مغناطیس و القای الکترومغناطیس

مقدمه

مبحث الکترومغناطیس از جمله مباحث جذاب و مهم فیزیک بشمار می‌رود . در این بحث نخست ویژگیهای مواد مغناطیسی را مورد توجه قرار می دهیم و سپس به برهم کنش  بین الکتریسیته و مغناطیس توجه می‌کنیم.

مغناطیس یا آهن ربا (مگنتیک   fe3o4    ) :

سالها پیش در ناحیه‌أی از ترکیه امروزی صخره‌هایی یافت شدند که این صخره ها یکدیگر را می ربودند و همین باعث تحقیقاتی راجع به ربایش این صخره‌ها شد . بعد ها  این صخره‌ها را مغناطیس نامیدند.

 

مواد

مغناطیسی (فرومغناطیس)

غیرمغناطیسی

مواد مغناطیسی:

 خاصیت آهن‌ربایی در آنها وجود دارد و جذب آهن‌ربا می شوند.  مانند:سوزن فولادی

مواد غیرمغناطیسی:

 در آنها خاصیت آهن‌ربایی وجود ندارد و آهن‌ربا  روی آنها بی اثر است .  مانند: چوب و شیشه که جذب آهن‌ربا نمی شوند.

 

آهن ربا :

به موادی که ذرات آهن را جذب می‌کند آهن‌ربا گویند .  خاصیت آهن‌ربایی در آهن، نیکل و کبالت و آلیاژهایی از ترکیب اینها مشاهده میشود.

- آهن‌ربا اشکال مختلفی داردکه بر حسب نیاز مورد استفاده قرار می‌گیرند.     

آهن‌ربا:

  1- میله‌أی

  2ـ نعلی شکل

  3ـ حلقه أی

  4ـ تخت

 

نکته: هر آهن‌ربایی دو قطب دارد (یعنی دو ناحیه‌أی که ربایش در آن دو ناحیه از جاهای دیگر بیشتر است)

 

اگر آهن‌ربایی را به وسیله یک نخ آویزان کنیم » بعد از مدتی یک سر آن همواره رو به شمال کره زمین می ایستد و سر دیگر آن رو به جنوب کره زمین.

- قطبی را که به سوی نیمکره شمالی زمین می ایستد قطب شمال می نامند     <<North >>            N      

- قطبی را که به سوی نیمکره جنوبی زمین می ایستد قطب جنوب می نامند.  <<South>>           S  

برهم کنش بین دو آهن ربا :

آزمایش اول : با این آزمایش ثابت شد که قطب‌های همنام یکدیگر را دفع می کنند و قطب های ناهمنام همدیگر را جذب می کنند.

اگر دو آهن‌ربا با قطب‌های مشخص شده (  S و N ) را به یکدیگر به گونه‌أی نزدیک کنیم که دو قطب  N  به طرف هم باشند این دو قطب همنام همدیگر را دفع می کنند؛ و اگر قطب  N  آهن ربا یی را به قطب Sنزدیک کنیم همدیگر را جذب می کنند.

 

 قانون بنیادی:

1- قطبهای مغناطیسی همنام یکدیگر را می‌رانند (یا دفع می‌کنند)

2- قطبهای مغناطیسی غیر همنام یکدیگر را می‌ربایند (یا جذب می‌کنند)

 

 

 

 

روشهای آهن ‌ربا کردن

1) بوسیله جریان الکتریسیته

2) بوسیله القا

در روش (1) :

 یک تیغه فولادی را درون یک سیم‌پیچ قرار می‌دهیم و به جریان مستقیم وصل می‌کنیم در مدت کوتاهی تیغه فولادی آهن ربا می‌شود.

در روش (2) :

  یک آهن‌ربا در نظر گرفته و در راستای آن یک تیغه فولادی قرار می دهیم تیغه فولادی تحت اثر آهن‌ربایی که در بالای آن قرار دارد آهن ربا می شود . می‌گوییم در تیغه فولادی خاصیت مغناطیسی القا شده است.

 

1) با استفاده از یک آهن ربای دیگر

تعیین قطبهای  یک آهن‌ربا   :

2) بوسیله سیم‌پیچ و عبور جریان از آن

در روش (1):

ازیک آهن‌ربایی که قطبهای آن برای ما مشخص است استفاده می‌کنیم و این آهن ربای مشخص را بوسیله نخ آویزان می‌کنیم .  آهن ربایی  را که می‌خواهیم قطبهای آن را تعیین کنیم ؛ به یک قطب این آهن ربای مشخص نزدیک می‌کنیم . اگر همدیگر را دفع کردند ؛ پس قطبها هم علا متند.

 
نکته: از خاصیت جذب استفاده نمی کنیم چون آهن ربا هر آهنی را به سوی خود جذب می‌کند.

در روش (2):

 آهن ربا را درون یک سیم‌پیچ می‌گذاریم اگر جهت جریان همان جهت عقربه های ساعت باشد به آهن ربای درون تیغه نگاه می‌کنیم آن سر آهن‌ربا که مجاور ماست قطب S  و دیگری قطب N  است و بر عکس.

 

علت جذب یک تیغه آهن یا فولاد به آهن ربا:

 در اثر نزدیک شدن آهن به آهن ربا ابتدا بوسیله القا ؛  خاصیت مغناطیسی در آن بوجود می آید ، سپس جذب آهن ربا می شود.

آیا می توان قطبهای یک آهن ربا را  از هم جدا کرد؟

 خیر، مجزا کردن قطبهای مغناطیسی غیر ممکن است چون در آن صورت هر قطعه خود یک دوقطبی مجزا می شود.

 

روشهای از بین بردن خاصیت آهن ربایی:

می‌توان آهن ربا را تا حد سرخ شدن حرارت داد و در راستای مشرق مغرب قرار داد.

ضربه زدن - چکش‌کاری باعث از بین رفتن این خاصیت می‌شود.

آهن ربا را درون سیم پیچ قرار داده در راستای مشرق، مغرب و از سیم پیچ جریان متناوب وصل می کنیم و در همین راستا از سیم پیچ دور می‌کنیم .

 

       

عقربه مغناطیسی:

 از این عقربه در دریانوردی و مسافرت جهت جهت‌یابی استفاده می کنند که این عقربه مغناطیسی همواره در راستای شمال-جنوب کره زمین قرار می گیرد.

آزمایش : در محیط اطراف هر آهن ربا خاصیتی وجود دارد که به هر آهن ربای دیگری در آن محیط نیرو وارد می شود:

شرح:

 یک آهن ربای میله‌أی رانزدیک یکی  از قطبهای عقربه مغناطیسی قرارمی‌دهیم .  عقربه مغناطیسی طوری می‌چرخد که در راستای آهن‌ربا قرار می گیرد و حال اگر آهن ربا را دور کنیم  عقربه مغناطیسی دوباره به جهت شمال-جنوب جغرافیایی قرار می گیرد

 

چرا عقربه مغناطیسی در راستای تقریبی شمال و جنوب جغرافیایی قرار می گیرد؟

واقعیت اینست که زمین خود نیز یک آهن‌ربای بزرگ است و سبب می شود که عقربه مغناطیسی در نقاط مختلف زمین در راستاس تقریبی شمال-جنوب جغرافیایی قرار بگیرد.

میدان  مغناطیسی، جهت میدان  مغناطیسی، خطهای میدان  مغناطیسی :

 

در اطراف یک آهن ربا، یا در اطراف یک رسانای حامل جریان برق،یا در اطراف یک بار متحرک خاصیتی بوجود می آید که به آن میدان مغناطیسی گویند که موجب میشود  به هر عقربه مغناطیسی یا هرآهن ربای دیگری در آن محیط نیرو وارد شود.

 

 

واحد میدان مغناطیسی

}

 

1)تسلا (  T  )

2) نیوتن بر(کولن. متر /ثانیه )

3) وبر بر متر مربع
       

 

 

   گوس4 10 = 1 تسلا

    تسلا  4-10 = 1 گوس

 

 

 

میدان مغناطیسی را با B نمایش می دهند که یک کمیت برداریست و به همین علت هم جهت دارد و هم بزرگی.

جهت میدان مغناطیسی:

وقتی که یک عقربه مغناطیسی را در میدان  مغناطیسی یک آهن ربا قرار دهیم عقربه می چرخد و در جهت معینی می ایستد .  پس جهت میدان مغناطیسی بنا به تعریف در هر نقطه در راستای عقربه مغناطیسی ای است که در آن نقطه به حال تعادل در آمده است ؛ و جهت آن از   Sعقربه به N است. (درون عقربه )

         جهت از S به N  عقربه» همان میدان مغناطیسی است .

 

 خطهای میدان  مغناطیسی:

بوسیله خطهای فرضی می توانیم میدان  مغناطیسی را دقیقتر نمایش دهیم .  میدان  مغناطیسی که توسط این خطوط به نمایش گذاشته می شود بر آن  خطوط مماس است .

بوسیله براده‌های آهن می توان خطوط میدان مغناطیسی را در اطراف یک آهن‌ربا نشان داد، لذا  براده‌هایی از آهن را  در اطراف آهن ربا می‌ریزیم ،ملاحظه می شود که   بر اثر القا این براده ها  آهن‌ربا  شده  و مانند یک عقربه مغناطیسی رفتار می‌کنند.

خلاصه:   جهت میدان در آهن‌ربا از N به S  است.

            جهت میدان در عقربه مغناطیسی ازS به N است

 

نیروی مغناطیسی وارد بر بار‌های متحرک که درون یک میدان مغناطیسی حرکت می‌کنند:

 

آزمایش نشان می‌دهد که بر بار الکتریکی  q که با سرعت  v درمیدان مغناطیسی B  یک آهن ربا حرکت می‌کند نیروی وارد می‌شود که این نیرو را نیروی الکترو مغناطیسی گویند.

  این نیرو F همیشه     بر راستای  v و  ß   عمود است.

 

B     میدان مغناطیسی= Θ          ز اویه بین  جهت بردارسرعت و بردار میدان=vسرعت =         q=بار الکتریکی

 

اگر 90=θ باشد یعنی Sin90=1 می شود و در آن صورت F= qvB می شود .

 

اگر

0 = θ

180 = θ

 با شد با توجه به اینکه خواهیم داشت :

0=sin0  

0=sin180

در آن صورت :FB = 0 می شود. یعنی نیرویی وارد نمی شود.

جهت نیروی الکترومغناطیس:

طبق قانون  دست راست، اگر نوع بار مثبت باشد برای تعیین جهت نیرو، ابتدا چهار انگشت دست راست را در جهت سرعت (‌V ) قرار می دهیم به نحوی که بسته شدن چهار انگشت در جهت میدان مغناطیسی B باشد آنگاه انگشت شست جهت نیروی مغناطیسی را نشان می دهد.  .

اگر بار منفی باشد جهت نیرو خلاف جهت بار مثبت می باشد .  یعنی ابتدا فرض کرده بار مثبت است و جهت آنرا تعیین می کنیم و سپس جهت نیرو را عوض می‌کنیم.

 

 

 

تعریف تسلا:

تسلا واحد میدان مغناطیسی است .

  یک تسلا بزرگی میدان مغناطیسی است که بر بار الکتریکی برابر 1 کولن که در جهت عمود بر میدان با سرعت m/s 1 در حرکت است نیرویی به اندازه یک نیوتن وارد کند.

 

توجه :

       میدان مغناطیسی عمود بر صفحه و به سمت داخل می باشد .

طبق قانون دست راست جهت نیروی مغناطیسی وارد بر الکترون مطابق شکل روبرو  می باشد .
     

نیروی الکترومغناطیسی وارد بر سیم حا مل جریان که در یک میدان مغناطیسی قرار دارد:

آزمایش نشان می‌دهد وقتی که یک سیم را به منبع تغذیه وصل کرده و سپس سیم را

 در یک میدان مغناطیسی قرار دهیم بر این سیم نیرویی وارد می شود که سبب حرکت سیم می‌شود.

θزاویه بین راستای میدان مغناطیسی و جریان است.

 

این نیروی مغناطیسی هم بر راستای میدان و هم بر راستای جریان عمود است.

که در آن :

I=جریان                L=طول سیم                  B=میدان مغناطیسی