مغناطیس و مفاهیم مربوط به آن

مواد در طبیعت شامل دو دسته مغناطیسی و غیر مغناطیسی هستند . مغناطیس نوعی خاصیت فیزیکی است که در اثر وجود یک میدان مغناطیسی ایجاد میشود و به قابلیت جذب و دفع اجسام دیگر اشاره دارد.این خاصیت با مواد مگنتی مثل آهن سرو کار دارد و روی مواد غیر مگنتی مثل چوب تاثیری ندارد و مشهود ترین  تاثیرات آن در مواد فرومغناطیسی رخ می دهد که به شدت توسط میدان ها جذب می شوند.

فقط تعداد کمی از مواد فرومغناطیسی هستند. رایج ترین آنها آهن، کبالت و نیکل و آلیاژهای آنها هستند. فلزات خاکی کمیاب نئودیمیم و ساماریوم هم جزو نمونه های کمتر رایج هستند. پیشوند “فرو” به آهن اشاره دارد زیرا مغناطیس دائمی برای اولین بار در سنگ لود استون که شکلی از سنگ آهن طبیعی به نام مگنتیت با فرمول شیمیایی Fe3O4 است مشاهده شد.

حالت مغناطیسی (یا فاز مغناطیسی) یک ماده به دما، فشار و میدان اعمال شده بستگی دارد. قدرت میدان همیشه با فاصله کاهش می‌یابد ،اگرچه رابطه ریاضی دقیق بین قدرت و فاصله متفاوت است. پیکربندی های مختلف گشتاورهای مغناطیسی و جریان های الکتریکی می تواند منجر به میدان های مغناطیسی پیچیده شود.

قطب های مغناطیسی

هر جسم دارای خاصیت مگنتی دارای دو نقطه است که در آن نقاط جاذبه یا دافعه بیشتر از سایر نقاط است و به آن نقاط قطب های مغناطیسی میگویند و همواره یکی قطب N و دیگری قطب S است. اگرچه برخی نظریه ها وجود تک قطبی ها را پیش بینی می کنند اما در حال حاضر تنها دوقطبی ها مشاهده شده اند یعنی هر ذره مغناطیسی همواره هم قطب N و هم  قطب S دارد.

بر خلاف بار های الکتریکی که میتوانند تک قطبی (فقط مثبت یا فقط منفی) باشند. اگر یک آهنربا را به چند قطعه کوچتر خرد کنیم هرکدام از  قطعات جداگانه دارای قطب N و  S خواهند بود.

میدان مغناطیسی (B)

در اطراف یک جسم مگنتی همواره یک میدانی وجود دارد که شامل تعدادی خطوط جهت دار است و خاصیت مغناطیسی در مسیر این خطوط در جریان است که به آن خطوط میدان میگوییند و به شکل زیر همواره از قطب N خارج و به قطب S وارد میشوند و تاثیر این خاصیت جسم روی مواد مغناطیسی و بار های الکتریکی متحرک و جریان های الکتریکی از مسیر این خطوط میگذرد .

هرچه خطوط میدان به هم نزدیک تر باشند میدان قوی تر است و بنابرین در اطراف قطب ها میدان قوی تر است و  جریان های الکتریکی و گشتاورهای مغناطیسی ذرات بنیادی باعث ایجاد میدان می شوند .در هر نقطه از میدان بردار هایی مماس بر این خطوط خمیده رسم میشود که به آن بردار میدان در آن نقطه میگویند.

همچنین بخوانید: حالت های ایجاد میدان مغناطیسی

 

نیروی وارد شده بر بار های الکتریکی اطراف میدان

اگر بار های الکتریکی با بار  q  را به یک میدان مغناطیسی نزدیک کنیم به دلیل وجود میدان مغناطیسی همواره بار ها در میدان با سرعت  v مماس با خطوط میدان از قطب N به  سوی قطب S  حرکت میکنند، در این هنگام نیرویی عمود بر خطوط میدان به بار های الکتریکی q اعمال میشود که که به آن نیروی مغناطیسی میگوند که اندازه ، سرعت و جهت حرکت بار ها در میدان با این نیرو رابطه مستقیم دارد اگر زاویه بین حرکت بار ها و جهت میدان را θ در نظر بگیریم نیروی مغناطیسی وارد بر بار ها عبارت است از:

F=qvBsin(θ)

استفاده از قانون دست راست برای پیدا کردن نیروی وارد بر یک بار مثبت متحرک در یک میدان مغناطیسی 

نیروی وارد شده بر میدان مغناطیسی اطراف میدان های دیگر

اگر یک میدان مغناطیسی دارای قطب های N-S را  را در اطراف یک میدان مغناطیسی دیگر قرار دهیم جسم همواره روی خطوط میدان قرار میگیرد و به سمت قطب های ناهمنام خود جهت گیری میکند و کشیده میشود

شار مغناطیسی

مولفه‌هایی از میدان مغناطیسی B که با زاویه θ از سطح مشخصی با مساحت A می‌گذرد که بر حسب وبرWb بیان میشود و عبارت است از:

Ჶ=BAcos(θ)

القای مغناطیسی

همانطور که بدون تماس با یک جسم رسانا میتوان آنرا دارای بار های مثبت و منفی الکتریکی کرد، میتوان بدون تماس با یک ماده مغناطیسی و با نزدیک کردن میدان مغناطیسی به آن ، آن را دارای میدان مغناطیسی و دوقطبی N-S به صورت موقت یا دائمی کرد. به این کار القای مغناطیسی میگویند. مواد فرومغناطیسی با این عمل می توانند به آهنرباهای دائمی تبدیل شوند و خود میدان های مغناطیسی تولید کنند. مغناطیس زدایی آهنربا نیز امکان پذیر است. همواره در القای مغناطیسی قطب های جسم القا شده مخالف قطب های جسم نزدیک شده به آن است.

قانون القای فارادی

قانون القای فارادی بیان می‌کند که هرگاه شار مغناطیسی ای که از یک حلقه سیم با سطح مشخصی عبور میکند در طول زمان تغییر کند، نیروی محرکه‌ای بر حسب ولت و جریانی حاصل از این نیروی محرکه بر حسب آمپر در سیم القا می‌شود که بزرگی این نیروی محرکه با آهنگ تغییرات شار مغناطیسی در واحد زمان که بر حسب وبر بر ثانیه (wb/s) است متناسب است  این نیروی محرکه از رابطه زیر قابل محاسبه است:

که عبارت است از قرینه نسبت تغیر شار به تغیر زمان و اگر بجای یک حلقه از N دور حلقه استفاده شود این رابطه به شکل زیر درمی آید:

قانون لنز

جهت جریان القایی در یک پیچه به گونه‌ای است که میدان مغناطیسی حاصل از آن (میدان مغناطیسی جریان القایی)، با میدان مغناطیسی اولیه (میدان مغناطیسی تولید کننده جریان القایی) مخالفت کند.