نیروی مغناطیسی

اصول نیروی مغناطیسی چه هستند؟

الکترومغناطیس نیرویی است که هنگام عبور جریان الکتریکی از یک هادی مانند یک سیم یا کابل ایجاد می‌شود و برای شناخت این نیرو باید نخست نیروی مغناطیسی را بشناسید.

چکیده

در اصل دو نوع نیروی مغناطیسی وجود دارد: یکی مغناطیس دائمی و دیگری مغناطیس موقت و استفاده از آنها به نوع کاربردی بستگی دارد که مورد نظر است. مواد مغناطیسی در حالت غیرمغناطیسی ساختار مولکولی خود را به شکل زنجیره‌های مغناطیسی یا آهنرباهای کوچک جداگانه و در الگوهای تصادفی شکل می‌دهند. وقتی که یک ماده مغناطیسی می‌شود، این آرایش تصادفی مولکول‌ها تغییر می‌کند و آهنرباهای مولکولی که پیشتر تصادفی، نامرتب و کوچک بودند به‌نحوی آرایش می‌یابند اثر مغناطیسی قوی ایجاد می‌کنند. ایده آرایش مولکولی مواد فرومغناطیسی با نام «نظریه وبر» شناخته می‌شود. نظریه وبر بر این واقعیت استوار است که همه اتم‌ها به دلیل چرخش الکترون‌های اتم دارای خواص مغناطیسی هستند.

آهنربا یا مغناطیس

آهنربا یا مغناطیس را از مواد فرومغناطیسی می‌سازند که مواد دیگر و عمدتاً فلزات را جذب یا دفع می‌کنند. نیروی مغناطیسی نیرویی است که آهنرباها هنگام جذب یا دفع یکدیگر به هم اعمال می‌کنند. در اطراف یک هادی‌ یک میدان مغناطیسی کوچک ایجاد می‌شود که جهت این میدان مغناطیسی با توجه به قطب‌های «شمال» و «جنوب» و بر اساس جهت جریانی که از هادی عبور می‌کند مشخص می‌شود.

نیروی مغناطیسی نقش مهمی در مهندسی برق و الکترونیک دارد، زیرا بدون نیروی مغناطیسی قطعات الکترونیکی مانند رله‌ها، سلونوئیدها (سیم‌لوله‌ها)، واسطه‌های القایی، چوک‌ها یا خفه‌کن‌ها، سیم‌پیچ‌ها،‌ بلندگوها، موتورها، ژنراتورها، ترانسفورماتورها، ‌کنتورهای برق و سایر دستگاه‌ها نمی‌توانند کار کنند.

پس هر سیم‌پیچ وقتی جریان الکتریکی از آن عبور می‌کند از اثر الکترومغناطیسی استفاده می‌کند. اما قبل از اینکه بتوانیم نیروی مغناطیسی و به ویژه الکترومغناطیس را به شکل مفصل‌تر بررسی کنیم، باید درس‌های کلاس فیزیک خود را در مورد نحوه کار آهنربا به یاد بیاورید.(آموزش برق صنعتی)

ماهیت نیروی مغناطیسی

آهنربا یا مغناطیس را می‌توان به حالت طبیعی به شکل سنگ‌های معدنی مغناطیسی یافت که دو نوع اصلی آن عبارت‌اند از مگنتیت یا همان اکسید آهن (FE3O4) و لودستون که به آن «سنگ آهنربا» یا «سنگ راهنما» (leading stone) می‌گویند. اگر این دو آهنربای طبیعی را از یک ریسمان معلق آویزان کنیم، موقعیت آنها در راستای میدان مغناطیسی زمین ثابت خواهد شد که همیشه به سمت شمال است.

مثال خوب این اثر مغناطیسی، نشانه‌گر قطب‌نما است. البته در کاربردهای علمی اغلب آهنرباهای طبیعی را باید نادیده گرفت زیرا خاصیت مغناطیسی آنها بسیار اندک است و امروزه آهنرباهای مصنوعی و صنعتی در اشکال، اندازه‌ها و قدرت‌های مغناطیسی مختلف برای مصارف گوناگون تولید می‌شوند.

در اصل دو نوع نیروی مغناطیسی وجود دارد: یکی مغناطیس دائمی و دیگری مغناطیس موقت و استفاده از آنها به نوع کاربردی بستگی دارد که مورد نظر است. از انواع مواد مختلف می‌توان آهنربا ساخت مانند آهن، نیکل، آلیاژهای نیکل، کروم و کبالت که در حالت طبیعی برخی از این مواد و عناصر مانند نیکل و کبالت به‌تنهایی اثر مغناطیسی بسیار ضعیفی از خود نشان می‌دهند. با این حال وقتی این مواد را با مواد دیگری مانند آهن یا پراکسید آلومینیوم مخلوط یا «آلیاژ» می‌کنند به آهنرباهای بسیار قوی تبدیل می‌شوند.

مواد مغناطیسی در حالت غیرمغناطیسی ساختار مولکولی خود را به شکل زنجیره‌های مغناطیسی یا آهنرباهای کوچک جداگانه و در الگوهای تصادفی شکل می‌دهند. اثر کلی این نوع آرایش مولکولی منجر به شکل‌گیری مغناطیس صفر یا بسیار اندک می‌شود این آرایش تصادفی باعث می‌شود هر مولکول آهنربا اثر مولکول مجاور خود را خنثی کند.

وقتی که یک ماده مغناطیسی می‌شود، این آرایش تصادفی مولکول‌ها تغییر می‌کند و آهنرباهای مولکولی که پیشتر تصادفی، نامرتب و کوچک بودند به‌نحوی آرایش می‌یابند اثر مغناطیسی قوی ایجاد می‌کنند. ایده آرایش مولکولی مواد فرومغناطیسی با نام «نظریه وبر» شناخته می‌شود که در زیر نمایش داده شده است. سمت راست آرایش مولکولی آهنربا و سمت چپ آرایش مولکولی آهن است:

  1 آرایش مولکولی مغناطیسی یک قطعه آهن و یک آهنربا

نظریه وبر بر این واقعیت استوار است که همه اتم‌ها به دلیل چرخش الکترون‌های اتم دارای خواص مغناطیسی هستند. گروه‌هایی از اتم‌ها به هم می‌پیوندند و میدان‌های مغناطیسی همه آنها در یک جهت قرار می‌گیرد. مواد مغناطیسی از گروه‌های آهنربا در سطح مولکولی در اطراف اتم‌ها تشکیل شده‌اند و یک ماده مغناطیسی ماده‌ای است که بیشتر این آهنرباهای کوچک در آن هم‌جهت هستند و در یک سمت قطب شمال و در سمت دیگر قطب جنوب آهنربا را شکل می‌دهند.

به همین ترتیب، در ماده‌ای که آهنرباهای مولکولی و کوچک آن در جهات مختلف آرایش یافته باشند، آهنرباهای همسایه اثر هم را خنثی می‌کنند و در نتیجه آن ماده هیچ اثر مغناطیسی از خود نشان نمی‌دهد. به مناطقی که آهنرباهای مولکولی در آن قرار دارند «دامنه مغناطیسی» آن ماده می‌گویند.

هر ماده مغناطیسی خود یک میدان مغناطیسی تولید می‌کند که به درجه همسویی دامنه مغناطیسی در آن ماده بستگی دارد که توسط الکترون‌های چرخان در مدار ساخته می‌شود. درجه هم‌تراز شدن مولکول‌های آهنربایی را با کمیتی به نام «مغناطش» یا «قطبی‌سازی مغناطیسی» (Magnetization) شناخته شده و با حرف M نمایش داده می‌شود.

در واقع مغناطش یا قطبی‌سازی مغناطیسی در الکترومغناطیس، «میدانی برداری‌ است که چگالی گشتاورهای مغناطیسی دائم یا القایی در یک ماده مغناطیسی» را نشان می‌دهد. منشأ گشتاور مغناطیسی که مغناطش را ایجاد می‌کند، جریان الکتریکی ناشی از حرکت الکترون‌های اتم و چرخش یا اسپین الکترون‌ها یا هسته است.

در یک ماده مغناطیسی‌نشده، M برابر است با صفر. اما برخی دامنه‌ها پس از حذف میدان مغناطیسی در برخی نواحی کوچک در ماده هم‌جهت باقی می‌مانند. اثر حاصل از اعمال کردن نیروی مغناطیسی بر یک ماده عبارت است از تراز کردن این دامنه‌ها به منظور تولید مقداری مغناطش که غیرصفر باشد.

وقتی نیروی مغناطیسی حذف شود، مغناطیس درون ماده بسته به نوع ماده مغناطیسی استفاده‌شده یا باقی می‌مانند یا به‌سرعت از بین می‌رود. این خاصیت برخی از مواد را برای حفظ اثر مغناطیسی، خاصیت حفظ اثر مغناطیسی یا retentivity می‌نامند.

موادی که خاصیت مغناطیسی خود را در طولانی مدت حفظ می‌کنند، در واقع retentivity بالایی دارند و از آنها می‌توان در ساخت آهنرباهای دائمی استفاده کرد، اما موادی مانند آهن نرم که خاصیت مغناطیسی خود را به‌سرعت از دست می‌دهند، retentivity پایین دارند و از آنها می‌توان در ساخت رله‌ها و سلونوئیدها استفاده کرد.

سلونوئید یا سیم‌لوله در اصل یک سیم‌پیچ به شکل استوانه است که طول آن معمولاً بیشتر از قطر آن است و وقتی جریان الکتریکی از آن می‌گذرد، در آن میدان مغناطیسی تولید می‌شود و در برابر تغییر جریان مقاومت می‌کند. از سلونوئید برای مدیریت تغییرات ناگهانی جریان در مدار استفاده می‌شود.

رله نیز قطعه‌ای الکترونیکی است که آن را جوزف هنری در سال ۱۸۳۵ میلادی اختراع کرد. رله نوعی کلید الکتریکی سریع یا لحظه‌ای است که با هدایت یک مدار الکتریکی دیگر قطع و وصل می‌شود. روش کنترل و قطع و وصل این کلید الکتریکی به اشکال گوناگون مکانیکی، حرارتی، مغناطیسی، الکترواستاتیک و غیره وجود دارد. رله دو پایه معمولی بسته و باز و دو پایه سیم‌پیچ و یک پایه کام (com) دارد. پایه نرمال بسته همیشه به کام وصل است، اما اگر ولتاژ سیم‌پیچ تغییر کند، پایه نرمال باز شده و به کام وصل می‌شود و اگر دوباره ولتاژ به حالت اول برگردد، پایه نرمال بسته شده و به کام وصل می‌شود.

شار مغناطیسی

همه آهنرباها صرف‌نظر از شکل‌شان دارای دو قسمت هستند که به آنها «قطب مغناطیسی» می‌گوییم. مغناطش داخل و اطراف یک مدار مغناطیسی یک زنجیره مشخص از الگوهای منظم و متعادل از خطوط نامرئی شار مغناطیسی را در اطراف دو قطب ایجاد می‌کند. این خطوط شار را در مجموع «میدان مغناطیسی» آهنربا می‌نامیم. شکل این میدان مغناطیسی در برخی قسمت‌ها فشرده‌تر از قسمت‌های دیگر است و درواقع آن منطقه آهنربایی که در آن بیشترین میدان مغناطیسی به وجود می‌آید، همان «قطب» مغناطیسی است. در هر دو انتهای یک آهنربا یک قطب مغناطیسی وجود دارد.

خطوط شار مغناطیسی که به آنها میدان برداری نیز می‌گویند، با چشم غیرمسلح قابل مشاهده نیستند اما می‌توان آنها را با پاشیدن براده‌های آهن روی یک صفحه کاغذی مرئی کرد. همچنین می‌توان با استفاده از یک قطب‌نمای کوچک آنها را نشان داد. قطب‌های مغناطیسی همیشه به صورت جفت وجود دارند و همیشه در آهنربا بخشی وجود دارد که به آن قطب شمال می‌گوییم و در بخش مخالف آن قطب وجود آهنربا قرار می‌گیرد.

میدان‌های مغناطیسی را همواره به شکل خطوط نیرو به تصویر می‌کشیم و در هر انتهای ماده مغناطیسی که در آنجا خطوط شار متراکم‌تر و متمرکزتر هستند، میدان مغناطیسی در آنجا یک قطب مغناطیسی ایجاد می‌کند. این خطوط شار که میدان مغناطیسی را شکل می‌دهند و جهت و شدت آن را تعیین می‌کنند «خطوط نیرو» یا «شار مغناطیسی» نامیده می‌شوند و علامت آن حرف یونانی فی (Φ) است.

  2 خطوط نیرو میدان مغناطیسی آهنربای میله‌ای

همان‌طور که در بالا می‌بینید، میدان مغناطیسی در نزدیکی قطب‌های آهنربا قوی‌تر است و در نتیجه خطوط شار از هم فاصله کمتری دارند. جهت کلی جریان شار مغناطیسی از قطب شمال (N) به سمت قطب جنوب (S) آهنربا است. به علاوه، خطوط مغناطیسی حلقه‌های بسته‌ای را شکل می‌دهند که از قطب شمال آهنربا خارج شده و به قطب جنوب وارد می‌شود. همان‌طور که گفتیم، قطب‌های مغناطیسی همیشه دوتایی هستند.

با این حال، شار مغناطیسی در واقع از قطب شمال به سمت قطب جنوب جریان نمی‌یابد. در اصل شار مغناطیسی اصلاً جریان نیست، زیرا یک ناحیه ایستا در اطراف آهنربا را شکل می‌دهد که خصلت آن ناحیه این است که در آن نیروی مغناطیسی حضور دارد. به عبارت دیگر، شار مغناطیسی جریان ندارد یا حرکت نمی‌کند، بلکه در یک جا ثابت است و تحت تأثیر نیروی گرانش قرار نمی‌گیرد. برخی حقایق مهم در مورد نیروی مغناطیسی با ترسیم خطوط نیرو ظاهر می‌شوند و به همین دلیل است که خطوط شار مغناطیسی را رسم می‌کنیم. این حقایق عبارت‌اند از:

• خطوط نیرو هرگز از روی هم عبور نمی‌کنند.
• خطوط نیرو پیوسته هستند.
• خطوط نیرو همیشه حلقه‌های بسته و منفرد را در اطراف آهنربا تشکیل می‌دهند.
• خطوط نیرو دارای جهت مشخصی از شمال به سمت جنوب هستند.
• خطوط نیرو وقتی نزدیک به هم نشان داده شوند، به معنای قوی بودن میدان مغناطیسی است.
• خطوط نیرو وقتی از هم دور نشان داده شوند، به معنای ضعیف بودن میدان مغناطیسی است.

نیروی مغناطیسی نیز مانند نیروی الکتریکی جذب یا دفع می‌شود و وقتی دو خط نیرو به هم نزدیک می‌شوند، برهم‌کنش بین دو میدان مغناطیسی باعث می‌شود که یکی از دو اتفاق زیر بیفتد:

1. وقتی قطب‌های مجاور یکسان باشند (شمال-شمال یا جنوب-جنوب) این دو قطب یک‌دیگر را دفع می‌کنند.
2. وقتی قطب‌های مجاور یکسان نباشند (شمال-جنوب یا جنوب-شمال) این دو قطب یک‌دیگر را جذب می‌کنند.

این اثر را می‌توان با یادآوری عبارت معروف «مخالف‌ها همدیگر را جذب می‌کنند» به خاطر سپرد. این برهم‌کنش میدان‌های مغناطیسی را نیز می‌توان به‌راحتی با براده‌های آهن نشان داد که در اطراف آهنربا به شکل خطوط نیرو آرایش می‌یابند. اثر میدان‌های مغناطیسی و دفع یا جذب قطب‌های مخالف را می‌توانید در شکل زیر ببینید:

  3 میدان مغناطیسی قطب‌های یکسان و غیریکسان

هنگام ترسیم خطوط نیرو در میدان مغناطیسی به کمک قطب‌نما، مشاهده می‌شود که خطوط نیرو به شکلی ساخته می‌شوند که در هر انتهای آهنربا یک قطب خاص ایجاد می‌شود و خطوط نیرو از قطب شمال خارج شده و دوباره از قطب جنوب وارد می‌شود. نیروی مغناطیسی را می‌توان از طریق گرم کردن یا چکش‌کاری یک ماده مغناطیسی از بین برد، اما شکستن آهنربا به دو یا چند قطعه باعث نمی‌شود نیروی مغناطیسی آن از بین برود یا در یکی از قطعه‌ها محبوس شود.

پس اگر یک آهنربای میله‌ای معمولی بردارید و آن را به دو قسمت تقسیم کنید، در واقع دو نیمه آهنربا ندارید که یکی از آنها دارای قطب شمال باشد و دیگری دارای قطب جنوب، بلکه هر یک از دو قطعه یک آهنربای کامل است که هر دو قطب را در خود دارد. اگر یکی از این قطعات را بردارید و دوباره آن را نیز به دو قسمت تقسیم کنید، هر یک از این قطعات کوچک‌تر نیز خود دارای دو قطب شمال و جنوب خواهند بود و به همین ترتیب. مهم نیست که قطعات آهنربا چقدر کوچک باشند، در هر حال هر قطعه دو قطب شمال و جنوب را خواهد داشت و این نکته بسیار جالبی در آهنرباست.

برای اینکه بتوانیم از نیروی مغناطیسی در محاسبات الکتریکی و الکترونیکی استفاده کنیم، لازم است بتوانیم جنبه‌های مختلف این نیرو را تعریف کنیم. در ادامه به این جنبه‌های مختلف می‌پردازیم.

بزرگی نیروی مغناطیسی

حال می‌دانیم که خطوط نیرو یا همان شار مغناطیسی در اطراف یک ماده مغناطیسی با حرف یونانی پی (Φ) نمایش داده می‌شوند و واحد شار وبر (Wb) است که نام خود را از نام ویلهلم ادوارد وبر (Wilhelm Eduard Weber) دانشمند آلمانی گرفته است.

به تعداد خطوط نیرو در واحد مساحت «چگالی شار» می‌گوییم و از آنجایی که شار (Φ) برحسب واحد Wb و مساحت بر حسب مترمربع (m2) اندازه‌گیری می‌شوند، پس چگالی شار برحسب واحد وبر بر مترمربع یا Wb/m2 اندازه‌گیری می‌شود که برای آن علامت B اختصاص داده شده است.

با این حال برای اشاره به چگالی شار در مغناطش، آن را با واحد تسلا اندازه‌گیری می‌کنند که نام خود را از نیکلا تسلا گرفته است. پس یک Wb/m2 برابر است با یک تسلا:

1Wb/m² = 1T

چگالی شار متناسب است با خطوط نیرو، و با مساحت نسبت معکوس دارد، پس می‌توان چگالی شار را به شکل زیر تعریف کرد:

  4 چگالی شار مغناطیسی

علامت چگالی شار مغناطیسی B است و واحد چگالی شار مغناطیسی تسلا یا T.

  5 معادله چگالی شار

نکته مهم این است که باید به خاطر داشته باشید تمام محاسبات برای رسیدن به چگالی شار در واحدهای یکسان انجام می‌شوند، یعنی واحد شار همیشه وبر است، واحد مساحت مترمربع است و واحد چگالی شار تسلا است.

مثال مغناطش

پرسش: مقدار شار موجود در یک نوار مغناطیسی گرد ۰.۰۱۳ وبر است. اگر قطر ماده ۱۲ سانتی‌متر باشد، چگالی شار را محاسبه کنید.

پاسخ: سطح مقطع ماده مغناطیسی بر حسب مترمربع به صورت زیر به دست می‌آید:

شار مغناطیسی را داریم که برابر ۰.۰۱۳ وبر است پس چگالی شار به صورت زیر محاسبه می‌شود:

پس چگالی شار برابر با ۱.۱۵ تسلا است.

هنگام محاسبه نیروی مغناطیسی در مدارهای الکتریکی باید به خاطر داشته باشید که یک تسلا برابر است با چگالی یک میدان الکتریکی در صورتی که رسانای داشته باشید که یک امپر را در زوایای قائم بر میدان مغناطیسی منتقل می‌کند و نیروی یک نیوتن متر بر آن اعمال می‌شود.

جمع‌بندی

آهنربا یا مغناطیس را از مواد فرومغناطیسی می‌سازند که مواد دیگر و عمدتاً فلزات را جذب یا دفع می‌کنند. نیروی مغناطیسی نیرویی است که آهنرباها هنگام جذب یا دفع یکدیگر به هم اعمال می‌کنند. در کاربردهای علمی اغلب آهنرباهای طبیعی را باید نادیده گرفت زیرا خاصیت مغناطیسی آنها بسیار اندک است و امروزه آهنرباهای مصنوعی و صنعتی در اشکال، اندازه‌ها و قدرت‌های مغناطیسی مختلف برای مصارف گوناگون تولید می‌شوند.

هر ماده مغناطیسی خود یک میدان مغناطیسی تولید می‌کند که به درجه همسویی دامنه مغناطیسی در آن ماده بستگی دارد که توسط الکترون‌های چرخان در مدار ساخته می‌شود. درجه هم‌تراز شدن مولکول‌های آهنربایی را با کمیتی به نام «مغناطش» یا «قطبی‌سازی مغناطیسی» شناخته شده و با حرف M نمایش داده می‌شود. آیا این مقاله برای شما مفید بود؟ لطفاً نظر خود را در کامنت برای ما بنویسید.

منبع: Electronics

مترجم: بهناز دهکردی

در دنیای کسب‌وکار امروز، تحصیلات دانشگاهی برای حفظ ارزش شما به‌عنوان نیروی کار بااستعداد و کارآمد کافی نیستند. برای‌ اینکه مزیت رقابتی شخصی خود را حفظ کنید، باید بر آموزش مستمر و مادام‌العمر خود سرمایه‌گذاری کنید. خانواده بزرگ مجتمع فنی تهران هرساله به هزاران نفر کمک می‌کند تا در مسیر شغلی خود پیشرفت کنند.

اگر شاغل هستید و وقت ندارید در دوره‌های آموزشی حضوری شرکت کنید، مجتمع فنی تهران گزینه‌هایی عالی برای آموزش مجازی، آنلاین، آفلاین و ترکیبی ارائه می‌دهد. با شرکت در دوره‌های کوتاه‌مدت مجتمع فنی تهران و دریافت مدارک معتبر و بین‌المللی می‌توانید با اعتماد به نفس مسیر ترقی را طی کنید و در سازمان خود به مهره‌ای ارزشمند تبدیل شوید.

شناخت قطعات الکترونیکی (بخش نخست)