الکترومغناطیس چیست

الکترومغناطیس

برای پوشش گسترده تر این موضوع، الکترومغناطیس را ببینید .

یک آهنربای الکتریکی ساده متشکل از سیم پیچی که دور یک هسته آهنی پیچیده شده است. هسته ای از مواد فرومغناطیسی مانند آهن باعث افزایش میدان مغناطیسی ایجاد شده می شود. [1] قدرت میدان مغناطیسی تولید شده متناسب با مقدار جریان عبوری از سیم پیچ است. [1]

میدان مغناطیسی تولید شده توسط یک سلونوئید (سیم پیچ). این نقاشی یک مقطع از مرکز سیم پیچ را نشان می دهد. صلیب ها سیم هایی هستند که جریان در آنها به صفحه می رود. نقطه ها سیم هایی هستند که جریان در آنها از صفحه به سمت بالا حرکت می کند.

آهنربای الکتریکی نوعی آهنربا است که در آن میدان مغناطیسی تولید می شود توسط جریان الکتریکی . الکترومغناطیس ها معمولاً از سیم پیچیده شده در یک سیم پیچ تشکیل شده اند . جریانی که از سیم عبور می کند، میدان مغناطیسی ایجاد می کند که در سوراخ مرکز سیم پیچ متمرکز می شود. میدان مغناطیسی با قطع جریان ناپدید می شود. پیچ های سیم اغلب به دور یک هسته مغناطیسی ساخته شده از مواد فرومغناطیسی یا فرومغناطیسی مانند آهن پیچیده می شوند . هسته مغناطیسی شار مغناطیسی را متمرکز می کند و آهنربای قوی تری می سازد.

مزیت اصلی آهنربای الکتریکی نسبت به آهنربای دائمی این است که میدان مغناطیسی را می توان با کنترل مقدار جریان الکتریکی در سیم پیچ به سرعت تغییر داد. با این حال، برخلاف آهنربای دائمی که نیازی به برق ندارد، یک آهنربای الکتریکی برای حفظ میدان مغناطیسی به جریان پیوسته نیاز دارد.

الکترومغناطیس ها به طور گسترده ای به عنوان اجزای دیگر دستگاه های الکتریکی مانند موتورها ، ژنراتورها ، سلونوئیدهای الکترومکانیکی ، رله ها ، بلندگوها ، هارد دیسک ها ، دستگاه های MRI ، ابزارهای علمی و تجهیزات جداسازی مغناطیسی استفاده می شوند . الکترومغناطیس همچنین در صنعت برای چیدن و جابجایی اجسام آهنی سنگین مانند آهن قراضه و فولاد استفاده می شود. [2]

تاریخچه الکترومغناطیس

آهنربای الکتریکی استورجن، 1824
یکی از آهنرباهای الکتریکی هنری که می توانست صدها پوند را بلند کند، دهه 1830
نمای نزدیک از آهنربای الکتریکی بزرگ هنری

دانشمند دانمارکی هانس کریستین اورستد در سال 1820 کشف کرد که جریان های الکتریکی میدان های مغناطیسی ایجاد می کنند. دانشمند بریتانیایی ویلیام استورجن در سال 1824 آهنربای الکتریکی را اختراع کرد. [3] [4] اولین آهنربای الکتریکی او یک قطعه آهنی نعل اسبی بود که با حدود 18 دور سیم مسی لخت پیچیده شده بود ( سیم عایق در آن زمان وجود نداشت). آهن را لاک زده بودند تا از سیم پیچ ها عایق شود. هنگامی که جریانی از سیم پیچ عبور می کرد، آهن مغناطیسی می شد و سایر قطعات آهن را جذب می کرد. هنگامی که جریان متوقف شد، مغناطش خود را از دست داد. استورجن قدرت خود را با نشان دادن این که اگرچه تنها هفت اونس (تقریباً 200 گرم) وزن دارد، نشان داد، اما با استفاده از جریان یک منبع تغذیه تک سلولی می‌تواند 9 پوند (تقریباً 4 کیلوگرم) را بلند کند. با این حال، آهنرباهای استورجن ضعیف بودند، زیرا سیم بدون عایق مورد استفاده او تنها می‌توانست در یک لایه دور هسته پیچیده شود و تعداد چرخش‌ها را محدود کند.

در آغاز سال 1830، جوزف هنری ، دانشمند آمریکایی، به طور سیستماتیک آهنربای الکتریکی را بهبود بخشید و رایج کرد. [5] [6] با استفاده از سیم عایق بندی شده توسط نخ ابریشم، و با الهام از گالوانومتر استفاده شوایگر از سیم پیچ های متعدد برای ساخت یک ، [ 7] او توانست چندین لایه سیم را بر روی هسته ها بپیچد و آهنرباهای قدرتمندی ایجاد کند. هزاران دور سیم، از جمله یکی که می تواند 2063 پوند (936 کیلوگرم) را تحمل کند. اولین استفاده عمده از آهنرباهای الکتریکی در صداهای تلگراف بود .

نظریه حوزه مغناطیسی نحوه کار هسته های فرومغناطیسی اولین بار در سال 1906 توسط فیزیکدان فرانسوی پیر ارنست وایس ارائه شد و نظریه مکانیک کوانتومی مدرن فرومغناطیس در دهه 1920 توسط ورنر هایزنبرگ ، لو لاندو ، فلیکس بلوخ و دیگران ارائه شد.

کاربردهای الکترومغناطیس

آهن ضایعات آهنربایی بالابر صنعتی، 1914

یک الکترومغناطیس متحرک، آهنربایی است که فقط برای نگه داشتن مواد در جای خود طراحی شده است. یک مثال آهنربای بالابر است. یک آهنربای الکتریکی کششی نیرویی وارد می کند و چیزی را حرکت می دهد. [8]

الکترومغناطیس به طور گسترده ای در دستگاه های الکتریکی و الکترومکانیکی استفاده می شود ، از جمله:

  • موتورها و ژنراتورها
  • مبدل ها
  • رله ها
  • برقی زنگ ها و زنگ های
  • بلندگو و هدفون
  • عملگرها مانند شیرها
  • تجهیزات ضبط مغناطیسی و ذخیره سازی داده ها: ضبط صوت ، VCR ، هارد دیسک
  • ام آر آی دستگاه های
  • تجهیزات علمی مانند طیف سنج جرمی
  • شتاب دهنده های ذرات
  • قفل های مغناطیسی
  • تجهیزات جداسازی مغناطیسی که برای جداسازی مواد مغناطیسی از غیر مغناطیسی استفاده می شود، به عنوان مثال جداسازی فلزات آهنی از سایر مواد موجود در ضایعات.
  • آهنرباهای بالابر صنعتی
  • شناور مغناطیسی ، مورد استفاده در مگلو قطار یا قطارهای
  • گرمایش القایی برای پخت و پز، تولید و درمان هایپرترمی
الکترومغناطیس آزمایشگاهی میدان 2 T با جریان 20 آمپر تولید می کند.
آهنربا در طیف سنج جرمی
آهنربای الکتریکی AC روی استاتور موتور الکتریکی
آهنربا در زنگ الکتریکی
آهنربای کانونی سه قطبی در یک سنکروترون

شیر برقی ساده الکترومغناطیس

نوشتار اصلی: شیر برقی

یکنواخت است یک الکترومغناطیس کششی رایج، یک سلونوئید و پیستون . شیر برقی یک سیم پیچ است و پیستون از موادی مانند آهن نرم ساخته شده است. اعمال جریان به شیر برقی، نیرویی به پیستون وارد می کند و ممکن است باعث حرکت آن شود. هنگامی که نیروهای وارده به آن متعادل شوند، پیستون از حرکت می ایستد. به عنوان مثال، هنگامی که پیستون در مرکز شیر برقی قرار دارد، نیروها متعادل می شوند.

حداکثر کشش یکنواخت زمانی اتفاق می افتد که یک سر پیستون در وسط شیر برقی قرار گیرد. تقریبی برای نیروی F برابر است با [8]

اف = سی آ n من / ℓ

که در آن C یک ثابت تناسب، A سطح مقطع پیستون، n تعداد چرخش در شیر برقی، I جریان عبوری از سیم برقی و ℓ طول شیر برقی است. برای واحدهایی که از اینچ، پوند نیرو و آمپر با شیر برقی بلند و باریک استفاده می کنند، مقدار C حدود 0.009 تا 0.010 psi است (حداکثر پوند کشش در هر اینچ مربع سطح مقطع پیستون). [9] برای مثال، یک سیم پیچ 12 اینچی ( ℓ = 12 اینچ ) با یک پیستون بلند با سطح مقطع 1 اینچ مربع ( A = 1 در 2 ) و 11200 آمپر دور ( n I = 11200 Aturn ) دارای یک حداکثر کشش 8.75 پوند (مرتبط با C = 0.0094 psi ). [10]

حداکثر کشش زمانی که یک استاپ مغناطیسی در شیر برقی وارد می شود افزایش می یابد. استاپ به آهنربایی تبدیل می شود که پیستون را جذب می کند. هنگامی که پیستون دور است، مقدار کمی به کشش شیر برقی اضافه می کند، اما هنگامی که آنها نزدیک هستند، کشش را به طور چشمگیری افزایش می دهد. تقریبی برای کشش P است [11]

پ = آ n من [ n من ℓ آ 2 سی 1 2 + سی ℓ ] = آ n 2 من 2 ℓ آ 2 سی 1 2 + سی آ n من ℓ

در اینجا ℓ a فاصله بین انتهای استاپ و انتهای پیستون است. ثابت اضافی C 1 برای واحدهای اینچ، پوند و آمپر با شیر برقی باریک حدود 2660 است. دومین عبارت داخل براکت نشان دهنده همان نیروی شیر برقی بدون توقف بالا است. عبارت اول نشان دهنده جاذبه بین استاپ و پیستون است.

برخی از بهبودها را می توان در طراحی اولیه ایجاد کرد. انتهای استاپ و پیستون اغلب مخروطی هستند. به عنوان مثال، پیستون ممکن است یک انتهای نوک تیز داشته باشد که در یک فرورفتگی مطابق در استاپ قرار می گیرد. شکل باعث می شود کشش شیر برقی به عنوان تابعی از جداسازی یکنواخت تر شود. یکی دیگر از بهبودها اضافه کردن یک مسیر برگشت مغناطیسی در اطراف بیرونی شیر برقی (یک “شیر برقی با روکش آهن”) است. مسیر برگشت مغناطیسی، درست مانند توقف، تاثیر کمی دارد تا زمانی که شکاف هوا کوچک شود.

فیزیک الکترومغناطیس

جریان (I) از طریق یک سیم یک میدان مغناطیسی (B) ایجاد می کند. فیلد بر اساس قانون دست راست جهت یابی می شود .

خطوط میدان مغناطیسی یک حلقه سیم حامل جریان از مرکز حلقه عبور می کند و میدان را در آنجا متمرکز می کند.

میدان مغناطیسی که با عبور جریان از سیم پیچ ایجاد می شود

، میدان مغناطیسی را در اطراف سیم ایجاد می کند جریان الکتریکی که در یک سیم جریان دارد، به دلیل قانون آمپر (نمودار زیر را ببینید). برای متمرکز کردن میدان مغناطیسی، در یک آهنربای الکتریکی، سیم به سیم پیچی پیچیده می‌شود که سیم‌های زیادی در کنار هم قرار دارند. [2] میدان مغناطیسی تمام پیچ های سیم از مرکز سیم پیچ عبور می کند و یک میدان مغناطیسی قوی در آنجا ایجاد می کند. [2] سیم پیچی که شکل یک لوله مستقیم ( مارپیچ ) را تشکیل می دهد، شیر برقی نامیده می شود . [1] [2]

جهت میدان مغناطیسی از طریق سیم پیچی را می توان از شکلی از قانون دست راست پیدا کرد . [14] [15] اگر انگشتان دست راست در جهت جریان جریان ( جریان معمولی ، جریان بار مثبت ) از طریق سیم‌پیچ‌ها در اطراف سیم پیچ پیچیده شوند، انگشت شست در جهت میدان داخل سیم پیچ قرار می‌گیرد. طرف آهنربا که خطوط میدان از آن بیرون می آیند قطب شمال تعریف می شود .

می توان میدان های مغناطیسی بسیار قوی تری تولید کرد اگر یک ” هسته مغناطیسی ” از یک ) نرم ماده فرومغناطیسی (یا فرومغناطیسی ، مانند آهن ، در داخل سیم پیچ قرار گیرد، . [1] [2] [16] [17] یک هسته می تواند میدان مغناطیسی را تا هزاران برابر قدرت میدان سیم پیچ به تنهایی افزایش دهد، به دلیل نفوذپذیری مغناطیسی بالای ماده. [1] [2] این الکترومغناطیس هسته فرومغناطیسی یا هسته آهن نامیده می شود. با این حال، همه الکترومغناطیس ها از هسته استفاده نمی کنند و قوی ترین آهنرباهای الکترومغناطیس مانند ابررساناها و الکترومغناطیس های جریان بسیار بالا به دلیل اشباع نمی توانند از آنها استفاده کنند.

قانون آمپر

برای تعاریف متغیرهای زیر، کادر انتهای مقاله را ببینید.

میدان مغناطیسی آهنرباهای الکتریکی در حالت کلی با قانون آمپر به دست می آید :

🔻 جی ⋅ د آ = ∮ اچ ⋅ د ℓ

که می گوید انتگرال میدان مغناطیسی اچ اطراف هر حلقه بسته برابر با مجموع جریانی است که از حلقه می گذرد. معادله دیگر مورد استفاده، که میدان مغناطیسی را به دلیل هر قطعه کوچک جریان نشان می دهد، قانون Biot-Savart است . محاسبه میدان مغناطیسی و نیروی اعمال شده توسط مواد فرومغناطیسی به دو دلیل دشوار است. اولاً، به این دلیل که قدرت میدان از نقطه‌ای به نقطه دیگر به روشی پیچیده متفاوت است، به‌ویژه در خارج از هسته و در شکاف‌های هوا، که در آن‌ها باید میدان‌های حاشیه‌ای و شار نشتی در نظر گرفته شود. دوم، زیرا میدان مغناطیسی B و نیرو، تابع غیرخطی جریان هستند، بسته به رابطه غیرخطی بین B و H برای ماده هسته خاص مورد استفاده. برای محاسبات دقیق، از برنامه های کامپیوتری که می توانند مدلی از میدان مغناطیسی را با استفاده از روش اجزای محدود تولید کنند ، استفاده می شود.

هسته الکترومغناطیس

ماده یک هسته مغناطیسی (اغلب از آهن یا فولاد) از مناطق کوچکی به نام حوزه های مغناطیسی تشکیل شده است که مانند آهنرباهای کوچک عمل می کنند (به فرومغناطیس مراجعه کنید ). قبل از اینکه جریان در آهنربای الکتریکی روشن شود، حوزه‌های هسته آهنی در جهت‌های تصادفی قرار می‌گیرند، بنابراین میدان‌های مغناطیسی کوچک آنها یکدیگر را خنثی می‌کنند و آهن میدان مغناطیسی در مقیاس بزرگ ندارد. هنگامی که جریانی از سیم پیچیده شده به دور آهن عبور می کند، میدان مغناطیسی آن به آهن نفوذ می کند و باعث می شود که دامنه ها به موازات میدان مغناطیسی بچرخند، بنابراین میدان های مغناطیسی کوچک آنها به میدان سیم اضافه می شود و یک میدان مغناطیسی بزرگ ایجاد می کند. که به فضای اطراف آهنربا گسترش می یابد. اثر هسته متمرکز کردن میدان است و میدان مغناطیسی راحت تر از هوا از هسته عبور می کند.

هرچه جریان عبوری از سیم پیچ بزرگتر باشد، دامنه ها بیشتر تراز می شوند و میدان مغناطیسی قوی تر است. در نهایت، تمام حوزه‌ها در یک ردیف قرار می‌گیرند و افزایش بیشتر جریان تنها باعث افزایش جزئی در میدان مغناطیسی می‌شود: این پدیده اشباع نامیده می‌شود .

هنگامی که جریان در سیم پیچ خاموش می شود، در مواد مغناطیسی نرم که تقریباً همیشه به عنوان هسته استفاده می شوند، بیشتر حوزه ها تراز خود را از دست می دهند و به حالت تصادفی باز می گردند و میدان ناپدید می شود. با این حال، برخی از هم‌ترازی‌ها ادامه می‌یابد، زیرا دامنه‌ها در چرخش جهت مغناطیسی خود مشکل دارند، و هسته یک آهنربای دائمی ضعیف باقی می‌ماند. این پدیده پسماند نامیده می شود و میدان مغناطیسی باقیمانده مغناطیس پسماند نامیده می شود . مغناطش باقی مانده از هسته را می توان با degaussing حذف کرد . در الکترومغناطیس‌های جریان متناوب، مانند مواردی که در موتورها استفاده می‌شود، مغناطش هسته به طور مداوم معکوس می‌شود و پسماند به تلفات موتور کمک می‌کند.

مدار الکترومغناطیس

میدان مغناطیسی ( سبز ) یک آهنربای الکتریکی معمولی، با هسته آهنی C که یک حلقه بسته با دو شکاف هوایی G در آن تشکیل می دهد.
ب – میدان مغناطیسی در هسته
B F – “فیلم های حاشیه”. در شکاف G خطوط میدان مغناطیسی “برآمده” می شوند، بنابراین قدرت میدان کمتر از هسته است: B F < B
B L – شار نشتی ; خطوط میدان مغناطیسی که از مدار مغناطیسی کامل پیروی نمی کنند
L – طول متوسط ​​مدار مغناطیسی مورد استفاده در معادله. 1 زیر. این مجموع طول L هسته در قطعات هسته آهنی و طول L شکاف در شکاف های هوایی G است .
هم شار نشتی و هم میدان های حاشیه ای با افزایش شکاف ها بزرگتر می شوند و نیروی وارد شده توسط آهنربا را کاهش می دهند.

در بسیاری از کاربردهای عملی آهنرباهای الکتریکی، مانند موتورها، ژنراتورها، ترانسفورماتورها، آهنرباهای بالابر و بلندگوها، هسته آهنی به شکل یک حلقه یا مدار مغناطیسی است که احتمالاً توسط چند شکاف هوای باریک شکسته می شود. [2] این به این دلیل است که خطوط میدان مغناطیسی به شکل حلقه های بسته هستند. ) کمتری آهن نسبت به هوا “مقاومت” ( بی میلی در برابر میدان مغناطیسی نشان می دهد، بنابراین اگر بیشتر مسیر میدان مغناطیسی در داخل هسته باشد، میدان قوی تری به دست می آید. [2]

از آنجایی که بیشتر میدان مغناطیسی در خطوط اصلی حلقه هسته محدود می شود، این امکان ساده سازی تحلیل ریاضی را فراهم می کند. [2] نقاشی سمت راست را ببینید. یک فرض ساده کننده رایج که توسط بسیاری از آهنرباهای الکترومغناطیسی برآورده می شود، این است که شدت میدان مغناطیسی B در اطراف مدار مغناطیسی (داخل هسته و شکاف هوا) ثابت و در خارج از آن صفر است. بیشتر میدان مغناطیسی در ماده هسته ( C ) متمرکز خواهد شد. در درون هسته، میدان مغناطیسی ( B ) در سراسر هر مقطع تقریباً یکنواخت خواهد بود، بنابراین اگر علاوه بر این، هسته در سراسر طول خود دارای مساحت تقریباً ثابتی باشد، میدان در هسته ثابت خواهد بود. [2] این فقط شکاف‌های هوا ( G ) را در صورت وجود بین بخش‌های هسته ایجاد می‌کند. در شکاف‌ها، خطوط میدان مغناطیسی دیگر توسط هسته محدود نمی‌شوند، بنابراین قبل از خمیدگی به سمت خارج از خطوط اصلی هسته بیرون می‌آیند تا وارد قطعه بعدی از مواد هسته شوند و قدرت میدان را در شکاف کاهش می‌دهند. [2] برآمدگی ها ( B F ) فیلدهای حاشیه نامیده می شوند . [2] با این حال، تا زمانی که طول شکاف کوچکتر از ابعاد مقطع هسته باشد، میدان در شکاف تقریباً مانند هسته خواهد بود. علاوه بر این، برخی از خطوط میدان مغناطیسی ( B L ) “برش های کوتاه” می گیرند و از کل مدار هسته عبور نمی کنند و بنابراین به نیروی وارد شده توسط آهنربا کمک نمی کنند. این شامل خطوط میدانی نیز می شود که سیم پیچ های سیم را احاطه کرده اند اما وارد هسته نمی شوند. می گویند به این شار نشتی . بنابراین، معادلات این بخش برای آهنرباهای الکتریکی معتبر است که:

  1. مدار مغناطیسی یک حلقه منفرد از مواد هسته است که احتمالاً توسط چند شکاف هوا شکسته شده است
  2. سطح مقطع هسته در سراسر طول تقریباً یکسان است.
  3. هر شکاف هوایی بین بخش های مواد هسته در مقایسه با ابعاد مقطع هسته بزرگ نیست.
  4. شار نشتی ناچیز وجود دارد

ویژگی غیرخطی اصلی مواد فرومغناطیسی این است که میدان B اشباع می‌شود در مقدار معینی ، [2] که حدود 1.6 تا 2 تسلا برای اکثر فولادهای هسته‌ای با نفوذپذیری بالا (T) است. [18] [19] [20] میدان B با افزایش جریان تا آن مقدار به سرعت افزایش می‌یابد، اما بالاتر از آن مقدار، سطح میدان خاموش می‌شود و تقریبا ثابت می‌شود، صرف نظر از اینکه چه مقدار جریان از طریق سیم‌پیچ‌ها ارسال می‌شود. [2] بنابراین حداکثر قدرت میدان مغناطیسی ممکن از یک آهنربای الکتریکی هسته آهنی به حدود 1.6 تا 2 T محدود می شود. [18] [20]

میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط جریان

میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط یک آهنربای الکترومغناطیسی با تعداد چرخش سیم پیچ، N و جریان در سیم، I متناسب است ، از این رو این محصول، NI ، در چرخش های آمپر ، به نام نیروی مغناطیسی حرکتی نامیده می شود . برای یک آهنربای الکتریکی با یک مدار مغناطیسی منفرد ، که طول آن L هسته مسیر میدان مغناطیسی در مواد هسته و طول L شکاف در شکاف‌های هوا است، قانون آمپر به: [2] [21] [22] کاهش می‌یابد:

ن من = اچ ج o r ه L ج o r ه + اچ g آ پ L g آ پ
ن من = ب ( L ج o r ه متر + L g آ پ متر 0 )
( 1 )

جایی که

  • متر = ب / اچ خاص مورد استفاده است نفوذپذیری مغناطیسی ماده هسته در میدان B .
  • متر 0 = 4 پی ( 10 – 7 )   ن ⋅ آ – 2 نفوذپذیری فضای آزاد (یا هوا) است. توجه داشته باشید که آ در این تعریف آمپر است .

این یک معادله غیر خطی است ، زیرا نفوذپذیری هسته، μ ، با میدان مغناطیسی B متفاوت است . برای یک راه حل دقیق، مقدار μ در مقدار B استفاده شده باید از منحنی پسماند ماده هسته به دست آید . [2] اگر B ناشناخته است، معادله باید با روش های عددی حل شود . ، میدان مغناطیسی تقریباً مقدار اشباع B با این حال، اگر نیروی مغناطیسی بسیار بالاتر از اشباع باشد، بنابراین ماده هسته در حالت اشباع باشد برای ماده خواهد بود و با تغییرات NI تفاوت زیادی نخواهد داشت . برای یک مدار مغناطیسی بسته (بدون شکاف هوا) اکثر مواد هسته با نیروی محرکه مغناطیسی تقریباً 800 آمپر دور بر متر مسیر شار اشباع می شوند.

برای اکثر مواد اصلی، متر r = متر / متر 0 ≈ 2000 – 6000 . [22] بنابراین در معادله (1) بالا، جمله دوم غالب است. بنابراین، در مدارهای مغناطیسی با شکاف هوا، قدرت میدان مغناطیسی B به شدت به طول شکاف هوا بستگی دارد و طول مسیر شار در هسته اهمیت زیادی ندارد. با توجه به شکاف هوای 1 میلی متری، نیروی مغناطیسی حدود 796 آمپر دور برای تولید میدان مغناطیسی 1T مورد نیاز است.

نیروی اعمال شده توسط میدان مغناطیسی

نیرویی که توسط یک آهنربای الکتریکی بر بخشی از مواد هسته وارد می شود:

اف = ب 2 آ 2 متر 0
( 2 )

جایی که آ سطح مقطع هسته است. معادله نیرو را می توان از انرژی ذخیره شده در میدان مغناطیسی به دست آورد . انرژی نیرو ضربدر فاصله است. مرتب کردن مجدد عبارت ها معادله بالا را به دست می دهد.

محدودیت 1.6 T در میدان [18] [20] که در بالا ذکر شد، محدودیتی را برای حداکثر نیرو در واحد سطح هسته، یا فشار مغناطیسی ، که یک آهنربای الکترومغناطیسی هسته آهنی می تواند اعمال کند، تعیین می کند. تقریبا:

اف آ = ب نشست 2 2 متر 0 ≈ 1000   ک پ آ = 10 6 ن / متر 2 = 145   ل ب f ⋅ من n – 2

در واحدهای بصری تر، مفید است به خاطر داشته باشید که در 1 T فشار مغناطیسی تقریباً 4 اتمسفر یا کیلوگرم بر سانتی متر مربع است .

با توجه به یک هندسه هسته، میدان B مورد نیاز برای یک نیروی معین را می توان از (2) محاسبه کرد. اگر مقدار آن بسیار بیشتر از 1.6 T باشد، باید از یک هسته بزرگتر استفاده شود.

مدار مغناطیسی بسته

مقطع الکترومغناطیس بالابر مانند عکس بالا که ساختار استوانه ای را نشان می دهد. سیم پیچ ها ( C ) نوارهای مسی مسطحی برای مقاومت در برابر نیروی لورنتس میدان مغناطیسی هستند. هسته توسط محفظه آهنی ضخیم ( D ) که دور سیم پیچ ها می پیچد تشکیل می شود.

برای یک مدار مغناطیسی بسته (بدون شکاف هوا)، مانند آنچه در یک آهنربای الکتریکی وجود دارد که قطعه آهنی را که روی قطبهایش پل شده است، بالا می برد، معادله ( 1 ) به صورت زیر در می آید:

ب = ن من متر L
( 3 )

با جایگزینی ( 2 )، نیرو برابر است با:

اف = متر 2 ن 2 من 2 آ 2 متر 0 L 2
( 4 )

مشاهده می شود که برای به حداکثر رساندن نیرو، هسته ای با مسیر شار کوتاه L و سطح مقطع گسترده A ترجیح داده می شود (این امر در مورد آهنرباهایی با شکاف هوا نیز صدق می کند). برای دستیابی به این هدف، در کاربردهایی مانند آهنرباهای بلند کردن (عکس بالا را ببینید) و بلندگوها ، اغلب از طرح استوانه ای مسطح استفاده می شود. سیم‌پیچ دور یک هسته استوانه‌ای کوتاه پیچیده می‌شود که یک قطب را تشکیل می‌دهد و یک محفظه فلزی ضخیم که به دور بیرونی سیم‌پیچ‌ها می‌پیچد، قسمت دیگر مدار مغناطیسی را تشکیل می‌دهد و میدان مغناطیسی را به جلو می‌آورد تا قطب دیگر را تشکیل دهد.

نیروی بین الکترومغناطیس

روش های فوق برای آهنرباهای الکترومغناطیسی با مدار مغناطیسی قابل اجرا هستند و زمانی که قسمت بزرگی از مسیر میدان مغناطیسی خارج از هسته باشد کاربرد ندارند. یک مثال می تواند آهنربایی با هسته استوانه ای مستقیم مانند آنچه در بالای این مقاله نشان داده شده است. برای آهنرباهای الکترومغناطیسی (یا آهنرباهای دائمی) با «قطب‌های» کاملاً مشخص که خطوط میدان از هسته بیرون می‌آیند، نیروی بین دو آهن‌ربای الکترومغناطیسی را می‌توان با استفاده از مدل بار مغناطیسی که فرض می‌کند میدان مغناطیسی توسط «بارهای مغناطیسی» ساختگی تولید می‌شود، پیدا کرد. روی سطح قطب ها، با استحکام قطب m و واحدهای آمپر – ترن متر. قدرت قطب مغناطیسی آهنرباهای الکتریکی را می توان از موارد زیر بدست آورد:

متر = ن من آ L

 

نیروی بین دو قطب:

اف = متر 0 متر 1 متر 2 4 پی r 2

 

هر مغناطیس الکترومغناطیس دارای دو قطب است، بنابراین کل نیروی وارد بر یک آهنربای معین به دلیل یک آهنربای دیگر برابر است با مجموع بردار نیروهای قطب های آهنربای دیگر که بر هر قطب آهنربای داده شده وارد می شوند. این مدل به جای سطوح محدود، قطب های نقطه مانند را فرض می کند، و بنابراین تنها زمانی تقریب خوبی به دست می دهد که فاصله بین آهنرباها بسیار بزرگتر از قطر آنها باشد.

عوارض جانبی

عوارض جانبی متعددی در آهنرباهای الکتریکی رخ می دهد که باید در طراحی آنها پیش بینی شود. اینها عموماً در مغناطیس‌های الکتریکی بزرگ‌تر مهم‌تر می‌شوند.

گرمایش اهمی

باسبارهای آلومینیومی بزرگ که جریان را به الکترومغناطیس‌ها در آزمایشگاه میدان بالا LNCMI (Laboratoire National des Champs Magnétiques Intenses) می‌رسانند.

تنها توان مصرفی در یک آهنربای الکتریکی DC در شرایط پایدار به دلیل مقاومت سیم‌پیچ‌ها است و به صورت گرما دفع می‌شود. برخی از الکترومغناطیس های بزرگ به سیستم های خنک کننده آب در سیم پیچ ها نیاز دارند تا گرمای تلف شده را از بین ببرند .

از آنجایی که میدان مغناطیسی با محصول NI متناسب است ، تعداد چرخش سیم‌پیچ‌ها N و جریان I را می‌توان برای به حداقل رساندن تلفات حرارتی انتخاب کرد، تا زمانی که محصول آنها ثابت باشد. از آنجایی که اتلاف توان، P = I 2 R ، با مجذور جریان افزایش می‌یابد اما تقریباً به صورت خطی با تعداد سیم‌پیچ‌ها افزایش می‌یابد، توان از دست رفته در سیم‌پیچ‌ها را می‌توان با کاهش I و افزایش تعداد دور N به طور متناسب به حداقل رساند. یا از سیم ضخیم تر برای کاهش مقاومت استفاده کنید. به عنوان مثال، نصف کردن I و دوبرابر کردن N ، تلفات برق را به نصف کاهش می دهد، همانطور که مساحت سیم را دو برابر می کند. در هر صورت افزایش مقدار سیم باعث کاهش تلفات اهمی می شود. به همین دلیل، آهنرباهای الکتریکی اغلب دارای ضخامت سیم پیچ قابل توجهی هستند.

با این حال، محدودیت افزایش N یا کاهش مقاومت این است که سیم پیچ ها فضای بیشتری را بین قطعات هسته آهنربا اشغال می کنند. اگر فضای موجود برای سیم پیچ ها پر شود، پیچ های بیشتر نیاز به رفتن به قطر کمتری از سیم دارد که مقاومت بالاتری دارد، که مزیت استفاده از پیچ های بیشتر را از بین می برد. بنابراین در آهنرباهای بزرگ حداقل مقدار اتلاف حرارت وجود دارد که نمی توان آن را کاهش داد. این با مربع شار مغناطیسی B 2 افزایش می یابد .

افزایش ولتاژ القایی

یک آهنربای الکتریکی اندوکتانس قابل توجهی دارد و در برابر تغییرات جریان از طریق سیم پیچ های خود مقاومت می کند. هر گونه تغییر ناگهانی در جریان سیم پیچ باعث افزایش ولتاژ در سیم پیچ ها می شود. این به این دلیل است که وقتی جریان عبوری از آهنربا افزایش می‌یابد، مانند زمانی که آن را روشن می‌کنید، انرژی مدار باید در میدان مغناطیسی ذخیره شود. وقتی خاموش شد انرژی میدان به مدار باز می گردد.

معمولی اگر از یک کلید برای کنترل جریان سیم پیچ استفاده شود، می تواند باعث ایجاد جرقه در پایانه های کلید شود. هنگامی که آهنربا روشن می شود این اتفاق نمی افتد، زیرا ولتاژ تغذیه محدود باعث می شود جریان عبوری از آهنربا و انرژی میدان به آرامی افزایش یابد، اما هنگامی که آن خاموش می شود، انرژی موجود در میدان مغناطیسی ناگهان به مدار باز می گردد. باعث ایجاد یک ولتاژ بزرگ و قوس در سراسر کنتاکت های سوئیچ می شود که می تواند به آنها آسیب برساند. با آهنرباهای الکتریکی کوچک، گاهی اوقات از یک خازن در سراسر کنتاکت ها استفاده می شود که با ذخیره موقت جریان، قوس الکتریکی را کاهش می دهد. بیشتر اوقات از یک دیود برای جلوگیری از افزایش ولتاژ با ایجاد مسیری برای گردش مجدد جریان از طریق سیم پیچ تا زمانی که انرژی به صورت گرما تلف می شود استفاده می شود. دیود در سراسر سیم پیچ وصل شده است، به طوری که در حین کارکرد حالت پایدار بایاس معکوس می شود و هدایت نمی شود. هنگامی که ولتاژ منبع تغذیه حذف می شود، افزایش ولتاژ دیود را به سمت جلو هدایت می کند و جریان راکتیو از طریق سیم پیچ، از طریق دیود و بازگشت به سیم پیچ به جریان خود ادامه می دهد. دیودی که در این روش استفاده می شود a نامیده می شود دیود چرخ آزاد یا دیود فلای بک .

الکترونیکی با جریان متغیر تغذیه می‌شوند الکترومغناطیس‌های بزرگ معمولاً توسط منابع تغذیه که توسط یک ریزپردازنده کنترل می‌شوند که با انجام تغییرات آهسته جریان در رمپ‌های ملایم، از افزایش ولتاژ جلوگیری می‌کند. ممکن است چند دقیقه طول بکشد تا یک آهنربا بزرگ را فعال یا غیرفعال کنید.

نیروهای لورنتس

در این بخش نشده است ذکر هیچ منبعی . لطفاً به بهبود این بخش با افزودن نقل قول به منابع معتبر کمک کنید . مطالب بدون منبع ممکن است به چالش کشیده و حذف شوند . ( ژوئیه 2020 ) ( با نحوه و زمان حذف این پیام الگو آشنا شوید )

، بر هر پیچ سیم پیچ نیرویی وارد می کند. در مغناطیس های الکتریکی قوی، میدان مغناطیسی به دلیل نیروی لورنتس q v × ب بر روی بارهای متحرک درون سیم عمل می کند. نیروی لورنتس هم بر محور سیم و هم بر میدان مغناطیسی عمود است. می توان آن را به عنوان فشاری بین خطوط میدان مغناطیسی تجسم کرد که آنها را از هم جدا می کند. این دو اثر روی سیم پیچ آهنربای الکتریکی دارد:

  • خطوط میدان در محور سیم پیچ نیروی شعاعی بر هر چرخش سیم پیچ ها اعمال می کنند و تمایل دارند آنها را در تمام جهات به سمت بیرون هل دهند. این باعث ایجاد تنش کششی در سیم می شود.
  • خطوط میدان نشتی بین هر پیچ سیم پیچ نیروی جذابی را بین پیچ‌های مجاور اعمال می‌کنند و تمایل دارند که آنها را به هم نزدیک کنند. [ نیازمند منبع ]

نیروهای لورنتس با B2 افزایش یابد می . در آهنرباهای الکتریکی بزرگ، سیم‌پیچ‌ها باید محکم در جای خود محکم شوند تا از حرکت در هنگام خاموش و روشن کردن برق که باعث خستگی فلز در سیم‌پیچ‌ها نمی‌شود، جلوگیری شود. در طرح Bitter ، در زیر، که در آهن‌رباهای تحقیقاتی با میدان بسیار بالا استفاده می‌شود، سیم‌پیچ‌ها به‌عنوان دیسک‌های مسطح برای مقاومت در برابر نیروهای شعاعی ساخته می‌شوند و در جهت محوری برای مقاومت در برابر نیروهای محوری بسته می‌شوند که به آن اجازه می‌دهد با سرعت‌های بالا حرکت کند. سیم

ضررهای اصلی

در الکترومغناطیس های جریان متناوب (AC) که در ترانسفورماتورها ، سلف ها و AC موتورها و ژنراتورهای استفاده می شود ، میدان مغناطیسی دائما در حال تغییر است. این باعث تلفات انرژی در هسته مغناطیسی آنها می شود که به صورت گرما در هسته پخش می شود. زیان ها از دو فرآیند ناشی می شود:

  • جریان‌های گردابی : از قانون القای فارادی ، میدان مغناطیسی در حال تغییر، جریان‌های الکتریکی در حال گردش را در رساناهای مجاور القا می‌کند که جریان‌های گردابی نامیده می‌شوند . انرژی در این جریان ها به صورت گرما در مقاومت الکتریکی هادی تلف می شود، بنابراین باعث اتلاف انرژی می شوند. از آنجایی که هسته آهنی آهنربا رسانا است و بیشتر میدان مغناطیسی در آنجا متمرکز است، جریان گردابی در هسته مشکل اصلی است. جریان های گردابی حلقه های بسته ای از جریان هستند که در صفحات عمود بر میدان مغناطیسی جریان دارند. انرژی تلف شده متناسب با ناحیه محصور شده توسط حلقه است. برای جلوگیری از آنها، هسته های الکترومغناطیس AC از پشته های ورقه های فولادی نازک، یا لایه های لایه ای ، موازی با میدان مغناطیسی، با یک پوشش عایق بر روی سطح ساخته شده اند. لایه های عایق از جریان گردابی بین ورق ها جلوگیری می کنند. هر گونه جریان گردابی باقیمانده باید در سطح مقطع هر لمینیت منفرد جریان داشته باشد، که تلفات را تا حد زیادی کاهش می دهد. جایگزین دیگر استفاده از a است هسته فریت که یک نارسانا است.
  • تلفات هیسترزیس : معکوس کردن جهت مغناطیسی حوزه های مغناطیسی در ماده هسته در هر چرخه باعث اتلاف انرژی به دلیل اجباری بودن ماده می شود. این تلفات هیسترزیس نامیده می شود . انرژی از دست رفته در هر چرخه متناسب با مساحت حلقه پسماند در نمودار BH است . برای به حداقل رساندن این تلفات، هسته های مغناطیسی مورد استفاده در ترانسفورماتورها و سایر آهنرباهای الکتریکی AC از مواد “نرم” با فشار کم مانند فولاد سیلیکونی یا فریت نرم ساخته شده اند . تلفات انرژی در هر سیکل جریان AC برای هر یک از این فرآیندها ثابت است، بنابراین تلفات توان به صورت خطی با فرکانس افزایش می یابد .

الکترومغناطیس های میدان بالا

الکترومغناطیس های ابررسانا

قوی ترین آهنربای الکتریکی جهان، آهنربای ابررسانای تلخ هیبریدی 45 T در آزمایشگاه ملی میدان مغناطیسی ملی ایالات متحده، تالاهاسی، فلوریدا، ایالات متحده آمریکا
مقاله اصلی: آهنربای ابررسانا

هنگامی که میدان مغناطیسی بالاتر از حد فرومغناطیسی 1.6 T مورد نیاز است، می توان از الکترومغناطیس های ابررسانا استفاده کرد. اینها به جای استفاده از مواد فرومغناطیسی، از سیم پیچ های ابررسانا خنک شده با هلیوم مایع استفاده می کنند که جریان را بدون مقاومت الکتریکی هدایت می کنند . اینها به جریان‌های عظیم اجازه می‌دهند که میدان‌های مغناطیسی شدید ایجاد کنند. آهنرباهای ابررسانا توسط قدرت میدانی که در آن مواد سیم پیچ دیگر ابررسانا نیستند محدود می شوند. (2017) 32 تن است طرح‌های فعلی تا 20 تن محدود شده‌اند و رکورد فعلی به 10 . با این حال، در کاربردهای با توان بالا، این امر می‌تواند با هزینه‌های عملیاتی کمتر جبران شود، زیرا پس از راه‌اندازی هیچ برقی برای سیم‌پیچ‌ها لازم نیست، زیرا هیچ انرژی برای گرمایش اهمی از دست نمی‌رود. آنها در شتاب دهنده های ذرات و دستگاه های MRI استفاده می شوند .

الکترومغناطیس تلخ

مقاله اصلی: الکترومغناطیس تلخ

هم مغناطیس های الکترومغناطیس هسته آهنی و هم ابررساناها محدودیت هایی برای میدانی که می توانند تولید کنند دارند. بنابراین، قوی‌ترین میدان‌های مغناطیسی ساخته شده توسط انسان توسط آهن‌ربای‌های الکترومغناطیسی غیرابررسانه هسته هوا با طرحی که فرانسیس باتر در سال 1933 ابداع کرد، به نام الکترومغناطیس تلخ ایجاد شده است . [25] به جای سیم‌پیچ‌های سیم، یک آهن‌ربای تلخ از یک سلونوئید ساخته شده از پشته‌ای از دیسک‌های رسانا تشکیل شده است، که طوری چیده شده‌اند که جریان در مسیری مارپیچ از میان آن‌ها حرکت می‌کند، با سوراخی در مرکز که در آن حداکثر میدان ایجاد می‌شود. این طرح دارای استحکام مکانیکی برای مقاومت در برابر نیروهای شدید میدان است که با B2 لورنتس افزایش می یابد . دیسک ها با سوراخ هایی سوراخ می شوند که آب خنک کننده از آن عبور می کند تا گرمای ناشی از جریان زیاد را از بین ببرد. قوی‌ترین میدان پیوسته‌ای که صرفاً با یک آهنربای مقاومتی به دست آمده است 37.5 T در 31 مارس 2014 است که توسط یک الکترومغناطیس تلخ در دانشگاه رادبود آزمایشگاه آهن‌ربای میدان بالا در نایمگن ، هلند تولید شده است . [26] رکورد قبلی 35 T بود. [24] قوی ترین میدان مغناطیسی پیوسته به طور کلی، 45 T، [25] در ژوئن 2000 با یک دستگاه ترکیبی متشکل از یک آهنربای تلخ در یک آهنربای ابررسانا به دست آمد.

عامل محدود کننده قدرت الکترومغناطیس‌ها ناتوانی در دفع گرمای هدررفته بسیار زیاد است، بنابراین میدان‌های قوی‌تر، تا 100 T، [24] از آهنرباهای مقاومتی با ارسال پالس‌های کوتاه جریان بالا از طریق آنها به دست آمده است. دوره غیر فعال پس از هر پالس اجازه می دهد تا گرمای تولید شده در طول پالس قبل از پالس بعدی حذف شود.

فشرده سازی شار پمپ شده انفجاری

مقاله اصلی: ژنراتور فشرده سازی شار پمپ شده با انفجار

یک نوع لوله توخالی از ژنراتور فشرده سازی شار با پمپ انفجاری. لوله مسی توخالی مانند یک سیم پیچ ثانویه یک ترانسفورماتور عمل می کند. هنگامی که پالس جریان از خازن در سیم پیچ ها یک پالس میدان مغناطیسی ایجاد می کند، این جریان محیطی قوی در لوله ایجاد می کند و خطوط میدان مغناطیسی را در داخل به دام می اندازد. سپس مواد منفجره لوله را فرو می‌ریزند و قطر آن را کاهش می‌دهند و خطوط میدان به هم نزدیک‌تر می‌شوند و میدان را افزایش می‌دهند.

قوی‌ترین میدان‌های مغناطیسی ساخته دست بشر [27] با استفاده از مواد منفجره برای فشرده‌کردن میدان مغناطیسی درون آهن‌ربای الکترونی هنگام ضربان آن ایجاد شده‌اند. اینها ژنراتورهای فشرده سازی شار پمپ شده انفجاری نامیده می شوند . انفجار می میدان مغناطیسی را به مقادیری در حدود 1000 T [25] برای چند میکروثانیه فشرده کند . در حالی که این روش ممکن است بسیار مخرب به نظر برسد، اما می‌توان شدت انفجار را به صورت شعاعی به سمت خارج هدایت کرد تا نه آزمایش و نه به ساختار مغناطیسی آسیبی نرسد. این دستگاه ها به عنوان آهنربای الکتریکی پالسی مخرب شناخته می شوند. [28] آنها در تحقیقات فیزیک و علم مواد برای مطالعه خواص مواد در میدان های مغناطیسی بالا استفاده می شوند.

تعریف اصطلاحات

مدت، اصطلاحاهمیتواحد
آ سطح مقطع هستهمتر مربع
ب میدان مغناطیسی (چگالی شار مغناطیسی)تسلا
اف نیروی اعمال شده توسط میدان مغناطیسینیوتن
اچ میدان مغناطیسیآمپر بر متر
من جریان در سیم سیم پیچآمپر
L طول کل مسیر میدان مغناطیسی L ج o r ه + L g آ پ متر
L ج o r ه طول مسیر میدان مغناطیسی در ماده هستهمتر
L g آ پ طول مسیر میدان مغناطیسی در شکاف های هوامتر
متر 1 ، متر 2 قدرت قطب آهنربای الکتریکیآمپر متر
متر نفوذپذیری مواد هسته الکترومغناطیسنیوتن بر آمپر مربع
متر 0 نفوذپذیری فضای آزاد (یا هوا) = 4π( 10-7 )نیوتن بر آمپر مربع
متر r نفوذپذیری نسبی مواد هسته الکترومغناطیسبدون بعد
ن تعداد چرخش سیم روی آهنربای الکتریکیبدون بعد
r فاصله بین قطب های دو آهنربای الکتریکیمتر

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *