کتاب- روابط و تعریفهای بین الکتريسيته و مغناطيس- در 26 صفحه-docx

دسته بندي : فنی و مهندسی » برق، الکترونیک، مخابرات

مغناطيس

محور مغناطيس

محوري است كه محوردو قطب آهن ربا را به گونه اي به هم وصل مي كند خاصيت مغناطيسي در اطراف آن كاملا متقارن است

مغناطيس

منشا توليد مغناطيس حركت الكترونها است به عبارتي اگر الكتروني از نقطه اي به نقطه ديگر جابجا شود در اطراف آن خاصيت مغناطيس ايجاد مي شود

دو قطبي مغناطيسي

ميدان مغناطيسي حاصل از حركت يك عدد الكترون را اصطلاحا دو قطبي مغناطيسي مي گويند

در داخل يك ميله دو قطبي هاي مغناطيسي فراواني وجود دارد كه هر كدام در جهت ها و راستاهاي مختلفي در حال چرخش هستند كه آنها ميتوانند دو به دو اثر مغناطيسي يكديگر را خنثي كنند

در داخل، ميله مجموعه دو قطبي هاي يكسان تشكيل يك حوزه مغناطيسي را مي دهد كه هر حوزه براي خود ميدان مغناطيسي اي را دارا مي باشد كه در حالت عادي دو قطبي هاي موجود در حوزه ها حركتي كاتوره اي و بي نظم دارندحال اگربتوان به روش خاصي دوقطبي هاي موجود در حوزه ها را به صورت منظم مرتب كرد وتمام آنها را يك سر نمود در ميله خاصيت مغناطيسي مشهود مي گردد

زاويه ميل مغناطيسي

زاويه اي است كه خطوط ميدان مغناطيسي زمين در هر نقطه باراستاي افق مي سازد كه درنقاط مختلف زمين باهم فرق مي كند

مواد

مواد به دودسته مغناطيسي تقسيم مي شود

الف- مواد غيرمغناطيسي

موادي هستند كه به هيچ وجه نمي توان خاصيت مغناطيسي در آنها به وجودآورد به عبارتي دو قطبي هاي موجود درآنها تحت هيچ شرايطي ازحالت كاتوره اي خارج نمي شودمانند شيروچوب و....

ب-مواد غير مغناطيسي

موادي هستند كه تحت شرايط معيني ميتوان دو قطبي هاي موجود درآنها را از حالت كاتوره اي خارج نمود وبه آنها نظم داد به عبارتي مي توان خاصيت مغناطيسي در آنها به وجود آورد مانند آهن

موادمغناطيسي به سه دسته تقسيم مي شوند

الف - مواد فرومغناطيسي نرم

ب - موادفرومغناطيسي سخت

ج - پارا مغناطيس

الف-مواد فرو مغناطيسي نرم

مانند آهن خالص اين گونه مواد اگر در يك ميدان مغناطيسي واقع شوند دو قطبي هاي موجود در حوزه ها سريعا از حالت كاتوره اي خارج شده ومنظم مي شوند و خاصيت مغناطيسي قوي در اطراف آن مواد به وجود مي آيد ولي به محض آن كه اين مواد ازميدان مغناطيسي القا كننده خارج شوند دو قطبي ها سريعا به وضعيت كاتوره اي اول خود بر مي گردند وخاصيت مغناطيسي دراين موادسريع ازبين مي رود كاربرد در زنگ اخبار و جرثقيل الكتريكي( براي هسته سيم لوله ها )

ب- مواد فرو مغناطيسي سخت

مانند فولادموادي هستندكه اگردريك ميدان مغناطيسي واقع شوند تعدادي ازدوقطبي هاي موجود تحت تاثيرميدان القا كننده قرار گيرندوبه كندي يك سومي شوند درنتيجه خاصيت مغناطيسي ضعيفي دراطراف اين موادبه وجودمي آيند حال اگرميدان القا كننده براي اين مواد حذف شود دو قطبي هاي نظم يافته به حالت اوليه خود بر نمي گردند بنابراين خاصيت مغناطيسي در اين مواد پايدارمي ماندكاربرد درقطب نما ها بلند گوها آرميچرها

ج-پارامغناطيس

اين مواد اگر دريك ميدان مغناطيسي خيلي قوي قرار گيرند تعداد اندكي از دوقطبي هاي آنها منظم مي شوند( به كندي ) وخاصيت مغناطيسي ضعيفي دراطراف آن ايجاد مي شود حال اگرآن ميدان قوي حذف شود دوقطبي هاي نظم يافته سريع به وضعيت اوليه خود برمي گردندوخاصيت مغناطيسي به وجودآمده راسريع ازدست مي دهند فلزاتي مانند پلاتين آلو مينيم قلع وهم چنين فلزات قليايي- قليايي خاكي -اكسيژن واكسيدازت نيزجزاين مواد هستند

خاصيت مغناطيسي يك آهن ربا راتا بي نهايت نمي توان اضافه كرد زيرا دوقطبي هاي موجود در حوزه ها هنگامي كه تماما يك سو شوند درآن صورت گفته مي شود كه آهن ربا از نظر خاصيت مغناطيسي اشباع شده است يا به عبارتي سير شده است

براي از بردن خاصيت مغناطيسي در يك آهن ربا دوروش مطرح است

روش اغول به اين صورت است است كه آهن ربا راگرم مي كنيم وبه دنبال آن ضربه هايي به آن وارد مي سازيم كه به دنبال آن باعث مي گردد در اثر گرم شدن وضربه خوردن دو قطبي هاي مغناطيسي نظم يافته از حالت نظم خارج گردند وبه حالت كاتوره اي وبي نظمي برسنداين روش روشي پسنديده است زيرا در اثر ضربه شكل ظاهري آهن ربا نيز تغيير مي كند روش ديگر استفاده از سيم پيچ حامل جريان متناوب است كه آهن مورد نظر در داخل آن سيم لوله درراستاي مشرق- مغرب قرارمي گيرد تا ميدان مغناطيسي زمين بر روي آن اثر نداشته باشد (خطوط ميدان مغناطيسي زمين در راستاي جنوب به شمال زمين است) بهتر است براي انجام اين آزمايش آهن ربا رادر داخل سيم لوله حركت رفت وبرگشت داشته باشد

ميدان مغناطيسي

فضاي محدود در اطراف يك آهن ربا است كه در آن فضا خاصيت مغناطيسي محسوس باشد به عبارتي اگرآهن رباي ديگري در آن محدوده واقع شود بر آن نيروي مغناطيسي وارد شودميدان مغناطيسي را مي توان با خطوط نيرويي نمايش داد براي اين منظورسه روش زير مطرح است

الف- تشكيل طيف مغناطيسي توسط براده آهن

در اين روش آهن ربايي را اختيار كرده بر روي يك سطح صاف قرار داده وبر روي آن كاغذ سفيدي قرار مي دهيم مقداري براده آهن بر روي كاغذ مي ريزيم وباضربه هاي ملايمي كه به كاغذوارد مي سازيم باعث مي شود كه براده هاي آهن بر روي مسيرهاي مشخصي شكل گيري نمايد وتوسط خود خطوطي تشكيل دهند كه هر خط نيرو مي باشد

ب- باتوجه به حركت چوب پنبه درآب

ظرف پر از آبي را اختيار كرده ويك آهن رباي تيغه اي بر روي لبه آن قرار مي دهيم سوزني را آهن ربا نموده وبه طور قا ئم آن را در چوب پنبهاي قرار مي دهيم وچوب پنبه را در آب به گونه اي شناور مي سازيم كه قطب(ان) آن در مجاورت (ان) تيغه قرار گرفته شود اگر در آن صورت چوب پنبه رها شود مشاهده مي گردد كه به واسطه نيروي دافعه چوب پنبه از آن قطب دفع شده است وبادور شدن ازآن قطب به قطب (اس) تيغه نزديك مي شود مسيري كه چوب پنبه

طي كرده است به عنوان خط نيرو معيين مي شود (بر هم كنش قطب هاي آهن ربا به طور كلي قطب هاي هم نام در دو آهن ربا همديگر را مي رانند ولي قطب هاي ناهم نام همديگررا مي ربايند

ج-به كمك عقربه مغناطيسي وبا استفاده از نقطه يابي

آهن ربايي را بر روي سطح افق فرار داده وكاغذ سفيدي راروي آن مي گذاريم يك عقربه مغناطيسيرا بر روي كاغذ در مجاورت قطب (ان) تيغه قرار مي دهيم در آن حالت در امتدادنوك عقربه كه قطب ( ان) است توسط مداري بر روي كاغذ علامت مي گذاريم سپس عقربه را بر روي كاغذ جابجا كرده به طوري كه انتهاي آن(قطب اس) منطبق بر آن علامت گردد وبراي دفعه دوم نيز درامتداد قطب (ان) بر روي كاغذ علامت مي گذاريم واين عمل را تكرار مي كنيم كه نهايتا به قطب (اس) آهن ربا نزديك مي شويم حال اگر نقاط به دست آمده را به هم وصل نماييم خط به دست آمده معرف خط نيرو است با توجه به روش هاي بالا طبق قرارداد خطوط ميدان مغناطيسي در اطراف آهن ربا از قطب(ان) به قطب(اس) آن است

نام گذاري قطب هاي آهن ربا

هرگاه آهن ربايي راتوسط نخي به قلابي آويزان نماييم پس ازايستادن آهن ربا درراستاي شمال-جنوب زمين واقع شده است زيرا تحت تا ثير ميدان مغناطيسي زمين واقع ميشود آن قطبي كه به سمت شمال زمين واقع شده است به عنوان شمال ياب آن را قطب (ان ) مي ناميم و قطبي كه به سمت جنوب زمين واقع شده است به عنوان جنوب ياب قطب(اس) ناميده مي شود

قطب هاي اهن ربا مكاني از آهن ربا هستند كه بيشترين خاصيت مغناطيسي رادارا هستند مثلا در تشكيل طيف مغناطيسي تجمع براده آهن در قطبين بيشتر است

آهن ربا كردن يك ميله مغناطيسي

روش اول : استفاده از يك آهن رباي معلوم به روش القا در اين روش يكي از قطب هاي آهن ربارا به يك سر ميله نزديك مي كنيم وجود ميدان مغناطيسي دراطراف آن آهن ربا بر دو قطبي هاي موجود در حوزه هاي مغناطيسي آن ميله اثر گذاشته وآنها رادر جهت خود هم سو مي كند در نتيجه آن ميله آهن ربا شده وآن سر ميله قطبي مي گردد كه غير هم نام با قطب آهن ربايي است كه به آن نزديك شده وچون قطب هاي غير هم نام همديگر را مي ربايند آن ميله جذب آهن ربا مي شود

روش دوم : دراين روش سيم پيچي (سيم لوله) اختيار كرده ودر آن جرياني مستقيم مي فرستيم ميله مورد نظر رادر داخل آن سيم لوله قرار مي دهيم ميدان مغناطيسي حاصل از سيم لوله كه در داخل سيم لوله قوي و يكنواخت است با اثرگذاشتن بر روي دو قطبي هاي موجود در آن ميله باعث يك سو شدن آنها مي شود در نتيجه ميله آهن ربا مي شود براي تشخيص قطب هاي ميله آهن ربا شده دو روش زير مطرح است

الف : سطح مقطع يك طرف سيم لوله را نگاه مي كنيم اگردر آن حالت جهت چرخش جريان موافق حركت عقربه هاي ساعت باشد آن قطب (اس) است ولي اگر جهت چرخش جريان مخالف حركت عقربه هاي ساعت باشد آن قطب (ان) است

جهت انحراف يك ذره باردار متحرك در يك ميدان مغناطيسي

هر گاه يك ذره متحرك در ميدان مغناطيسي باشرط خاصي حركت كند از طرف آن ميدان بر آن ذره نيرويي وارد ميشود كه باعث انحراف ذره مي شود كه جهت آن نيرو به سه عامل زير بستگي دارد:

الف - نوع بار ذره ب - جهت ميدان مغناطيسي ج - جهت حركت ذره

براي تعيين جهت انحراف ذره دو دستور زير را در نظر مي گيريم
الف - نوع بار ذره مثبت باشد

براي اين منظور دست راستمان را به گونه اي مي گيريم كه انگشت شست بر چهار انگشت ديگر عمود باشد در آن فضاي مغناطيسي دستمان را به گونه اي مي گيريم كه چهار انگشت موازي در جهت حركت ذره واقع شود وپشت دست به طرف قطب(ان) وكف دست به طرف قطب (اس) واقع باشد در اين حالت انگشت شست جهت انحراف ذره مثبت را نشان مي دهد

ب - نوع بار ذره منفي باشد

براي اين منظور دست چپ را اختيار كرده و دستور بالا را به كار مي بريم

اندازه نيروي وارد بر يك ذره متحرك در يك ميدان مغناطيسي

نيرويي كه در يك ميدان مغناطيسي بر يك ذره وارد مي شود به عوامل زير بستگي دارد

الف - اندازه بار الكتريكي
ب- سرعت ذره
ج - شدت ميدان مغناطيسي
د- زاويه بين راستاي حركت ذره با راستاي خطوط ميدان

F=q × v × B Sin()

*** در چه صورت بر يك ذره متحرك نيرو به آن وارد نمي گردد؟

در صورتيكه ذره موازي ميدان (در جهت ويا در خلاف جهت) حركت كند

***در چه صورت بر ذره متحرك نيروي بيشينه وارد مي شود؟

در صورتي كه زاويه نود يعني ذره عمود بر خطوط ميدان حركت كند

تعريف تسلا

تسلا شدت ميدان مغناطيسي است كه اگر يك ذره (كولن) عمود بر خطوط آن ميدان با سرعت يك متر بر ثانيه حركت كند آن گاه از طرف آن ميدان نيرويي به اندازه يك نيوتن بر آن ذره وارد مي شود

B=F /q×v 1 (T) =1(N) /1(c) ×1(m/s)

تعيين جهت انحراف يك سيم حامل جريان در يك ميدان مغناطيسي

هر گاه سيمي حامل جريان تحت شرايطي در يك ميدان مغناطيسي واقع شود از طرف آن ميدان نيرويي بر آن سيم وارد شده و باعث انحراف آن سيم در ميدان مغناطيسي مي گردد كه اگر جريان مستقيم باشد جهت انحراف سيم ثابت بوده در يك جهت منحرف مي شود ولي اگر شدت جريان در سيم متناوب باشد نيروي وارد بر سيم نيز متناوب است وسيم در آن ميدان مغناطيسي شروع به نوسان كردن و لرزيدن مي كند

جهت نيرويي كه از طرف ميدان مغناطيسي بر يك سيم حامل جريان وارد مي شود به دو عامل زير بستگي دارد

الف - جهت شدت جريان در سيم

ب - جهت ميدان مغناطيسي

براي تعيين جهت انحراف سيم از قانون دست راست با دستور زير استفاده مي كنيم

دست راستمان را به گونه اي مي گيريم كه انگشت شست بر چهار انگشت ديگر عمود باشد

اگر در آن ميدان مغناطيسي پشت دست به طرف قطب(ان) و كف دست به طرف قطب (اس) چنان قرار گيرد كه چهار انگشت موازي در جهت شدت جريان واقع شود در آن صورت انگشت شست جهت انحراف سيم را نشان مي دهد

اندازه نيروي وارد بر يك سيم حامل جريان در يك ميدان مغناطيسي

عوامل موثر

الف - شدت ميدان مغناطيسي

ب - شدت جريان در سيم

ج - طول سيم

د - زاويه راستاي سيم و راستاي خطوط ميدان

F= B×I ×L Sin()

آزمايش

همانگونه كه در بالا توضيح داده شد اگر يك سيم در ميدان مغناطيسي واقع شود از طرف آن ميدان نيرويي بر آن سيم وارد مي شود عكس آن نيز صادق است يعني سيم حال جريان در اطراف خود ميدان مغناطيسي به وجود مي آورد كه وجود آن ميدان را مي توان توسط عقربه مغناطيسي و يا براده آهن نشان دهيم شخصي به نام اورستد در مجاورت يك سيم حامل جريان يك عقربه مغناطيسي قرار داد او مشاهده كرد عقربه از راستاي خود منحرف شده و در يك جهتي واقع مي شود همچنين اگر سيمي رااز وسط مقوايي عبور داده و جرياني در آن بر قرار سازيم و آن را به طور قائم نگه داشته و مقداري براده آهن بر روي مقوا بريزيم ملاحظه مي گردد كه براده ها در اطراف سيم مقوا مسيرهاي دايره شكلي را تشكيل مي دهند كه تماما هم مركز بوده و سيم از مركز آنها گذشته است در اين آزمايش مشاهده مي گردد كه در نزديكي سيم تجمع براده آهن بيشتر از قسمتهاي ديگر است يعني هر چه از هر از سيم دور تر مي شويم تجمع براده ها كمتر است

اين آزمايش سه نكته را به ما نشان مي دهد

اولا- خطوط ميدان مغناطيسي در اطراف يك سيم حلقه اي شكل بوده كه سيم بر سطح آن حلقه و از مركز آنها گذشته است

ثانيا - شدت ميدان مغناطيسي در نزديك سيم بيشتر و در فواصل دور تر كمتر است

ثالثا - هر چه شدت جريان در سيم بيشتر شود ميدان در اطراف سيم بيشتر مي شود

براي تعيين جهت خطوط ميدان مغناطيسي در اطراف يك سيم از قانون دست راست با دستور زير استفاده مي كنيم

دست راستمان را به گونه اي مي گيريم كه انگشت شست بر چهار انگشت ديگر عمود باشد هرگاه كف دستمان را بر روي سيم چنان قرار دهيم كه انگشت شست در جريان قرار گيرد آن گاه جهت بسته شدن چهار انگشت ديگر جهت ميدان مغناطيسي مي باشد

شدت ميدان مغناطيسي يک سيم حامل جريان

در اطراف يك سيم با توجه به توضيحات بالا شدت ميدان از رابطه زير به دست مي آيد

شدت جريان بر حسب آمپر

فاصله بر حسب متر

قابليت گذردهي مغناطيسي هوا

نكته

در صورتي كه جهت جريان در دو سيم يك سو باشد نقطه مورد نظر بين دو سيم و نزديكتر به سيم حامل جريان كمتر است ولي اگر جهت جريان ها يك سو نباشدنقطه مورد نظر خارج از فضاي دو سيم و نزديكتر به سيم حامل جريان كمتر است

ميدان حاصل از دو يا چند سيم راست

اگر دو يا چند سيم حاوي جريان در کنار هم باشد شدت ميدان حاصل در هر نقطه از فضاي

اطراف برابر است با برآيند ميدانهاي حاصل از هر يک از سيمها

اگر از دو سيم راست موازي جريانهاي هم جهت عبور کند ميدانهاي حاصل از دو سيم خلاف جهت هم و در خارج فاصله دو سيم هم جهت است و بر عکس


اندکسيون حاصل از سيم A =B1

اندکسيون حاصل از سيم B = B2

برآيند حاصل

B =B2-B1