نقش مهم مغناطیس در الکترونیک 

مغناطیس

الکترومغناطیس نیرویی است که وقتی جریان الکتریکی درون یک هادی ساده مانند یک قطعه سیم یا کابل جریان می‌یابد، تولید می‌شود. یک میدان مغناطیس کوچکی در اطراف رسانا با جهت این میدان مغناطیسی با توجه به قطب‌های “شمال” و “جنوب” آن که توسط جهت جریان شارش یافته درون رسانا تعیین شده است، ایجاد شده است.

کاربرد مغناطیس

مغناطیس نقش مهمی در مهندسی الکتریکی و الکترونیک دارد زیرا بدون وجود آن اجزایی مانند رله، سلونوئید، سلف‌ها، سیم‌پیچ، چوک‌ها، بلندگوها، موتورها، ژنراتورها، ترانسفورماتورها و کنتور برق و غیره کار نخواهند کرد اگر مغناطیس وجود نداشته باشد. سپس هر سیم‌پیچ هنگامی که یک جریان الکتریکی درون آن جریان می‌یابد، از اثر الکترومغناطیس استفاده می‌کند. اما قبل از اینکه بتوانیم بصورت جزئی‌تر بر مغناطیس و به ویژه الکترومغناطیس بپردازیم، باید کلاس‌های فیزیک خود را به خاطر بیاوریم که چگونه آهن‌ربا و مغناطیس کار می‌کنند.

ماهیت مغناطیس

آهن‌ربا ها می‌توانند در حالت طبیعی به صورت سنگ معدن مغناطیسی یافت شوند، با دو نوع اصلی مگنتیت که نیز به نام “اکسید آهن”  (FE₃ O₄) و سنگ آهک، که “سنگ پیشرو” نیز نامیده می‌شوند، وجود دارند. اگر این دو آهن‌ربا طبیعی از یک قطعه رشته آویزان شوند، آنها موقعیتی را مطابق با میدان مغناطیسی زمین که همیشه به سمت شمال است، می‌گیرند. یک مثال خوب از این اثر سوزن قطب‌نما است. در اکثر کاربردهای عملی، این آهنرباهای طبیعی قابل چشم‌پوشی هستند زیرا مغناطیس آنها بسیار کم است زیرا که امروزه آهنرباهای مصنوعی ساخته شده به دست بشر در شکل‌ها، اندازه‌ها و قدرت‌های مغناطیسی مختلفی تولید می‌شوند.

در اصل دو حالت مغناطیسی وجود دارد، “آهنرباهای دائمی” و “آهن‌ربای موقت”، که با توجه به کاربرد انتخاب می‌شوند. انواع مختلفی از مواد برای ساخت آهن‌ربا وجود دارد، مانند آهن، نیکل، آلیاژهای نیکل، کروم و کبالت و در حالت طبیعی‌شان برخی از این عناصر مانند نیکل و کبالت به تنهایی مقادیر مغناطیسی بسیار ضعیفی را نشان می‌دهند.

اگرچه، هنگامی که به همراه سایر مواد مانند آهن یا پراکسید آلومینیوم مخلوط یا “آلیاژ شوند”  آنها به آهنربایی بسیار قوی تبدیل می‌شوند که نامهای غیرمعمول مانند “آلکومکس”، “هایوماکس”، “آلنی” و “آلنیکو” تولید می‌کنند. مواد مغناطیسی در حالت غیر مغناطیسی دارای ساختار مولکولی به شکل زنجیر مغناطیسی سست یا آهنرباهای ریز جداگانه که در یک الگوی تصادفی بصورت سست مرتب شده‌اند، است. تأثیر کلی این نوع از  چیدمان منجر به مغناطیس صفر یا بسیار ضعیف می‌شود زیرا در این ترتیب تصادفی، هر آهنربای مولکولی تمایل به خنثی کردن همسایه خود دارد.

وقتی ماده مغناطیسی می‌شود، ترتیب تصادفی مولکول‌ها تغییر می‌کند و ریز مولکول‌های بی‌طرف و تصادفی “به هم می‌چسبند” به گونه‌ای که یک ترتیب مغناطیسی سری ایجاد می‌کنند. این ایده از تراز مولکولی مواد فرومغناطیسی به عنوان نظریه وبرز شناخته شده است و در زیر توضیح داده شده است.

تراز مولکول مغناطیسی یک قطعه آهن و آهن‌ربا

نظریه وبرز مبتنی بر این واقعیت است که تمام اتم‌ها به دلیل فعالیت چرخش الکترون های اتم دارای خواص مغناطیسی هستند. گروه‌های اتمی به هم می‌پیوندند درنتیجه میدان مغناطیسی آنها همه در همان جهت در حال چرخش هستند. مواد مغناطیسی از گروه‌های آهنرباهای ریز در سطح مولکولی در اطراف اتم‌ها تشکیل شده‌اند و یک ماده مغناطیسی بیشتر آهنرباهای ریز خود را بصورت سری در یک جهت قرار می‌دهد تا تنها قطب شمال را در یک جهت و قطب جنوب را در جهت دیگر تولید کند.

به همین ترتیب، ماده‌ای که آهنرباهای مولکولی ریز خود را در همه جهات قرار می‌دهد، آهنرباهای مولکولی خنثی شده توسط آهنربای همسایه خود را خواهد داشت، در نتیجه هرگونه اثر مغناطیسی را خنثی می‌کند. این مناطق از آهنرباهای مولکولی “حوزه‌ها” نامیده می‌شوند. هر ماده مغناطیسی، خود یک میدان مغناطیسی تولید می‌کند که وابسته به درجه تراز دامنه‌های مغناطیسی در ماده تنظیم شده توسط الکترون‌های مداری و چرخشی است. این میزان تراز می‌تواند با مقداری که به آهنربایی M معروف است، مشخص شود.

در مواد بدون مغناطیس M = 0  است، اما بعضی از حوزه‌ها پس از حذف میدان مغناطیسی بر روی نواحی کوچک در ماده تراز می‌مانند. تأثیر اعمال نیروی مغناطیسی بر روی مواد، تراز کردن بعضی از حوزه‌ها برای تولید مقدار مغناطیس غیر صفر است. هنگامی که نیروی مغناطیسی برداشته شد، بسته به ماده مغناطیسی مورد استفاده، مغناطیس موجود در مواد باقی می‌ماند یا به سرعت افت می‌کند. این توانایی یک ماده برای حفظ خاصیت مغناطیسی خود، قدرت نگهداری نام دارد.

موادی که برای حفظ خاصیت مغناطیسی خود مورد نیاز هستند، دارای قدرت نگهداری نسبتاً بالایی خواهند بود و به همین ترتیب در ساخت آهنرباهای دائمی استفاده می‌شوند، در حالی که موادی که لازم است تا سریعاً مغناطیس خود را از دست بدهند، مانند هسته‌های آهنی نرم برای رله‌ها و سلونوئی‌ ها،  قدرت نگهداری خیلی پایینی خواهند داشت.

شار مغناطیسی

تمام آهنرباها، صرف نظر از شکل آنها، دارای دو ناحیه به نام‌های  قطب‌های مغناطیسی با مغناطیس در داخل و اطراف یک مدار مغناطیسی هستند که یک زنجیره‌ای مشخص از الگوی سازمان یافته و متعادل خطوط نامرئی شار در اطراف آن تولید می‌کنند. این خطوط شار جمعاً به عنوان “میدان مغناطیسی” آهنربا خوانده می‌شوند. شکل این میدان مغناطیسی در بعضی از قسمت‌ها نسبت به جاهای دیگر شدیدتر است و دارای  ناحیه آهنربایی است که بیشترین مغناطیس را دارد  که “قطب ها” نامیده می‌شوند.

این خطوط شار (به نام یک میدان بردار) با چشم غیر مسلح قابل مشاهده نیستند اما با استفاده از قرار دادن براده‌های آهنی بر روی یک صفحه کاغذ یا با استفاده از یک قطب‌نما کوچک برای ردیابی آنها، بصورت بصری قابل مشاهده می‌شوند. قطب‌های مغناطیسی همیشه به صورت جفت وجود دارند، همیشه ناحیه‌ای از آهنربا به نام قطب شمال وجود دارد و همیشه یک ناحیه مخالف به نام قطب جنوب وجود دارد.

میدان‌های مغناطیسی همیشه به عنوان خطوط نیرو بصورت بصری دیده می‌شوند که در هر انتهای ماده که خطوط شار متراکم‌تر و متمرکزتر است، قطب مشخصی می‌دهد. خطوطی که برای ایجاد یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌شوند و  جهت و شدت آن را نشان می‌دهند خطوط نیرو یا معمولاً “شار مغناطیسی” خوانده می‌شوند و مطابق شکل زیر نماد یونانی (Φ)  فی، به آنها داده می‌شود.

خطوط نیرو از یک میدان مغناطیسی نوار آهن‌ربا

همانطور که در بالا نشان داده شد، میدان مغناطیسی در نزدیکی قطب‌های آهنربا قوی‌تر است، زیرا خطوط شار بصورت خیلی نزدیک به یکدیگر قرار دارند. جهت کلی برای جریان شار مغناطیسی از شمال (N) به قطب جنوب (S) است. علاوه بر این، این خطوط مغناطیسی حلقه‌های بسته‌ای را تشکیل می‌دهند که قطب شمال آهن‌ربا را ترک می‌کنند و در قطب جنوب وارد می شوند. قطب‌های مغناطیسی همیشه به صورت جفت هستند.

اگرچه، شار مغناطیسی واقعا از شمال به قطب جنوب جریان نمی‌یابد و در واقع به هیچ‌جا جریان نمی‌یابد زیرا شار مغناطیسی یک منطقه ایستا در اطراف آهن‌ربا است که در آن نیروی مغناطیسی وجود دارد. به عبارت دیگر شار مغناطیسی جریان پیدا نمی‌کند و حرکت نمی‌کند بلکه در همان‌جا قرار دارد و تحت تأثیر جاذبه قرار نمی‌گیرد. برخی از حقایق مهم هنگام ترسیم خطوط نیرو پدیدار می‌شوند:

خطوط نیرو هرگز متقاطع نیستند.

خطوط نیرو پیوسته هستند.

خطوط نیرو همیشه حلقه‌های بسته جداگانه‌ای را در اطراف آهنربا تشکیل می‌دهند.

خطوط نیرو دارای یک مسیر مشخص از شمال به جنوب است.

خطوط نیرویی که به یکدیگر نزدیک هستند، یک میدان مغناطیسی قوی را نشان می‌دهند.

خطوط نیرو که از هم دورتر باشند، میدان مغناطیسی ضعیفی را نشان می‌دهند.

نیروهای مغناطیسی مانند نیروهای الکتریکی جذب و دفع می‌شوند و هنگامی که دو خط نیرو به هم نزدیک می‌شوند تعامل بین دو میدان مغناطیسی باعث ایجاد یکی از دو عمل زیر می‌شود:

1.  هنگامی که قطب‌های مجاور یکسان هستند، (شمال-شمال یا جنوب-جنوب) آنها یکدیگر را دفع می‌کنند.
2.  هنگامی که قطب‌های مجاور یکسان نیستند، (شمال-جنوب یا جنوب-شمال) آنها یکدیگر را جذب می‌کنند.

این اثر به راحتی با بیان معروف که “متضادها یکدیگر را جذب می‌کنند” حفظ می‌شود و این تعامل میدان مغناطیسی به راحتی با استفاده از براده‌های  آهن برای نشان دادن خطوط نیرو در اطراف آهنربا  می‌تواند به راحتی نشان داده شود. تأثیر میدان مغناطیسی از ترکیبات مختلف قطب‌ها مانند دفع قطب‌های هم نام و جذب قطب‌های غیر همنام، در زیر مشاهده می‌شود.

میدان مغناطیسی قطب‌های هم‌نام و مخالف

در هنگام ترسیم خطوط میدان مغناطیسی با قطب‌نما، مشاهده می‌شود که خطوط نیرو به گونه‌ای تولید می‌شوند که با قرار دادن  قطب مشخص در هر انتهای آهن‌ربا، در آن خطوط نیرو قطب شمال را ترک می‌کند و از قطب جنوب مجدداً وارد می‌شود. آهن‌ربایی می تواند با گرم کردن یا چکش زدن ماده مغناطیسی از بین برود، اما با شکستن آهن‌ربا به دو قطعه نمی‌توان آن را از بین برد یا جدا کرد.‌

بنابراین اگر یک آهن‌ربای نواری معمولی بگیرید و آن را به دو قطعه تقسیم کنید، دو نیمه آهن‌ربا ندارید اما در عوض، هر قطعه شکسته به نوعی قطب شمال و قطب جنوبی خود را خواهد داشت. اگر یکی از آن قطعات را بردارید و دوباره آن را به دو قسمت بشکنید، هر یک از قطعات کوچک‌تر یک قطب شمال و یک قطب جنوب خواهند داشت و به همین ترتیب ادامه خواهد داشت. اهمیتی ندارد قطعات آهن‌ربا چقدر کوچک شوند، هر قطعه همچنان قطب شمال و قطب جنوب خواهد داشت، دیوانه کننده است.

سپس برای اینکه بتوانیم از مغناطیس در محاسبات الکتریکی یا الکترونیکی استفاده کنیم، لازم است که جنبه‌های مختلف مغناطیس را تعریف کنیم.

اندازه مغناطیس

اکنون می‌دانیم که خطوط نیرو یا شار مغناطیسی در اطراف ماده مغناطیسی با نماد یونانی فی (Φ) بیان می‌شود که واحد شار آن پس از ویلهلم ادوارد وبرز، (Wb) وبر است. اما تعداد خطوط نیرو در یک ناحیه واحد خاص “چگالی شار” خوانده می‌شود و از آنجا که شار (Φ) در (Wb) و مساحت (A) در متر مربع اندازه‌گیری می شود  (m²)، بنابراین چگالی شار در[latex] Wb/m^{2} [/latex] یا [latex] Webers/Metre^{2} [/latex] اندازه‌گیری می‌شود و نماد B را دارند.

با این حال، هنگام اشاره به چگالی شار در مغناطیس، چگالی شار دارای  واحد تسلا پس از نیکولا تسلا است بنابراین یک  [latex] Wb/m^{2} [/latex] برابر است با یک تسلا  [latex] Wb/m^{2}=1T [/latex] . چگالی شار متناسب با خطوط نیرو و برعکس متناسب با مساحت است، بنابراین می‌توان چگالی شار را به صورت زیر تعریف کرد:

چگالی شار مغناطیسی

[latex] B=(frac{phi }{A}) [/latex]

B= چگالی شار مغناطیسی ( تسلا )

Φ= شار مغناطیسی ( وبر )

A= مساحت ([latex] m^{2} [/latex])

نماد تراکم شار مغناطیسی B و واحد چگالی شار مغناطیسی تسلا T  است.

مهم است به یاد داشته باشید که تمام محاسبات مربوط به چگالی شار در واحدهای یکسانی انجام می‌شود، به عنوان مثال شار در وبرز، مساحت در متر مربع و چگالی شار در تسلا.

مثال شماره 1 مغناطیس

مقدار شار موجود در یک آهنربای مغناطیسی گرد در [latex] 0.013 [/latex] وبرز اندازه‌گیری شده است. اگر ماده دارای قطر 12 سانتی متر باشد، چگالی شار را محاسبه کنید.

سطح مقطع ماده مغناطیسی در متر مربع به شرح زیر است:

قطر= 12cm

مساحت=[latex] Pi r^{2} [/latex]

[latex]A=3.142times 0.06^{2}=0.113 m^{2} [/latex]

شار مغناطیسی به صورت  [latex] 0.013 [/latex] وبرز داده شده است، بنابراین چگالی شار می‌تواند به صورت زیر محاسبه شود:

[latex] B=(frac{phi }{A})=(frac{0.013}{0.0113})=1.15T [/latex]

بنابراین چگالی شار به صورت 1/15 تسلا محاسبه شده است.

هنگام برخورد با مغناطیس در مدارهای الکتریکی باید به خاطر داشته باشید که یک تسلا چگالی یک میدان مغناطیسی است به گونه ای که یک هادی حامل 1 آمپر در زاویه‌های درست به سمت میدان مغناطیسی نیرویی به طول یک نیوتن- متر را روی آن تجربه می‌کند و این در آموزش‌های بعدی درباره الکترومغناطیس نشان داده خواهد شد.