آهنربای الکتریکی

آهنربای الکتریکی نوعی آهنربا است که در آن میدان مغناطیسی توسط جریان الکتریکی تولید می‌شود. زمانی که جریان قطع شود، میدان مغناطیسی ناپدید می‌شود. آهنرباهای الکتریکی موارد استفاده گسترده‌ای به عنوان اجزای دیگر وسایل الکتریکی دارند. مانند موتورها، مولدها، رله‌ها، بلندگوها، دیسک‌های سخت، دستگاه‌های ام آر آی، ابزارهای علمی و دستگاه‌های جداسازی مغناطیسی و همچنین به عنوان آهنرباهای صنعتی در جرثقیل‌ها برای بلند کردن و جابه‌جا کردن قطعه‌های سنگین آهن مورد استفاده قرار می‌گیرد.
جریان الکتریکی جاری در یک سیم، میدانی مغناطیسی اطراف سیم ایجاد می‌کند. (شکل را ببینید).
برای متمرکز کردن میدان مغناطیسی درون آهنربای الکتریکی، سیم به صورت سیم پیچ (چند دور سیم که در کنار هم قرار گرفته‌اند) درآورده شده‌است. میدان مغناطیسی هر دور سیم از مرکز هسته می‌گذرد و میدان مغناطیسی قوی ایجاد می‌کند. سیم پیچ به شکل لوله را سیم لوله می‌نامند (solenoid). سیم لوله‌ای که به شکل یک چنبره درآمده‌است، یعنی دو انتهای آن به هم متصل شده‌اند را سیم پیچ حلقوی (toroid) می‌نامند. اگر هسته‌ای فرو مغناطیس مانند آهن نرم استفاده شود، میدان‌های مغناطیسی بسیار قوی تری ایجاد می‌شود. هسته فرو مغناطیس میدان ناشی از سیم پیچ را تا هزاران برابر تقویت می‌کند؛ که این ناشی از ضریب گذر دهی مغناطیسی بسیار بالای مواد فرو مغناطیس است. این آهن‌ربا را آهن‌ربای فرو مغناطیسی می‌نامند.
جهت میدان مغناطیسی گذرنده از میان یک سیم پیچ را می‌توان توسط قانون دست راست تعیین کرد. اگر انگشتان دست راست را به دور سیم پیچ و در جهت جریان (جریان قراردادی) خم کنید، انگشت شست جهت جریان در مرکز سیم پیچ را نشان می‌دهد. سمتی که خطوط میدان مغناطیسی از آن خارج می‌شود قطب N آهن‌ربا تعریف می‌شود.
برتری اصلی یک آهن‌ربای الکتریکی بر یک آهنربای دائمی این است که میدان مغناطیسی می‌تواند با کنترل مقدار جریان الکتریکی، به مقدار زیادی تغییر داده شود. هرچند، برای حفظ میدان مغناطیسی، جریان الکتریکی دایمی مورد نیاز است.

هسته آهنی چگونه کار می‌کند

هسته آهنربا (معمولاً آهن) از فازهای کوچکی به نام حوضه مغناطیسی تشکیل شده‌است که مانند آهنرباهای کوچکی عمل می‌کنند. قبل از ایجاد جریان در آهنربای الکتریکی، حوضه‌های مغناطیسی در جهات تصادفی قرار دارند، بنابراین میدان‌های مغناطیسی کوچک یکدیگر را خنثی می‌کنند و هسته آهنی در کل میدان مغناطیسی قابل توجهی ندارد. زمانی که جریان الکتریکی در سیمی که دور هسته پیچیده‌است، برقرار می‌شود، میدان مغناطیسی اش به آهن نفوذ می‌کند و حوضه‌های مغناطیسی را می‌چرخاند و با خود هم راستا می‌کند؛ بنابراین میدان‌های مغناطیسی کوچک حوضه‌ها به میدان مغناطیسی سیم اضافه می‌شوند و میدان مغناطیسی قوی به وجود می‌آورند که از هسته به سمت فضای اطراف آن خارج می‌شود. هرچه جریان الکتریکی که از سیم عبور می‌کند زیادتر باشد، حوضه‌های مغناطیسی بیشتری با میدان مغناطیسی آن هم راستا می‌شوند و در نتیجه میدان مغناطیسی قوی تری به وجود می‌آید. در نهایت تمام حوضه‌های مغناطیسی با میدان سیم همراستا می‌شوند و افزایش جریان تنها باعث افزایش جزیی در میدان مغناطیسی می‌شود این حالت را اشباع مغناطیسی می‌نامند.
زمانی که جریان در سیم پیچ قطع می‌شود، اکثر حوضه‌های مغناطیسی نظم خود را از دست می‌دهند و به جهتی تصادفی می‌چرخند و میدان از بین می‌رود. هرچند، مقداری از نظم به خاطر اینکه حوضه‌ها بر ای چرخاندن میدان مغناطیسی خود با مخالفت رو به رو می‌شوند، باقی می‌ماند و هسته را دار ای خاصیت آهن‌ربایی دایمی ضعیفی باقی می‌گذارد. به این پدیده پسماند مغناطیسی می‌گویند.

تاریخچه

دانشمند دانمارکی هانس کریستین اورستد در سال ۱۸۲۰ میلادی کشف کرد که جریان الکتریکی، میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند. در سال ۱۸۲۴ دانشمند انگلیسی به نام ویلیام استورجن آهنربای الکتریکی را اختراع کرد. اولین آهنربای الکتریکی او قطعه آهنی به شکل نعل اسب بود که ۱۸ دور سیم مسی لخت دور آن پیچیده شده بود (در آن زمان سیم روکش دار موجود نبوده‌است). آهن با لاک از سیم پیچ عایق شده بود. زمانی که جریانی از سیم پیچ گذر می‌کرد، آهن خاصیت آهنربایی پیدا می‌کرد و دیگر قطعات آهن را می‌ربایید. زمانی که جریان قطع می‌شد این خاصیت را از دست می‌داد. استورجن قدرت این پدیده را این‌طور نمایان ساخت که با گذر جریان ناشی از یک باتری تک سلولی، آهن به وزن ۷ اونس (تقریباً۲۰۰ گرم)، می‌توانست ۹ پوند (تقریباً ۴ کیلوگرم) را بلند کند.
آهنرباهای ستورجن ضعیف بودند به خاطر اینکه او از سیم بدون روکش استفاده می‌کرد بنابراین تعداد دورهای سیم تنها به یک لایه محدود می‌شد. در ابتدای سال ۱۸۲۷ دانشمند آمریکایی جوزف هنری آهن‌ربای الکتریکی را بهبود بخشید و معروف کرد. با عایق کردن سیم با لایه‌ای از ابریشم او قادر بود سیم را چندین لایه دور هسته بپیچد و آهنرباهایی قوی با هزاران دور سیم پیچ ایجاد کند. مخصوصاً آهنربایی را که می‌توانست ۲۰۶۳ پوند (۹۳۶ کیلوگرم) را بلند کند. اولین استفاده گسترده آهنرباهای الکتریکی برای تولید صدا در تلگراف بود.
نظریه حوضه‌های مغناطیسی و طرز کار هسته‌های فرو مغناطیس اولین بار توسط دانشمند فرانسوی پیر-ارنست ویس در سال ۱۹۰۶ پیشنهاد شد؛ و نظریه دقیق مکانیک کوانتومی مدرن فرو مغناطیس در سال ۱۹۲۰ توسط هایزنبرگ، لانداو، بلوخ و دیگران تدوین شد.

آنالیز آهنرباهای الکتریکی فرومغناطیس

میدان مغناطیسی آهنرباهای الکتریکی در کل با قانون آمپر به دست می‌آید؛ که می‌گوید انتگرال میدان مغناطیسی H اطراف هر سطح بسته‌ای برابر است با جمع جریان جاری در سیم پیچ. معادله دیگری نیز استفاده می‌شود که میدان مغناطیسی را بر اساس هر جز از جریان به دست می‌دهد و قانون بیوساوار نام دارد. محاسبه میدان مغناطیسی و نیروی ناشی از ماده فرومغناطیس به دو دلیل مشکل است. اول، به این خاطر که شدت میدان در هر نقطه به صورت پیچیده‌ای متفاوت است، مخصوصاً خارج هسته و در شکاف‌های هوایی، که باید میدان‌های حاشیه‌ای و نشتی مغناطیسی در نظر گرفته شوند. دوم، میدان مغناطیسی B و نیرو توابعی غیرخطی از جریان و متناسب با رابطه غیر خطی B و H برای ماده مورد استفاده در هسته هستند. برای محاسبه دقیق، نرم‌افزارهایی استفاده می‌شوند که می‌توانند مدلی از میدان مغناطیسی بر اساس روش اجزاء محدود تولید کنند.