مغناطیس و مواد مغناطیسی
قطب های آهنربا: در اهن ربا دو ناحیه وجود دارد که خاصیتاهنربایی در آنها بیش از قسکت های دگر است. این ناحیه ها را قطب های اهنربا می نامند.
وقتی اهنربا را در نزدیکی میخ قرار می دهیم در میخ خاصیت مغناطیسی القا می شود. اگر قطب N آهنربا را نزدیک به یک سر میخ بیاوریم، خاصیت آهنربایی طوری القا می شود که آن سر، قطب S و سر دورتر قطب N شود. ربایش بین دو قطب غیر همنام (N در اهن ربا و S در میخ) سبب ربوده شدن میخ به سمت آهنربا می شود. این پدیده را القای الکترو مغناطیسی می نامند.
میدان مغناطیسی: در فضای اطراف یک اهنربا نیز خاصیتی وجود دارد که در اثر آن در قطعه های آهنی خاصیت آهنربایی القا می شود و بر قطب های آهنرباهای دیگر نیرویی وارد می شود.برار مثال هرگاه یکی از قطب های آهنربای میله ای را به یک عقربه ی مغناطیسی که در راستای تقریبی شمال و جنوب جغرافیایی بر روی پایه ای قرار دارد، نزدیک کنیم، می بینیم که عقربه ی مغناطیسی می چرخد.
جهت میدان مغناطیسی: هنگامی که آهنربا در نزدکی عقربه ی مغناطیسی قرار می گیرد، عقربه می چرخد تا در امتداد میدان مغناطیسی ،هنربا قرار گیرد و قطب N آن سوی میدان مغناطیسی را نشان می دهد.
خط های میدان مغناطیسی: میدان مغناطیسی را نیز می توان توسط خط های میدان مغناطیسی نمایش داد، این خطوط طوری رسم می شوند که راستای میدان مغناطیسی در هر نقطه مماس بر خط میدان در آن نقطه باشد. خط میدان مغناطیسی در هر نقطه همسو با میدان مغناطیسی در آن نقطه است. علاوه بر این تراکم این خط ها در هر ناحیه از فضا نشانگر بزرگی میدان مغناطیسی در آن ناحیه است.
قطب های مغناطیسی: در آهنربا یا همان سنگ مغناطیسی، دو ناحیه وجود دارد که نسبت به سایر نقاط دیگر آهنربا، خاصیت جذب براده های آهن بیشتر و راستای این براده ها به سمت این نواحی است. که به این دو ناحیه، قطب های مغناطیسی می گویند. اگر آهنربا را شناور قرار دهیم، قطبی که به سمت شمال است را قطب شمال یا شمال یاب، و قطب مقابل آن را قطب جنوب یا جنوب یاب می گویند. پس هر ماده مغناطیسی از دو قطب شمال وجنوب تشکیل شده است. در مغناطیس مانند الکتریسیته، قطب های ناهمنام یکدیگر را جذب و قطب های همنام یکدیگر را دفع می کنند. پس در خاصیت مغناطیسی، نیروی دفع وجذب نیز وجود دارد.
خطوط میدان مغناطیسی ویژگی هایی دارند که عبارتند از:
۱) خطوط همانطور که قبلا گفته شد راستا و جهتشان از شمال به جنوب است.
۲) خطوط یکدیگر را قطع نمی کنند.
۳) تراکم خطوط در نزدیکی قطب ها بیشتر از نواحی دیگر است و این نشان دهنده آن است که نیروی مغناطیسی در این نواحی زیاد است.
۴) برآیند نیروهای مماس بر خطوط میدان در یک نقطه برابر با نیروی مغناطیسی در آن نقطه است.
مواد مغناطیسی از نظر رفتار دوقطبی های مغناطیسی به سه دسته تقسیم می کنند:
الف) مواد پارامغناطیس:
موادی هستند که حرکت و جنبش دوقطبی هایشان راحت و آسان تر است. هنگامی که این مواد را در میدان مغناطیسی قرار دهیم، بر دوقطبی های آن نیرو وارد شده و تعداد زیادی از آن ها در خطوط میدان به طوری که قطب های شمال در جهت خطوط قرار می گیرند. و این امر سبب می شود که این مواد به یک آهنربای قوی تبدیل شود. اما چون حرکت وجنبش این دو قطبی ها سریع است، با برداشتن این مواد از میدان مغناطیسی، این دوقطبی ها به سرعت از مسیر خطوط خارج و به حالت کاتوره ای قبلی برمی گردند و این مواد در خارج از خطوط میدان به سرعت خاصیت مغناطیسی خود را از دست می دهند. مانند آلومینیوم.
ب) مواد دیامغناطیس :
مواد دیامغناطیس موادی هستند که اگر در میدان مغناطیسی قرار بگیرند از آهنربا دفع می شوند. در این مواد برآیند گشتاور دو قطبی مغناطیسی صفر است و در واقع فاقد دوقطبی ذاتی هستند و هنگامی که در میدان مغناطیسی قرار می گیرند، گشتاور دو قطبی در آن ها القا می شود اما جهت این دوقطبی های القا شده بر خلاف جهت میدان مغناطیسی خارجی می باشد و این امر باعث می شود که ماده دیامغناطیس از میدان مغناطیسی دفع شود.
البته این خاصیت در تمام مواد وجود دارد، و هنگامی این خاصیت در مواد ظاهر می شود که خاصیت پارامغناطیسی آن ها ضعیف باشد.مانند: بیسموت.
پ) مواد فرومغناطیس :
این مواد مانند مواد پارامغناطیس است اما با این تفاوت که در این مواد مجموعه ای از دوقطبی های مغناطیسی در یک جهت و راستا قرار دارند که این مجموعه ها در راستا و جهت های متفاوتی قرار دارند به طوری که اثر میدان یکدیگر را خنثی می کنند. که به این مجموعه از دوقطبی های مغناطیسی که در یک راستا قرار دارند، حوزه مغناطیسی می گویند. هنگامی که این مواد در میدان مغناطیسی قرار می گیرند، بر حوزه های مغناطیسی نیرو وارد می شود و آن ها را در جهت میدان قرار می دهند. خاصیت مغناطیسی این مواد به سرعت تغییر مسیر این حوزه ها و قرار گرفتن در جهت میدان بستگی دارد. که از این لحاظ مواد فرومغناطیس را به دو دسته تقسیم می کنند:
۱) مواد فرومغناطیس نرم:
در این مواد سرعت تغییر حوزه ها بسیار آسان و سریع است و به همین خاطر در میدان مغناطیسی این حوزه ها به سرعت در جهت خطوط میدان قرار می گیرند و خاصیت مغناطیسی بسیار قوی بدست می آورند. اما همینکه این مواد را از میدان دور کنیم، جهت این حوزه ها به سرعت تغییر و به حالت کاتوره ای قبلی بر می گردند. مانند آهن
۲) مواد فرومغناطیسی سخت:
در این مواد سرعت تغییر حوزه ها بسیار سخت و کُند است و همین که در میدان قرار می گیرند، این حوزه ها به کندی در جهت خطوط قرار می گیرند و خاصیت مغناطیسی آن ها نسبت به مواد فرومغناطیس نرم ضعیفتر است؛ اما همین که از میدان دور می شوند بر خلاف مواد فرومغناطیس نرم خاصیت مغناطیسی خود را حفظ می کنند.مانند آلیاژ های نیکل.
پس مواد پارامغناطیس و فرومغناطیس تحت تاثیر میدان مغناطیسی قرار می گیرند و به یک آهنربا تبدیل می شوند.
مواد غیرمغناطیسی : موادی هستند که آهن ربا روی آنها بی اثر است . مانند شیشه ، چوب که جذب آهن ربا نمی شوند. مواد غیرمغناطیسی به دو دسته تقسیم می شوند:
الف)پارامغناطیس: دو قطبیهای مغناطیسی به صورت کاتوره ی قرار می گیرند و اگر در نزدیکی یک آهنربا قرار گیرند دو قطبیهای کوچک در راستای میدان به خط می شوند و در میدان های مغناطیسیبسیار قوی مغناطیس می شوند مانند پلاتین، آلومینیوم و میدان را در داخل خود تقویت می کنند و به سختی جذب آهن ربا می شوند.
ب) دیامغناطیس: وقتی که در یک میدان مغناطیسی بسیار قوی قرار بگیرند میدان در داخل آنها اندکی تضعیف می شوند و از قطبهای آهن ربارانده می شوند مانند نقره ، طلا ، مس و تمام غیر فلزها بجز اکسیژن
الکترومغناطیس
الکترومغناطیس شاخه ای از علم فیزیک است که به مطالعه پدیده های الکتریکی و مغناطیسی و ارتباط این دو با هم می پردازد. از طرفی یکی از ۴ نیرو بنیادی طبیعت است .الکترومغناطیس توصیف گر بیشتر پدیده هایی است(به جز گرانش) که که در زندگی روزمره اتفاق می افتد.الکترومغناطیس همچنین نیرویی است که الکترون ها و پروتون ها را در داخل اتم ها پیش هم نگه می دارد. نیروی الکترومغناطیس است که در هر دو تجلی میدانهای الکتریکی و میدانهای مغناطیسی می باشد هر دو جنبه های ساده اما مختلف از الکترومغناطیس هستند و از این رو ذاتا یه یکدیگر مربوط اند. بنابراین ، تغییر میدان الکتریکی تولید میدان مغناطیسی و برعکس تغییر میدان مغناطیسی تولید میدان الکتریکی می کند این اثر به نام القای الکترومغناطیسی است ، و اساس عمل برای ژنراتورهای الکتریکی ، موتورهای القایی و ترانسفورماتورها می باشد . میدانهای الکتریکی معلول چند پدیده های الکتریکی معمول هستند مانند:پتانسیل الکتریکی (مانند ولتاژ باتری) و جریان الکتریکی (مانند جریان برق). میدانهای مغناطیسی معلول نیروی مربوط با مغناطیس هستند. نیروی الکترومغناطیسی از طریق تبادل ذراتی به نام فوتون ها و فوتون های مجازی عمل می کند. مفاهیم نظری الکترومغناطیس منجر به توسعه نسبیت خاص توسط آلبرت اینشتین در سال ۱۹۰۵ شده است.
القای الکترومغناطیس: با استفاده از روش القای الکتریکی می توان اجسام رسانا را باردار کرد.پدیده ی القای مغناطیسی نیز وجود دارد . در القای الکتریکی در اثر القا، بار الکتریکی در ماده رسانا پدیدار می شود. در القای مغناطیسی دراثر القا، در ماده فرومغناطیس خاصیت مغناطیسی ایجاد می شود. پدیده ی القای دیگری نیز وجود دارد که در آن، جریان الکتریکی در یک رسانا القا می شود. این پدیده را القای الکترومغناطیس می نامند.
دور یا نزدیک شدن آهنربا به پیچه باعث تغییر میدان مغناطیسی در محل پیچه می شود و همین امر جریان الکتریکی القایی را در پیچه ایجاد می کند. پس می توان چنین نتیجه گرفت که: تغییر اندازه میدان مغناطیسی در محل یک مدار بسته باعث القای جریان الکتریکی در آن مدار می شود.
علاوه بر روش های گفته شده به روش های دیگر نیز می توان در یک پیچه جریان الکتریکی القا کرد، اگر پیچه ای از یک سیم انعطاف پذیر را در میدان مغناطیسی یکنواخت B قرار دهیم، سپس پیچه را تغییر شکل دهیم به گونه ای که مساحت حلقه ی پیچه تغییر کند، خواهیم دید که در حین این عمل جریان الکتریکی در پیچه القا می شود، پس می توان نتیجه گرفت که:
تغییر مساحت مدار بسته در میدان مغناطیسی نیز می تواند عامل ایجاد جریان القایی شود مثل کشیدن پیچه در میدان یا جمع کردن آن.
با چرخاندن پیچه در میدان مغناطیسی یکنواخت مطابق شکل پایین، بزرگی میدان مغناطیسی و مساحت حلقه ی مدار تغییر نمی کند، ولی زاویه بین مدار مغناطیسی و سطح پیچه تغییر می کند، در نتیجه:
تغییر زاویه بین حلقه و راستای میدان مغناطیسی نیز می تواند عامل برقراری جریان الکتریکی القایی شود، مثل چرخاندن پیچه.
شار مغناطیسی:
قبلاض دیدیم که در اثر تغییر میدان مغناطیسی در حلقه، تغییر مساحت حلقه، و یا تغییر زاویه ی بین سطح حلقه و جهت میدان مغناطیسی، جریان الکدر پیچه القا می شود. کمیتی به نام شار مغناطیسی، این سه کمیت را در بر دارد. این کمیت نرده ای به صورت زیر تعریف می شود:
فرض کنید حلقه ای به مساحت A مطابق شکل در میدان مغناطیسی یکنواخت B قرار دارد، شار میدان مغناطیسی یکنواخت که از سطح حلقه می گذرد به صورت زیر تعریف و با نماد 𝚽 نمایش داده می شود. 𝚽=𝑩𝑨𝒄𝒐𝒔𝜽
که در این رابطه 𝜽 زاویه ی بین بردار میدان مغناطیسی 𝑩 و نیم خط عمود بر سطح حلقه است.
قانون القای الکترومغناطیس فارادی:
بنابر قانون فارادی هر گاه شار مغناطیسی که از مدار بسته ای می گذرد تغییر کند، نیروی محرکه ای در ان القا می شود که که بزرگی آن با آهنگ تغییر شار مغناطیسی متناسب است. یعنی هر چه آهنگ تغییر شار مغناطیسی بیشتر باشد، نیروی محرکه القایی و در نتیجه جریان ایجاد شده در مدار بیشتر خواهد بود. قانون فارادی را می تون با رابطه زیر بیان کرد:
𝜺= 𝒅𝚽 𝒅𝒕
𝜺 نیرو محرکه القایی بر حسب ولت و 𝒅𝚽 𝒅𝒕 آهنگ تغییر شار مغناطیسی بر
حسب وبر بر ثانیه است. علامت منفی نشان دهنده جهت نیروی محرکه ی القایی است.
نیروی محرکه ی القایی در پیچه:
𝜺 = – N 𝒅𝚽 𝒅𝒕 N تعداد دورهای پیچه
نیرو محرکه القایی ایجاد شده در این پیچه:
𝜺 = – N ∆𝚽 ∆𝒕
تقسیم بندی کلی الکترومغناطیس
الکترومغناطیس کلاسیک: در حالت کلی الکترومغناطیس در ابعاد بزرگ و سرعتهای پایین را می توان الکترومغناطیس کلاسیک نامید. بدنه اصلی و منبای الکترومغناطیس کلاسیک همان معادلات ماکسول می باشد. و در الکترومغناطیس کلاسیک مباحثی مانند القای الکتریکی مدارات الکترونیکی ، و ساختار وسایل الکترونیکی از قبیل مقاومت و خازن و نحوه اتصال آنها در مدار و قوانین حاکم بر آنها مورد تجزیه و تحلیل قرار می گیرد.
الکترومغناطیس کوانتومی: الکترومغناطیس ابعاد بسیار ریز و کوچک و سرعتهای بالا را میتوان الکترومغناطیس کوانتومی نامید. در اینجا مباحثی مانند تئوری میدانها ، الکترودینامیک کوانتومی ، نظریه ریسمان و موارد دیگر وجود دارد.
الکترومغناطیس امروزی: امروزه الکترومغناطیس از دو جهت مورد توجه است. یکی در سطح کاربردهای مهندسی ، که در آن معادلات ماکسول عموما در حل تعداد زیادی از مسایل علمی مورد استفاده قرار می گیرند و دیگری در سطح مبانی نظری. در این سطح چندان تلاش مداومی برای گسترش دامنه آن وجود دارد که الکترومغناطیس حالت ویژه ای از یک نظریه عمومی تر جلوه می کند.