المغناطيسية والكهرومغناطيسية
مغناطيس طبيعي وصناعي
من بين خامات الحديد المستخرجة من أجل الصناعة المعدنية هناك خام يسمى خام الحديد المغناطيسي. هذا الخام له خاصية جذب الأجسام الحديدية إليه.
تسمى قطعة من خام الحديد هذا بالمغناطيس الطبيعي ، وخاصية الجذب التي تظهرها هي المغناطيسية.
في الوقت الحاضر ، تُستخدم ظاهرة المغناطيسية على نطاق واسع للغاية في التركيبات الكهربائية المختلفة. ومع ذلك ، فهم الآن لا يستخدمون مغناطيسًا طبيعيًا ، ولكن ما يسمى بالمغناطيسات الاصطناعية.
المغناطيس الاصطناعي مصنوع من الفولاذ الخاص. يتم ممغنط قطعة من هذا الفولاذ بطريقة خاصة ، وبعد ذلك تكتسب خصائص مغناطيسية ، أي تصبح المغناطيس الدائم.
يمكن أن يكون شكل المغناطيس الدائم شديد التنوع ، اعتمادًا على الغرض منه.
في المغناطيس الدائم ، فقط أقطابها لها قوى الجاذبية. تم الاتفاق على الطرف المواجه للشمال للمغناطيس على أنه يسمى مغناطيس القطب الشمالي ، والطرف المواجه للجنوب هو مغناطيس القطب الجنوبي. كل مغناطيس دائم له قطبان: الشمال والجنوب. يُشار إلى القطب الشمالي للمغناطيس بالحرف C أو N ، والقطب الجنوبي بالحرف Yu أو S.
يجذب المغناطيس الحديد والصلب والحديد الزهر والنيكل والكوبالت إلى نفسه. كل هذه الأجسام تسمى الأجسام المغناطيسية. تسمى جميع الأجسام الأخرى التي لا ينجذبها المغناطيس بالأجسام غير المغناطيسية.
هيكل المغناطيس. مغنطة
يتكون كل جسم ، بما في ذلك الجسم المغناطيسي ، من أصغر الجزيئات - الجزيئات. على عكس جزيئات الأجسام غير المغناطيسية ، فإن جزيئات الجسم المغناطيسي لها خصائص مغناطيسية ، تمثل المغناطيس الجزيئي. داخل جسم مغناطيسي ، يتم ترتيب هذه المغناطيسات الجزيئية بمحاورها في اتجاهات مختلفة ، مما يؤدي إلى أن الجسم نفسه لا يُظهر أي خصائص مغناطيسية. ولكن إذا تم إجبار هذه المغناطيسات على الدوران حول محاورها بحيث يتحول أقطابها الشمالية في اتجاه واحد وقطبها الجنوبي في الاتجاه الآخر ، فسيكتسب الجسم خصائص مغناطيسية ، أي أنه سيصبح مغناطيسًا.
تسمى العملية التي يكتسب بها الجسم المغناطيسي خصائص المغناطيس المغنطة ... في إنتاج المغناطيس الدائم ، تتم المغنطة بمساعدة تيار كهربائي. لكن يمكنك جذب الجسم بطريقة أخرى باستخدام مغناطيس دائم عادي.
إذا تم قطع مغناطيس مستقيم الخط على طول خط محايد ، فسيتم الحصول على مغناطيسين مستقلين ، وسيتم الحفاظ على قطبية نهايات المغناطيس ، وستظهر الأقطاب المقابلة في النهايات التي تم الحصول عليها نتيجة القطع.
يمكن أيضًا تقسيم كل مغناطيس ناتج إلى مغناطيسين ، وبغض النظر عن مدى استمرار هذا التقسيم ، سنحصل دائمًا على مغناطيس مستقل بقطبين. من المستحيل الحصول على شريط بقطب مغناطيسي واحد. يؤكد هذا المثال موقف أن الجسم المغناطيسي يتكون من العديد من المغناطيسات الجزيئية.
تختلف الأجسام المغناطيسية عن بعضها البعض في درجة تنقل المغناطيس الجزيئي. هناك أجساد ممغنطة بسرعة ويتم إزالتها بسرعة. على العكس من ذلك ، هناك أجسام تمغنط ببطء لكنها تحتفظ بخصائصها المغناطيسية لفترة طويلة.
لذلك يتم ممغنط الحديد بسرعة تحت تأثير مغناطيس خارجي ، ولكن بنفس سرعة إزالة المغناطيس ، أي أنه يفقد خصائصه المغناطيسية عند إزالة المغناطيس. يصبح مغناطيس دائم.
تفسر خاصية الحديد للمغنطة وإزالة المغناطيسية بسرعة من خلال حقيقة أن المغناطيسات الجزيئية للحديد متحركة للغاية ، فهي تدور بسهولة تحت تأثير القوى المغناطيسية الخارجية ، ولكنها تعود بسرعة إلى وضعها السابق غير المنتظم عندما يكون الجسم الممغنط إزالتها.
أما في الحديد ، فإن نسبة صغيرة من المغناطيسات ، وبعد إزالة المغناطيس الدائم ، لا تزال موجودة لبعض الوقت في الموضع الذي احتلته في وقت المغنطة. لذلك ، بعد المغنطة ، يحتفظ الحديد بخصائص مغناطيسية ضعيفة للغاية. يتم تأكيد ذلك من خلال حقيقة أنه عند إزالة الصفيحة الحديدية من عمود المغناطيس ، لم تسقط كل نشارة الخشب من نهايتها - ظل جزء صغير منها منجذبًا إلى اللوحة.
تفسر خاصية بقاء الفولاذ ممغنطًا لفترة طويلة من خلال حقيقة أن المغناطيسات الجزيئية للصلب بالكاد تدور في الاتجاه المطلوب أثناء المغنطة ، لكنها تحتفظ بوضعها الثابت لفترة طويلة حتى بعد إزالة الجسم الممغنط.
تسمى قدرة الجسم المغناطيسي على إظهار الخصائص المغناطيسية بعد المغنطة المغناطيسية المتبقية.
ترجع ظاهرة المغناطيسية المتبقية إلى حقيقة أنه يوجد في الجسم المغناطيسي ما يسمى بقوة التثبيط التي تحافظ على المغناطيسات الجزيئية في الموضع الذي تشغله أثناء المغنطة.
في الحديد ، يكون تأثير قوة التثبيط ضعيفًا جدًا ، مما ينتج عنه إزالة المغناطيسية بسرعة ولديها القليل جدًا من المغناطيسية المتبقية.
تُستخدم خاصية الحديد للمغنطة وإزالة المغناطيسية على نطاق واسع للغاية في الهندسة الكهربائية. يكفي أن نقول أن النوى لكل منها مغناطيس كهربائيتلك المستخدمة في الأجهزة الكهربائية مصنوعة من حديد خاص مع بقايا مغناطيسية منخفضة للغاية.
يمتلك الفولاذ قوة إمساك كبيرة ، والتي بسببها يتم الحفاظ على خاصية المغناطيسية فيه. لهذا مغناطيس دائم مصنوعة من سبائك الصلب الخاصة.
تتأثر خصائص المغناطيس الدائم سلبًا بالصدمات والصدمات والتقلبات المفاجئة في درجات الحرارة. على سبيل المثال ، إذا تم تسخين مغناطيس دائم إلى اللون الأحمر ثم تركه ليبرد ، فسوف يفقد خصائصه المغناطيسية تمامًا. وبالمثل ، إذا قمت بتعريض مغناطيس دائم للصدمات ، فإن قوة جاذبيته ستنخفض بشكل كبير.
يفسر ذلك حقيقة أنه مع التسخين أو الصدمات القوية ، يتم التغلب على عمل قوة التثبيط وبالتالي يتم إزعاج الترتيب المنظم للمغناطيس الجزيئي. لذلك ، يجب التعامل مع المغناطيس الدائم وأجهزة المغناطيس الدائم بحذر.
خطوط القوة المغناطيسية. تفاعل أقطاب المغناطيس
حول كل مغناطيس يوجد ما يسمى ب حقل مغناطيسي.
يُطلق على المجال المغناطيسي الفضاء الذي توجد فيه القوى المغناطيسية ... المجال المغناطيسي للمغناطيس الدائم هو ذلك الجزء من الفضاء الذي تعمل فيه مجالات المغناطيس المستقيم والقوى المغناطيسية لهذا المغناطيس.
تعمل القوى المغناطيسية للمجال المغناطيسي في اتجاهات معينة ... اتفقت اتجاهات عمل القوى المغناطيسية على أن تسمى خطوط القوة المغناطيسية ... يستخدم هذا المصطلح على نطاق واسع في دراسة الهندسة الكهربائية ، لكن يجب تذكره أن خطوط القوة المغناطيسية ليست مادية: هذا مصطلح تقليدي تم تقديمه فقط لتسهيل فهم خصائص المجال المغناطيسي.
يعتمد شكل المجال المغناطيسي ، أي موقع خطوط المجال المغناطيسي في الفضاء ، على شكل المغناطيس نفسه.
تمتلك خطوط المجال المغناطيسي عددًا من الخصائص: فهي دائمًا مغلقة ، ولا تتقاطع أبدًا ، وتميل إلى اتخاذ أقصر طريق ، وتتنافر إذا كانت تشير في نفس الاتجاه. ومن المقبول عمومًا أن خطوط القوة تخرج من القطب الشمالي للمغناطيس وادخل قطبه الجنوبي ؛ داخل المغناطيس ، لديهم اتجاه من القطب الجنوبي إلى الشمال.
مثل الأقطاب المغناطيسية تتنافر ، على عكس جذب الأقطاب المغناطيسية.
من السهل إقناع نفسك بصحة كلا الاستنتاجين في الممارسة. خذ بوصلة وجلب إليها أحد أقطاب مغناطيس مستقيم ، على سبيل المثال ، القطب الشمالي. سترى أن السهم سيتحول على الفور إلى نهايته الجنوبية إلى القطب الشمالي للمغناطيس. إذا قمت بتدوير المغناطيس بسرعة 180 درجة ، فستدور الإبرة المغناطيسية على الفور 180 درجة ، أي أن نهايتها الشمالية ستواجه القطب الجنوبي للمغناطيس.
الحث المغناطيسي. الفيض المغناطيسي
تتناقص قوة العمل (التجاذب) للمغناطيس الدائم على جسم مغناطيسي مع زيادة المسافة بين قطب المغناطيس وهذا الجسم. يُظهر المغناطيس أكبر قوة جذب مباشرة عند قطبيه ، أي بالضبط حيث توجد خطوط القوة المغناطيسية بأكبر قدر من الكثافة. عند الابتعاد عن القطب ، تنخفض كثافة خطوط القوة ، وتوجد أكثر فأكثر نادرًا ، إلى جانب هذا ، تضعف أيضًا قوة الجذب للمغناطيس.
وبالتالي ، فإن قوة جذب المغناطيس في نقاط مختلفة من المجال المغناطيسي ليست هي نفسها وتتميز بكثافة خطوط القوة. لتوصيف المجال المغناطيسي في نقاطه المختلفة ، يتم إدخال كمية تسمى تحريض المجال المغناطيسي.
الحث المغناطيسي للمجال يساوي عدديًا عدد خطوط القوة التي تمر عبر مساحة 1 سم 2 ، وتقع بشكل عمودي على اتجاهها.
هذا يعني أنه كلما زادت كثافة خطوط المجال عند نقطة معينة في المجال ، زاد الحث المغناطيسي عند تلك النقطة.
يُطلق على العدد الإجمالي لخطوط القوة المغناطيسية التي تمر عبر أي منطقة اسم التدفق المغناطيسي.
يُشار إلى التدفق المغناطيسي بالحرف F ويرتبط بالحث المغناطيسي من خلال العلاقة التالية:
Ф = BS ،
حيث F هو التدفق المغناطيسي ، V هو الحث المغناطيسي للمجال ؛ S هي المنطقة التي تم اختراقها بواسطة تدفق مغناطيسي معين.
هذه الصيغة صالحة فقط إذا كانت المنطقة S متعامدة على اتجاه التدفق المغناطيسي. خلافًا لذلك ، سيعتمد حجم التدفق المغناطيسي أيضًا على الزاوية التي توجد بها المنطقة S ، ثم ستتخذ الصيغة شكلاً أكثر تعقيدًا.
يتم تحديد التدفق المغناطيسي للمغناطيس الدائم من خلال العدد الإجمالي لخطوط القوة التي تمر عبر المقطع العرضي للمغناطيس.كلما زاد التدفق المغناطيسي للمغناطيس الدائم ، كان المغناطيس أكثر جاذبية.
يعتمد التدفق المغناطيسي للمغناطيس الدائم على جودة الفولاذ الذي يصنع منه المغناطيس ، وحجم المغناطيس نفسه ودرجة مغنطيته.
النفاذية المغناطيسية
تسمى خاصية الجسم للسماح بالتدفق المغناطيسي من خلاله بالنفاذية المغناطيسية ... من الأسهل أن يمر التدفق المغناطيسي عبر الهواء أكثر من مروره عبر جسم غير مغناطيسي.
أن تكون قادرًا على مقارنة المواد المختلفة وفقًا لها النفاذية المغناطيسية، من المعتاد اعتبار النفاذية المغناطيسية للهواء مساوية للوحدة.
يطلق عليها مواد ذات نفاذية مغناطيسية أقل من وحدة مغناطيسية ... وهي تشمل النحاس ، الرصاص ، الفضة ، إلخ.
الألومنيوم ، البلاتين ، القصدير ، إلخ. لديهم نفاذية مغناطيسية أكبر بقليل من الوحدة وتسمى بالمواد المغناطيسية.
المواد ذات النفاذية المغناطيسية الأكبر بكثير من واحد (تقاس بالآلاف) تسمى المواد المغناطيسية المغناطيسية. وتشمل هذه النيكل ، والكوبالت ، والصلب ، والحديد ، إلخ. يتم إنتاج جميع أنواع الأجهزة المغناطيسية والكهرومغناطيسية وأجزاء من مختلف الآلات الكهربائية من هذه المواد وسبائكها.
تعتبر سبائك الحديد والنيكل ذات الأهمية العملية لتقنيات الاتصال تسمى بيرمالويد.