المغناطيس الكهربائي: التركيب والأجزاء وكيف يعمل والتطبيقات - جسدي - بدني - 2025

و الكهربائي هو الجهاز الذي ينتج المغناطيسية من التيار الكهربائي. إذا توقف التيار الكهربائي ، فإن المجال المغناطيسي يختفي أيضًا. في عام 1820 اكتشف أن التيار الكهربائي ينتج مجالًا مغناطيسيًا في بيئته. بعد أربع سنوات تم اختراع وبناء أول مغناطيس كهربائي.

يتكون المغناطيس الكهربائي الأول من حدوة حصان حديد مطلية بورنيش عازل ، وجُرح عليه ثمانية عشر لفة من الأسلاك النحاسية بدون عازل كهربائي.

الشكل 1. المغناطيس الكهربائي. المصدر: pixabay

يمكن أن يكون للمغناطيسات الكهربائية الحديثة أشكال مختلفة اعتمادًا على الاستخدام النهائي الذي سيتم إعطاؤه لها ؛ وهو الكابل المعزول بالورنيش وليس القلب الحديدي. الشكل الأكثر شيوعًا لللب الحديدي هو الشكل الأسطواني ، حيث يتم لف الأسلاك النحاسية المعزولة.

يمكنك صنع مغناطيس كهربائي بمجرد أن ينتج الملف مجالًا مغناطيسيًا ، لكن اللب الحديدي يضاعف شدة المجال.

عندما يمر التيار الكهربائي عبر لف مغناطيس كهربائي ، يصبح قلب الحديد ممغنطًا. وهذا يعني أن اللحظات المغناطيسية الجوهرية للمادة تترابط وتضيف ، مما يؤدي إلى تكثيف المجال المغناطيسي الكلي.

عُرفت المغناطيسية على الأقل منذ 600 قبل الميلاد ، عندما تحدث تاليس ميليتس اليوناني بالتفصيل عن المغناطيس. ينتج المغنتيت ، وهو معدن حديد ، المغناطيسية بشكل طبيعي ودائم.

مزايا المغناطيسات الكهربائية

من المزايا التي لا شك فيها للمغناطيسات الكهربائية أنه يمكن إنشاء المجال المغناطيسي أو زيادته أو إنقاصه أو إزالته من خلال التحكم في التيار الكهربائي. عند صنع مغناطيس دائم ، فإن المغناطيس الكهربائي ضروري.

الآن لماذا يحدث هذا؟ الجواب هو أن المغناطيسية هي جوهرية للمادة تمامًا كما هي للكهرباء ، لكن كلا الظاهرتين تظهران فقط في ظل ظروف معينة.

ومع ذلك ، يمكن القول أن مصدر المجال المغناطيسي هو نقل الشحنات الكهربائية أو التيار الكهربائي. داخل المادة ، على المستوى الذري والجزيئي ، يتم إنتاج هذه التيارات التي تنتج مجالات مغناطيسية في جميع الاتجاهات تلغي بعضها البعض. هذا هو السبب في أن المواد عادة لا تظهر المغناطيسية.

أفضل طريقة لشرح ذلك هو التفكير في أن المغناطيسات الصغيرة (اللحظات المغناطيسية) موجودة داخل المادة التي تشير في جميع الاتجاهات ، لذلك يتم إلغاء تأثيرها العياني.

في المواد المغناطيسية ، يمكن للعزوم المغناطيسية محاذاة وتشكيل مناطق تسمى المجالات المغناطيسية. عند تطبيق حقل خارجي ، تتم محاذاة هذه المجالات.

عند إزالة الحقل الخارجي ، لا تعود هذه المجالات إلى موضعها العشوائي الأصلي ، ولكنها تظل محاذة جزئيًا. بهذه الطريقة تصبح المادة ممغنطة وتشكل مغناطيسًا دائمًا.

تكوين وأجزاء من مغناطيس كهربائي

يتكون المغناطيس الكهربائي من:

- لف كابل معزول بالورنيش.

- قلب حديدي (اختياري).

- مصدر حالي يمكن أن يكون مباشرًا أو متناوبًا.

الشكل 2. أجزاء من مغناطيس كهربائي. المصدر: عصامي.

اللف هو الموصل الذي يمر من خلاله التيار الذي ينتج المجال المغناطيسي ويلف على شكل زنبرك.

في اللف ، تكون المنعطفات أو المنعطفات قريبة جدًا من بعضها البعض. هذا هو السبب في أنه من المهم للغاية أن يحتوي السلك الذي يتم فيه اللف على عزل كهربائي ، والذي يتم تحقيقه بورنيش خاص. الغرض من التلميع هو أنه حتى عندما يتم تجميع المنعطفات معًا وتلامس بعضها البعض ، فإنها تظل معزولة كهربائيًا ويستمر التيار في مساره الحلزوني.

كلما كان موصل اللف أكثر سمكًا ، زاد التيار الذي يتحمله الكابل ، ولكنه يحد من العدد الإجمالي لللفات التي يمكن لفها. ولهذا السبب ، تستخدم العديد من ملفات المغناطيس الكهربائي سلكًا رفيعًا.

سيكون المجال المغناطيسي الناتج متناسبًا مع التيار الذي يمر عبر موصل الملف وأيضًا متناسبًا مع كثافة المنعطفات. هذا يعني أنه كلما تم وضع عدد أكبر من الدورات لكل وحدة طول ، زادت شدة المجال.

كلما كانت لفات اللف أضيق ، زاد العدد الذي يتناسب مع طول معين ، مما يزيد كثافتها وبالتالي المجال الناتج. هذا سبب آخر لاستخدام المغناطيسات الكهربائية في كابل معزول بالورنيش بدلاً من البلاستيك أو أي مادة أخرى ، مما يزيد من سمكه.

الملف اللولبي

في ملف لولبي أو مغناطيس كهربائي أسطواني مثل الذي يظهر في الشكل 2 ، ستعطى شدة المجال المغناطيسي بالعلاقة التالية:

ب = μ⋅nI

حيث B هو المجال المغناطيسي (أو الحث المغناطيسي) ، والذي يتم قياسه بوحدات النظام الدولي في Tesla ، μ هي النفاذية المغناطيسية للنواة ، n هي كثافة المنعطفات أو عدد الدورات لكل متر وأخيراً التيار I الذي يدور خلال الملف الذي يقاس بالأمبير (A).

تعتمد النفاذية المغناطيسية لللب الحديدي على سبيكةها وعادةً ما تكون بين 200 و 5000 ضعف نفاذية الهواء. يتم ضرب المجال الناتج بواسطة هذا العامل نفسه فيما يتعلق بمغناطيس كهربائي بدون قلب حديدي. تساوي نفاذية الهواء تقريبًا نفاذية الفراغ ، والتي تكون μ ₀ = 1.26 × 10 ^-6 T * m / A.

كيف يعمل؟

لفهم عمل المغناطيس الكهربائي ، من الضروري فهم فيزياء المغناطيسية.

لنبدأ بسلك مستقيم بسيط يحمل تيارًا I ، ينتج عن هذا التيار مجال مغناطيسي B حول السلك.

الشكل 3. المجال المغناطيسي الناتج عن سلك مستقيم. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز

خطوط المجال المغناطيسي حول السلك المستقيم عبارة عن دوائر متحدة المركز حول سلك الرصاص. تتوافق خطوط المجال مع قاعدة اليد اليمنى ، أي إذا كان إبهام اليد اليمنى يشير إلى اتجاه التيار ، فإن الأصابع الأربعة الأخرى لليد اليمنى ستشير إلى اتجاه حركة خطوط المجال المغناطيسي.

المجال المغناطيسي لسلك مستقيم

المجال المغناطيسي الناتج عن سلك مستقيم على مسافة r منه هو:

لنفترض أننا نثني الكبل بحيث يشكل دائرة أو حلقة ، ثم تجتمع خطوط المجال المغناطيسي الموجودة بداخله لتُشير جميعها في نفس الاتجاه ، وتضيف وتقوي. في الجزء الداخلي من الحلقة أو الدائرة يكون الحقل أكثر كثافة منه في الجزء الخارجي ، حيث تنفصل خطوط الحقل وتضعف.

الشكل 4. المجال المغناطيسي الناتج عن سلك في دائرة. المصدر: ويكيميديا ​​كومنز

المجال المغناطيسي في مركز الحلقة

المجال المغناطيسي الناتج في مركز حلقة نصف قطرها يحمل تيارًا I هو:

يتضاعف التأثير إذا قمنا في كل مرة بثني الكبل بحيث يحتوي على اثنين ، ثلاثة ، أربعة ،… والعديد من الدورات. عندما نقوم بلف الكابل على شكل زنبرك بملفات قريبة جدًا ، يكون المجال المغناطيسي داخل الزنبرك موحدًا وشديدًا للغاية ، بينما في الخارج يكون صفرًا تقريبًا.

لنفترض أننا قمنا بلف الكابل في دوامة من 30 لفة بطول 1 سم وقطر 1 سم. هذا يعطي كثافة لفات 3000 لفة لكل متر.

المجال المغناطيسي اللولبي المثالي

في الملف اللولبي المثالي ، يتم إعطاء المجال المغناطيسي بداخله بواسطة:

بإيجاز ، حساباتنا لكابل يحمل 1 أمبير من التيار وحساب المجال المغناطيسي في microteslas ، دائمًا على بعد 0.5 سم من الكابل في تكوينات مختلفة:

1. كابل مستقيم: 40 ميكروتسلا.
2. كبل في دائرة قطرها 1 سم: 125 ميكروتسلا.
3. لولب 300 لفة في 1 سم: 3770 ميكروتسلا = 0.003770 تسلا.

ولكن إذا أضفنا إلى اللولب قلبًا حديديًا بسماحية نسبية 100 ، فإن الحقل يتضاعف 100 مرة ، أي 0.37 تسلا.

من الممكن أيضًا حساب القوة التي يبذلها المغناطيس الكهربائي في شكل ملف لولبي على جزء من القلب الحديدي للقسم A:

بافتراض وجود مجال مغناطيسي تشبع يبلغ 1.6 تسلا ، فإن القوة لكل متر مربع من منطقة قلب الحديد التي يبذلها المغناطيس الكهربائي ستكون 10 ^ 6 نيوتن أي ما يعادل 10 ^ 5 كيلوجرام قوة ، أي 0.1 طن لكل متر مربع من المقطع العرضي.

هذا يعني أن مغناطيسًا كهربائيًا بمجال تشبع يبلغ 1.6 تسلا يمارس قوة مقدارها 10 كجم على قلب حديدي مقطع عرضي يبلغ 1 سم ².

تطبيقات المغناطيس الكهربائي

تعتبر المغناطيسات الكهربائية جزءًا من العديد من الأدوات والأجهزة. على سبيل المثال ، هم موجودون في الداخل:

- محركات كهربائية.

- مولدات ودينامو.

- مكبرات الصوت.

- المرحلات أو المفاتيح الكهروميكانيكية.

- اجراس كهربائية.

- صمامات الملف اللولبي للتحكم في التدفق.

- محركات الأقراص الصلبة للكمبيوتر.

- رافعات رفع الخردة المعدنية.

- فواصل المعادن من النفايات الحضرية.

- مكابح كهربائية للقطارات والشاحنات.

- أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي النووي.

والعديد من الأجهزة.

المراجع

1. غارسيا ، واو المجال المغناطيسي. تم الاسترجاع من: www.sc.ehu.es
2. تاجوينيا ، ج. ومارتينا ، إي المغناطيسية. من البوصلة إلى الدوران. تم الاسترجاع من: Bibliotecadigital.ilce.edu.mx.
3. سيرز ، زيمانسكي. 2016. الفيزياء الجامعية مع الفيزياء الحديثة. الرابع عشر. المجلد 2. 921-954.
4. ويكيبيديا. الكهرومغناطيسية. تم الاسترجاع من: wikipedia.com
5. ويكيبيديا. الكهرومغناطيسية. تم الاسترجاع من: wikipedia.com
6. ويكيبيديا. مغنطة. تم الاسترجاع من: wikipedia.com