آهنربای الکتریکی نوعی آهنربا است که در میدان مغناطیسی توسط جریان الکتریکی تولید می شود. این آهنربا از یک سیم پیچ تشکیل شده که جریان عبوری از آن یک میدان مغناطیسی ایجاد می کند که در حفره داخلی ایجاد شده و به سمت مرکز سیم پیچ است.
با خاموش شدن جریان ، میدان مغناطیسی از بین می رود. در این آهنربا سیم ها اغلب در اطراف یک هسته مغناطیسی ساخته شده از یک ماده فرومغناطیسی مانند آهن پیچیده می شوند. هسته مغناطیسی شار مغناطیسی را متمرکز کرده و یک آهنربا قدرتمندتر می سازد.
مزیت اصلی آهنربا الکتریکی نسبت به آهنربا دائمی این است که می توان با کنترل میزان جریان الکتریکی در سیم پیچ ، میدان مغناطیسی را به سرعت تغییر داد. با این حال ، بر خلاف آهنربای دائمی که به هیچ نیرویی احتیاج ندارد ، آهنربای الکترومغناطیسی برای حفظ میدان مغناطیسی نیاز به جریان مداوم دارد. برای کسب اطلاعات بیشتر در این رابطه در ادامه مقاله با ما در نشریه جهان شیمی فیزیک همراه باشید.
تاریخچه تولید آهنربای الکتریکی
هانس کریستین ارستد دانشمند دانمارکی در سال ۱۸۲۰ کشف کرد که جریان های الکتریکی باعث ایجاد میدان های مغناطیسی می شوند. ویلیام استورجون ، دانشمند انگلیسی ، آهن ربای الکتریکی را در سال ۱۸۲۴ اختراع کرد.
اولین آهن ربای الکتریکی وی یک قطعه آهن نعل اسبی بود که با حدود ۱۸ دور سیم مس برهنه پیچیده شده بود (سیم عایق شده هنوز وجود نداشت). او آهن را روکش زده بود تا نسبت به سیم پیچ ها عایق بندی شود. با عبور جریان از سیم پیچ ، آهن مغناطیسی شده و سایر قطعات آهنی را به خود جلب می کرد. وقتی جریان متوقف می شد ، مغناطیس نیز از دست رفت. آهنرباهای استورجون ضعیف بودند زیرا سیم های غیرعایق بندی شده فقط می توانست لایه خارجی را پوشش دهد و همین مسئله تعداد دورها را کاهش می داد.
از سال ۱۸۳۰ ، جوزف هنری دانشمند آمریکایی به طور سیستماتیک مغناطیس الکتریکی را بهبود بخشید و رواج داد. وی با استفاده از سیم عایق بندی شده توسط نخ ابریشم و الهام گرفتن از شوایگر که از چندین دور سیم برای ساخت گالوانومتر استفاده کرده بود، توانست چندین لایه سیم را روی هسته ها بپیچاند و آهنرباهای قدرتمندی با هزاران دور سیم ایجاد کند که می توانست ۲،۰۶۳ پوند (۹۳۶ کیلوگرم) را تحمل کند. اولین استفاده عمده برای آهنرباهای الکتریکی در صدا دهنده های تلگراف بود.
تئوری حوزه مغناطیسی نحوه کار هسته های فرومغناطیسی اولین بار در سال ۱۹۰۶ توسط فیزیکدان فرانسوی پیر-ارنست ویس مطرح شد و نظریه مکانیکی کوانتومی مدرن فرومغناطیس در دهه ۱۹۲۰ توسط ورنر هایزنبرگ ، لو لاندو ، فلیکس بلوخ و دیگران ارائه شد.
کاربرد آهنربای الکتریکی چیست
این آهن ربا به طور گسترده ای به عنوان اجزای وسایل الکتریکی مانند موتورها ، ژنراتورها ، ابزار های الکترومکانیکی ، رله ها ، بلند گوها ، دیسک های سخت ، دستگاه های MRI ، ابزارهای علمی و تجهیزات جداسازی مغناطیسی استفاده می شود. آهن ربای الکتریکی در صنعت برای جمع آوری و جابجایی اجسام سنگین آهنی مانند قراضه آهن و فولاد استفاده می شود.
خطوط نیروی اطراف آهنربای الکتریکی چه شکلی است
میدان مغناطیسی که یک آهنربای الکتریکی تولید می کند قطب شمال و جنوب مشخصی دارد و شار مغناطیسی آن متناسب با جریانی است که از سیم پیچ عبور می کند.
بنابراین اگر دورهای سیم پیچ را افزایش دهیم ولی جریان را تغییر ندهیم شدت میدان مغناطیسی زیاد افزایش خواهد یافت. بنابراین مقدار شار موجود در هر مدار مغناطیسی با جریان و تعداد دورهای سیم پیچ متناسب است.
بنابراین نیروی محرکه مغناطیسی به صورت حاصل ضرب جریان (I) در تعداد دور سیم پیچ (N) تعریف می شود این رابطه به عنوان نیروی محرکه مغناطیسی یا mmf مشهور است و به صورت زیر تعریف می شود:
mmf=I×N
در این رابطه باید بدانید اگر دو رسانای حامل جریان در مجاورت هم قرار داشته باشند میدان های مغناطیسی بر اساس جهت جریان دو رسانا مشخص می شوند و بردار حاصل از دو میدان نیروی مکانیکی را به دو هادی وارد می کند. اگر جریان در دو هادی هم جهت باشد میدان بین آنها ضعیف خواهد بود و منجر به جاذبه می شود.
برعکس اگر جریان ها در جهت مخالف باشند میدان بین آنها تشدید شده و هادی ها یکدیگر را دفع می کنند. شدت این میدان در اطراف هادی متناسب با فاصله است و با دور شدن از آن کاهش می یابد.
شدت میدان مغناطیسی در یک آهنربای الکتریکی
بر اساس فرمول ارائه شده ، شدت میدان مغناطیسی (H) که به آن نیروی مغناطیس کننده نیز می گویند، برای یک هادی خط راست طویل حامل جریان ، متناسب با جریان موجود در هادی و فاصله از آن است.
لازم به ذکر است که شدت میدان مغناطیسی در یک سیم پیچ به تعداد دور سیم در سیم پیچ ، مقدار جریان عبوری از آن و جنس هسته بستگی دارد. موادی که به عنوان هسته در مرکز سیم پیچ استفاده می شوند اثر قابل ملاحظه ای بر شدت میدان مغناطیسی دارد.
مثلا اگر یک ماده غیر مغناطیسی مثل چوب استفاده شود برای محاسبه آن می توان آن را فضای آزاد فرض کرد چرا که نفوذپذیری مغناطیسی آن قابل چشم پوشی است ولی اگر هسته از مواد فرومغناطیس مانند آهن، نیکل و یا آلیاژی از این فلزات باشد، چگالی شار مغناطیسی اطراف سیم پیچ تغییرات قابل توجهی دارد.
نفوذپذیری یک آهنربای الکتریکی چگونه است
شدت ربایش در این آهنربا با نوع هسته بکار رفته در سیم پیچ در ارتباط است که ناشی از تعداد خطوط شاری است که از هسته مرکزی عبور می کند. اگر ماده مغناطیسی موجود در هسته نفوذ پذیری بالایی داشته باشد، تراکم خطوط شار بالا است. از نفوذپذیری(μ) به عنوان معیاری برای سنجش مغناطش هسته استفاده می شود.
ثابت نفوذپذیری خلأ، به صورت ۷- μ۰=۴π×۱۰ تعریف می شود. این ثابت، به عنوان یک مرجع در تمام محاسبات در نظر گرفته می شود. از آنجاییکه استفاده از مقدار مطلق نفوذ پذیری مغناطیسی برای هسته های آهنی، فولادی و یا آلیاژهای آنها نیازمند محاسبات طولانی است برای این مواد از نفوذ پذیری مغناطیسی نسبی استفاده می شود.
نفوذ پذیری نسبی (μr)، حاصل تقسیم نفوذ پذیری مطلق (μ) بر نفوذ پذیری خلأ (μ۰) است و به صورت زیر تعریف می شود:
این عدد برای خلأ ۱ است. موادی که نفوذ پذیری آنها اندکی کمتر از نفوذ پذیری خلأ است نسبت به میدان های مغناطیسی ، مغناطیس پذیری ضعیف و منفی دارند و به آنها دیامغناطیس گفته می شود. مواد با نفوذ پذیری اندکی بیشتر از خلأ پارامغناطیس نامیده می شوند.
فرومغناطیس به موادی گفته می شود که می توان آنها را مغناطیده کرد. استفاده از این مواد در مدار مغناطیسی باعث متمرکز شدن و چگال تر شدن شار در مرکز سیم پیچ و تقویت میدان مغناطیسی می شود.
روش ساخت آهنربای الکتریکی در خانه
شما به راحتی می توانید با پیچیدن سیم به دور یک میخ بزرگ از جنس آهن نرم و وصل کردن آن به باتری، آهنربای الکتریکی بسازید. اگر تعداد دور سیم پیچ را زیاد کنید آهنربای قوی تری خواهید داشت که اجسام را خیلی بیشتر جذب می کند.
تعیین قطب های آهنربای الکتریکی
قطبیت مغناطیسی، میدان مغناطیسی اطراف تقریباً هر جسم مغناطیسی را توصیف می کند. تقریباً هر آهنربایی دارای یک قطب شمال و یک قطب جنوب است که با میدان مغناطیسی زمین جهت گیری می کنند. میدان مغناطیسی اطراف زمین یکی از بزرگترین میدان های مغناطیسی شناخته شده برای انسان است. قطبیت مغناطیسی تقریباً هر جسم مغناطیسی دیگری روی زمین توسط این میدان مغناطیسی فراگیر تعیین می شود. بدون آن، احتمالا هیچ جرم مغناطیسی روی این سیاره وجود نخواهد داشت.
برای بررسی قطبیت مغناطیسی در مقیاس کوچکتر، آزمایشگر به طور کلی به دو آهنربای میله ای دوقطبی نیاز دارد که به سادگی آهنرباهایی با یک قطب شمال و یک قطب جنوب هستند. آهنرباهایی با قطب های مشخص شده معمولا بهترین کاربرد را دارند.
آزمایشگر باید یکی از آهن رباهای میله ای را به صورت عمودی روی سطح صافی قرار دهد که قطب جنوب به او نزدیک باشد. سپس او باید سعی کند دو قطب جنوبی آهنرباها را به هم فشار دهد و به نحوه دفع آنها توجه کند. این به این دلیل اتفاق می افتد که قطب های جنوبی آهن ربا هر دو انرژی می کشند و نمی توانند به هم بچسبند.
قطب های شمال نیز باید یکدیگر را دور کنند زیرا هر دو انرژی را به بیرون می راندند. قطبیت مغناطیسی در آهنرباهای میله ای به این ترتیب عمل می کند زیرا آنها با قطب های زمین جهت گیری می کنند. مشخص نیست که چرا مغناطیس در برخی از مواد رخ می دهد و در برخی دیگر رخ نمی دهد، اما زمانی که اتفاق می افتد، آهنرباها همیشه خود را با میدان مغناطیسی سیاره هماهنگ می کنند. نمونه ای از آن را می توان در قطب نماها نیز دید، زیرا آنها طوری طراحی شده اند که خود را با قطب شمال هماهنگ کنند. مهم نیست که نگهدارنده به چه جهتی است، سوزن روی قطب نما همیشه باید به سمت شمال باشد.
