الکترومغناطیس

در آموزش مغناطیس، بطور مختصر به این موضوع پرداختیم که چگونه میدان مغناطیسی اطراف آهنرباهای دائمی از قطب شمال به قطب جنوب آنها ایجاد می‌شود.

در حالی‌که آهنرباهای دائمی میدان مغناطیسی ایستای خوب و گاهی بسیار قوی تولید می‌کنند، با این‌حال در برخی کاربردها قدرت این میدان مغناطیسی بسیار ضعیف است یا باید مقدار شار مغناطیسی موجود کنترل شود. بنابراین به‌منظور تولید یک میدان مغناطیسی بسیار قوی‌تر و کنترل‌پذیرتر باید از الکتریسیته استفاده شود.

با استفاده از سیم‌پیچ‌هایی از سیم پیچیده‌شده دور یک ماده مغناطیسی نرم مثل یک هسته آهنی، می‌توانیم آهنرباهای الکتریکی بسیار قوی‌تر‌ برای استفاده در بسیاری از کاربردهای الکتریکی مختلف تولید کنیم. این کاربرد سیم‌پیچ‌ها با ایجاد ارتباط بین الکتریسیته و مغناطیس، شکل دیگری از مغناطیس را ارائه می‌دهد که الکترومغناطیس نامیده می‌شود.

هنگامی‌که جریان الکتریکی درون یک رسانا مثل سیم یا کابل جریان می‌یابد، الکترومغناطیس تولید می‌شود. با عبور جریان از کل رسانا، میدان مغناطیسی در امتداد رسانا ایجاد می‌شود. میدان مغناطیسی کوچک ایجاد شده در اطراف رسانا جهتی مشخص با هر دو قطب «شمال» و «جنوب» دارد که با جهت جریان الکتریکی درون رسانا تعیین می‌شود.

بنابراین، برقراری ارتباط بین جریان درون رسانا و میدان مغناطیسی حاصل از جریان در اطراف آن ضروری است و به ما اجازه می‌دهد رابطه‌ای که بین الکتریسیته و مغناطیس وجود دارد را به‌صورت الکترومغناطیس تعریف کنیم.

وقتی یک جریان الکتریکی درون رسانا جاری می شود اطراف آن یک میدان الکترومغناطیس دوار ایجاد می شود که خطوط مغناطیسی شار به شکل حلقه های کامل هستند این خطوط از کل طول رسانا عبور نمی‌کنند.

جهت چرخش این میدان مغناطیسی توسط جهت جریان درون رسانا تعیین می‌شود. طول مسیر حلقه‌ها با دور شدن از رسانا بزرگ‌تر می‌شود و خطوط شار ضعیف‌تر می‌شوند، از این رو میدان مغناطیسی تولیدشده نزدیک به مرکز رسانای حامل جریان قوی‌تر است.

میدان مغناطیسی اطراف یک رسانا

یک راه آسان برای تعیین میدان مغناطیسی اطراف رسانا، درنظرگرفتن پیچاندن یک پیچ معمولی درون یک ورقه است. از آنجایی‌که پیچ به ورقه وارد می‌شود عمل چرخش ساعتگرد است و تنها سر پیچ در بالای ورقه قابل مشاهده است. ضربدر روی سر پیچ برای نشان دادن شارش جریان به درون ورقه  و دور از مشاهده‌گر به‌کاربرده می‌شود.

درمقابل، عمل بیرون کشیدن پیچ پادساعتگرد است. از آنجایی‌که جریان از بالا وارد ورقه می‌شود بنابراین از طرف زیر از ورقه خارج می‌شود و تنها قسمتی از پیچ که از زیر قابل مشاهده است نوک یا یک نقطه از پیچ است. این نقطه ای برای نشان دادن شارش جریان از ورقه به سمت مشاهده‌گر بکاربرده می‌شود.

سپس عمل پیچاندن پیچ درون و بیرون از ورقه جهت جریان در رسانا را نشان می‌دهد. بنابراین جهت چرخش میدان الکترومغناطیسی اطراف آن به‌ صورت زیر نشان داده می‌شود. این مفهوم به‌عنوان عمل پیچاندن دست راست شناخته می‌شود.

عمل پیچاندن دست راست

یک میدان مغناطیسی دلالت بر حضور دو قطب دارد، قطب شمال و قطب جنوب. قطبیت یک حامل جریان با حروف بزرگ N و S مشخص می‌شود سپس با اضافه کردن سرهای پیکان یک نمایش بصری از جهت میدان مغناطیسی مثل شکل بالا ارایه می‌شود.

مفهوم آشناتر دیگری که جهت شارش جریان و جهت میدان مغناطیسی اطراف رسانا را تعیین می‌کند، «قانون دست چپ» نامیده می‌شود.

قانون الکترومغناطیسی دست چپ

 جهت مشخص‌شده میدان مغناطیسی از قطب شمال به قطب جنوب آن است. این جهت را می‌توانید با نگه داشتن رسانا حامل جریان در دست چپ خود بگونه‌ای که انگشت شست در جهت شارش الکترون از منفی به مثبت باشد، بدست آورید.

موقعیت انگشت‌های قرارگرفته در عرض و حول رسانا، جهت خطوط نیروی مغناطیسی تولیدشده را نشان می‌دهد.

اگر جهت شارش الکترون درون عکس برعکس شود، دست چپ باید در سمت دیگر رسانا قرار بگیرد و انگشت شست به جهت جدید شارش جریان الکترونی اشاره می‌کند.

علاوه براین وقتی جهت جریان معکوس می‌شود، جهت میدان مغناطیسی ایجادشده اطراف رسانا نیز معکوس خواهدشد زیرا جهت میدان مغناطیسی به جهت شارش بستگی دارد.

 این «قانون دست چپ» همچنین می‌تواند برای تعیین جهت مغناطیسی قطب‌ها در یک سیم‌پیچ الکترومغناطیسی استفاده شود. این بار، انگشت‌ها به جهت جریان الکترون از منفی به مثبت اشاره می‌کنند درحالی‌که انگشت شست جهت قطب شمال را نشان می‌دهد. تغییری در این قانون وجود دارد که «قانون دست راست» نامیده می‌شود و برمبنای شارش جریان قراردادی (از مثبت به منفی) است.

یک قطعه سیم مستقیم را درنظربگیرد که برای ایجاد یک حلقه خمیده می‌شود. جریان الکتریکی در جهت مشابه در سرتاسر هادی جریان می‌یابد اما در ورقه جهت جریان برعکس خواهد شد. زیرا جریان در جهت‌های مخالف ازورقه خارج و به آن وارد می‌شود بنابراین یک میدان ساعتگرد و یک میدان پادساعتگرد در کنار یکدیگر در ورقه تولید خواهند شد.

فضای حاصل بین این دو رسانا تبدیل به یک میدان مغناطیسی «تشدیدیافته» با خطوط نیروی پراکنده شده مشابه یک آهنربای میله ای می‌شود که یک قطب شمال و جنوب متمایز را در نقطه تقاطع تولید می‌کند.

الکترومغناطیس اطراف یک حلقه

شارش جریان در دو رسانا موازی حلقه در جهت‌های مخالف است زیرا جریان درون حلقه از سمت چپ خارج می‌شود و در سمت راست به حلقه بازمی‌گردد. از این رو، جهت میدان مغناطیسی اطراف هر هادی درون حلقه «مشابه» یکدیگر است.

خطوط نیروی حاصل که با شارش جریان درون حلقه تولید می‌شوند در فضای بین دو رسانا که در آن دو قطب مشابه با هم تلاقی می‌کنند مخالف یکدیگر هستند در نتیجه خطوط نیروی اطراف هر رسانا همان‌طورکه در شکل نشان داده شده است، تغییر شکل می‌دهند.

خطوط نیرو

بااین‌حال، در پیوند میانی که در آن خطوط نیرو به یکدیگر نزدیک‌تر هستند، اعوجاج شار مغناطیسی بین دو رسانا منجر به یک شدت میدان مغناطیسی می‌شود. برهم کنش بین دو میدان مشابه یک نیروی مکانیکی را بین دو رسانا تولید می کند زیرا آنها سعی می‌کنند یکدیگر را دفع کنند.

برهم کنش بین دو میدان مشابه یک نیروی مکانیکی را تولید می‌کند زیرا آنها سعی می‌کنند یکدیگر را دفع کنند. در یک ماشین الکتریکی دافعه بین این دو میدان مغناطیسی موجب حرکت می‌شود.

با این‌حال، از آنجایی‌که رسانا‌ها نمی‌توانند حرکت کنند، بنابراین دو میدان مغناطیسی با ایجاد یک قطب شمال و یک قطب جنوب در امتداد این خط برهم‌کنش به یکدیگر کمک می‌کنند. این امر منجر به ایجاد قوی‌ترین میدان مغناطیسی در میانه فاصله بین دو رسانا می‌شود. شدت میدان مغناطیسی اطراف رسانا متناسب با فاصله از رسانا و مقدار جریان درون آن است.

میدان مغناطیسی تولیدشده اطراف یک خط مستقیم از سیم حامل جریان حتی با یک جریان بالا بسیار ضعیف است. بااین‌حال، اگر چندین حلقه از سیم در امتداد یک محور مشابه باهم پچیده شوند یک سیم‌پیچ تولید می‌کنند، میدان مغناطیسی حاصل حتی متمرکزتر و قوی‌تر از میدان یک حلقه مجزا است. این‌گونه می‌توان یک سیم‌پیچ الکترومغناطیسی تولید کرد که سلونوئید نامیده می‌شود.

هر سیم که درون آن یک جریان الکتریکی جریان می‌یابد در اطراف خود اثر الکترومغناطیس را دارد. جهت میدان مغناطیسی به جهت شارش جریان بستگی دارد. قدرت میدان مغناطیسی تولیدشده را می‌توان با تغییر شکل یک سیم به سیم‌پیچ افزایش داد، در آموزش بعدی به این اثر می‌پردازیم.