برای درک اینکه مشخصه میدان مغناطیسی چیست، باید پدیده های زیادی تعریف شود. در عین حال، باید از قبل به یاد داشته باشید که چگونه و چرا ظاهر می شود. مشخصه قدرت میدان مغناطیسی چیست. همچنین مهم است که چنین میدانی نه تنها در آهنرباها رخ دهد. در این رابطه ذکر ویژگی های میدان مغناطیسی زمین ضرری ندارد.
ظهور میدان
ابتدا باید ظاهر میدان را توصیف کنیم. پس از آن می توانید میدان مغناطیسی و ویژگی های آن را توضیح دهید. در طول حرکت ذرات باردار ظاهر می شود. می تواند بر بارهای الکتریکی متحرک، به ویژه بر روی هادی های رسانا تأثیر بگذارد. برهمکنش بین یک میدان مغناطیسی و بارهای متحرک، یا رسانایی که جریان از طریق آنها جریان می یابد، به دلیل نیروهایی به نام الکترومغناطیسی رخ می دهد.
شدت یا قدرت مشخصه میدان مغناطیسی دریک نقطه مکانی خاص با استفاده از القای مغناطیسی تعیین می شود. دومی با نماد B نشان داده می شود.
نمایش گرافیکی فیلد
میدان مغناطیسی و ویژگی های آن را می توان به صورت گرافیکی با استفاده از خطوط القایی نشان داد. این تعریف خطوطی نامیده می شود که مماس های آن در هر نقطه با جهت بردار y القای مغناطیسی منطبق است.
این خطوط جزو ویژگی های میدان مغناطیسی هستند و برای تعیین جهت و شدت آن استفاده می شوند. هر چه شدت میدان مغناطیسی بیشتر باشد، خطوط داده بیشتری رسم خواهد شد.
خطوط مغناطیسی چیست
خطوط مغناطیسی در هادی های مستقیم با جریان، شکل دایره ای متحدالمرکز دارند که مرکز آن بر روی محور این هادی قرار دارد. جهت خطوط مغناطیسی نزدیک رساناهایی با جریان توسط قانون گیره تعیین می شود که به نظر می رسد: اگر گیره طوری قرار گیرد که در جهت جریان به هادی پیچ شود، جهت چرخش دسته مربوط به جهت خطوط مغناطیسی است.
برای یک سیم پیچ با جریان، جهت میدان مغناطیسی نیز با قانون گیملت تعیین می شود. همچنین لازم است دسته را در جهت جریان در پیچ های شیر برقی بچرخانید. جهت خطوط القای مغناطیسی با جهت حرکت انتقالی ژیملت مطابقت دارد.
تعریف یکنواختی و ناهمگنی مشخصه اصلی میدان مغناطیسی است.
ایجاد شده توسط یک جریان، در شرایط مساوی، فیلدبه دلیل خواص مغناطیسی متفاوت در این مواد، شدت آن در محیط های مختلف متفاوت خواهد بود. خواص مغناطیسی محیط با نفوذپذیری مغناطیسی مطلق مشخص می شود. اندازه‌گیری شده بر حسب حنا در هر متر (گرم در متر).
ویژگی میدان مغناطیسی شامل نفوذپذیری مغناطیسی مطلق خلاء است که ثابت مغناطیسی نامیده می شود. مقداری که تعیین می کند چند برابر نفوذپذیری مغناطیسی مطلق محیط با ثابت متفاوت است، نفوذپذیری مغناطیسی نسبی نامیده می شود.
نفوذپذیری مغناطیسی مواد
این یک کمیت بدون بعد است. موادی با مقدار نفوذپذیری کمتر از یک دیامغناطیس نامیده می شوند. در این مواد میدان ضعیف تر از خلاء خواهد بود. این خواص در هیدروژن، آب، کوارتز، نقره و غیره وجود دارد.
رسانه هایی با نفوذپذیری مغناطیسی بیشتر از یک پارامغناطیس نامیده می شوند. در این مواد میدان قوی تر از خلاء خواهد بود. این رسانه ها و مواد عبارتند از هوا، آلومینیوم، اکسیژن، پلاتین.
در مورد مواد پارامغناطیس و دیامغناطیس، مقدار نفوذپذیری مغناطیسی به ولتاژ میدان مغناطیسی خارجی بستگی ندارد. این بدان معنی است که مقدار برای یک ماده خاص ثابت است.
فرومغناطیس ها به گروه خاصی تعلق دارند. برای این مواد، نفوذپذیری مغناطیسی به چندین هزار یا بیشتر خواهد رسید. این مواد که خاصیت مغناطیسی شدن و تقویت میدان مغناطیسی را دارند در مهندسی برق کاربرد فراوانی دارند.
قدرت میدان
برای تعیین مشخصات میدان مغناطیسی، همراه با بردار القای مغناطیسی، می توان از مقداری به نام قدرت میدان مغناطیسی استفاده کرد. این عبارت یک کمیت برداری است که شدت میدان مغناطیسی خارجی را تعیین می کند. جهت میدان مغناطیسی در یک محیط با خواص یکسان در همه جهات، بردار شدت با بردار القای مغناطیسی در نقطه میدان منطبق خواهد شد.
خواص مغناطیسی قوی فرومغناطیس ها با وجود قطعات کوچک مغناطیسی تصادفی در آنها توضیح داده می شود که می توانند به عنوان آهنرباهای کوچک نشان داده شوند.
بدون میدان مغناطیسی، یک ماده فرومغناطیسی ممکن است خواص مغناطیسی مشخصی نداشته باشد، زیرا میدان های دامنه جهت گیری های متفاوتی پیدا می کنند و میدان مغناطیسی کل آنها صفر است.
با توجه به ویژگی های اصلی میدان مغناطیسی، اگر فرومغناطیسی در یک میدان مغناطیسی خارجی، به عنوان مثال، در یک سیم پیچ با جریان قرار گیرد، آنگاه تحت تأثیر میدان خارجی، حوزه ها در میدان مغناطیسی می چرخند. جهت میدان خارجی علاوه بر این، میدان مغناطیسی در سیم پیچ افزایش می یابد و القای مغناطیسی افزایش می یابد. اگر میدان خارجی به اندازه کافی ضعیف باشد، تنها بخشی از همه حوزه‌هایی که میدان‌های مغناطیسی آنها به جهت میدان خارجی نزدیک می‌شوند، برمی‌گردانند. با افزایش قدرت میدان خارجی، تعداد حوزه‌های چرخانده افزایش می‌یابد و در مقدار مشخصی از ولتاژ میدان خارجی، تقریباً تمام قسمت‌ها به‌گونه‌ای می‌چرخند که میدان‌های مغناطیسی در جهت میدان خارجی قرار گیرند.به این حالت اشباع مغناطیسی می گویند.
رابطه بین القای مغناطیسی و شدت
رابطه بین القای مغناطیسی یک ماده فرومغناطیسی و قدرت میدان خارجی را می توان با استفاده از نموداری به نام منحنی مغناطیسی نشان داد. در خم نمودار منحنی، سرعت افزایش القای مغناطیسی کاهش می یابد. پس از خم شدن، جایی که کشش به حد معینی می رسد، اشباع رخ می دهد و منحنی کمی افزایش می یابد و به تدریج شکل یک خط مستقیم را به خود می گیرد. در این بخش، القاء همچنان در حال رشد است، اما به آرامی و تنها به دلیل افزایش قدرت میدان خارجی.
وابستگی گرافیکی داده های نشانگر مستقیم نیست، به این معنی که نسبت آنها ثابت نیست و نفوذپذیری مغناطیسی مواد یک شاخص ثابت نیست، بلکه به میدان خارجی بستگی دارد.
تغییر در خواص مغناطیسی مواد
هنگام افزایش جریان تا اشباع کامل در یک سیم پیچ با هسته فرومغناطیسی و سپس کاهش آن، منحنی مغناطیسی با منحنی مغناطیس زدایی منطبق نخواهد شد. با شدت صفر، القای مغناطیسی همان مقدار را نخواهد داشت، اما شاخصی به نام القای مغناطیسی باقیمانده را به دست می آورد. وضعیت عقب ماندگی القای مغناطیسی از نیروی مغناطیسی را هیسترزیس می نامند.
برای مغناطیس زدایی کامل هسته فرومغناطیسی در سیم پیچ، باید جریان معکوس داده شود که کشش لازم را ایجاد می کند. برای فرومغناطیسی های مختلفمواد، قطعه ای با طول های مختلف مورد نیاز است. هر چه بزرگتر باشد، انرژی بیشتری برای مغناطیس زدایی مورد نیاز است. مقداری که در آن ماده کاملاً مغناطیس زدایی می شود، نیروی اجباری نامیده می شود.
با افزایش بیشتر جریان در سیم پیچ، القاء دوباره به شاخص اشباع افزایش می یابد، اما با جهت متفاوت خطوط مغناطیسی. هنگام مغناطیس زدایی در جهت مخالف، القای باقیمانده به دست می آید. پدیده مغناطیس باقیمانده برای ایجاد آهنرباهای دائمی از مواد با مغناطیس باقیمانده بالا استفاده می شود. از موادی با قابلیت مغناطیس مجدد برای ایجاد هسته برای ماشین‌ها و دستگاه‌های الکتریکی استفاده می‌شود.
قانون دست چپ
نیرویی که بر هادی با جریان تأثیر می گذارد جهتی دارد که با قانون دست چپ تعیین می شود: زمانی که کف دست باکره به گونه ای قرار گیرد که خطوط مغناطیسی وارد آن شود و چهار انگشت دراز شوند. در جهت جریان در هادی، شست خم شده جهت نیرو را نشان می دهد. این نیرو بر بردار القایی و جریان عمود است.
هادی حامل جریان که در میدان مغناطیسی حرکت می کند نمونه اولیه موتور الکتریکی در نظر گرفته می شود که انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می کند.
قانون دست راست
در حین حرکت رسانا در میدان مغناطیسی، نیروی الکتروموتور درون آن القا می شود که مقداری متناسب با القای مغناطیسی، طول هادی درگیر و سرعت حرکت آن دارد. این وابستگی را القای الکترومغناطیسی می نامند. دربرای تعیین جهت EMF القایی در هادی، از قانون دست راست استفاده می شود: هنگامی که دست راست به همان شکلی که در مثال از سمت چپ است قرار می گیرد، خطوط مغناطیسی وارد کف دست می شوند و انگشت شست جهت را نشان می دهد. حرکت هادی، انگشتان کشیده شده جهت EMF القایی را نشان می دهد. رسانایی که تحت تأثیر یک نیروی مکانیکی خارجی در یک شار مغناطیسی حرکت می کند ساده ترین مثال از ژنراتور الکتریکی است که در آن انرژی مکانیکی به انرژی الکتریکی تبدیل می شود.
قانون القای الکترومغناطیسی را می توان به صورت متفاوتی فرموله کرد: در یک مدار بسته، یک EMF القا می شود، با هر تغییری در شار مغناطیسی تحت پوشش این مدار، EFE در مدار از نظر عددی برابر با نرخ تغییر است. شار مغناطیسی که این مدار را می پوشاند.
این فرم نشانگر متوسط EMF را ارائه می دهد و وابستگی EMF را نه به شار مغناطیسی، بلکه به سرعت تغییر آن نشان می دهد.
قانون لنز
همچنین باید قانون لنز را به خاطر بسپارید: جریان ناشی از تغییر میدان مغناطیسی که از مدار عبور می کند، میدان مغناطیسی آن از این تغییر جلوگیری می کند. اگر پیچ های سیم پیچ توسط شارهای مغناطیسی با بزرگی های مختلف سوراخ شود، EMF القا شده در کل سیم پیچ برابر است با مجموع EMF در پیچ های مختلف. به مجموع شارهای مغناطیسی پیچ های مختلف سیم پیچ، پیوند شار می گویند. واحد اندازه گیری این کمیت و همچنین شار مغناطیسی وبر است.
هنگامی که جریان الکتریکی در مدار تغییر می کند، شار مغناطیسی ایجاد شده توسط آن نیز تغییر می کند. در عین حال، طبق قانون القای الکترومغناطیسی، در داخلهادی، یک EMF القا می شود. در ارتباط با تغییر جریان در هادی ظاهر می شود، بنابراین به این پدیده خود القایی و EMF القایی در هادی را EMF خود القایی می گویند.
پیوند شار و شار مغناطیسی نه تنها به قدرت جریان، بلکه به اندازه و شکل یک هادی معین، و نفوذپذیری مغناطیسی ماده اطراف بستگی دارد.
القایی هادی
ضریب تناسب را اندوکتانس رسانا می گویند. این به توانایی یک هادی برای ایجاد پیوند شار هنگام عبور الکتریسیته از آن اشاره دارد. این یکی از پارامترهای اصلی مدارهای الکتریکی است. برای مدارهای خاص، اندوکتانس ثابت است. این به اندازه کانتور، پیکربندی آن و نفوذپذیری مغناطیسی محیط بستگی دارد. در این حالت، قدرت جریان در مدار و شار مغناطیسی اهمیتی نخواهد داشت.
تعاریف و پدیده های فوق توضیحی در مورد میدان مغناطیسی می دهند. مشخصات اصلی میدان مغناطیسی نیز آورده شده است که با کمک آنها می توان این پدیده را تعریف کرد.
