فهرست مطالب:

• شار مغناطیسی
• چگالی شار مغناطیسی
• وبر
• نفوذپذیری
• نیروی محرکه مغناطیسی (mmf)
• آمپر دور
• شدت میدان
• رلوکتانس

برخی از فلزات و اکسیدهای فلزی توانایی جذب فلزات دیگر را دارند. این خاصیت مغناطیس نامیده می شود و موادی که این خاصیت را دارند آهن ربا نامیده می شوند. برخی از آهنرباها به طور طبیعی یافت می شوند در حالی که برخی دیگر باید ساخته شوند.

مغناطیس

مغناطیس نتیجه چرخش الکترون ها حول محور خود به دور هسته است

چرخش الکترون به دور هسته، میدان مغناطیسی تولید می کند

در مواد مغناطیسی، اتم ها دارای نواحی خاصی هستند که دامنه نامیده می شود. این حوزه ها به گونه ای در یک راستا قرار گرفته اند که الکترون های آنها تمایل دارند در یک جهت بچرخند.

دامنه های مغناطیسی

هم ترازی این حوزه ها منجر به تشکیل قطب های مغناطیسی در هر انتهای آهنربا می شود. این قطب ها را قطب شمال و قطب جنوب می نامند. قانون مغناطیس بیان می کند که قطب های همانند مغناطیسی یکدیگر را دفع می کنند و قطب های مخالف مغناطیسی یکدیگر را جذب می کنند.

قانون جذب و دافعه مغناطیسی

شار مغناطیسی

به گروهی از خطوط میدان مغناطیسی که از قطب شمال آهنربا به بیرون گسیل می شوند، شار مغناطیسی می گویند. نماد شار مغناطیسی Φ (ph) است.

واحد SI شار مغناطیسی وبر (Wb) است. یک وبر برابر است با 1x10⁸ خط میدان مغناطیسی.

مثال: اگر یک شار مغناطیسی (Φ) دارای 5000 خط باشد، تعداد وبرها را پیدا کنید.

Φ = 5000 lines / 1 x 10⁸  lines/Wb = 5 x 10^-6 Wb = 50 µ Wb

چگالی شار مغناطیسی

چگالی شار مغناطیسی مقدار شار مغناطیسی در واحد سطح یک مقطع، عمود بر جهت شار است.

معادله زیر نمایش ریاضی چگالی شار مغناطیسی است.

B = Φ / A

جایی که

Φ = شار مغناطیسی در وبر (Wb)
A = مساحت در متر مربع ( ^m2 )

نتیجه این است که واحد SI برای چگالی شار وبر بر متر مربع (Wb/m ²  ) است. یک وبر در هر متر مربع برابر است با یک تسلا.

مثال:   چگالی شار را در تسلا بیابید، زمانی که شار 800µWb و مساحت آن 0.004 متر مربع است ^.

Φ =800 µWb = 8×10^-4 Wb

A = 0.0004 m² =4 x 10^-4 m²

B = Φ / A = (8×10^-4 Wb) / (4 x 10^-4 m²) = 2 Wb/m²

مواد مغناطیسی:

مواد مغناطیسی موادی هستند که می توانند توسط آهنربا جذب یا دفع شوند و خود نیز می توانند مغناطیسی شوند. متداول ترین مواد مغناطیسی مورد استفاده آهن و فولاد هستند. آهنربای دائمی از یک ماده مغناطیسی بسیار سخت مانند فولاد کبالت ساخته شده است که با حذف میدان مغناطیسی، خاصیت مغناطیس خود را برای مدت طولانی حفظ می کند. آهنربای موقت ماده ای است که با حذف میدان مغناطیسی خاصیت مغناطیسی خود را حفظ نمی کند.

نفوذپذیری (µ):

به توانایی یک ماده برای متمرکز کردن خطوط مغناطیسی شار اشاره دارد. موادی که به راحتی می توانند مغناطیسی شوند دارای نفوذپذیری بالایی در نظر گرفته می شوند. نفوذپذیری نسبی نسبت نفوذپذیری یک ماده به نفوذپذیری خلاء (µo) است. نماد نفوذپذیری نسبی μR ₍ mu) است.

مواد مغناطیسی بر اساس خواص بسیار مغناطیسی فلز به دو دسته مغناطیسی یا غیر مغناطیسی طبقه بندی می شوند. از آنجایی که حتی مواد مغناطیسی ضعیف نیز ممکن است در برخی کاربردها کار مفیدی داشته باشند، طبقه بندی شامل سه گروهی است که در زیر توضیح داده شده است.

مواد فرومغناطیسی:

برخی از مواد فرومغناطیسی مورد استفاده عبارتند از آهن، فولاد، نیکل، کبالت و آلیاژهای تجاری آلنیکو و پرآلیاژ. فریت ها غیر مغناطیسی هستند، اما دارای خواص فرومغناطیسی آهن هستند. فریت ها از مواد سرامیکی ساخته می شوند و دارای نفوذپذیری نسبی هستند که بین 50 تا 200 متغیر است. آنها معمولاً در سیم پیچ ترانسفورماتورهای RF (فرکانس رادیویی) استفاده می شوند.

مواد پارامغناطیس:

اینها موادی مانند آلومینیوم، پلاتین، منگنز و کروم هستند. این مواد نفوذپذیری نسبی کمی بیشتر از یک دارند.

مواد دیامغناطیس:

موادی مانند بیسموت، آنتیموان، مس، روی، جیوه، طلا و نقره هستند. این مواد نفوذپذیری نسبی کمتر از یک دارند.

الکترومغناطیس

رابطه بین مغناطیس و جریان الکتریکی توسط یک دانشمند دانمارکی به نام اورستد در سال 1819 کشف شد. او دریافت که اگر جریان الکتریکی از یک هادی عبور کند، هادی میدان مغناطیسی را در اطراف آن رسانا ایجاد می کند.

میدان مغناطیسی تولید شده توسط جریان در یک رسانا

یک روش راحت برای تعیین رابطه بین جریان جریان از طریق یک هادی و جهت خطوط مغناطیسی نیرو در اطراف هادی، قانون دست چپ برای هادی های حامل جریان است، همانطور که در شکل بالا نشان داده شده است. فرد باید بررسی کند که قانون دست چپ برای مثال های نشان داده شده در زیر صادق است.

قانون دست چپ برای سیم حامل جریان

میدان مغناطیسی و قطبیت یک سیم پیچ

خم کردن یک هادی مستقیم به یک حلقه دو نتیجه دارد:

1. خطوط میدان مغناطیسی در داخل حلقه متراکم تر می شوند و
2. تمام خطوط داخل حلقه در یک جهت حرکت می کنند.

هنگامی که یک هادی به شکل چندین حلقه در می آید، به عنوان یک سیم پیچ در نظر گرفته می شود. برای تعیین قطبیت یک سیم پیچ، از قانون دست چپ برای سیم پیچ ها استفاده کنید.

قانون دست چپ برای سیم پیچ ها

افزودن یک هسته آهنی در داخل یک سیم پیچ، چگالی شار را افزایش می دهد. قطبیت هسته آهنی مانند سیم پیچ خواهد بود. جریان از سمت منفی منبع ولتاژ از طریق سیم پیچ جریان پیدا کرده،  و به سمت مثبت منبع بر میگردد.

قانون دست چپ برای یافتن قطب شمال یک الکترومغناطیس

نیروی حرکتی مغناطیسی

نیروی محرکه مغناطیسی (mmf) قدرت میدان مغناطیسی در یک سیم پیچ است. این بستگی به میزان جریان در پیچ های سیم پیچ دارد: هر چه جریان بیشتر باشد، میدان مغناطیسی قوی تر است. هرچه دور سیم بیشتر باشد، خطوط نیرو متمرکزتر می شوند. تعداد دفعات تعداد دور سیم پیچ در واحدهایی به نام "Ampere-turns" (At) بیان می شود که به عنوان mmf نیز شناخته می شود.

معادله زیر نمایش ریاضی آمپر دور(At) است.

F_m = ampere-turns = NI

جایی که

F_m = magnetomotive force (mmf)
N = number of turns
I = current

مثال: دورهای آمپر را برای یک سیم پیچ با 1000 دور و جریان 5 میلی آمپر محاسبه کنید.

N = 1000 turns and I=5mA

جایگزین N = 1000 دور و I=5×10 -3

NI = 1000 (5 x 10 -3 ) = 5 At

شدت میدان

هنگامی که یک سیم پیچ با تعداد معینی آمپر-دور تا دو برابر طول آن کشیده می شود، شدت میدان مغناطیسی یا تمرکز خطوط مغناطیسی آن نصف خواهد بود. بنابراین، شدت میدان به طول سیم پیچ بستگی دارد.

معادله زیر نمایش ریاضی شدت میدان میباشد ، همانطور که نشان داده شده مربوط به نیروی مغناطیسی حرکتی است.

جایی که

H = شدت میدان، At/m
NI = چرخش آمپر (At)
L = طول بین قطب های سیم پیچ (m)
F _m = نیروی حرکتی مغناطیسی (mmf)

مثال 1: شدت میدان یک سیم پیچ 80 دور، 20 سانتی متر، با جریان 6 آمپر را بیابید.

راه حل: N = 80، I = 6A، و NI = 480 At

H = 480 At / 0.2 m = 2400 At/m

مثال 2: اگر قرار باشد همان سیم پیچ در مثال 1 تا 40 سانتی متر کشیده شود و طول سیم و جریان ثابت باقی بماند، مقدار جدید شدت میدان را پیدا کنید.

راه حل: N = 80، I = 6A، و NI = 480 At

H = 480 At / 0.4 m = 1200 At/m

مثال 3: سیم پیچ 20 سانتی متری مورد استفاده در مثال 1 با همین جریان اکنون به دور یک هسته آهنی به طول 40 سانتی متر پیچیده شده است. شدت میدان را پیدا کنید.

راه حل: N = 80، I = 6A، و NI = 480 At

H = 480 At / 0.4 m = 1200 At/m

توجه داشته باشید که شدت میدان برای مثال های 2 و 3 یکسان است.

اشکال فیزیکی مختلف الکترومغناطیس ها

رلوکتانس

مخالفت با تولید شار در یک ماده را رلوکتانس می نامند که با مقاومت یک هادی (R) مطابقت دارد. نماد رلوکتانس R است و دارای واحد آمپر دور در وبر (At/wb) است.

رلوکتانس به نیروی مغناطیسی، mmf، و شار، Φ، با رابطه نشان داده شده در معادله زیر مرتبط است.

R = mmf / Φ

رلوکتانس با نفوذپذیری (µ) نسبت معکوس دارد. هسته های آهنی دارای نفوذپذیری بالا و در نتیجه رلوکتانس کم هستند. هوا دارای نفوذپذیری کم و در نتیجه رلوکتانس زیاد است.

به طور کلی، انواع مختلف مواد دارای مقادیر متفاوتی از رلوکتانس هستند . شکاف هوایی ، فاصله هواییبین دو قطب آهنربا است. از آنجایی که هوا دارای رلوکتانس بسیار بالایی است، اندازه شکاف هوا بر مقدار رلوکتانس تأثیر می گذارد: هر چه فاصله هوایی کوتاه تر باشد، میدان در شکاف قوی تر است. هوا غیر مغناطیسی است و خطوط مغناطیسی را متمرکز نمی کند. شکاف هوایی بزرگتر تنها فضایی را برای گسترش خطوط مغناطیسی فراهم می کند.

خلاصه

اطلاعات مهم موجود در مقاله به صورت زیر خلاصه شده است.

• شار مغناطیسی - گروهی از خطوط میدان مغناطیسی که از قطب شمال یک آهنربا به بیرون گسیل می شوند.
• چگالی شار مغناطیسی - مقدار شار مغناطیسی در واحد سطح یک مقطع، عمود بر جهت شار
• وبر - اندازه گیری شار مغناطیسی
• نفوذپذیری - توانایی یک ماده برای متمرکز کردن خطوط مغناطیسی شار
• مواد فرومغناطیسی - آهن، فولاد، نیکل، کبالت و آلیاژهای تجاری با نفوذپذیری نسبی بین 50-200
• مواد پارامغناطیس - آلومینیوم، پلاتین، منگنز و کروم با نفوذپذیری نسبی کمی بیشتر از یک
• مواد دیامغناطیس - بیسموت، آنتیموان، مس، روی، جیوه، طلا و نقره با نفوذپذیری نسبی کمتر از یک
• نیروی محرکه مغناطیسی (mmf) - قدرت میدان مغناطیسی در یک سیم پیچ وابسته به جریان عبوری از سیم پیچ
• آمپردور - جریانی که از یک سیم پیچ می گذرد، برابر تعداد دورهای سیم پیچ است
• شدت میدان - چگالی شار مغناطیسی را در واحد طول یک سیم پیچ مشخص می کند
• رلوکتانس - مخالفت با تولید شار در یک ماده