مقدمه
آهنربای دائم به اختصار PM۱ خوانده میشود و قطعه‌ای از فولاد سخت و یا دیگر مواد مغناطیسی که تحت اثر میدانهای شدید ، مغناطیس شده و این اثر را برای مدت طولانی در خود حفظ میکنند. اثر آهنربایی اولین بار ، روی قطعه‌هایی از سنگ معدن آهن ، به نام آهنربای طبیعی یا معدنی در طبیعت مشاهده شد و دیدند که قطعات آهن را به خود جذب میکند.
بعدا دریافتند که چنانچه قطعه درازی از این سنگ آهن مغناطیسی معدن را ، بطور معلق در هوا نگهدارند این قطعه دراز خود را در امتدادی قرار میدهد که یک انتهایش به طرف قطب شمال زمین قرار دارد و این انتهای میله آهن مغناطیس دار را قطب شمال و سر دیگر آن را قطب جنوب نامیدند. چنین قطعه سنگ معدن آهن ، آهنربای میلهای نامیده شد.
نظریه اول آهنربایی
هر آهنربا از تعدادی ذره آهنربایی تشکیل شده است. وقتی یک قطعه آهن ، آهنربا نیست، ذرات آهنربایی بطور پراکنده و دلخواه داخل آن قرار دارند و وقتی ذرات داخل آهن در امتدادی منظم قرار گیرند، اثرات مغناطیسی آنها باهم جمع شده و آن آهن ، آهنربا میشود.
نظریه دوم آهنربایی
خاصیت آهنربایی به الکترونها وابسته است. الکترون دارای یک نیروی دوار در اطراف خود میباشد و وقتی مدارهای الکترونها در امتداد میله آهن طوری قرار گیرند که دایره‌های نیرو با یکدیگر جمع شوند، میله آهنی ، آهنربا میشود. در طبیعت از نقطه نظر تغییرات چگالی فلوی مغناطیسی (B) بر حسب جریان (I) میتوان مواد را به دو دسته تقسیم نمود:
مواد غیر مغناطیسی: از این مواد میتوان پلاستیک و میکا و عایقهای جریان الکتریکی را نام برد. در این مواد ، نفوذ پذیری مغناطیسی عددی ثابت است و مقدار آن را µ˚= ۴π×۱۰-۷ فرض میکنیم.
مواد مغناطیسی: مواد مغناطیسی که به مواد فرومغناطیسی نیز معروفند جزء گروه آهن به شمار می‌روند. در این مواد با جریان مفروض I چگالی شار (B) افزونتری نسبت به فضای آزاد شکل می‌گیرد و منحنی B-I این مواد غیر خطی است. مواد مغناطیسی خود به دو گروه تقسیم بندی می‌شوند:
مواد فرومغناطیسی نرم: که آنها خطی کردن تغییرات B بر حسب I (منحنی B-I) امکان پذیر است، از تقریب خوبی برخوردار میباشد و در این مواد ، B بخاطر I حاصل میشود.
مواد فرومغناطیسی سخت: که از اینگونه مواد برای ساخت مغناطیس دائم استفاده میشود. در این مواد B بخاطر دو عامل جریان (I) و خاصیت مغناطیس شوندگی ماده (M) بروزمی کند. این مواد در اثر میدانهای شدید ، مغناطیس شده و این اثر را تا مدت طولانی خود حفظ میکنند.
مواد مغناطیسی برای مقاصد خاص نیز ساخته می‌شوند، بطوری که طی سی سال گذشته چند ماده مغناطیسی جدید ساخته شده که مشخصات لازم برای ایجاد یک آهنربای دائم خوب را دارا هستند. آهنربای دائم خوب ، از ماده‌ای است که تا حد امکان شار باقیمانده (یا چگالی شار باقیمانده) بزرگی داشته باشند. عمده این مواد فریتها (مواد مغناطیسی سرامیکی) و مواد مغناطیسی خاک کمیاب هستند.
انواع آهنربای دائم
سه نوع آهنربای دائم که دارای کاربرد فراوان هستند به شرح زیرند:
آهنربای آلنیکو
آلنیکو از ابتدای نام سه عنصر آلومینیوم ، نیکل و کبالت گرفته شده است. این آلیاژ که عمدتا از فلزات آهن و آلومینیوم و نیکل و کبالت ساخته میشود، قابلیت پذیرش نیروی مغناطیسی بالایی و به منظور ساختن آهنربای دائم بلندگوها و لامپهایی با حوزه مغناطیسی و در سروموتورهای DC۲ پیشرفته استفاده میشود.
معمولا در آخر اسم “آلنیکو” حرفی اضافه می‌گردد که مشخص کننده قدرت آهنربا است. فرضا “آلنیکوv” قویترین آهنربای دائم نسبت به “آلنیکوها” است و معمولا آهنربای “آلنیکو” را به صورت طولی مغناطیس میکنند و سپس مورد استفاده قرار می‌دهند. منظور از مغناطیس کردن طولی این است که دو قطب S و N در طول جسم قرار می‌گیرند.
آهنربای فریت
این آهنربا را آهنربای سرامیک نیز می‌نامند. این آهنربای دائم از ترکیب مواد ذوب شده نوعی چینی و پودر ماده مغناطیسی ساخته میشود. این آهنربا چون پودر پس ماند مغناطیسی و نیروی خنثی کننده زیادی دارد، آن را به صورت عرضی مغناطیسی میکنند. منظور از مغناطیس کردن عرضی ، قرار گرفتن دو قطب S و N در عرض جسم است و چون چگالی شار (B) این آهنربای دائم کم است برای جبران چگالی شار زیاد، آن را دراز می سازند.
چون هزینه ساخت این آهنربا کم بوده و مواد اولیه آن به ارزانی قابل تهیه است، بطور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد. نامگذاری آهنربای فریت با توجه به نوع عنصری که در ساخت آهنربا از آن استفاده شده است صورت می‌گیرد. مثل فریت استرونیتام و یا فریت باریم.
آهنربای سارماریوم - کبالت
عنصر اصلی این آهنربای دائم عنصر ساماریوم با علامت اختصاری Sm و عدد اتمی ۶۲ است. چون این آهنربای کمیاب (به دلیل عنصر تشکیل دهنده کمیاب ساماریوم) دارای پس ماند مغناطیسی و خنثی کننده خیلی زیادی است، به همین دلیل میتواند شدتی به مراتب بزرگتر از آهنربای دائم معمولی داشته باشد. به عنوان مثال در یک طول و مساحت برابر ، چگالی شار (B) این آهنربا دو برابر آهنربای سرامیک است.
هزینه تولید این آهنربا قابل ملاحظه است و به همین دلیل آن را کم قطر می‌سازند. چون شدت مغناطیسی این آهنربا بالا است، لذا از چنین آهنربایی که در ابعاد کوچک و وزن کمتر شدت مغناطیسی خوبی دارد در ساعتهای الکترونیکی و لامپهای ماگنترون و تجهیزات نظامی و سروموتورها هواپیما استفاده میکنند. به این ترتیب روز به روز دامنه کاربرد این آهنربا رو به افزایش است.
مقایسه نیروی مغناطیسی و الکتریکی
نیروی مغناطیسی میان دو بار ، بخاطر وابستگی به سرعت از نیروی الکتریکی پیچیده‌تر است. نیروی مغناطیسی با استفاده از قانون بیوساوار تعیین میشود. نیروی مغناطیسی و نیروی الکتریکی هر دو نیروی عکس مجذور فاصله هستند، یعنی در هر دو مورد نیرو با مجذور فاصله بین دو ذره باردار نسبت عکس دارد. همچنین در هر دو مورد نیرو با حاصل ضرب اندازه دو بار نسبت مستقیم دارد، اما جهت نیروی مغناطیسی بر خلاف نیروی الکتریکی در راستای خط واصل میان ذرات نیست، یعنی نیروی مغناطیسی یک نیروی مرکزی نیست.
تنها در یک حالت نیروی مغناطیسی میتواند در امتداد خط واصل میان ذرات باشد و آن زمانی است که (سرعت ذره بارداری که بر آن نیرو وارد میشود) بر r یعنی فاصله میان ذرات عمود باشد. در این حالت ، نیرو در صفحه شامل قرار دارد. همچنین خصوصیت دیگری که نیروهای مغناطیسی دارند، این است که نیرو همیشه بر بردار عمود است. به عبارت دیگر ، میدان مغناطیسی B هرچه باشد، حاصل ضرب اسکالر بردار در بردار همواره صفر است. همچنین چون نیروی مغناطیسی بر عمود است، لذا نمی‌‌تواند بر روی ذره کار انجام دهد.
در مورد یک زوج ذره باردار اگر سرعت ذره‌ها در مقایسه با سرعت نور کوچک باشد، در این صورت نسبت نیروی مغناطیسی بر نیروی الکتریکی مقداری بسیار ناچیز خواهد بود. این مطلب نشان دهنده این است که برهمکنش مغناطیسی از برهمکنش الکتریکی بسیار کوچک است، از آنجا که نیروی مغناطیسی در مقایسه با نیروی الکتریکی بسیار کوچک است، به نظر می‌‌رسد که در مقایسه با نیروی الکتریکی میتوان از نیروی مغناطیسی صرف نظر کرد. اما در واقع این گونه نیست، بلکه دستگاه‌هایی از ذرات وجود دارند که این امر در مورد آنها صادق نیست. مخصوصا در مورد جریان رسانشی که در آن بارهای مثبت و منفی با چگالی یکسان وجود دارند، میدان الکتریکی ماکروسکوپی صفر است، در صورتی که میدان مغناطیسی بارهای متحرک صفر نیست.
رابطه نیروی مغناطیسی
اگر دو ذره باردار که به ترتیب دارای بارهای هستند، با سرعتهای در حرکت باشند، در این صورت این دو ذره علاوه بر نیروی الکتریکی یک نیروی مغناطیسی نیز به یکدیگر وارد میکنند. به عنوان مثال ، نیرویی که ذره با بار الکتریکی به ذره با بار الکتریکی وارد میکند، از رابطه زیر حاصل میشود:
در این رابطه r فاصله بین دو ذره باردار است. در این رابطه عدد ثابتی است که برای سازگاری رابطه که یک قانون تجربی است با مجموعه یکاها لازم است. به عنوان مثال ، در دستگاه SI مقدار عدد به صورت زیر است:
میدان مغناطیسی
با وارد کردن مفهوم جدیدی به نام میدان مغناطیسی می‌‌توانیم رابطه نیروی مغناطیسی را ساده‌تر کنیم. برای این کار فرض میکنیم که هر ذره باردار در محل ذره دیگر یک میدان مغناطیسی ایجاد میکند که این میدان بر این ذره نیرو وارد میکند. اهمیت مفهوم میدان در این است که علاوه بر ذرات باردار می‌‌توانیم نیروی مغناطیسی حاصل از توزیع‌های سطحی و حجمی بار را نیز به راحتی محاسبه کنیم.
میدان مغناطیسی را به این صورت تعریف میکنیم که فرض کنید یک بار آزمون با بار الکتریکی q و سرعت v در میدان مغناطیسی حاصل از یک ذره باردار حرکت کند، بر این ذره آزمون نیروی مغناطیسی وارد میشود که مقدار آن از رابطه حاصل میشود . حال اگر این رابطه را با رابطه نیروی مغناطیسی مقایسه کنیم، رابطه میدان مغناطیسی به راحتی حاصل میشود.
نیروی مغناطیسی وارد بر سیم حامل جریان
در مورد دستگاهی از ذرات باردار ، به ویژه در جریان رسانش ، چون بارهای مثبت و منفی با چگالی‌های برابر وجود دارند، لذا میدان الکتریکی ماکروسکوپی صفر بوده و فقط میدان مغناطیسی خواهیم داشت. حال اگر سیمی را که حامل جریان الکتریکی I باشد، در این میدان مغتاطیسی قرار دهیم، بر سیم حامل جریان یک نیروی مغناطیسی وارد میشود.
مقدار این نیرو از یک رابطه انتگرالی محاسبه میشود، ولی جهت آن با استفاده از قاعده دست راست مشخص میشود. در صورتی که سیم یک مدار بسته باشد، در این حالت اگر میدان مغناطیسی یکنواخت باشد، بر این سیم هیچ نیروی وارد نمی‌‌شود، اما گشتاور نیروی وارد بر سیم صفر نخواهد بود
دید کلی :
آیا تابحال به این فکر کرده اید که جرثقیل ، چگونه قطعات بزرگ آهن را جابجا می کند؟
آیا تا کنون ملاحظه کرده اید که یک میخ آهنی بعد از چند بار مالش برروی یک آهنربا ، میخهای آهنی کوچکتر از خود را جذب کند؟
برای پاسخ گفتن به پرسشهای فوق و سوالات دیگر شبیه آنها ، باید اطلاعاتی در مورد آهنربا و خاصیت آهنربایی داشته باشیم. مقاله حاضر تا حدی ما را با این مقوله آشنا می کند.
سنگ مغناطیسی و کهربا ، دو ماده طبیعی هستند که از دیر باز ، مورد توجه مردم بوده اند. سنگ مغناطیسی ، یک ماده معدنی با خصوصیات غیر عادی است که آهن را جذب می کند. اگر یک قطعه کوچک از این سنگ را از نقطه ای آویزان کنیم. آن قدر می چرخد تا سرانجام بطور تقریبی در راستای شمال و جنوب قرار گیرد. نخستین بار در کشورهای غربی ، دریانوردان از این سنگ بعنوان قطبنما استفاده می کردند.
سیر تحولی و رشد :
انسانهای اولیه به سنگهایی برخورد کردند که قابلیت جذب آهن را داشتند. معروف است که ، نخستین بار ، شش قرن قبل از میلاد مسیح ، در شهر باستانی ماگنزیا واقع در آسیای صغیر «ترکیه امروزی) ، یونانیان به این سنگ برخورد کردند. بنابراین بخاطر نام محل پیدایش اولیه ، نام این سنگ را ماگنتیت یا مغناطیس گذاشتند که ترجمه فارسی آن آهنربا می باشد. سنگ مذکور از جنس اکسید طبیعی آهن با فرمول شیمیایی Fe۳O۴ می باشد.
بعدها ملاحظه گردید که این سنگ در مناطق دیگر کره زمین نیز وجود دارد. پدیده مغناطیس همراه با کشف آهنربای طبیعی مشاهده شده است. با پیشرفت علوم مختلف و افزایش اطلاعات بشر در زمینه مغناطیس ، انواع آهنرباهای طبیعی و مصنوعی ساخته شد. امروزه از آهنربا در قسمتهای مختلف مانند صنعت ، دریانوردی و … استفاده می گردد.
منشا پیدایش :
کهربا شیرهای است که مدتها پیش از بعضی از درختان مانند کاج که چوب نرم دارند، بیرون تراوید. و در طی قرنها سخت شده و بصورت جسم جامدی نیم شفاف در آمده است. کهربا به رنگهای زرد تا قهوهای وجود دارد. کهربای صیقل داده شده سنگ زینتی زیبایی است و گاهی شامل بقایای حشرههایی است که در زمانهای گذشته در شیره چسبناک گرفتار شده اند.
یونانیان باستان خاصیت شگفت انگیز کهربا تشخیص داده بودند. اگر کهربا را به شدت به پارچهای مالش دهیم اجسامی مانند تکه های کاه یا رانههای گیاه را که نزدیک آن باشد جذب میکند. اما سنگ مغناطیس یک ماده معدنی است که در طبیعت وجود دارد. نخستین توصیف نوشته شده از کاربرد سنگ مغناطیس به عنوان یک قطب نما در دریانوردی در کشورهای غربی ، مربوط به اواخر قرن دوازدهم میلادی است. ولی خواص این سنگ خیلی پیش از آن در چین شناخته شده بود.
انواع آهنربا :
اساس کار تمام آهنرباها یکسان است، اما به دلیل کاربرد در دستگاههای مختلف ، آرایش و صنعت ، آن را به اشکال و اندازه‌های گوناگون می سازند، و لذا انواع آن از لحاظ شکل عبارتند از :
تیغهای
میلهای
نعلیشکل
استوانهای
حلقهای
کروی
پلاستیکی
سرامیکی و …
حوزه عمل :
آهنربا به طور مستقیم و غیر مستقیم در زندگی روزانه بشر موثر است و به جرات می توان گفت که اگر این خاصیت نبود زندگی بشر امروزی با مشکل مواجه می شد. از جمله وسایلی که در ساختمان آن از خاصیت آهنربایی استفاده شده است، می توان به یخچال ، قطب نما ، کنتور برق ، انواع بلندگوها ، موتورهای الکتریکی (مانند کولر ، پنکه ، لوازم خانگی و …) ، وسایل اندازه گیری الکتریکی مانند ولت سنج ، آمپر سنج و … اشاره کرد.
آیا آهنربا بغیر از آهن ، اجسام دیگری را جذب می کند؟
بعد از پیدایش آهنربا ، دانشمندان به این فکر افتادند که آیا آهنربا غیر از آهن ، اجسام دیگری را نیز می تواند جذب کند. پس از بررسیها و مطالعات مختلف ، سرانجام مشخص شد که آهنربا در عنصر دیگر به نامهای نیکل و کبالت را نیز می تواند جذب کند. بر این اساس به سه عنصر آهن ، کبالت ، نیکل و آلیاژهای آنها که توسط آهنربا جذب می گردد، مواد مغناطیسی می گویند. بدیهی است که سایر مواد را که فاقد این خاصیت است، مواد غیر مغناطیسی می گویند.
روشهای مختلف تشخیص قطبهای یک آهنربا :
اگر یک آهنربا را از وسط بوسیله تکه نخ بسته و از محلی آویزان کنید، آهنربا در راستای شمال و جنوب مغناطیسی زمین قرار می گیرد.
با توجه به اینکه در آهنرباها ، قطبهای همنام همدیگر را دفع و قطبهای غیر همنام همدیگر را جذب می کنند، لذا اگر یک آهنربای دیگر که قطبهای آن معلوم است، در اختیار داشته باشیم، به راحتی می توان قطبهای آهنربای دیگر را تشخیص داد.
به کمک یک عقربه مغناطیسی و با استفاده از رانش و ربایش قطبها نیز میتوان این کار را انجام داد
قانون اهم که به نام کاشف آن جرج اهم نام گذاری شده است، بیان می دارد که نسبت اختلاف پتانسیل (یا افت ولتاژ) بین دو سر یک هادی (و مقاومت) به جریان عبور کننده از آن به شرطی که دما ثابت بماند، مقدار ثابتی است:
V \over I} = R}
که در آن V ولتاژ و I جریان است. این معادله منجر به یک ثابت نسبی R می شود که مقاومت الکتریکی آن وسیله نامیده می شود. این قانون تنها برای مقاومتهایی صادق است که مقاومت شان به ولتاژ اعمالی دو سرشان وابسته نباشد که به این مقاومت ها مقاومت های اهمی یا ایده آل یا وسیله های اهمی گفته می شود.
خوشبختانه شرایطی که در آن قانون اهم صادق است، بسیار عمومی است.( قانون اهم هیچگاه برای ابزارهای دنیای واقعی کاملا دقیق نیست چرا که هیچ ابزار واقعی وجود ندارد که یک ابزار اهمی باشد).
معادله V / I = R حتی برای ابزارهای غیر اهمی هم صادق است اما در آن صورت دیگر مقاومت R یک مقدار ثابت نیست و به مقدار V وابسته است. برای اینکه بررسی کنیم که آیا ابزاری اهمی است یا نه، می توان Vرا بر حسب I رسم کرد و نمودار بدست آمده را با خط مستقیمی که از مبدا می گذرد مقایسه کرد.
معادله قانون اهم اغلب بصورت :
V = I \cdot R
بیان می شود چرا که این معادله صورتی است که اکثر اوقات همراه مقاومت ها بکار برده می شود.
فیزیکدانان اغلب فرم میکروسکوپیک قانون اهم را استفاده می کنند:
{mathbf{j} = \sigma \cdot \mathbf{E\
که در آن j چگالی جریان ( جریان عبوری از واحد حجم)، & هدایت و E میدان الکتریکی است. و در واقع فرمی است که اهم قانونش را بیان کرد. فرم عمومی V = I•R که در طراحی مدارات بکار می رود، نسخه ماکروسکوپیک متوسط گیری شده فرم اصلی است.
دانستن این مطلب مهم است که قانون اهم یک قانون گرفته شده از ریاضیات نیست ولی بخوبی توسط شواهد تجربی تایید می شود. گاهی اوقات هم قانون اهم به هم می خورد چرا که این قانون بسیار ساده سازی شده است.
منشا اصلی به وجود آمدن مقاومت در مواد در برابر جریان الکتریکی را می توان عیب ها، ناخالصی های مواد و این واقعیت که الکترون ها خودشان اتم ها را به این طرف و آن طرف می زنند، دانست. وقتی که دمای فلز افزایش می یابد، عامل سوم نیز افزایش می یابد بنابراین، وقتی که یک جسم به علت عبور جریان الکتریکی از آن گرم می شود، مانند رشته داخل حباب لامپ، مقاومتش افزایش می یابد.
مقاومت یک جسم از معادله زیر بدست می آید:
(R = \frac{L}{A} \cdot \rho = \frac{L}{A} \cdot \rho_۰ (\alpha (T - T_۰) + ۱
که در آن & مقاومت ویژه، Lطول جسم هادی، A مساحت سطح مقطع آن، T دمای جسم، T_۰ یک دمای مرجع (معمولا دمای اتاق) و rho_۰ و alpha ثابت های ویژه ماده جسم هادی اند.
رابطه با هدایت گرما
فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد
تعداد صفحات این مقاله 15 صفحه
پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید
دانلود مقاله معرفی و آموزش انواع مختلف سیستمهای ترمز موجود در جهان۵ ( اجزای یک ترمزمغناطیسی(
