطب های جذب را می توان در زیر مشاهده کرد.
میدان مغناطیسی قطب های مشابه و غیر مشابه
هنگام ترسیم خطوط میدان مغناطیسی با قطب نما، مشاهده می شود که خطوط نیرو به گونه ای تولید می شوند
که در انتهای آهنربا یکقطب مشخص ایجادمیکنن که در آن خطوط نیرو از قطبشمال خارج و دوباره وارد قطبجنوب میشه.
مغناطیس رو میشه با حرارت دادن یا چکش زدن مواد مغناطیسی از بین برد، اما نمیشه آن را به سادگی جدا کرد.
بنابراین اگر یک آهنربای میله ای معمولی را بردارید و آن را به دو قسمت تقسیم کنید، دو نیمه آهنربا ندارید،
اما در عوض هر قطعه جدا شده به شکلی دیگر قطب شمال و یک قطب جنوب خود را خواهد داشت.
اگر یکی از آن قطعات را بردارید و دوباره آن را به دو قسمت تقسیم کنید، هر کدام از قطعات کوچکتر دارای
یک قطب شمال و یک قطب جنوب و غیره خواهند بود.
مهم نیست که قطعات آهنربا چقدر کوچک شوند، هر قطعه همچنان یک قطب شمال و یک قطب جنوب خواهد داشت.
سپس برای اینکه بتوانیم از مغناطیس در محاسبات الکتریکی یا الکترونیکی استفاده کنیم، لازم است که جنبه های مختلف مغناطیس یا magnetism را تعریف کنیم.
مقدار و بزرگی مغناطیس یا magnetism
اکنون می دانیم که به خطوط نیرو یا به طور معمول شار مغناطیسی اطراف یک ماده مغناطیسی، نماد یونانی Phi (Φ) با واحد شار بر حسب وبر (Wb) بعد از ویلهلم ادوارد وبر اطلاق میگردد.
اما تعداد خطوط نیرو در یک واحد مساحت معین را «چگالی شار» میگویند.
از آنجایی که شار (Φ) بر حسب (Wb) و مساحت (A) بر حسب متر مربع (m2) اندازهگیری میشود، بنابراین چگالی شار در اندازهگیری میشود.
Webers/Metre2 یا (Wb/m2) و علامت B
با این حال، هنگامی که به چگالی شار در مغناطیس یا magnetism اشاره می کنیم، چگالی شار واحد تسلا پس از نیکولا تسلا بیان می شود، بنابراین یک وات بر متر مربع برابر با یک تسلا، 1Wb/m2 = 1T است.
چگالی شار متناسب با خطوط نیرو و دارای نسبت معکوس با مساحت است، بنابراین می توانیم چگالی شار را به صورت زیر تعریف کنیم:
چگالی شار مغناطیسی
نماد چگالی شار مغناطیسی B و واحد چگالی شار مغناطیسی تسلا، T است.
مهم است که به یاد داشته باشید که تمام محاسبات برای چگالی شار در واحدهای یکسانی انجام می شود.
به عنوان مثال، شار در وبر، مساحت در متر مربع و چگالی شار در تسلا.
مثال شماره 1 مغناطیس
مقدار شار موجود در یک نوار مغناطیسی گرد 0.013 وبر اندازه گیری شد.
اگر قطر ماده 12 سانتی متر است، چگالی شار را محاسبه کنید.
سطح مقطع ماده مغناطیسی در متر مربع به صورت زیر است:
شار مغناطیسی 0.013 وبر میباشد، بنابراین چگالی شار را می توان به صورت زیر محاسبه کرد:
بنابراین چگالی شار 1.15 تسلا محاسبه می شود.
هنگام برخورد با مغناطیس یا magnetism در مدارهای الکتریکی، باید به خاطر داشت که یک تسلا چگالی یک میدان مغناطیسی است
به طوری که رسانایی که 1 آمپر را در زوایای قائم به میدان مغناطیسی حمل می کند،
نیرویی به طول یک نیوتن متر را روی آن تجربه می کند.
در آموزش بعدی در مورد الکترومغناطیس توضیح خواهیم داد.
منبع : کلیک