مغناطیس و الکترومغناطیس
سنگ آهن مغناطیس
در حدود 2000 سال پیش یونانیا ن سنگ آهن مغناطیس را کشف کردند. چون این سنگ ها آهن را جذب می کردن و در منطقه ای به نام مگنزیا پیدا شده بودن آنها را مغنایس نامیدند. اگر این سنگ را بوسیله نخ آویزان کنند به خودی خود قطب شمال و جنوب را مشخص می کنند لذا آن را سنگ راهنما نام گذاری کردند.
میدان الکترومغناطیس
نیروی الکتریکی و مغناطیسی به یکدیگر مربوط می باشند. تا زمانی که یکی از آنها حرکت نداشته باشد روی هم بی اثر می باشد ولی وقتی یکی از آنها حرکت کند بروی یکدیگر اثر دارند.
برای تشریح رابطه بین الکتریسته و مغناطیس نظریه ای به نام مغناطیس بوجود آمد.
الکترون دارای بار منفی است لذا دارای میدان الکتریکی در اطراف خود می باشد، الکترون به دلیل حرکت وضعی خود دارای میدان مغناطیسی می باشد. این دو میدان برهم عمود می باشند.
ترکیب میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی را میدان الکترومغناطیس گویند.
مولکول مغناطیسی
آهن – نیکل – کبالت و کادیم عناصری هستند که خاصیت مغناطیسی دارند. سوالی که مطرح می شود این است که چرا دیگر عناصر خاصیت مغناطیسی ندارند. علت این است که هر جفت الکترون دارای حرکت وضعی مخالف هم دارند.لذا میدان مغناطیسی یکدیگر را خنثی می کنند.
اگر حرکت وضعی الکترون ها طوری باشد که میدان مغناطیسی آنها یکدیگر را تقویت کنند مولکول را مولکول مغناطیسی گویند.
خواص مغناطیسی مواد
در طبیعت مواد به از لحاظ مغناطیسی به دو دسته تقسیم می شوند که عبارتند از
1- مواد مغناطیسی
2- مواد غیر مغناطیسی
مواد مغناطیسی
اجسامی هستند که خاصیت مغناطیسی از خود نشان می دهند مانند آهن و ترکیبات آهنی به این اجسام فرو مغناطیس گویند. فرو به معنای آهن می باشد.
اجسام مغناطیسی دارای مولکول مغناطیسی می باشند اما همیشه خاصیت مغنایسی ندارند زیرا میدان های یکدیگر را خنثی می کنند.
مواد غیر مغناطیسی
برخی از اجسام دارای خاصیت مغناطیسی نیستند به این اجسام ، اجسام غیر مغناطیسی گویند. مانند چوب –روی اجسام غیر مغناطیسی خود به دو گروه تقسیم می شوند که عبارتند از
1- پارامغناطیس
2- دیامغناطیس
موادی که خیلی جزئی جذب آهن ربا می شوند را پارامغناطیس گویند. چوب- اکسیژن- آلومینیم-پلاتین
موادی که جذب آهن ربا نمی شود را دیامغناطیس گویند. روی- نمک-طلا- جیوه
میدان مغناطیسی
در اطراف آهن ربا اگر یک قطب نما قرار دهیم قطب نما منحرف می شود این به این علت می باشد که در اطراف آهن ربا میدان مغناطیسی وجود دارد. میدان مغناطیسی بوسیله خطوط میدان نشان داده می شود.
فضایی که در آن آهن ربا بر دیگر اجسام اثر می گذارد را میدان مغناطیسی گویند.
خطوط نیرو(شار یا فلو)
میدان مغناطیسی در اطراف آهن ربا از یکسری خطوط به نام خطوط میدان درست شده این خطوط از قطب N خارج و به قطب S وارد می شود. این خطوط یکدیگر را قطع نمی کنند و هر چه تعدادشان بیشتر باشد میدان نیز قوی تر شده خطوط میدان را با فی نشان می دهند و واحد خطوط میدان وبر می باشد.
اثر متقابل میدان های مغناطیسی
هنگامی که دو مغناطیس را در کنار هم قرار دهیم بر روی یکدیگر اثر می گذارند. اگر خطوط در یک جهت باشند یکدیگر را جذب در نتیجه قطب های نا هم نام یکدیگر را جذب می کنند. اگر خلاف هم باشند یکدیگر را دفع می کنند در نتیجه قطب های هم نام یکدیگر را دفع می کنند.
روش های بوجود آوردن خاصیت مغناطیسی (آهن ربای مصنوعی)
اجسام فرو مغناطیس را می توان مغناطیس کرد. به عبارتی مولکول های مغناطیسی آن را مرتب کرد. به دو روش می توان خاصیت مغناطیسی ایجاد کرد که عبارتند از
1- مالش مغناطیس
2- جریان الکتریکی
مالش مغناطیس
وقتی یک آهن ربا را به آهن مالش دهیم در آهن خاصیت مغناطیسی به وجود می آید.
جریان الکتریکی
اگر به دور یک آهن سیم پیچیده و از آن جریان DC عبور کند جریان باعث مرتب شدن مولکول های مغناطیس آهن می شود. اگر جسم خاصیت مغناطیس خود برای مدت طولانی حفظ کند به آن مغناطیس دائم (آهن سخت و فولالد) و اگر خاصیت مغناطیس خود را به سرعت از دست دهد مغناطیس موقت گویند.(آهن نرم)
روش های از بین بردن خاصیت مغناطیسی
برای از بین بردن خاصیت مغناطیسی آهن باید نظم مولکول های مغناطیسی را از بین برد. این عمل به سه صورت انجام می شود که عبارتند از
1- گرما: اگر به آهن ربا گرما داده شود انرژی گرمایی باعث نوسان مولکول های مغناطیس شده و خاصیت مغناطیس از بین می رود.
2- ضربه سخت: اگر به آهن ربا ضربه وارد کنیم باعث می شود نظم مولکول ها از بین رود.
3- جریان الکتریکی: اگر آهن ربا را در یک میدان مغناطیسی متناوب قرار دهیم نظم مولکول ها ی مغناطیسی از بین می رود.
پوشش مغناطیسی
خطوط میدان مغناطیسی می توانند از همه مواد عبور کنند. البته بعضی در برابر عبور خطوط میدان مغناطیسی مقاوت می کنند. مقاومت در برابر عبور خطوط میدان مغناطیسی را رلوکتانس گویند. اجسام مغناطیسی در برابر عبور خطوط میدان دارای مقاومت کمی می باشند و آنها را جذب می کند. این خاصیت باعث می شود اجسام را با پوششی از ماده مغناطیسی در برابر خطوط میدان محافظت کنیم.
میدان مغناطیسی زمین
زمین با توجه به حرکت وضعی خود و با توجه به جرم خود دارای میدان مغناطیسی می باشد. قطب N آن در نزدیکی قطب جنوب و قطب S آن در نزدیکی قطب شمال قرار دارد.
میدان مغناطیسی زمین
با توجه به حرکت وضعی الکترون ها در فلزات و بیشتر مواد حرکت زوج الکترون ها دارای میدان مغناطیسی مخالف هم تولید کرده در نتیجه یکدیگر را خنثی می کنند اگر سیم را به یک منبع ولتاژ وصل کنیم حرکت الکترون ها در یک جهت خواهد شد و در نتیجه در اطراف سیم حامل جریان میدان مغناطیسی به وجود می آید. اورستد نخستین کسی بود که کشف کرد که سیم حامل جریان میدان مغناطیسی تولید می کند.
عقربه قطب نما بر سیم عمود است.
میدان مغناطیسی در اطراف سیم به صورت دایرهای هم مرکز می باشد. هر کدام از این دایره ها را یک خط نیرو گویند و به آن یک ماکسول گویند. از 108 ماکسول یک وبر بدست می آید.(wb) جهت خطوط میدان مغناطیسی در اطراف سیم به جهت جریان بستگی دارد و این جهت از قانون دست راست و جهت قطب نما به دست می آید.
قانون دست راست
اگر انگشت شست دست راست جهت جریان را در سیم نشان دهد آنگاه بسته شدن چهار انگشت دیگر جهت خطوط میدان مغناطیسی را نشان می دهد.
در شکل زیر جهت جریان از سمت راست به سمت چپ می باشد لذا جهت خطوط میدان با استفاده از قانون دست راست به صورت زیر می باشد.
جهت جریان در سیم را در مدار با یک پیکان نشان می دهند. اگر به پیکان یا فلش از جلو و عقب نگاه کنیم چه مقطعی می بینیم؟
چگالی خطوط میدان مغناطیسی
هر چه جریان سیم بیشتر باشد خاصیت میدان مغناطیسی در اطراف سیم قوی تر می باشد. هر چه از سیم دور می شویم تراکم خطوط میدان کم شده و بر عکس. برای مشخص کردن شدت میدان مغناطیسی در اطراف سیم حامل جریان چگالی میدان مغناطیسی یا چگالی میدان تعریف می کنند.
تعریف چگالی میدان
تعداد خطوطی که از واحد سطح عبور می کنند را چگالی میدان گویند.
نکته
تعداد خطوط که از واحد سطح عبور می کند با فاصله نسبت عکس دارد و با جریان نسبت مستقیم.
اثر متقابل میدان های مغناطیسی بر یکدیگر
همانطور که قبلا“ گفته شد قطب های مخالف یکدیگر را جذب و قطب های غیر مخالف یکدیگر را دفع می کنند. لذا با توجه به ایجاد میدان مغناطیسی در اطراف سیم راست دو سیم حامل جریان یکدیگر را دفع یا جذب می کنند.
اگر دو سیم حامل جریان عکس باشند جهت خطوط میدان آنها عکس یکدیگر می باشند و یکدیگر را دفع می کنند.
اگر دو سیم حامل جریان هم جهت باشند میدان مغناطیسی آنها در یک جهت می باشند و یکدیگر را جذب
می کنند.
اگر چند سیم را به صورت موازی قرار داده و جهت جریان آنها هم سو باشد میدان قوی تولید می کنند.
میدان مغناطیسی حلقه
اگر از یک حلقه جریان عبور کند در وسط آن و مخصوصا“ در مرکز آن میدان مغناطیسی ایجاد می شود. قطب N در بالا و قطب S در پایین می باشد. توسط قانون دست راست جهت میدان مشخص می شود.
میدان مغناطیسی بوبین
اگر سیمی به صورت حلقوی پیچیده شود یک بوبین یا سیم پیچ به وجود می آید.اگر از سیم پیچ جریان عبور کند میدان مغناطیسی حلقه ها یکدیگر را تقویت می کنند. توسط قانون دست راست جهت میدان مشخص می شود
میدان مغناطیسی یک سیم پیچ به عوامل زیر بستگی دارد.
1- جریان سیم
2- تعداد حلقه های سیم پیج
3- نزدیکی حلقه های سیم پیچ (هر چه طول سیم پیچ بیشتر باشد میدان ضعیف تر است)
4- سیم پیچ دارای هسته آهنی باشد
کاربرد مغناطیس
از مغناطیس می توان در جاهای زیادی استفاده کرد که بعضی از آنها عبارتند از
1- زنگ مغناطیسی DC
2- کلید مغناطیسی
3- موتور الکتریکی ساده
4- ژنراتور ساده یا مولد
5- دستگاه اندازه گیری الکتریکی
6- آهن ربای مصنوعی
کلید مغناطیسی
این کلید مانند یک فیوز عمل می کند. در هنگام استفاده از فیوز اگر جریان زیادی از مدار عبور کند فیوز می سوزد اما در کلید مغتاطیسی کلید قطع شده و می توان دوباره آن را وصل کرد.
موتور الکتریکی ساده
اگر سیم حامل جریان در یک میدان مغناطیسی قرار گیرد بر آن نیرو وارد می شود و باعث حرکت سیم می شود.
میدان مغناطیسی سیم حامل جریان بر روی خطوط میدان قطب مغناطیسی اثر می گذارد و باعث تغییر شکل آن می شود خطوط نیروی تغییر شکل داده شده سعی می کنند که به وضعیت قبل خود در آیند لذا به سیم حامل جریان نیرو وارد می کنند.
جهت نیروی وارد بر سیم را می توان از قانون دست چپ به دست آورد.
قانون دست چپ
اگر خطوط میدان بر دست چپ وارد شوند و چهار انگشت جهت جریان را نشان دهد، انگشت شست جهت نیرو را نشان می دهد.
اگر سیم را به صورت کلاف در آوریم جهت نیروی وارد بر کلاف به صورت زیر است.
ژنراتور ساده
اگر یک سیم پیچ را در یک میدان مغناطیسی حرکت دهیم، میدان مغناطیسی باعث می شود که الکترون های سیم در یک جهت حرکت کنند و جمع شوند. این روند را تولید نیروی محرکه القایی گویند.
جهت نیروی القایی را می توان از قانون دست راست بدست آورد. اگر خطوط میدان به کف دست راست وارد شوند و انگشت شست جهت حرکت هادی را نشان دهد چهار انگشت دیگر جهت نیروی محرکه القایی را نشان می دهد.
دستگاه اندازه گیری
در دستگاه های اندازه گیری برای اندازه گیری جریان – ولتاژ و مقاومت از یک سیم پیچ و یک هسته متحرک استفاده می کنند.
آهن ربای مصنوعی در صنعت برای انتقال و جابجایی فلزات از آهن ربای مصنوعی استفاده می کنند.