یک آهنربای الکتریکی ساده می‌تواند با پیچیدن حلقه‌های سیم دور یک هسته آهنی نرم، مثل یک میخ بزرگ ایجاد شود.
می‌دانیم که یک رسانا حامل جریان مستقیم در امتداد طول خود میدان مغناطیسی دواری را در تمامی نقاط اطرافش تولید می‌کند و جهت چرخش این میدان مغناطیسی به جهت شارش جریان درون رسانا بستگی دارد و با قانون دست چپ مشخص میشود.
در مقاله قبلی در مورد الکترومغناطیس مشاهده کردیم که اگر رسانا را به‌صورت یک تک حلقه خم کنیم، جریان در جهت‌های مخالف درون حلقه ایجاد خواهدشد و یک میدان ساعتگرد و یک میدان پادساعتگرد را در کنار یکدیگر تولید می‌کند. آهنربای الکتریکی با داشتن چندین حلقه مجزا از لحاظ مغناطیسی که در مجاورت یکدیگر قرار گرفته‌اند از این اصل برای تولید یک سیم‌پیچ واحد استفاده می‌کند.
آهنرباهای الکتریکی حلقه‌هایی از یک سیم هستند که وقتی یک جریان از درون سیم‌پیچ عبور می‌کند مثل آهنرباهای میله‌ای با یک قطب شمال و جنوب مجزا رفتار می‌کنند. میدان مغناطیسی ایستای ایجادشده در هرنقطه برآیند میدان مغناطیسی در تمامی قسمت‌های سیم‌پیچ است که همانند تک حلقه در مرکز سیم‌پیچ متمرکز میشود. میدان مغناطیسی حاصل با یک قطب شمال در یک انتها و یک قطب جنوب در انتهای دیگر یکنواخت است و در مرکز سیم‌پیچ بسیار قوی‌تر از فضای بیرونی است
میدان مغناطیسی ایجادشده همانند آهنربای میله‌ای با قطب شمال و جنوب مجزا گسترده میشود و شار مغناطیسی متناسب با مقدار جریان درون سیم‌پیچ است. اگر تعداد دورهای سیم پیچ افزایش یابد، بدون تغییر جریان قدرت میدان مغناطیسی افزایش خواهد یافت.
بنابراین می‌توان مشاهده کرد که مقدار شار موجود در هر مدارمغناطیسی به‌طور مستقیم متناسب با شارش جریان درون آن و تعداد دورهای سیم‌پیچ است. این ارتباط نیروی محرک مغناطیسی (Magneto Motive Force ) یا m.m.f نامیده میشود و به‌صورت زیر تعریف میشود:
N×I = (Magneto Motive Force) m.m.f آمپر-دور
نیروی محرک مغناطیسی به‌صورت جریان I تعریف میشود که درون یک سیم پیچ با N دور جاری می شود. بنابراین قدرت میدان مغناطیسی یک آهنربای الکتریکی با آمپر دورهای سیم‌پیچ تعیین میشود. با تعداد دورهای بیش‌تر سیم‌پیچ قدرت میدان مغناطیسی بیش‌تر خواهدشد.
قدرت مغناطیسی آهنربای الکتریکی
برای دو رسانای حامل جریان مجارو، میدان‌های مغناطیسی براساس جهت جریان تعیین می‌شوند. برهم‌کنش این دو میدان به‌گونه‌ای است که یک نیروی مکانیکی به هر دو رسانا وارد میشود.
زمانی‌که جریان در جهت مشابه شارش می‌یابد (در یک سمت سیم‌پیچ) همانطورکه در بالا نشان داده شده است، میدان بین دو رسانا ضعیف است و یک نیروی جذب بین دو رسانا ایجاد می شود. به‌طور مشابه، وقتی جریان دو رسانا در جهت های مخالف است، میدان میان آنها تقویت‌شده و رسانا‌ها دفع می‌شوند.
شدت میدان در یک نقطه اطراف رسانا متناسب با فاصله آن از رسانا است. میدان در نقطه کنار رسانا قوی‌ترین است و با دور شدن از رسانا میدان به تدریج ضعیف‌تر میشود. در مورد یک رسانای مستقیم مجزا، شارش جریان و فاصله از رسانا شاخص‌هایی هستند که شدت میدان را کنترل می‌کنند.
بنابراین فرمول محاسبه «قدرت میدان مغناطیسی»،H که گاهی «نیروی مغناطیسی» یک حامل جریان مستقیم طویل نامیده میشود از شارش جریان درون آن و فاصله از آن به‌دست می‌آید.
قدرت میدان مغناطیسی آهنرباهای الکتریکی
که در آن:
- H- قدرت میدان مغناطیسی برحسب آمپر-دور/متر (At/m)
- N- تعداد دورهای سیم‌پیچ
- I- جریان درون سیم‌پیچ برحسب آمپر-A
- L- طول سیم‌پیچ برحسب متر.
به‌طورخلاصه، قدرت یا شدت میدان مغناطیسی سیم‌پیچ به عوامل زیر بستگی دارد.
- تعداد دورهای سیم درون سیم‌پیچ
- مقدار شارش جریان دور سیم‌پیچ
- جنس هسته.
قدرت میدان مغناطیسی آهنربای الکتریکی همچنین به جنس هسته بستگی دارد. هدف اصلی هسته، متمرکز کردن شار مغناطیسی در یک مسیر خوب مشخص‌شده و قابل پیش‌بینی است. تاکنون تنها سیم پیچ‌ها با هسته هوا (توخالی) بررسی شده‌اند اما ارائه موادی دیگر به‌عنوان هسته (مرکز سیم پیچ) تاثیر بسیاری بر کنترل‌کنندگی قدرت میدان مغناطیسی دارد.
اگر ماده غیرمغناطیسی باشد مثل چوپ، برای اهداف محاسباتی به‌عنوان فضای خالی درنظرگرفته میشود زیرا آنها مقادیر نفوذپذیری بسیار پایینی دارند. بااین‌حال اگر، ماده هسته از مواد فرومغناطیس مثل آهن، نیکل، کبالت یا هر ترکیبی از آلیاژهای آنها ساخته شود، تفاوت قابل توجهی در چگالی شار اطراف هسته مشاهده خواهدشد.
مواد فرومغناطیس موادی هستند که می‌توانند مغناطیسی شده و معمولا از آهن نرم، استیل یا آلیاژهای مختلف نیکل ساخته می‌شوند. افزودن این نوع ماده به یک مدار مغناطیسی شار مغناطیسی را متمرکزتر و چگال‌تر می‌سازد و میدان مغناطیسی ایجادشده توسط جریان سیم‌پیچ را تقویت می‌کند.
ما می‌توانیم این موضوع را با پیچیدن یک سیم‌پیچ حول یک میخ آهنی نرم بزرگ و اتصال آن به باتری همان‌طور که در شکل نشان داده شده است، ثابت کنیم. این آزمایش کلاسی ساده به ما اجازه می‌دهد تا مقدار زیادی گیره یا سنجاق را برداریم و می‌توانیم با افزودن دورهای بیش‌تر به سیم‌پیچ آهنربای الکتریکی قوی‌تر بسازیم. این درجه از شدت میدان مغناطیسی با هسته هوای توخالی یا با افزودن مواد فرومغناطیس به هسته نفوذپذیری مغناطیسی نامیده میشود.
نفوذپذیری آهنرباهای الکتریکی
اگر هسته‌ها از مواد مختلف با ابعاد فیزیکی مشابه در آهنربای الکتریکی بکاربرده‌شوند، قدرت آهنربا با توجه به جنس هسته تغییر خواهد کرد. این تغییر در قدرت مغناطیسی به دلیل تعداد خطوط شار گذرنده از هسته مرکزی است. اگر ماده مغناطیسی از نفوذپذیری بالایی برخوردار باشد، خطوط شار می‌توانند به آسانی ایجاد شوند و از مرکز هسته عبور کنند. نفوذپذیری (μ) میزان سهولت مغناطیسی شدن هسته را نشان می‌دهد.
ثابت عددی داده شده برای نفوذپذیری خلا به‌صورت زیر بیان میشود: μo = 4.π.10-7 H/m نفوذپذیری نسبی فضای خالی (خلا) معمولا 1 است. این مقدار به‌عنوان یک مرجع در تمامی محاسبات مربوط به نفوذپذیری بکاربرده میشود و تمامی مواد مقدار نفوذپذیری خاص خود را دارند.
یک مشکل استفاده از نفوذپذیری هسته‌های مختلف آهن، استیل یا آلیاژ این است که محاسبات بسیار طویل می‌شوند بنابراین بهتر است برای هر ماده نفوذپذیری نسبی را تعریف کنیم.
نفوذپذیری نسبی، با نماد μr با استفاده از μ (نفوذپذیری مطلق) و μo نفوذپذیری فضای خالی بدست می‌آید که به‌صورت زیر بیان میشود.
نفوذپذیری نسبی
موادی که ضریب نفوذپذیری کم‌تر از نفوذپذیری خلا، حساسیت منفی و ضعیف نسبت به میدان‌های مغناطیسی دارند، پادمغناطیسی نامیده می‌شوند مثل آب، مس، نقره و طلا در طبیعت. موادی که نفوذپذیری بزرگ‌تر از نفوذپذیری خلا دارند و کمی توسط یک میدان مغناطیسی جذب می‌شوند پارامغناطیس نامیده می‌شوند مثل گازها، منیزیم، و تانتالیوم در طبیعت.
مثالی از آهنربای الکتریکی
نفوذپذیری مطلق یک آهن نرم 80 میلی هانری/ متر است. مقدار نفوذپذیری نسبی معادل را محاسبه کنید.
هنگامی‌که مواد فرومغناطیس در هسته بکاربرده می‌شوند، کاربرد نفوذپذیری نسبی ایده بهتری برای تعیین قدرت میدان مغناطیسی مواد مختلف مورد استفاده است. برای مثال، نفوذپذیری نسبی خلا یا هوا 1 است و برای هسته آهنی درحدود 500 است، بنابراین می‌توانیم بگوییم که قدرت میدان مغناطیسی یک هسته آهنی 500 برابر قوی‌تر از قدرت میدان مغناطیسی سیم پیچ هوا یا توخالی معادل است.
در حالی‌که، نفوذپذیری هوا 1 است، برخی مواد مانند فریت (هیدرواکسید آهن) و پرمالوی (آلیاژی از آهن و نیکل) می‌توانند نفوذپذیری 10000 یا بیش‌تر داشته باشند. با این‌حال، محدودیت‌هایی برای مقدار قدرت میدان مغناطیسی حاصل از یک سیم‌پیچ مجزا وجود دارد. زیرا وقتی شار مغناطیسی افزایش می‌یابد هسته به‌شدت اشباع میشود. این موضوع در مقاله بعدی در مورد منحنی‌های B-H و هیسترزیس بررسی خواهدشد.
