مغناطیس دسته ای از پدیده های فیزیکی هستند که با واسطه میدان های مغناطیسی ایجاد می شوند. جریان های الکتریکی و گشتاورهای مغناطیسی اساسی ذرات بنیادی باعث ایجاد میدان مغناطیسی می شوند که بر سایر جریان ها و گشتاورهای مغناطیسی اثر می گذارد.
همه مواد تا حدی تحت تأثیر یک میدان مغناطیسی هستند. آشناترین اثر روی آهنرباهای دائمی است که دارای گشتاورهای مغناطیسی پایدار ناشی از فرومغناطیس هستند.
در این پست به موارد زیر می پردازیم:
- قدرت نیروی مغناطیسی
- رابطه نیروی مغناطیسی با جریان الکتریکی چیست؟
- چه موادی تحت تأثیر نیروی مغناطیسی قرار می گیرند؟
- نمونه هایی از نیروی مغناطیسی در عمل
- نیروی مغناطیسی چگونه توصیف می شود؟
- چه نوع میدان هایی با نیروی مغناطیسی مرتبط هستند؟
- آیا همه اجسام نیروی مغناطیسی را تجربه می کنند؟
- رابطه بین نیروی مغناطیسی و سطوح رسانا چیست؟
- رابطه بین نیروی مغناطیسی و بزرگی سرعت یک جسم چیست؟
- تاریخچه جذاب آهنرباها
- کاوش در دنیای شگفت انگیز مغناطیس
- بررسی میدان های مغناطیسی در مواد
- الکترومغناطیس: دستگاهی قدرتمند که توسط الکتریسیته هدایت می شود
- دوقطبی های مغناطیسی: بلوک های سازنده مغناطیس
- نتیجه
قدرت نیروی مغناطیسی
نیروی مغناطیسی نیرویی است که بر یک ذره باردار در حال حرکت در میدان مغناطیسی وارد می شود. نیرویی است که بر سرعت ذره باردار و میدان مغناطیسی عمود است. این نیرو توسط معادله نیروی لورنتس توصیف می‌شود، که بیان می‌کند که نیروی (F) وارد بر بار (q) که با سرعت (v) در یک میدان مغناطیسی (B) حرکت می‌کند با معادله F = qvBsinθ به دست می‌آید، که در آن θ. زاویه بین سرعت بار و میدان مغناطیسی است.
رابطه نیروی مغناطیسی با جریان الکتریکی چیست؟
نیروی مغناطیسی ارتباط نزدیکی با جریان الکتریکی دارد. هنگامی که جریان الکتریکی از سیم عبور می کند، میدان مغناطیسی در اطراف سیم ایجاد می کند. این میدان مغناطیسی می تواند در حضور خود به اجسام دیگر نیرو وارد کند. مقدار و جهت نیرو به شدت و جهت میدان مغناطیسی بستگی دارد.
چه موادی تحت تأثیر نیروی مغناطیسی قرار می گیرند؟
نیروی مغناطیسی می تواند بر تعداد زیادی از مواد تأثیر بگذارد، از جمله:
- مواد مغناطیسی مانند آهن، فولاد و نیکل
- رسانایی موادی مانند مس و آلومینیوم
- الکترون های متحرک در یک رسانا
- ذرات باردار در پلاسما
نمونه هایی از نیروی مغناطیسی در عمل
چند نمونه از نیروی مغناطیسی در عمل عبارتند از:
- آهنرباهایی که یکدیگر را جذب یا دفع می کنند
- برچسب هایی که به یخچال یا در می چسبند زیرا دارای آهنربا هستند
- میله ای از فولاد که به سمت آهنربای قوی کشیده می شود
- سیم حامل جریان الکتریکی که در میدان مغناطیسی منحرف می شود
- حرکت ثابت یک سوزن قطب نما به دلیل میدان مغناطیسی زمین
نیروی مغناطیسی چگونه توصیف می شود؟
نیروی مغناطیسی با استفاده از واحدهای نیوتن (N) و تسلا (T) توصیف می شود. تسلا واحد قدرت میدان مغناطیسی است و به عنوان نیروی وارد بر سیمی که جریان یک آمپر را در میدان مغناطیسی یکنواخت یک تسلا حمل می کند، تعریف می شود. نیروی مغناطیسی وارد بر یک جسم برابر است با حاصل ضرب قدرت میدان مغناطیسی و بار جسم.
چه نوع میدان هایی با نیروی مغناطیسی مرتبط هستند؟
نیروی مغناطیسی مربوط به میدان های الکترومغناطیسی است. میدان الکترومغناطیسی نوعی میدان است که از حضور بارها و جریان های الکتریکی ایجاد می شود. میدان مغناطیسی یکی از اجزای میدان الکترومغناطیسی است و در اثر حرکت بارهای الکتریکی ایجاد می شود.
آیا همه اجسام نیروی مغناطیسی را تجربه می کنند؟
همه اجسام نیروی مغناطیسی را تجربه نمی کنند. فقط اجسامی که بار خالص دارند یا حامل جریان الکتریکی هستند، نیروی مغناطیسی را تجربه خواهند کرد. اجسامی که بار خالص ندارند و حامل جریان الکتریکی نیستند، نیروی مغناطیسی را تجربه نخواهند کرد.
رابطه بین نیروی مغناطیسی و سطوح رسانا چیست؟
هنگامی که یک سطح رسانا در یک میدان مغناطیسی قرار می گیرد، الکترون های سطح به دلیل میدان مغناطیسی نیرویی را تجربه می کنند. این نیرو باعث حرکت الکترون ها می شود که باعث ایجاد جریان در سطح می شود. جریان، به نوبه خود، یک میدان مغناطیسی ایجاد می کند که با میدان مغناطیسی اصلی برهمکنش می کند و باعث می شود سطح نیرویی را تجربه کند.
رابطه بین نیروی مغناطیسی و بزرگی سرعت یک جسم چیست؟
نیروی مغناطیسی وارد بر یک جسم با بزرگی سرعت جسم متناسب است. هرچه یک جسم سریعتر حرکت کند، نیروی مغناطیسی قوی تر خواهد بود.
تاریخچه جذاب آهنرباها
- کلمه آهنربا از کلمه لاتین Magnes گرفته شده است که به نوع خاصی از سنگ موجود در ترکیه در کوه آیدا اشاره دارد.
- چینی‌های باستان بیش از 2,000 سال پیش سنگ‌های آهنربایی طبیعی ساخته شده از اکسید آهن را کشف کردند.
- ویلیام گیلبرت، دانشمند انگلیسی، مشاهدات قبلی در مورد خواص آهنرباها در اواخر قرن شانزدهم، از جمله وجود قطب های مغناطیسی را تأیید کرد.
- کریستین اورستد دانشمند هلندی رابطه بین الکتریسیته و مغناطیس را در سال 1820 کشف کرد.
- فیزیکدان فرانسوی آندره آمپر کار اورستد را گسترش داد و رابطه بین الکتریسیته و مغناطیس را مطالعه کرد و مفهوم میدان مغناطیسی را توسعه داد.
توسعه آهنرباهای دائمی
- در سال های اولیه مغناطیس، محققان علاقه مند به تولید آهنرباهای قوی تر و قوی تر بودند.
- در دهه 1930، محققان در سومیتومو آلیاژی از آهن، آلومینیوم و نیکل ساختند که آهنربایی با چگالی انرژی بالاتر از هر ماده قبلی تولید می کرد.
- در دهه 1980، محققان آکادمی علوم در مسکو نوع جدیدی از آهنربا را معرفی کردند که از ترکیبی از نئودیمیم، آهن و بور (NdFeB) ساخته شده بود که قوی‌ترین آهنربا از نظر تکنولوژیکی موجود امروزی است.
- آهنرباهای مدرن می توانند میدان های مغناطیسی با قدرت تا 52 مگا گاوس-اورستد (MGOe) تولید کنند که در مقایسه با 0.5 MGOe تولید شده توسط سنگ های سنگی بسیار زیاد است.
نقش آهنرباها در تولید انرژی
- آهنرباها نقش مهمی در تولید الکتریسیته، به ویژه در تولید برق از توربین های بادی و سدهای برق آبی ایفا می کنند.
- آهنربا در موتورهای الکتریکی نیز استفاده می شود که در همه چیز از خودرو گرفته تا لوازم خانگی یافت می شود.
- علاقه به آهنرباها از توانایی آنها در تولید میدان مغناطیسی ناشی می شود که می تواند برای تولید نیروی الکتریکی مورد استفاده قرار گیرد.
آینده آهنرباها
- دانشمندان در حال مطالعه مواد جدید و پیشرفت در مغناطیس، از جمله استفاده از فلزات و آلیاژهای کمیاب خاکی هستند.
- آهنربای نئو نوع جدیدی از آهنربا است که قویتر از هر آهنربای قبلی است و پتانسیل ایجاد انقلاب در میدان مغناطیس را دارد.
- همانطور که درک ما از آهنرباها در حال گسترش است، آنها نقش مهمی فزاینده ای در جوامع پیشرفته تکنولوژی ایفا خواهند کرد.
کاوش در دنیای شگفت انگیز مغناطیس
مغناطیس خاصیتی است که مواد خاصی دارند که به آنها امکان جذب یا دفع مواد دیگر را می دهد. انواع مغناطیس عبارتند از:
- دیامغناطیس: این نوع مغناطیس در همه مواد وجود دارد و در اثر حرکت الکترون ها در ماده ایجاد می شود. هنگامی که یک ماده در یک میدان مغناطیسی قرار می گیرد، الکترون های موجود در ماده جریان الکتریکی تولید می کنند که مخالف میدان مغناطیسی است. این منجر به یک اثر دافعه ضعیف می شود که معمولاً قابل توجه نیست.
- پارامغناطیس: این نوع مغناطیس در همه مواد نیز وجود دارد، اما بسیار ضعیفتر از دیامغناطیس است. در مواد پارامغناطیس، گشتاورهای مغناطیسی الکترون‌ها در یک راستا نیستند، اما می‌توانند توسط یک میدان مغناطیسی خارجی هم‌تراز شوند. این باعث می شود که ماده به سمت میدان مغناطیسی ضعیف جذب شود.
- فرومغناطیس: این نوع مغناطیس آشناترین است و همان چیزی است که اکثر مردم با شنیدن کلمه "مغناطیس" به آن فکر می کنند. مواد فرومغناطیسی به شدت جذب آهنربا می شوند و می توانند خواص مغناطیسی خود را حتی پس از حذف میدان مغناطیسی خارجی حفظ کنند. این به این دلیل است که گشتاورهای مغناطیسی الکترون‌های موجود در ماده در یک جهت قرار دارند و یک میدان مغناطیسی قوی ایجاد می‌کنند.
علم پشت مغناطیس
مغناطیس با حرکت بارهای الکتریکی مانند الکترون ها در یک ماده ایجاد می شود. میدان مغناطیسی تولید شده توسط این بارها را می توان به عنوان مجموعه ای از خطوط توصیف کرد که یک میدان مغناطیسی را تشکیل می دهند. شدت میدان مغناطیسی بسته به تعداد بارهای موجود و درجه تراز بودن آنها متفاوت است.
ساختار یک ماده نیز در خواص مغناطیسی آن نقش دارد. به عنوان مثال، در مواد فرومغناطیسی، گشتاورهای مغناطیسی مولکول ها در یک جهت قرار می گیرند و یک میدان مغناطیسی قوی ایجاد می کنند. در مواد دیامغناطیس، گشتاورهای مغناطیسی به طور تصادفی جهت‌گیری می‌کنند و در نتیجه یک اثر دافعه ضعیف ایجاد می‌شود.
اهمیت درک مغناطیس
مغناطیس خاصیت مهم ماده است که کاربردهای عملی زیادی دارد. برخی از روش های استفاده از مغناطیس عبارتند از:
- موتورهای الکتریکی و ژنراتورها: این دستگاه ها از میدان های مغناطیسی برای تولید حرکت یا تولید الکتریسیته استفاده می کنند.
- ذخیره سازی مغناطیسی: میدان های مغناطیسی برای ذخیره داده ها بر روی هارد دیسک ها و انواع دیگر رسانه های ذخیره سازی مغناطیسی استفاده می شود.
- تصویربرداری پزشکی: تصویربرداری رزونانس مغناطیسی (MRI) از میدان های مغناطیسی برای تولید تصاویر دقیق از بدن استفاده می کند.
- شناور مغناطیسی: از میدان های مغناطیسی می توان برای معلق کردن اجسام استفاده کرد که کاربردهایی در حمل و نقل و ساخت دارد.
درک مغناطیس برای دانشمندان و مهندسانی که با مواد کار می کنند نیز مهم است. با درک خواص مغناطیسی یک ماده، آنها می توانند موادی با خواص مغناطیسی خاص برای کاربردهای مختلف طراحی کنند.
بررسی میدان های مغناطیسی در مواد
شدت میدان مغناطیسی بر حسب واحد آمپر بر متر (A/m) تعریف می شود. شدت میدان مغناطیسی مربوط به چگالی شار مغناطیسی است که تعداد خطوط میدان مغناطیسی عبوری از یک ناحیه معین است. جهت میدان مغناطیسی توسط یک بردار مشخص می شود که در جهت نیروی مغناطیسی بر یک بار مثبت در حال حرکت در میدان است.
نقش رساناها در میدان های مغناطیسی
موادی که رسانای الکتریسیته هستند، مانند مس یا آلومینیوم، می توانند تحت تأثیر میدان های مغناطیسی قرار گیرند. هنگامی که جریان الکتریکی از یک هادی عبور می کند، میدان مغناطیسی تولید می شود که عمود بر جهت جریان جریان است. این به عنوان قانون دست راست شناخته می شود، جایی که انگشت شست در جهت جریان جریان قرار می گیرد و انگشتان در جهت میدان مغناطیسی خم می شوند.
انواع خاص مواد مغناطیسی
دو نوع خاص از مواد مغناطیسی وجود دارد: فرومغناطیسی و پارامغناطیس. مواد فرومغناطیسی مانند آهن، نیکل و کبالت دارای میدان مغناطیسی قوی هستند و می توانند مغناطیسی شوند. مواد پارامغناطیس مانند آلومینیوم و پلاتین میدان مغناطیسی ضعیفی دارند و به راحتی مغناطیسی نمی شوند.
الکترومغناطیس: دستگاهی قدرتمند که توسط الکتریسیته هدایت می شود
آهنربا الکترومغناطیس نوعی آهنربا است که با عبور جریان الکتریکی از سیم ایجاد می شود. سیم معمولاً دور یک هسته ساخته شده از آهن یا مواد مغناطیسی دیگر پیچیده می شود. اصل پشت آهنربا این است که وقتی جریان الکتریکی از سیم عبور می کند، میدان مغناطیسی در اطراف سیم ایجاد می کند. با پیچاندن سیم در یک سیم پیچ، میدان مغناطیسی تقویت می شود و آهنربای حاصل بسیار قوی تر از یک آهنربای دائمی معمولی است.
الکترومغناطیس ها چگونه کنترل می شوند؟
قدرت یک آهنربای الکتریکی را می توان به راحتی با تغییر مقدار جریان الکتریکی که از آن عبور می کند کنترل کرد. با افزایش یا کاهش مقدار جریان می توان میدان مغناطیسی را ضعیف یا تقویت کرد. حتی می توان با معکوس کردن جریان برق، قطب های یک آهنربای الکتریکی را معکوس کرد. این باعث می شود که آهنرباهای الکتریکی در طیف وسیعی از کاربردها بسیار مفید باشند.
برخی از آزمایشات سرگرم کننده با الکترومغناطیس چیست؟
اگر به علم پشت آهنرباهای الکتریکی علاقه دارید، آزمایش های سرگرم کننده زیادی وجود دارد که می توانید در خانه امتحان کنید. در اینجا چند ایده وجود دارد:
- با پیچاندن یک سیم به دور یک میخ و اتصال آن به باتری، یک آهنربای الکتریکی ساده ایجاد کنید. ببینید چند گیره کاغذ می توانید با آهنربای الکتریکی خود بردارید.
- با استفاده از آهنربا و باتری یک موتور ساده بسازید. با چرخاندن قطبیت باتری، می توانید موتور را در جهت مخالف بچرخانید.
- برای ایجاد یک ژنراتور ساده از آهنربای الکتریکی استفاده کنید. با چرخاندن یک سیم پیچ در داخل یک میدان مغناطیسی، می توانید مقدار کمی الکتریسیته تولید کنید.
به طور کلی، وجود آهنرباهای الکترومغناطیسی مفید بودن آن را مدیون این واقعیت است که می توان آن را به راحتی توسط الکتریسیته کنترل کرد و آن را به یک جزء حیاتی در بسیاری از دستگاه ها و کاربردها تبدیل کرد.
دوقطبی های مغناطیسی: بلوک های سازنده مغناطیس
دوقطبی های مغناطیسی بلوک های ساختمانی اصلی مغناطیس هستند. آنها کوچکترین واحد مغناطیس هستند و از آهنرباهای کوچکی به نام الکترون تشکیل شده اند. این الکترون ها در مولکول های یک ماده وجود دارند و توانایی ایجاد میدان مغناطیسی را دارند. دوقطبی مغناطیسی به سادگی یک حلقه جریان است که از بارهای مثبت و منفی تشکیل شده است.
عملکرد دوقطبی های مغناطیسی
دوقطبی های مغناطیسی نقش فعالی در ساختار و عملکرد بسیاری از ترکیبات دارند. آنها معمولاً در سیم و مدار معمولی وجود دارند و حضور آنها مستقیماً با قدرت میدان مغناطیسی مرتبط است. قدرت میدان مغناطیسی با مساحت حلقه و جریان عبوری از آن مشخص می شود.
اهمیت دوقطبی های مغناطیسی در علم پزشکی
دوقطبی های مغناطیسی در علم پزشکی اهمیت زیادی دارند. از آنها برای ایجاد آهنرباهای کوچک استفاده می شود که می تواند برای تشخیص و درمان بیماری های مختلف استفاده شود. استفاده از دوقطبی های مغناطیسی در علم پزشکی را تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) می گویند. MRI یک تکنیک پزشکی سالم و بی خطر است که از دوقطبی های مغناطیسی برای ایجاد تصاویری از داخل بدن استفاده می کند.
نتیجه
بنابراین مغناطیسی به معنای چیزی است که آهنربا را جذب یا دفع می کند. این نیرویی است که با الکتریسیته و مغناطیس مرتبط است. می‌توانید از آن برای نگه‌داشتن وسایل روی یخچال یا ایجاد قطب‌نما به سمت شمال استفاده کنید. بنابراین، از استفاده از آن نترسید! آنقدرها هم که به نظر می رسد پیچیده نیست. فقط قوانین را به خاطر بسپارید و خوب خواهید شد.
من Joost Nusselder، بنیانگذار Tools Doctor، بازاریاب محتوا، و پدر هستم. من عاشق امتحان کردن تجهیزات جدید هستم و به همراه تیمم از سال 2016 مقالات وبلاگ عمیقی ایجاد کرده‌ام تا به خوانندگان وفادار با ابزار و نکات کاردستی کمک کنم.
