الکترومغناطیس
1-1- مقدمه
از زمانهای بسیار قدیم بشر با آهن رباهای طبیعی آشنا بوده، نیروهای جاذبه و دافعه بین قطعات مختلف این آهنرباها و نیز بین آنها و سایر قطعات آهنی را می شناخته است. اما تا حدود 200 سال قبل تحلیل صحیح و دقیقی از رفتار اجسام مغناطیسی ارائه نشده بود و به همین دلیل استفاده چندانی از این پدیده انجام نمی شد.
در سال 1819 میلادی یک دانشمند دانمارکی به نام اورستد متوجه شد هنگام عبور جریان برق از یک سیم، چنانچه در مجاورت آن قطب نمایی قرار دهیم، عقربه قطب نما (که از جنس آهن ربای طبیعی است) منحرف می گردد. این تجربه نشان داد که جریان برق نیز مانند آهن ربای طبیعی در اطراف خود یک میدان مغناطیسی ایجاد می کند که شدت آن بستگی به شدت جریان دارد.
آزمایش 1-1- بر روی یک صفحه کاغذ مقداری براده آهن ریخته صفحه کاغذ را روی یک قطعه آهن ربای طبیعی بگذارید و با انگشت دست ضربه آرامی به صفحه کاغذ بزنید. مشاهده می شود که براده‌های آهن روی صفحه کاغذ در مسیرهای خاصی منظم می شوند (شکل 1-1- الف). این مسیرها را خطوط میدان مغناطیسی می نامیم. برای تعیین جهت این خطوط می توان بجای براده آهن از عقربه های مغناطیسی کوچک نیز استفاده نمود (شکل 1-1- ب). همانطور که شکل نشان می دهد عقربه های مغناطیسی در جهت معینی می ایستند. سمتی که قطب جنوب عقربه مغناطیسی به طرف آن می ایستد قطب شما را نشان می دهد.
2-1- میدان مغناطیسی اطراف سیم حامل جریان
آزمایش 2-1- سیم راستی را به طور عمود نگه دارید و آن را به منبع ولتاژ DC با مقدار مناسب وصل نمایید. سپس در اطراف آن به یک فاصله (روی محیط یک دایره) چند عقربه مغناطیسی قرار دهید.
مشاهده می شود که عقربه های مغناطیسی در اطراف سیم روی محیط دوایری به مرکز سیم قرار دارند. پس خطوط میدان مغناطیسی در اطراف سیم حامل جریان به شکل دایره هستند (شکل 2-1).
آزمایش 3-1- در آزمایش 2-1 جهت جریان سیم را تغییر داده آزمایش را تکرار کنید. مشاهده می شود که عقربه های مغناطیسی قرار داده شده در اطراف سیم تغییر جهت می دهند ولی امتداد آنها تغییر نمی کند.
«در اطراف سیم حامل جریان یک میدان مغناطیسی ایجاد می شود. شکل خطوط میدان به صورت دایره های هم مرکز است. جهت میدان به جهت جریان الکتریکی بستگی داشته قطب شمال عقربه مغناطیسی جهت خطوط میدان را نشان می دهد.»
جهت جریان در سیم را می توان به کمک نقطه ( ) یا ضربدر مشخص نمود. چنانچه جریان به ناظر نزدیک شود مقطع سیم را با یک نقطه علامت گذاری می کنند و اگر جریان از ناظر دور شود آن را با علامت ضربدر نشان می دهند (شکل 3-1).
جهت خطوط میدان مغناطیسی اطراف یک سیم مطابق شکلهای 4-1 و 5-1 از قانون پیچ راست گرد تبعیت می کند.
اگر پیچ راست گرد را طوری بچرخانیم که پیشروی آن هم جهت با جریان هادی باشد سمت گردش آن جهت میدان مغناطیسی در اطراف آن هادی را نشان می دهد. در اطراف سیم حامل جریان متناوب نیز میدان مغناطیسی ایجاد می گردد، اما همچنان که جریان متناوب تغییر جهت می دهد جهت میدان آن نیز تغییر می کند.
مقدار نیروی مغناطیسی بین دو سیم موازی حامل جریان به شدت جریان الکتریکی، طول هر سیم و فاصله آنها بستگی دارد. اتصالات و سیم پیچهایی که جریان زیادی از آنها می گذرد و به اندازه کافی محکم نشده اند، در اثر نیروی مغناطیسی تغییر شکل می دهند و در زمانی که بین دو سیم اتصال کوتاه رخ دهد، این مشکل شدیداً افزایش می یابد.
در صنعت از نیروی میدان مغناطیسی برای تغییر شکل فلزات استفاده می شود. این میدان قوی را می توان به کمک خازنهای بزرگ با ظرفیت بالا و در زمان کوتاهی هنگام تخلیه روی یک سیم پیچ بدست آورد.
3-1- میدان مغناطیسی سیم پیچ حامل جریان
از طریق قانون پیچ راست گرد می توان جهت خطوط نیروی اطراف تک تک سیمها را مشخص نمود و در نتیجه جهت میدان کلی یک سیم پیچ و همچنین نوع قطبهای آن را تعیین کرد. قطبهای شمال و جنوب یک سیم پیچ حامل جریان را به کمک قانون سیم پیچها نیز می توان معین نمود:
5-1- کمیتهای مغناطیسی
1-5-1- نیروی محرکه مغناطیسی
آزمایش 6-1- یک قطعه آهن را به وسیله یک نیروسنج در قسمت داخلی یک سیم پیچ که دارای 600 حلقه است آویزان کنید. سپس سیم پیچ را از طریق یک مقاومت متغیر و یک آمپرمتر به یک منبع جریان مستقیم وصل و شدت جریان را روی 2 آمپر تنظیم نمایید و مقدار نیروی ایجاد شده را از روی نیروسنج بخوانید. سپس همین آزمایش را با سیم پیچ مشابهی که دارای 1200 حلقه و جریان 1 آمپر است تکرار کنید. مشاهده می شود که در هر دو آزمایش نیروسنج مقدار ثابتی را نشان می دهد. یعنی مقدار نیرویی که در سیم پیچ با 600 حلقه و جریان 2 آمپر ایجاد می شود برابر نیرویی است که در سیم پیچ با 1200 حلقه و جریان 1 آمپر به وجود می آید.
به طور کلی نیروهایی که توسط سیم پیچهایی با ابعاد و جریان یکسان به یک قطعه آهن اثر می کند با هم برابر است زیرا حاصل ضرب شدت جریان در تعداد حلقه های سیم پیچها با هم مساوی هستند.