آهنربا چيست ؟

آهن‌ربا معمولا از آهن يا فولاد ساخته مي‌شود. البته سنگ‌هايي نيز وجود دارند كه خاصيت مغناطيسي دارند. اين سنگ‌ها هميشه به سمت شمال يا جنوب مي‌ايستند و قديم از اين سنگ‌ها در سفرهاي دور و دراز براي جهت‌يابي استفاده مي‌كردند. آهن‌ربا نيز همين‌طور است و اگر بتواند آزادانه نوسان كند، به سمت شمال يا جنوب ثابت مي‌شود و به همين جهت هست كه دو انتهاي يك آهن‌ربا را قطب شمال و قطب جنوب مي‌نامند.
اگر بخواهيد قطب‌هاي شمال دو آهن‌ربا را به هم نزديك كنيد، احساس مي‌كنيد كه نيرويي آن دو را از يكديگر دور مي‌سازد. همين‌طور قطب‌هاي جنوب دو آهن‌ربا نيز يكديگر را دفع مي‌كنند.اما اگر قطب شمال يك آهن‌ربا را به قطب جنوب آهن‌ربا ديگر نزديك كنيد، مي‌بينيد كه دو آهن‌ربا به سمت هم كشيده مي‌شوند و قطب‌هاي شمال و جنوب آهن‌ربا يكديگر را جذب مي‌كنند. اين كشش و جاذبه بسيار قوي است و گاهي
اوقات جداكردن دو آهن‌ربا از يكديگر كار بسيار مشكلي است.پس بنابراين قطب‌هاي همنام يا همانند، يكديگر را دفع مي‌كنند و قطب‌هاي غيرهمنام يا متفاوت يكديگر را جذب مي‌كنند.آهن‌ربا بعضي از مواد را به طرف خود مي‌كشد و آن موادي است كه خاصيت آهن‌ربايي داشته باشند؛ مثل سنجاق، سكه، گيره كاغذ، قيچي، ميخ، سوزن و چيزهايي كه فلزي باشد.آهن‌رباها به شكل‌هاي مختلفي ساخته مي‌شوند. گاهي وقت‌ها به شكل مستطيل و بعضي‌وقت‌ها به شكل نعل اسب و يا ميله‌اي است و با دو رنگ، قطب شمال و جنوب آن مشخص مي‌شود.
از آهن‌ربا در جاهاي زيادي استفاده مي‌شود؛ به عنوان نمونه، يخچال از فولاد درست شده و به در فولادي يخچال يك آهن‌ربا چسبيده است كه باعث مي‌شود در يخچال بسته بماند و در وسايلي كه براي تزئين و زيبايي به در يخچال مي‌چسبانند، پشتش يك آهن‌ربا چسبيده است و اين باعث مي‌شود به در فولادي يخچال بچسبد.گاهي اوقات هم براي جمع‌آوري فلزات از آهن‌ربا استفاده مي‌شود. وقتي آهن يا فولاد به يك آهن‌ربا مي‌چسبد، خودش هم يك آهن‌ربا مي‌شود. اولين گيره كاغذ كه به آهن‌ربا مي‌چسبد، گيره دومي را آهن‌ربا مي‌كند و هر قدر كه آهن‌ربا قوي‌تر باشد گيره‌هاي بعدي نيز خاصيت آهن‌ربا را پيدا مي‌كنند و اين گيره‌ها به هم مي‌چسبند.يك نكته جالب درباره آهن‌ربا اين است كه اگر يك فلزي را به آهن‌ربا مدتي بكشيم، آن فلز يك آهن‌ربا مي‌شود و براحتي مي‌تواند يك گيره فلزي را بلند كند.

انواع آهنربا :

اساس کار تمام آهنرباها يکسان است، اما به دليل کاربرد در دستگاههاي مختلف ، آرايش و صنعت ، آن را به اشکال و اندازه‌هاي گوناگون مي سازند، و لذا انواع آن از لحاظ شکل عبارتند از :
• تيغهاي
• ميلهاي
• نعليشکل
• استوانهاي
• حلقهاي
• کروي
• پلاستيکي
• سراميکي و ...

سير تحولي و رشد :

انسانهاي اوليه به سنگهايي برخورد کردند که قابليت جذب آهن را داشتند. معروف است که ، نخستين بار ، شش قرن قبل از ميلاد مسيح ، در شهر باستاني ماگنزيا واقع در آسياي صغير «ترکيه امروزي) ، يونانيان به اين سنگ برخورد کردند. بنابراين بخاطر نام محل پيدايش اوليه ، نام اين سنگ را ماگنتيت يا مغناطيس گذاشتند که ترجمه فارسي آن آهنربا مي باشد. سنگ مذکور از جنس اکسيد طبيعي آهن با فرمول شيميايي Fe3O4 مي باشد.
بعدها ملاحظه گرديد که اين سنگ در مناطق ديگر کره زمين نيز وجود دارد. پديده مغناطيس همراه با کشف آهنرباي طبيعي مشاهده شده است. با پيشرفت علوم مختلف و افزايش اطلاعات بشر در زمينه مغناطيس ، انواع آهنرباهاي طبيعي و مصنوعي ساخته شد. امروزه از آهنربا در قسمتهاي مختلف مانند صنعت ، دريانوردي و ... استفاده مي گردد.

منشا پيدايش :

کهربا شيرهاي است که مدتها پيش از بعضي از درختان مانند کاج که چوب نرم دارند، بيرون تراويد. و در طي قرنها سخت شده و بصورت جسم جامدي نيم شفاف در آمده است. کهربا به رنگهاي زرد تا قهوهاي وجود دارد. کهرباي صيقل داده شده سنگ زينتي زيبايي است و گاهي شامل بقاياي حشرههايي است که در زمانهاي گذشته در شيره چسبناک گرفتار شده اند.
يونانيان باستان خاصيت شگفت انگيز کهربا تشخيص داده بودند. اگر کهربا را به شدت به پارچهاي مالش دهيم اجسامي مانند تکه هاي کاه يا رانههاي گياه را که نزديک آن باشد جذب ميکند. اما سنگ مغناطيس يک ماده معدني است که در طبيعت وجود دارد. نخستين توصيف نوشته شده از کاربرد سنگ مغناطيس به عنوان يک قطب نما در دريانوردي در کشورهاي غربي ، مربوط به اواخر قرن دوازدهم ميلادي است. ولي خواص اين سنگ خيلي پيش از آن در چين شناخته شده بود.

حوزه عمل :

آهنربا به طور مستقيم و غير مستقيم در زندگي روزانه بشر موثر است و به جرات مي توان گفت که اگر اين خاصيت نبود زندگي بشر امروزي با مشکل مواجه مي شد. از جمله وسايلي که در ساختمان آن از خاصيت آهنربايي استفاده شده است، مي توان به يخچال ، قطب نما ، کنتور برق ، انواع بلندگوها ، موتورهاي الکتريکي (مانند کولر ، پنکه ، لوازم خانگي و ...) ، وسايل اندازه گيري الکتريکي مانند ولت سنج ، آمپر سنج و ... اشاره کرد.

آيا آهنربا بغير از آهن ، اجسام ديگري را جذب مي کند؟

بعد از پيدايش آهنربا ، دانشمندان به اين فکر افتادند که آيا آهنربا غير از آهن ، اجسام ديگري را نيز مي تواند جذب کند. پس از بررسيها و مطالعات مختلف ، سرانجام مشخص شد که آهنربا در عنصر ديگر به نامهاي نيکل و کبالت را نيز مي تواند جذب کند. بر اين اساس به سه عنصر آهن ، کبالت ، نيکل و آلياژهاي آنها که توسط آهنربا جذب مي گردد، مواد مغناطيسي مي گويند. بديهي است که ساير مواد را که فاقد اين خاصيت است، مواد غير مغناطيسي مي گويند.

آهنرباي الکتريکي

آهنرباي دائمي با کيفيت بالا کاربردهاي بسيار زياد و مهمي در علم و انقلاب تکنولوژيک ، مثلا در اسبابهاي اندازه گيري الکتريکي دارند. ولي ميدانهايي که توسط آنها ايجاد مي‌شود خيلي قوي نيست، اگر چه آلياژهاي مخصوصي که اخيرا بدست آمده‌اند داشتن آهنرباي دائمي قوي که خواص مغناطيسي خود را براي مدت مديدي حفظ کنند امکان پذير ساخته است. از جمله اين آلياژها ، مثلا فولاد-کبالت است که شامل حدود 50% آهن ، 30% کبالت و مخلوطهايي از تنگستن ، کروم و کربن است.
عيب ديگر آهنرباي دائمي اين است که القاي مغناطيسي آنها نمي‌تواند به سرعت تغيير کنند. از اين نظر ، سيملوله‌هاي حامل جريان (آهنرباهاي الکتريکي) بسيار مناسبند. زيرا با تغيير جريان در سيم پيچ سيملوله مي‌توان ميدان آنها را به آساني تغيير داد. با قرار دادن هسته آهني داخل سيملوله ، ميدان آن را مي‌توان صدها هزار بار افزايش داد. بيشتر آهنرباهاي الکتريکي که در مهندسي بکار مي‌روند چنين ساختماني دارند.

ساخت آهنرباي الکتريکي ساده

آهنرباي الکتريکي ساده را مي‌توان در منزل ساخت. کافي است که چندين دور سيم عايق شده‌اي را بر يک ميله آهني (پيچ يا ميخ ، بپيچانيم و دو انتهاي سيم را به يک منبع dc نظير انبار ، يا پيل گالواني وصل کنيم. بهتر است آهن ابتدا تابکاري شود، يعني ، تا دماي سرخ شدن داغ شود. مثلا در کوره گرم و سپس به آرامي سرد شود. سيم پيچ بايد توسط رئوستايي با مقاومت 1W تا 20W به باتري وصل شود، بطوري که جريان مصرف شده از باتري خيلي شديد نباشد. گاهي آهنرباهاي الکتريکي شکل نعل اسب را دارند که براي نگه داشتن بار بسيار مناسبترند.

ساختار آهنرباي الکتريکي

ميدان پيچه با هسته آهني بسيار قويتر از پيچه بدون هسته است، زيرا آهن درون پيچه شديدا مغناطيده و ميدان آن بر ميدان پيچه منطبق است. ولي ، هسته‌هايي آهني که در آهنرباهاي الکتريکي براي تقويت ميدان بکار مي‌روند، فقط تا حدود معيني مقرون به مساحت‌اند. در واقع ، ميدان آهنرباهاي الکتريکي عبارت است از برهمنهي ميدان حاصل از سيم ‌پيچ حامل جريان و ميدان هسته مغناطيده ، براي جريانهاي ضعيف ، ميدان دوم به مراتب قويتر از ميدان اولي است.
وقتي که ميدان در سيم پيچ افزايش مي‌يابد، ابتدا اين دو ميدان به يک ميزان معيني متناسب با جريان افزايش مي‌يابند، بطوري که نقش هسته تعيين کننده مي‌ماند. ولي ، با افزايش بيشتر جرياني که از سيم پيچ مي‌گذرد، مغناطش آهن کند مي‌شود و آهن به حالت اشباع مغناطيسي نزديک مي‌شود. وقتي که عملا تمام جريانهاي مولکولي موازي شدند، افزايش بيشتر جرياني که از سيم ‌پيچ مي‌گذرد نمي‌تواند چيزي بر مغناطش آهن اضافه کند، در حالي که ميدان سيم‌ پيچ به زياد شدن متناسب با جريان ادامه مي‌دهد.
هرگاه جريان شديد از سيم‌ پيچ (براي دقت بيشتر ، در لحظه‌اي که تعداد آمپر ـ دورها در متر به 106 نزديک مي‌شود.) بگذارند، ميدان حاصل از سيم ‌پيچ بسيار قويتر از ميدان هسته آهني اشباع شده مي‌شود. بطوري که هسته عملا بي‌فايده مي‌شود و فقط ساختمان آهنرباي الکتريکي را پيچيده مي‌کند. به اين دليل ، آهنرباهاي الکتريکي ، پر قدرت بدون هسته آهني ساخته مي‌شوند.

آهنرباي الکتريکي پر قدرت

تهيه آهنرباهاي الکتريکي پرقدرت مسأله انقلاب تکنولوژيک بسيار پيچيده‌اي است. در واقع ، براي اينکه بتوانيم جريانهاي بزرگي را بکار بريم، سيم‌پيچها بايد از سيم کلفتي ساخته شوند. در غير اين صورت ، سيم‌ پيچ شديدا گرم و حتي گداخته مي‌شود. گاهي بجاي سيم از لوله‌هاي مسي استفاده مي‌شود، که در آن جريان نيرومند آب براي خنک کردن سريع ديواره‌هاي لوله که جريان از آن مي‌گذرد گردش مي‌کند. ولي با سيم ‌پيچي که از سيم کلفت يا لوله ساخته شده است داشتن تعداد زيادي دور در واحد طول ناممکن است.
از طرف ديگر ، استفاده از سيم نازک تعداد دورهاي زيادي را در واحد متر ممکن مي‌سازد، نمي‌گذارد تا جريانهاي زياد را بکار بريم. پيشرفت زيادي را در ايجاد ميدانهاي مغناطيسي بدست آمده به بهره گيري از ابررسانا‌ها در سيم پيچهاي مغناطيسها مربوط مي‌شود، که بکار بردن جريانهاي شديد را مقدور مي‌سازد.

تکنيک کاپيتزا

کاپيتزا (P.L. kapitza) فيزيکدان شوروي سابق راه هوشمندانه‌اي را براي بيرون آمدن از اين وضع پيشنهاد کرد. او جريانهاي عظيم 104 آمپر را براي مدت بسيار کوتاهي حدود 0.01 s از سيملوله‌اي گذرانيد. در اين مدت ، سيم ‌پيچ سيملوله خيلي شديد گرم نشد، در حالي که ميدانهاي مغناطيسي کوتاه مدت شديدي بدست آمده بودند.
البته او وسايل خاصي را ترتيب داد که براي ثبت نتايج آزمايشهايي که در آنها اثر ميدان مغناطيسي پرقدرت حاصل در سيملوله براي اجسام گوناگون مورد بررسي قرار مي‌گرفتند. در اغلب کاربردهاي فني ، تعداد آمپر ـ دورها در سيم ‌پيچهاي آهنرباهاي الکتريکي ميدانهاي نسبتا شديد مي‌توان بدست آورد (با القاي چند تسلا).

کاربرد آهنرباي الکتريکي
نيروي آهنربايي :

نيرويي که در آهنربايي با آن اجسام آهني را جذب مي‌کند با افزايش فاصله بين آهنربا و آهن به تندي کاهش مي‌يابد. به اين دليل ، نيروي بالابرنده آهنرباي الکتريکي ، معمولا با نيرويي معين مي‌شود که بر آهن واقع در مجاورت بلافصله خود وارد مي‌کند. به عبارت ديگر ، نيروي بالابرنده يک آهنربا مساوي نيرويي است که براي جدا کردن آن تکه تميزي از آهن صاف که جذب آن شده لازم است.

آهنرباي دائمي

آهنرباي دائم به اختصار PM1 خوانده مي‌شود و قطعه‌اي از فولاد سخت و يا ديگر مواد مغناطيسي که تحت اثر ميدانهاي شديد ، مغناطيس شده و اين اثر را براي مدت طولاني در خود حفظ مي‌کنند. اثر آهنربايي اولين بار ، روي قطعه‌هايي از سنگ معدن آهن ، به نام آهنرباي طبيعي يا معدني در طبيعت مشاهده شد و ديدند که قطعات آهن را به خود جذب مي‌کند.
بعدا دريافتند که چنانچه قطعه درازي از اين سنگ آهن مغناطيسي معدن را ، بطور معلق در هوا نگهدارند اين قطعه دراز خود را در امتدادي قرار مي‌دهد که يک انتهايش به طرف قطب شمال زمين قرار دارد و اين انتهاي ميله آهن مغناطيس دار را قطب شمال و سر ديگر آن را قطب جنوب ناميدند. چنين قطعه سنگ معدن آهن ، آهنرباي ميله‌اي ناميده شد.

نظريه اول آهنربايي

هر آهنربا از تعدادي ذره آهنربايي تشکيل شده است. وقتي يک قطعه آهن ، آهنربا نيست، ذرات آهنربايي بطور پراکنده و دلخواه داخل آن قرار دارند و وقتي ذرات داخل آهن در امتدادي منظم قرار گيرند، اثرات مغناطيسي آنها باهم جمع شده و آن آهن ، آهنربا مي‌شود.

نظريه دوم آهنربايي

خاصيت آهنربايي به الکترونها وابسته است. الکترون داراي يک نيروي دوار در اطراف خود مي‌باشد و وقتي مدارهاي الکترونها در امتداد ميله آهن طوري قرار گيرند که دايره‌هاي نيرو با يکديگر جمع شوند، ميله آهني ، آهنربا مي‌شود. در طبيعت از نقطه نظر تغييرات چگالي فلوي مغناطيسي (B) بر حسب جريان (I) مي‌توان مواد را به دو دسته تقسيم نمود:
1. مواد غير مغناطيسي: از اين مواد مي‌توان پلاستيک و ميکا و عايقهاي جريان الکتريکي را نام برد. در اين مواد ، نفوذ پذيري مغناطيسي عددي ثابت است و مقدار آن را µ?= 4?×10-7 فرض مي‌کنيم.
2. مواد مغناطيسي: مواد مغناطيسي که به مواد فرومغناطيسي نيز معروفند جزء گروه آهن به شمار مي‌روند. در اين مواد با جريان مفروض I چگالي شار (B) افزونتري نسبت به فضاي آزاد شکل مي‌گيرد و منحني B-I اين مواد غير خطي است. مواد مغناطيسي خود به دو گروه تقسيم بندي مي‌شوند:
• مواد فرومغناطيسي نرم: که آنها خطي کردن تغييرات B بر حسب I (منحني B-I) امکان پذير است، از تقريب خوبي برخوردار مي‌باشد و در اين مواد ، B بخاطر I حاصل مي‌شود.
• مواد فرومغناطيسي سخت: که از اينگونه مواد براي ساخت مغناطيس دائم استفاده مي‌شود. در اين مواد B بخاطر دو عامل جريان (I) و خاصيت مغناطيس شوندگي ماده (M) بروزمي کند. اين مواد در اثر ميدانهاي شديد ، مغناطيس شده و اين اثر را تا مدت طولاني خود حفظ مي‌کنند.
مواد مغناطيسي براي مقاصد خاص نيز ساخته مي‌شوند، بطوري که طي سي سال گذشته چند ماده مغناطيسي جديد ساخته شده که مشخصات لازم براي ايجاد يک آهنرباي دائم خوب را دارا هستند. آهنرباي دائم خوب ، از ماده‌اي است که تا حد امکان شار باقيمانده (يا چگالي شار باقيمانده) بزرگي داشته باشند. عمده اين مواد فريتها (مواد مغناطيسي سراميکي) و مواد مغناطيسي خاک کمياب هستند.

انواع آهنرباي دائم

سه نوع آهنرباي دائم که داراي کاربرد فراوان هستند به شرح زيرند:

آهنرباي آلنيکو

آلنيکو از ابتداي نام سه عنصر آلومينيوم ، نيکل و کبالت گرفته شده است. اين آلياژ که عمدتا از فلزات آهن و آلومينيوم و نيکل و کبالت ساخته مي‌شود، قابليت پذيرش نيروي مغناطيسي بالايي و به منظور ساختن آهنرباي دائم بلندگوها و لامپهايي با حوزه مغناطيسي و در سروموتورهاي DC2 پيشرفته استفاده مي‌شود.

معمولا در آخر اسم "آلنيکو" حرفي اضافه مي‌گردد که مشخص کننده قدرت آهنربا است. فرضا "آلنيکوv" قويترين آهنرباي دائم نسبت به "آلنيکوها" است و معمولا آهنرباي "آلنيکو" را به صورت طولي مغناطيس مي‌کنند و سپس مورد استفاده قرار مي‌دهند. منظور از مغناطيس کردن طولي اين است که دو قطب S و N در طول جسم قرار مي‌گيرند.

آهنرباي فريت

اين آهنربا را آهنرباي سراميک نيز مي‌نامند. اين آهنرباي دائم از ترکيب مواد ذوب شده نوعي چيني و پودر ماده مغناطيسي ساخته مي‌شود. اين آهنربا چون پودر پس ماند مغناطيسي و نيروي خنثي کننده زيادي دارد، آن را به صورت عرضي مغناطيسي مي‌کنند. منظور از مغناطيس کردن عرضي ، قرار گرفتن دو قطب S و N در عرض جسم است و چون چگالي شار (B) اين آهنرباي دائم کم است براي جبران چگالي شار زياد، آن را دراز مي سازند.
چون هزينه ساخت اين آهنربا کم بوده و مواد اوليه آن به ارزاني قابل تهيه است، بطور گسترده مورد استفاده قرار مي‌گيرد. نامگذاري آهنرباي فريت با توجه به نوع عنصري که در ساخت آهنربا از آن استفاده شده است صورت مي‌گيرد. مثل فريت استرونيتام و يا فريت باريم.

آهنرباي سارماريوم - کبالت

عنصر اصلي اين آهنرباي دائم عنصر ساماريوم با علامت اختصاري Sm و عدد اتمي 62 است. چون اين آهنرباي کمياب (به دليل عنصر تشکيل دهنده کمياب ساماريوم) داراي پس ماند مغناطيسي و خنثي کننده خيلي زيادي است، به همين دليل مي‌تواند شدتي به مراتب بزرگتر از آهنرباي دائم معمولي داشته باشد. به عنوان مثال در يک طول و مساحت برابر ، چگالي شار (B) اين آهنربا دو برابر آهنرباي سراميک است.
هزينه توليد اين آهنربا قابل ملاحظه است و به همين دليل آن را کم قطر مي‌سازند. چون شدت مغناطيسي اين آهنربا بالا است، لذا از چنين آهنربايي که در ابعاد کوچک و وزن کمتر شدت مغناطيسي خوبي دارد در ساعتهاي الکترونيکي و لامپهاي ماگنترون و تجهيزات نظامي و سروموتورها هواپيما استفاده مي‌کنند. به اين ترتيب روز به روز دامنه کاربرد اين آهنربا رو به افزايش است.

آهنرباي الکتريکي با نيروي بالا برندگي زياد :

براي بدست آوردن آهنرباي الکتريکي با نيروي بالا برنده تا حد امکان زياد ، بايد سطح تماس بين قطبهاي آهنربا و جسم آهني جذب شده (معروف به جوشن) را افزايش داد، و سعي کرد تا تمام خطوط ميدان مغناطيسي فقط از آهن بگذرد، يعني تمام فواصل هوا يا شکاف‌هاي بين جوشن و قطب‌هاي آهنربا حذف شوند. براي اين منظور بايد سطوح قوه تغذيه مي‌شود مي‌تواند باري به جرم 80 تا 100Kg را نگه دارد.

کاربرد آهنرباهاي الکتريکي با نيروي بالا برندگي زياد :

از آهنرباهاي با نيروي بالابرهاي بزرگ در مهندسي براي مقاصد گوناگوني استفاده مي‌شود. مثلا ، جرثقيلهايي که با آهنرباي الکتريکي کار مي‌کنند، در کارخانه‌هاي استخراج فلز و فلزکاري براي حمل تکه‌هاي آهن يا ادوات که بايد روي آن آشکار شود جذب آهنرباي الکتريکي نيرومندي مي‌شود. کافي است که جريان را وصل کنيم تا جسم در هر وضعي بر ميز کار ثابت شود، يا جريان را قطع کنيم تا جسم رها شود.
براي جدا کردن مواد مغناطيسي از اجسام غير مغناطيسي ، نظير جداسازي سنگ‌آهن از کلوخ «جداسازي مغناطيسي) ، جدا کننده‌هاي مغناطيسي به کار مي‌روند، که در آنها ماده‌اي که بايد تصفيه شود از ميدان مغناطيسي نيرومند آهنرباي الکتريکي مي‌گذرند. اين ميدان تمام ذرات مغناطيسي را از ماده جدا مي‌کند.

آهنرباي الکتريکي پيشرفته :

اخيرا آهنرباهاي الکتريکي پرقدرت با سطوح عظيم قطبها کاربردهاي مهمي در ساختمان شتابدهنده‌ها يافته‌اند، يعني وسايلي که در آنها ذرات باردار الکتريکي الکترونها و پروتونها) تا سرعتهاي بسيار بالايي که به انرژي 108 تا 109 الکترون ولت مربوطند، شتاب داده مي شوند. باريکه هايي از چنين ذرات که با سرعت بسيار زيادي حرکت مي‌کنند ابزار عمده اي براي بررسي ساختار اتمي‌اند. آهنرباهايي که در اين وسايل به کار مي‌روند حجم‌هاي عظيمي دارند.

آهنرباهاي الکتريکي با قطب هاي مخروط ناقص :

وقتي که لازم باشد ميدان مغناطيسي بسيار نيرومندي را فقط در ناحيه کوچکي بدست مي‌آوريم، آهنرباهاي الکتريکي با قطب‌هايي به شکل مخروط ناقص به کار مي‌روند. آن گاه در فضاي کوچک بين آنها ميداني با القاي مغناطيسي با 5T را مي‌توان به آساني به دست آورد. چنين آهنرباهاي الکتريکي‌اي عمدتا در آزمايشگاه‌هاي فيزيک براي آزمايش‌هايي با ميدان مغناطيسي نيرومند به کار مي روند.

کاربردهاي پزشکي آهنرباهاي الکتريکي :

انواع ديگر آهنرباي الکتريکي نيز براي مقاصد خاصي طراحي شده اند. مثلا ، پزشک‌ها براي خارج کردن براده‌هاي آهن که تصادفي وارد چشم شده باشند از آهنرباي الکتريکي استفاده مي‌کنند. براي خارج ساختن سوزن و ساير اشيا تيز فرو رفته در پا و ساير اعضاي بدن از آهنرباها استفاده مي‌شود.

مغناطيس

علم مغناطيس از اين مشاهده که برخي سنگها (ماگنتيت) تکه‌هاي آهن را جذب مي کردند سرچشمه گرفت. واژه مغناطيس از ماگنزيا يا واقع در آسياي صغير ، يعني محلي که اين سنگها در آن پيدا شد، گرفته شده است. زمين به عنوان آهنرباي دائمي بزرگ است که اثر جهت دهنده آن بر روي عقربه قطبهاي آهنربا ، از زمانهاي قديم شناخته شده است. در سال 1820 اورستد کشف کرد که جريان الکتريکي در سيم نيز مي‌تواند اثرهاي مغناطيسي توليد کند، يعني مي‌تواند سمت گيري عقربه قطب نما را تغيير دهد.
در سال 1878 رولاند (H.A.Rowland) در دانشگاه جان هاپکينز متوجه شد که يک جسم باردار در حال حرکت (که آزمايش او ، يک قرص باردار در حال دوران سريع) نيز منشاأ اثرهاي مغناطيسي است. در واقع معلوم نيست که بار متحرک هم ارز جريان الکتريکي در سيم باشد. جهت مطالعه زندگينامه علمي رولاند فيزيکدان برجسته آمريکايي به کتاب زير مراجعه شود:
Phusics by John D.Miller,Physics
Today , July 1976Rowland،s البته دو علم الکتريسيته و مغناطيس تا سال 1820 به موازات هم تکامل مي يافت اما کشف بنيادي اورستد و ساير دانشمندان سبب شد که الکترومغناطيس به عنوان يک علم واحد مطرح شود. براي تشديد اثر مغناطيسي جريان الکتريکي در سيم مي‌توان را به شکل پيچه‌اي با دورهاي زياد در آورد و در آن يک هسته آهني قرار داد. اين کار را مي‌توان با يک آهنرباي الکتريکي بزرگ ، از نوعي که معمولا در پژوهشگاههاي براي کارهاي پژوهشي مربوط به مغناطيس بکار مي‌رود، انجام داد.

تولد ميدان مغناطيسي

دومين ميداني که در مبحث الکترومغناطيس ظاهر مي شود، ميدان مغناطيسي است. اين ميدانها و به عبارت دقيقتر آثار اين ميدانها از زمانهاي بسيار قديم ، يعني از همان وقتي که آثار مغناطيسهاي طبيعي سنگ آهنربا (Fe3O4 يا اکسيد آهن III) براي اولين بار مشاهده شد، شناخته شده‌اند. خواص شمال و جنوب يابي اين ماده تاثير مهمي بر دريانوردي و اکتشاف گذاشت با وجود اين، جز در اين مورد مغناطيس پديده اي بود که کم مورد استفاده قرار مي گرفت و کمتر نيز شناخته شده بود، تا اينکه در اوايل قرن نوزدهم اورستد دريافت که جريان الکتريکي ميدان مغناطيسي توليد مي‌کند.
اين کار تواأم با کارهاي بعدي گاؤس ، هنري . فاراده و ديگران نشان دادند که اين شراکت واقعي بين ميدانهاي الکتريکي و مغناطيسي وجود دارد و اين دو توأم تحت عنوان ميدان الکترومغناطيسي حضور دارند. به عبارتي اين ميدانها به طرز جدايي ناپذيري در هم آميخته شده‌اند.

حوزه عمل و گسترش ميدان مغناطيسي

تلاش مردان عمل به توسعه ماشينهاي الکتريکي ، وسايل مخابراتي و رايانه‌ها منجر شد. اين وسايل که پديده مغناطيسي در آنها دخيل است نقش بسيار مهمي در زندگي روزمره ايفا مي‌کنند. با گسترش و سريع علوم از اعتبار اين علوم اوليه کاسته نمي‌شود و هميشه سازگاري خود را با کشفيات جديد حفظ مي‌کند.

مغناطيسهاي طبيعي و مصنوعي

• بعضي از سنگهاي آهن ياد شده در طبيعت خاصيت جذب اشياي آهني کوچک ، مانند براده‌ها يا ميخهاي مجاور خود را دارند. اگر تکه‌اي از چنين سنگي را از ريسماني بياويزيم ، خودش را طوري قرار مي‌دهد که راستايش از شمال به جنوب باشد، تکه‌هاي چنين سنگهايي به آهنربا يا مغناطيس معروف است.
• يک تکه آهن يا فولاد با قرار گرفتن رد مجاورت آهنربا ، آهنربا يا مغناطيده مي‌شود، يعني توانايي جذب اشياي آهني را کسب مي‌کند. خواص مغناطيسي اين تکه آهن يا فولاد هر چه به آهنربا نزديکتر باشد، قويتر است. وقتي که تکه‌اي از آهن و آهنربا با يکديگر تماس پيدا کنند ، مغناطش يا آهنربا شدگي به مقدار ماکزيمم (ميخ آهني که به آهنربا نزديک شود خاصيت آهنربايي پيدا مي‌کند و براده‌هاي آهنربا را جذب مي‌کند) مي‌باشد.
• هنگامي که آهنربا دور شود، تکه آهن يا فولاد که توسط آهنربا شده‌اند بخش زيادي از خواص مغناطيسي بدست آورده را از دست مي‌دهند، ولي باز هم تا حدي آهنربا مي‌مانند. از اينرو به آهنرباي مصنوعي تبديل مي‌شوند و همان خواص آهنرباي طبيعي را دارد. اين پديده را مي‌توان با آزمايش ساده‌اي به اثبات رسانيد. خاصيت آهنربايي که به هنگام تماس تکه آهن با آ‌هنربا پيدا مي‌شود بر خلاف مغناطش بازمانده که با دور شدن آهن ربا باقي مي‌ماند، مغناطش موقت ناميده مي‌شود. آزمايشهايي از اين نوع نشان مي‌دهد که مغناطش بازمانده خيلي ضعيفتر از مغناطش موقت است، مثلا در آهن نرم فقط کسر کوچکي از آن است.
• هم مغناطش موقت و هم مغناطش بازمانده براي درجات مختلف آهن و فولاد متفاوت است. مغناطش موقت آهن نرم و آهن تابکاري شده از آهن نرم و فولاد تابکاري نشده به مقدار زيادي قويتر است. بر عکس مانده مغناطش فولاد ، به ويژه درجاتي از آن که شامل مثلا آميزه کبالت است، خيلي قويتر از مغناطش باز مانده در آهن نرم است. در نتيجه ، اگر دو ميله يکسان ، يکي ساخته شده از آهن نرم و ديگري از فولاد را اختيار کنيم و آنها را در مجاورت آهنرباي يکساني قرار دهيم ، ميله آهن نرم قويتر از فولاد آهنربا مي‌شود.
ولي اگر آهنربا را دور کنيم، ميله آهن نرم تقريبا بطور کلي مغناطيده مي‌شود، در حاليکه ميله فولاد مقدار قابل توجهي از خاصيت آهنربايي اوليه خود را حفظ مي کند. در نتيجه ، آهنرباي دائمي از ميله فولادي از ميله آهني خيلي قويتر است. به اين دليل آهنرباهاي دائمي را از درجات خاصي از فولاد درست مي‌کنند نه از آهن.
• آهنرباهاي مصنوعي که بطور ساده با قرار دادن تکه‌اي فولاد در نزديکي يک آهنربا يا با تماس با آن بدست آمده نسبتا ضعيف هستند. آهنرباهاي قويتر را با ماليدن تيغه فولادي با آهنربا در يک جهت بدست مي‌آورند. البته در اين حالت نيز آهنرباهايي که بدست مي‌آيد که از آهنربايي که مغناطش به توسط آن انجام شده است، ضعيفتر است. هر نوع ضربه يا تکاني در طول مغناطش عمل را آسانتر مي‌کند. برعکس تماس دادن آهنرباي دائمي با تغيير ناگهاني و زياد دماي آن ممکن است باعث وامغناطش آن شود.
• وامغناطش بازمانده نه تنها به ماده بلکه به شکل جسمي که آهنربا مي‌شود نيز بستگي دارد. ميله‌هاي نسبتا کوتاه و کلفت از آهن نرم بعد از دور شدن آهنربا تقريبا به کلي خاصيت آهنربايي را از دست مي‌دهند. با وجود اين ، اگر همين آهن را براي ساختن سيمي به طول 300 تا 500 برابر قطر آن بکار بريم، اين سيم (ناپيچيده) خاصيت مغناطيسي خود را به مقدار زيادي حفظ خواهد کرد.

انرژي مغناطيسي

هرگاه يک منبع ولتاژي را که قادر به ايجاد ولتاژي به اندازه V است، به مداري متصل کنيم، در اين مدار جريان الکتريکي برقرار مي‌‌شود، اما هر ماده داراي يک مقاومت الکتريکي مي‌‌باشد، بنابراين مجموع ولتاژ چشمه و نيروي محرکه القايي در مدار با حاصلضرب مقاومت مدار در جرياني که از آن مي‌‌گذرد، برابر خواهد بود و چون جريان را به صورت مشتق زماني بار الکتريکي تعريف مي‌‌کنند، بنابراين مي‌‌توان گفت که چشمه ولتاژ يا باتري مقداري کار انجام مي‌‌دهد تا مقداري بار الکتريکي را در مدار انتقال دهد.
مقداري از اين کار انجام شده توسط منبع ولتاژ يا انرژي تزريق شده به مدار و مقداري هم به صورت گرما تلف مي‌‌شود. اين انرژي برگشت ناپذير است. مقدار ديگري از انرژي نيز صرف تغيير شار در مدار مي‌‌شود، يعني اين جمله دوم کاري است که عليه نيروي محرکه القا شده در مدار انجام مي‌‌شود. بنابراين اگر در يک مدار صلب و ساکن که بجز اتلاف گرماي ژول هيچ انرژي ديگري از دست نمي‌‌دهد، کار انجام شده توسط باتري با تغيير انرژي مغناطيسي مدار برابر خواهد بود.

انرژي مغناطيسي مدارهاي جفت شده

در بحث الکتريسيته به مجموع چند مقاومت و خازن يا قطعات ديگر الکترونيکي که به يک منبع ولتاژ وصل شده باشد، مدار الکتريکي مي‌‌گويند. در بحث مغناطيس به مجموعه سيم پيچي که بر اطراف حلقه‌اي از يک ماده مغناطيسي پيچيده شده باشد، مدار مغناطيسي مي‌‌گويند.
حال فرض کنيد که دستگاهي متشکل از تعدادي مدار که با يکديگر برهمکنش دارند، داشته باشيم. براي اينکه بتوانيم انرژي مغناطيسي اين دستگاه را بيان کنيم، فرض مي‌کنيم در حالت اول کليه اين مدارها بدون جريان هستند و ما تمام جريانها را بطور هماهنگ به مقدار نهايي‌شان مي‌‌رسانيم، يعني در هر لحظه از زمان تمام جريانها کسر يکساني از مقدار نهايي خود را دارند. البته اين امر تنها زماني درست است که مدارها صلب بوده و محيطهاي موجود خطي باشند، تا انرژي نهايي به ترتيب تغيير جريانها بستگي نداشته باشد.
بنابراين اگر جريان هر مدار را با I_i و شار مغناطيسي القا شده در آن را با ?_i نشان دهيم، به رابطه زير خواهيم رسيد:

که n تعداد مدارها مي‌‌باشد. البته اين رابطه را مي‌‌توان برحسب القا متقابل مدارها نوشت.

چگالي انرژي در ميدان مغناطيسي

رابطه‌اي که در قسمت قبلي براي انرژي مغناطيسي مدار محاسبه شد، رابطه مفيد است، چون پارامترهاي موجود در آن را مي‌توان با اندازه گيري مستقيم بدست آورد. از طرف ديگر ، مي‌‌توان انرژي را برحسب ميدانهاي برداري مغناطيسي و بردار شدت ميدان مغناطيسي بيان کرد. در اين صورت چون رابطه گوياتر است و تصويري را عرضه مي‌‌کند که در آن انرژي در خود ميدان مغناطيسي ذخيره شده است، لذا اين بيان مفيدتر است.
اين رابطه نسبت به رابطه قبلي کلي‌تر مي‌باشد و اگر محيط مورد نظر ما يک محيط خطي باشد، يعني بتوانيم با داشتن يکي از مقادير شدت ميدان مغناطيسي (H) يا القا مغناطيسي (B) يکي را برحسب ديگري محاسبه کنيم، به راحتي مي‌‌توانيم مقدار انرژي ذخيره شده در آن مدار را با استفاده از حل يک انتگرال ساده از رابطه زير محاسبه کنيم:

که در آن ضرب موجود از نوع ضرب عددي يا اسکالر است و انتگرال روي حجم مدار انجام مي‌‌گيرد.

چگالي انرژي مغناطيسي

تابع انتگرال (يا سيگما) که در رابطه مربوط به انرژي مغناطيسي ظاهر مي‌‌گردد، يک انتگرال حجمي ‌است که روي تمام نقاط فضا گرفته مي‌‌شود و لذا بديهي است که مي‌‌توانيم انرژي واحد حجم را به عنوان چگالي انرژي مغناطيسي تعريف کنيم، يعني اگر چگالي انرژي را با ? نشان دهيم،



در اين صورت  خواهد بود.
در مورد خاص اجسام مغناطيسي همسانگر و خطي که بين H و B يک رابطه خطي وجود دارد، يعني
است که در آن ? تراوايي مغناطيسي ماده مي‌‌باشد، لذا رابطه چگالي انرژي به فرم ساده زير در مي‌‌آيد:

اثر مغناطيسي جريان الکتريکي

اثرهاي ساده الکتريکي و مغناطيسي را از زمانهاي قديم مي‌شناختند. حدود 600 سال قبل از ميلاد يونانيان مي‌دانستند که آهنربا آهن را جذب مي‌کند و کهرباي ماليده به لباس چيزهاي سبک مانند کاه را بسوي خود مي‌کشد. با وجود اين اختلاف بين جذبهاي الکتريکي و مغناطيسي تعيين نشده بود و اين پديده‌ها را از يک نوع در نظر مي‌گرفتند.
خط فاصل روشن بين اين دو پديده را گيلبرت (W. Gilbert) ، فيزيکدان و طبيعت شناس انگليسي پيدا کرد. و نيز او کتابي درباره آهنربا ، "اجسام آهنربايي" و "زمين به عنوان آهنرباي بزرگ" در سال 1600 منتشر کرد. کار وي شروع بررسي در پديده‌هاي الکتريکي را نشان مي‌دهد. گيلبرت در اين کتاب همه خواص آهنرباهاي شناخته شده تا آن زمان را تشريح کرده و نتايج آزمايشهاي خيلي مهم ، شخص خود را نيز آورده است. همچنين وي شماري از تفاوتهاي اساسي بين جذبهاي الکتريکي و مغناطيسي را مشخص نموده و اصطلاح “الکتريسيته“ را وضع کرده است.

سير تحولي و رشد

• بعد از انتشار کارهاي گيلبرت ، تمايز بين پديده‌هاي الکتريکي و مغناطيسي مسلم شد، اما به رغم اينکه اختلافها شماري از واقعيتها ارتباط ناگسستني بين اين پديده‌ها را پديدار ساخت. برجسته‌ترين اين واقعيتها مغناطيس اشياي آهني و واروني عقربه قطب نما بر اثر آذرخش بودند.
• آراگو (D. F. Arago) ، فيزيکدان فرانسوي در کتاب خود به نام "تندر و آذرخش" ، شرح مي‌دهد که چگونه در ژوئيه سال 1681، در کشتي راين (reine) واقع در درياي آزاد حدود صدها مايل از ساحل بر اثر آذرخش دکلها ، بادبانها و غيره بطور جدي صدمه ديدند. وقتي که شب فرا رسيد، از روي وضع ستارگان دريافت که از سه قطب نماي در دسترس دو تا بجاي شمال به سمت جنوب ايستاده بودند، در حالي که يکي از آنها به سمت شمال بود، آراگو همچنين شرح مي‌دهد که هرگاه آذرخش به خانه بخورد، کارد ، چنگال و ساير اشياي آهني را به شدت آهنربا مي‌کند.
• در آغاز قرن هجدهم ثابت شد که آذرخش در واقع جريان الکتريکي شديدي است که از هوا مي‌گذرد. بنابراين به اين نتيجه مي‌رسيم که جريان الکتريکي خواص مغناطيسي دارد، اما اين خواص جريان فقط در سال 1820 توسط اورستد (H. Oersted) فيزيکدان دانمارکي با آزمايش مشاهده و بررسي شد. همانطوري که نيروهاي مؤثر بر بارهاي الکتريکي نيروهاي الکتريکي نام دارد، نيروهاي مؤثر بر آهنرباهاي طبيعي يا مصنوعي را نيروهاي مغناطيسي مي‌گويند.

منشأ ميدان مغناطيسي

اگر در فضا نيروهاي الکتريکي حاکم باشد و بر ذرات باردار نيروي الکتريکي وارد کند، مي‌گوييم در اين فضا ميدان الکتريکي وجود دارد. از اين رو آزمايش نشان مي‌دهد که در فضاي اطراف جريان الکتريکي ، نيروهاي مغناطيسي ظاهر مي‌شود، يعني ميدان مغناطيسي بوجود مي‌آيد.

اولين سوال اورستد

آيا ماده سيم روي ميدان مغناطيسي بوجود آمده از جريان اثر دارد يا نه؟ اورستد دريافت که سيمهاي اتصال را مي‌توان از چند سيم يا نوار باريک مختلف درست کرد و جنس فلز در نتيجه اثر نمي‌گذارد (احتمالا اگر بزرگ باشد اثر مي‌گذارد). چون فلزات مختلف ، مقاومتهاي الکتريکي متفاوتي دارند، اگر به باتري وصل شود، مي توانند جريانهاي متفاوت داشته باشند و در نتيجه اثر مغناطيسي اين جريانها متفاوت خواهد بود.
اما بايد بخاطر داشت که آزمايش اورستد پيش از وضع قانون اهم و دستيابي به مفهوم بستگي مقاومت رساناها به جنس ماده تشکيل دهنده آنها انجام گرفته است. اگر آزمايش اورستد با سيمهاي پلاتين ، طلا ، نقره ، برنج ، و آهن يا نوارهاي روي و قلع يا جيوه انجام گيرد، همين نتيجه اخير بدست مي‌آيد. اورستد آزمايشاتش را با فلز ، يعني رساناهايي با رسانش الکتروني ، انجام داد.

اثر مغناطيسي جريان الکتروليتي

اگر در آزمايش اورستد فلز رسانا را با لوله داراي الکتروليت يا لوله‌اي که داخل آن تخليه الکتريکي صورت مي‌گيرد، استفاده شود. هر چند در اين حالتها جريان الکتريکي از حرکت يونهاي مثبت و منفي ناشي مي‌شوند، ولي اثر آنها روي عقربه مغناطيسي با اثر رساناي فلزي يکسان است. بدون توجه به رساناي حامل جريان ، در فضاي اطراف آن ميدان مغناطيسي بوجود مي‌آيد. از اينرو مي‌توان گفت که در اطراف هر جرياني ميدان مغناطيسي ظاهر مي‌شود. اين خاصيت اصلي جريان الکتريکي در اثرهاي حرارتي و شيميايي جريان الکتريکي نقش بازي مي‌کند.

اثر مغناطيسي جريان و خواص الکتريکي رسانا

ايجاد ميدان مغناطيسي معمولترين خاصيت از سه خاصيت جريان الکتريکي است. جريان الکتريکي فقط در يک نوع رسانا (الکتروليتها) اثر شيميايي بوجود مي‌آورد، نه در ديگران (فلزات). مقدار جريان آزاد شده توسط جريان ، بسته به مقاومت رسانا ، مي‌تواند بيشتر يا کمتر باشد. در ابر رساناها ممکن است همراه جريان ، گرما آزاد مي شود. از طرفي ديگر ميدان مغناطيسي با جريان الکتريکي پيوندي جدايي ناپذير دارد. اين ميدان به خواص مشخصي از رسانا بستگي ندارد و فقط شدت و جهت جريان آن را تعيين مي‌کند. بيشترين کاربردهاي صنعتي الکتريسيته نيز بوجود ميدان مغناطيسي جريان وابسته مي‌باشند.

الکترومغناطيس (Electromagnetism)

مبدا علم الکتريسيته به مشاهده معروف تالس ملطي (Thales of Miletus) در 600 سال قبل از ميلاد بر مي‌گردد. در آن زمان تالس متوجه شد که يک تکه کهرباي مالش داده شده خرده‌هاي کاغذ را مي‌ربايد. از طرف ديگر مبدأ علم مغناطيس به مشاهده اين واقعيت برمي‌گردد که بعضي از سنگها (يعني سنگهاي ماگنتيت) بطور طبيعي آهن را جذب مي‌کند. اين دو علم تا سال 1199 - 1820 به موازات هم تکامل مي‌يافتند.
در سال 1199-1820 هانس کريستان اورستد (1777 - 1851) مشاهده کرد که جريان الکتريکي در يک سيستم مي‌تواند عقربه قطب نماي مغناطيسي را تحت تأثير قرار دهد. بدين ترتيب الکترومغناطيس به عنوان يک علم مطرح شد. اين علم جديد توسط بسياري از پژوهشگران که مهمترين آنان مايکل فاراده بود تکامل بيشتري يافت.
جيمز کلرک ماکسول قوانين الکترومغناطيس را به شکلي که امروزه مي‌شناسيم ، در آورد. اين قوانين که معادلات ماکسول ناميده مي‌شوند، همان نقشي را در الکترومغناطيس دارند که قوانين حرکت و گرانش در مکانيک دارا هستند.

اثرات ميدان مغناطيسي

فضاي اطراف آهنربا يا رساناي کامل جريان در حالت ويژه‌اي است که به اصطلاح "ميدان مغناطيسي" نسبت مي‌دهيم. اين حالت مبين اين نظر است که نيروهاي مکانيکي وارد بر ساير آهنرباها يا رساناهاي حامل جريان در اين فضا ظاهر مي‌شوند. البته اين کنشها تنها اثر وجودي ميدان مغناطيسي نيستند. تعداد پديده‌هاي فيزيکي ديگري را نيز مي‌توان مشخص کرد که در آنها اثر ميدان مغناطيسي کاملا مشهود است. مثلا ، ميدان مغناطيسي مقاومت فلزات مختلف را تغيير مي‌دهد، اندازه بعضي از اجسام در ميدان مغناطيسي تغيير مي‌کند و نظاير آن.

اثر بارز ميدان مغناطيسي

ميدان مغناطيسي قويترين اثر را در مقاومت ويژه الکتريکي بيسموت مي‌گذارد که به ساخت "ميدان سنج" بيسموت منجر شده است. اجسامي که از موادي با قابليت آهنربا شدن شديد ساخته شده‌اند (آهن ، نيکل و کبالت) بر اثر ميدان مغناطيسي ابعادشان تغيير مي‌کند. اين پديده که به مغناطو تنگش معروف است، کاربردهاي مهمي دارد. براي برانگيختن ارتعاشات بسيار سريع ميله‌هاي کوچک آهني بکار مي‌رود که موجهاي صوتي خيلي کوتاه (موجهاي فراصوت) ايجاد مي‌کنند.

ميدانهاي مغناطيسي غير يکنواخت

وقتي که اثر ميدان مغناطيسي در نقاط مختلف ، متفاوت باشد ميدان را غير يکنواخت مي‌نامند. هر گونه اثر ميدان مغناطيسي را مي‌توان براي اندازه گيري کمي آن بکار برد. در عمل معلوم مي‌شود که مناسبتر است ميدانها را با نيروهاي مکانيکي وارد از آن بر آهنرباها در رساناهاي حامل جريان مشخص کنيم. چون ميدان مغناطيسي بر عقربه مغناطيسي يا حلقه جريان اثر سمت دهي دارد و مي‌کوشد که عقربه يا عمود بر سطح حلقه ، جهت خاصي بدهد. اين جهت به عنوان جهت ميدان مغناطيسي انتخاب مي‌شود. در مورد ميدان مغناطيسي زمين اين جهت از شمال به جنوب است.

القاي مغناطيسي

با تشابه ميدان الکتريکي که با کميت برداري E به نام شدت ميدان الکتريکي مشخص مي‌شود، ميدان مغناطيسي با کميت برداري B مشخص مي‌گردد که به دلايل تاريخي القاي مغناطيسي نام گرفته است. البته درست‌تر اين بود که در مقايسه با E اين کميت ، شدت ميدان مغناطيسي ناميده مي‌شد. اگر القاي مغناطيسي ، ميداني در همه نقاط بزرگي و جهت يکسان داشته باشد ، ميدان مغناطيسي يکنواخت ناميده مي شود.

گشتاور مغناطيسي

اگر رساناهاي حامل جريان بسته حلقه‌هاي تخت به اضلاع و اشکال گوناگون در ميدان مغناطيسي يکنواخت قرار گيرند و گشتاور نيروي ماکزيمم Mmax وارد بر آنها را اندازه گيري کنيم، معلوم مي‌شود که اين گشتاور نيرو متناسب است با:
• جريان I داخل حلقه
• با سطوح محصور شده توسط حلقه S
• براي حلقه‌هايي با سطح S ، گشتاور ماکزيمم Mmax به شکل حلقه بستگي ندارد. يعني براي حلقه‌هاي دايره‌اي ، مستطيلي ، مثلثي و حلقه‌هايي با شکل نا منظم يکسان است. بنايراين معلوم مي‌شود ماکزيمم گشتاور نيرو با کميت زير متناسب است. Pm = IS که اين کميت به گشتاور مغناطيسي حلقه ، معروف است. وابستگي ذکر شده امکان مي‌دهد تا بزرگي بردار ميدان مغناطيسي B را با گشتاور نيروي ماکزيمم Mmax وارد بر حلقه‌اي با گشتاور مغناطيسي Pm مساوي واحد مشخص کنيم. در نتيجه مي‌توان نوشت:
B = Mmax/pm که در آن Mmax گشتاور ماکزيممي است که در ميدان معيني در حلقه جريان با گشتاور مغناطيسي pm وارد مي‌شود. اگر ميدان غير يکنواخت باشد، مقدار عددي B در يک نقطه معين را با قرار دادن حلقه‌اي که اندازه‌اش در مقايسه با فواصل مخصوص تغيير ميدان کوچک باشد و تعيين گشتاور Mmax وارد بر اين حلقه منطبق است.
از دو جهت ممکن براي عمود ، جهتي که با جهت جريان در حلقه مطابق قاعده پيچ راستگرد (قاعده دست راست) منطبق است، اختيار مي‌شود. چرخش پيچ راستگرد در جهت جريان در حلقه باعث جابجايي پيچ در جهت عمود مي‌شود. عمودي که به اين ترتيب انتخاب مي‌شود به عنوان جهت مثبت اختيار مي‌شود. جهت بردار گشتاور مغناطيسي pm منطبق بر جهت مثبت عمود فرض مي‌شود. بنابراين جهت القاي مغناطيسي B را مي‌توانيم جهتي در نظر بگيريم که بر اثر اين ميدان عمود مثبت بر حلقه جريان قرار گيرد، يعني جهتي که بردار Pm در ان جهت قرار گرفته است.

يکاي القا مغناطيسي

يکاي القاي مغناطيسي به احترام تسلا (N. Tesla) دانشمند صربي تسلا (T) است. تسلا القاي مغناطيسي ميدان يکنواختي است که در آن بر حلقه جريان تختي که گشتاور مغناطيسي 1Am2 دارد گشتاور نيروي ماکزيممي برابر N ، M1 وارد مي‌شود.

تعيين قطبهاي آهنربا

يونانيان باستان بيش از 2500 سال پيش با پديده آهنربايي آشنا بودند. تالس که اغلب از او به عنوان پدر علم يونان ياد مي‌شود. ماده کاني مگنتيت Fe3O4 آهن را مي‌ربايد شناخت. همانگونه که مي‌دانيد ماده‌هاي داراي اين ويژگي را آهنربا مي‌نامند. چينيان باستان نيز با ويژگيهاي مغناطيسي برخي از سنگهاي آهنربا آشنايي داشتند و تکه‌هايي از سنگها را بصورت قطب نماي ساده در دريانوردي بکار مي‌بردند.
در آهنربا (به هر شکلي که باشد) دو ناحيه وجود دارد که خاصيت آهنربايي در آن بيش از قسمتهاي ديگر است. اين ناحيه‌ها را قطبهاي آهنربا مي‌نامند. مي‌دانيد که عقربه مغناطيسي همواره در جهت معيني مي‌ايستد، به گونه‌اي که يک قطب معين آن تقريبا به طرف شمال و قطب ديگر آن به طرف جنوب قرار مي‌گيرد. قطبي را که بسوي شمال تمايل دارد قطب N و قطب جنوب گرا را قطب S مي‌نامند.

مغناطيس يا آهنربا

اکسيد آهن طبيعي ، کبالت ، نيکل اين خاصيت را دارند که براده‌هاي آهن را به خود جذب مي‌کنند، اين خاصيت را خاصيت آهنربايي مي‌نامند. براي اولين بار سنگ آهن طبيعي از محلي به نام ماگنزيا کشف شده است، به همين دليل آهنربا را مغناطيس مي‌نامند.

قطبهاي آهنربا

در هر آهنربا مکانهايي وجود دارد که در آنها اثر نيروي جاذبه مغناطيس بيش از جاهاي ديگر است، اين مکانها را قطبهاي آهنربا مي‌گويند. هر گاه يک آهنرباي تيغه‌اي را بوسيله نخي آويخته بطور آزاد رها کنيم، در سطح افقي چند نوسان انجام داده در راستاي تقريبي شمال و جنوب زمين قرار مي‌گيرد. در اين وضعيت قطبي از آهنربا که بسوي شمال متوجه است قطب شمال ياب و قطب N ، قطبي که بسوي جنوب متوجه است قطب جنوب ياب يا قطب S ناميده مي‌شود. قطبهاي همنام به يکديگر نزديک شوند، بخوبي مي‌توانيد نيروي رانش بين قطبهاي همنام را احساس کنيد.

محور مغناطيسي و نصف النهار مغناطيسي

محور مغناطيسي خطي است که قطبين آهنرباي آويخته شده را به يکديگر متصل مي‌کند. نصف النهار مغناطيسي صفحه فرضي قائمي است که از محور مغناطيسي آهنرباي آويخته شده که در اثر آهنربايي زمين در راستاي تقريبي شمال و جنوب زمين ايستاده است و از مرکز زمين مي‌گذرد.

تشخيص قطبهاي يک آهنربا

براي آنکه قطبهاي يک آهنربا مشخص شود يکي از قطبهاي آن را به قطب N آهنرباي شناخته شده که آويزان است نزديک مي‌کنيم اگر همديگر را دفع کردند اين دو قطب همنام خواهند بود.

کاربرد تعيين قطبهاي آهنربا

القاي خاصيت مغناطيسي
وقتي که آهنربا در نزديکي ميخ قرار مي‌گيرد. در ميخ خاصيت مغناطيسي القاء مي‌شود. اگر قطب N آهنربا را نزديک به سر ميخ بياوريم، خاصيت آهنربا طوري القاء مي‌شود که آن سر ، قطب S و سر دورتر قطب N شود. ربايش بين دو قطب غير همنام (N در آهنربا و S در ميخ) سبب ربوده شدن ميخ به سمت آهنربا مي‌شود. اين پديده را القاي خاصيت مغناطيسي مي‌نامند. با دور کردن آهنرباي اصلي ، خاصيت آهنربايي القاء شده نيز از بين مي‌رود. علاوه بر خاصيت آهنربايي که در اثر القاء در يک قطعه آهن ، نيکل يا کبالت ايجاد مي‌شود. همواره بصورتي است که قطعه ياد شده جذب آهنرباي اصلي مي‌شود.

ميدان مغناطيسي

در فضاي اطراف يک آهنربا نيز خاصيتي وجود دارد که در اثر آن در قطعه‌هاي آهني خاصيت آهنربايي القاء شود و بر قطبهاي آهنرباهاي ديگر نيرويي وارد مي‌شود. براي مثال هر گاه يکي از قطبهاي آهنرباي ميله‌اي را به يک عقربه مغناطيسي که در راستاي تقريبي شمال و جنوب جغرافيايي بر روي پايه‌اي قرار دارد، نزديک کنيم مي‌بينيم که عقربه مغناطيسي مي‌چرخد. در اين وضع اگر آهنربا را دور کنيم عقربه دوباره در راستاي تقريبي شمال وجنوب محل قرار مي‌گيرد. اين آزمايش وجود خاصيتي را در محيط اطراف يک آهنربا نشان مي‌دهد، خاصيتي را که در اطراف آهنربا ايجاد مي‌شود و به موجب آن به عقربه مغناطيسي نيرو وارد مي‌شود، ميدان مغناطيسي مي‌نامند.

جهت ميدان مغناطيسي

هنگامي که يک عقربه مغناطيسي را در ميدان مغناطيسي يک آهنربا قرار مي‌دهيم، عقربه مي‌چرخد و در جهت معيني مي‌ايستد. اگر آهنربا را در امتداد جديد قرار دهيم. عقربه مغناطيسي نيز خواهد چرخيد و در جهت ديگري قرار خواهد گرفت. ميدان مغناطيسي در هر نقطه بنا به تعريف هم راستاي عقربه مغناطيسي است که در آن نقطه به حال تعادل در آمده باشد و سوي آن از S به N آن است. به اين ترتيب مي‌توانيم بگوييم: هنگامي که آهنربا در نزديکي عقربه مغناطيسي قرار مي‌گيرد، عقربه مي‌چرخد تا در امتداد ميدان مغناطيسي آهنربا قرار گيرد و قطب N آن سوي ميدان مغناطيسي را نشان مي‌دهد.
منابع :
آهنربا http://daneshnameh.roshd.ir
آهنربا http://fa.wikipedia.org
تعيين قطبهاي آهنربا http://daneshnameh.roshd.ir
مگنت اهنربا http://www.novintabligh.com
آهن‌ربا چيست؟ http://www.jamejamonline.ir
مغناطيس http://daneshnameh.roshd.ir
/خ