هر نیروی الکتریکی که در اطرافمان درک می کنیم، هر کاربردی از برق که در زندگی روزانه از آن استفاده می کنیم، بر اساس مفاهیم پایه برق شکل گرفته اند. با رجوع به مفاهیم پایه می توان پاسخ بسیاری از سوال ها و چالش های مختلف موجود در صنعت را یافت.
یکی از مهم ترین مفاهیم تاثیرگذار برق، مفهوم مغناطیس است که به طور گسترده در موتور ها، ژنراتور ها و کنتاکتور ها مورد استفاده قرار می گیرد.
در این بخش از فیلم آموزش مفاهیم پایه مغناطیس به بررسی مغهوم مغناطیس پرداخته و با یک آزمایش دو قانون مهم مغناطیس یعنی قانون القای فارادی و قانون لنز را بررسی می کنیم
.
مغناطیس چیست ؟
مغناطیس عبارت است از پدیده ی جذب یا دفع که توسط بار الکتریکی متحرک ایجاد می شود. آشنا ترین مثال مغناطیس، آهنربا است که توسط یک میدان مغناطیسی جذب می شود و می تواند آهنربا های دیگر را جذب یا دفع کند.
به عبارت دیگر، مغناطیس به پدیده های فیزیکی ناشی از نیروی ایجاد شده توسط آهنربا اشاره می کند. مغناطیس را می توان حاصل حرکت ذرات باردار الکتریکی دانست.
یک میدان مغناطیسی بر ذرات موجود در میدان نیرو وارد می کند، که این نیروی وارد بر یک بار الکتریکی به میزان بار، سرعت ذره و قدرت میدان مغناطیسی بستگی دارد.
تاریخچه مغناطیس
مغناطیس برای اولین بار در دنیای باستان کشف شد، زمانی که مردم متوجه شدند که لود استون ها (Load Stones) یا سنگ های مغناطیسی طبیعی معدنی، می توانند آهن را جذب کنند. کلمه آهنربا از اصطلاح یونانی μαγνῆτις λίθος magnētis lithos، به معنی سنگ مغناطیس گرفته شده است.
در یونان باستان، ارسطو اولین بحث علمی در مورد مغناطیس را به تالس نسبت داد که از حدود 625 قبل از میلاد تا حدود 545 قبل از میلاد می زیست.
چینی ها در قرن چهارم قبل از میلاد در مورد مغناطیس نوشتند و در قرن اول استفاده از لود استون را برای جذب سوزن توصیف کردند. با این حال، قطب نما تا قرن یازدهم در چین و 1187 در اروپا برای ناوبری مورد استفاده قرار نگرفت.
در حالی که آهنربا ها شناخته شده بودند، توضیحی برای عملکرد آن ها تا سال 1819 وجود نداشت، زمانی که هانس کریستین اورستد به طور تصادفی میدان های مغناطیسی را در اطراف سیم های برق دار کشف کرد.
رابطه بین الکتریسیته و مغناطیس توسط جیمز کلارک ماکسول در سال 1873 توصیف شد و در سال 1905 در نظریه نسبیت خاص اینشتین گنجانده شد.
مواد فرومغناطیس
- فرومغناطیس از کلمه ferrous به معنی “آهن” گرفته شده است که اولین فلز شناخته شده با ویژگی جذب در میدان مغناطیسی است.
- فرومغناطیس پدیده ای است که در آن مواد خاصی مانند آهن، کبالت و برخی آلیاژها به مغناطیس دائمی می رسند یا قدرت جذب به دست می آورند.
- مواد فرومغناطیسی آن دسته از موادی هستند که حتی در غیاب میدان مغناطیسی خارجی، در سطح اتمی، خاصیت مغناطیسی خود به خودی نشان می دهند. وقتی مواد مغناطیسی در یک میدان مغناطیسی خارجی قرار می گیرند، در جهت میدان به شدت مغناطیسی می شوند. مواد فرومغناطیسی جذب آهنربا شده و حتی پس از حذف میدان خارجی برای مدتی خاصیت مغناطیسی خود را حفظ می کنند. به این خاصیت هیسترزیس (hysteresis) گفته می شود.
در یک ماده فرومغناطیسی، دو قطبی های اتمی در غیاب میدان در مناطق کوچک به نام حوزه در یک جهت تراز می شوند. با این حال، گشتاور های مغناطیسی حوزه های مجاور در جهت مخالف جهت گیری شده و باعث خنثی شدن و صفر شدن گشتاور مغناطیسی خالص مواد می شود. با اعمال میدان مغناطیسی خارجی، جهت این حوزه ها هم جهت با میدان شده و به این ترتیب مغناطیسی می شوند.
شکل 1- جهت حوزه هادر حضور و در غیاب میدان مغناطیسی
قانون القای فارادی
هر گونه تغییر در محیط مغناطیسی یک سیم پیچ، باعث ایجاد نیروی محرکه (emf) در سیم پیچ می شود. این تغییر می تواند با تغییر قدرت میدان مغناطیسی، نزدیک کردن آهنربا به سیم پیچ یا دور کردن از آن، حرکت سیم پیچ به داخل یا خارج از میدان مغناطیسی و چرخش سیم پیچ نسبت به آهنربا ایجاد شود.
شکل 2- تغییر شار مغناطیسی از طریق تغییر جهت حرکت
قانون لنز
قانون لنز بیان می کند که یک جریان الکتریکی القایی در جهتی جاری می شود که جهت جریان با عامل به وجود آورنده آن مخالف است. این قانون در سال 1834 توسط فیزیکدان روسی هاینریش فردریش امیل لنز (65-1804) استنباط شد.
شکل 3- رابطه جهت جریان و جهت شار
دو قانون لنز و فارادی مهم ترین قوانین مغناطیس هستند که در موتورها، ژنراتورها، کنتاکتورها و هر تجهیزی که فعالیت آن مبتنی بر جریان القایی توسط میدان مغناطیس باشد، کاربرد دارند. مشهورترین مثال کاربرد مغناطیس در صنعت، الکتروموتور است.
مقاله “الکتروموتور و اجزای آن” توصیف خوبی از این تجهیز پرکاربرد در صنعت ارائه داده است. می خواهیم با یک آزمایش جذاب، این دو قانون را به صورت کاملا عملی درک کنیم. با ما همراه باشید!
آزمایش قانون القای فارادی و قانون لنز
یک سیم پیچ، یک هسته آهنی و یک حلقه آلومینیومی را در نظر می گیریم.
اگر از سیم پیچ جریانی عبور کند، میدان مغناطیسی اطراف سیم پیچ ایجاد خواهد شد. اگر جریان گذرنده از سیم پیچ متغیر بوده و یک حلقه آلومینیومی (رسانا) در میدان قرار بگیرد، طبق قانون القای فارادی در حلقه یک emf و در ادامه جریانی القا می شود که به آن جریان القایی می گویند. طبق قانون لنز، جهت جریان القا شده در حلقه آلومینیومی با عامل به وجود آورنده آن مخالف است.
با افزایش جریان متناوب در سیم پیچ، میدان متغیر ایجاد شده قوی شده و در حلقه آلومینیومی جریان القا می کند.
نکته: میدان ایجاد شده در اطراف سیم پیچ به واسطه متناوب بودن جریان اصلی مدار متغیر است، بنابراین شرط القای جریان در حلقه رسانا طبق قانون فارادی برقرار است. اگر میدان متغیر نباشد، جریان القایی وجود نخواهد داشت.
جمع بندی
در این مقاله پس از بیان مفهوم مغناطیس و تاریخچه آن به بررسی مواد فرومغناطیس، قوانین لنز و فارادی پرداختیم و برای ایجاد درک عمیق از این مفاهیم آزمایشی را بررسی کردیم.
فیلم آموزش مفاهیم پایه مغناطیس
فیلم آموزشی زیر و محتوای آن بخش کوچکی است از 110 ساعت آموزش برق صنعتی در “دوره آموزش برق صنعتی ماهر” . اگر با مفاهیم پایه برق آشنا نیستید یا کاربرد آن ها را نمی دانید، دوره برقکار صنعتی ماهر بهترین گزینه برای شما خواهد بود.
منبع: sciencedirect.com
مقاله‌ای که خواندید بخشی از مطالب دوره آموزش برق صنعتی ماهر است.
برای یادگیری 0 تا 100 این دوره کلیک کن.
اگر به دنبال افزایش مهارت خود در زمینه برق صنعتی هستید،
برای دریافت آموزش‌های رایگان در این حوزه، فقط کافیه فرم رو تکمیل کنید.
درود.بسیار عالی،و کاربردی،با مثال ساده،این قوانین پیچیده رو توضیح دادین.تشکر غز شما.
ببخشید طریقه ساخت اهن ربا،برام سئوال هست،اگه امکانش هست،مختصری توضیح بدین.و ایا اهنربا بعد از مدتهای زیاد،خاصیتش را همچنان نگه میدارد،یا در اثر استفاده زیادایا نیروی مغناطیسی ان،کاهش می‌یابد.ممنون از شما،🌹🌹🌹🖐️
سلام وقت بخیر ، جناب كلیه مواد با اعمال میدان مغناطیسیی یا جریان الکتریکی خاصیت آهنربایی پیدا میکنند. باتوجه به چگونگی پاسخ به میدان مغناطیسی، مواد مغناطیس به صورت زیر دسته بندی می‌شوند:1- فرومغناطیس: این موادخاصیت مغناطیسی بالای دارند مثل آهن (به صورت BCC یا α-Fe)، كبالت، نیكل و بعضی ازفلزات خاكی نادر مانند گادولینیم (Gd) دارای این خاصیت هستند. این مواد با اعمال یك میدان مغناطیسی كوچك به شدت مغناطش پیدا كرده و با حذف میدان مغناطیسی مغناطش خود را بطور كامل ازدست نمی‌دهند.2-ٰآنتی فرو مغناطیس چنین ماده‌ای اگر در میدان مغناطیسی قرار گیرد، گشتاورهای هم جهت با میدان تقویت می‌شوند و ماده خاصیت مغناطیسی ضعیفی ازخود نشان می‌دهد.(مانند کروم)3- ٰفری مغناطیس و پارا و دیا هم اگر در میدان مغناطیسی قرار بگیرند خاصیت مغنایسی ضعیفی از خود نشان داده واگر میدان قظع شود خاصیت مغناطیسی را از دست می دهند.