اساس حرکت موتورهای الکتریکی چیست؟ چرا اجسام آهنی به سمت آهنربا حرکت می‌کنند؟ چرا قطب نما جهت شمال مغناطیسی را نشان می‌دهد؟ با ویکی ردرونیک همراه باشید تا در پایان این دانشنامه به این سوالات پاسخ دهیم.
مفاهیم پیش‌نیاز
پیش از شروع به توضیح در مورد نیروی جاذبه‌ی الکترومغناطیسی لازم است برخی مفاهیم پیش‌نیاز فرا گرفته شوند. این مفاهیم شامل مقدماتی در مورد تئوری الکترومغناطیس است. اما با نتیجه‌ی نهایی حاصل از آن می‌توان علت وجود نیروی جاذبه بین اجسام فرومغناطیس در حضور میدان مغناطیسی (نه الکترومغناطیسی) را نیز توجیه کرد.
قانون دست راست
در مبحث الکترومغناطیس دو قانون دست راست وجود دارد. قانون اول جهت شار مغناطیسی در اثر عبور جریان از یک سیم صاف را تعیین می‌کند. به این صورت که اگر انگشت شست دست راست هم جهت با جریان عبوری قرار داده شود، جهت بسته شدن سایر انگشتان، هم جهت با شار مغناطیسی خواهد بود.
قانون دوم جهت شار مغناطیسی در اثر عبور جریان از یک سیم پیچ را تعیین می‌کند. به این صورت که اگر جهت جمع شدن انگشتان دست راست هم جهت با جهت جریان عبوری باشد، شار مغناطیسی تولید شده هم جهت با انگشت شست خواهد بود.
پتانسیل مغناطیسی (Magneto-Motive Force – mmf)
تولید شار مغناطیسی در یک هسته نیازمند محرکی تحت عنوان پتانسیل مغناطیسی است که توسط جریان عبوری از هسته‌ی سیم پیچ ایجاد می‌شود. پتانسیل مغناطیسی طبق رابطه‌ی زیر محاسبه می‌شود:
mmf= N.i
واحد mmf در SI آمپر است و بصورت غیر رسمی واحد آمپر در دور (Amp.turn) برای آن در نظر گرفته می‌شود.
قانون هاپکینسون (Hopkinson’s Law)
این قانون که تحت عنوان قانون اُهم مغناطیسی نیز شناخته می‌شود، رابطه‌ی پتانسیل مغناطیسی و شار مغناطیسی را به شکل زیر بیان می‌کند.
mmf=R. \phi
در این رابطه پارامتر R بیانگر مقاومت مغناطیسی یا رلوکانس است. رلوکتانس یک ماده را می‌توان از رابطه‌ی زیر محاسبه کرد که در آن L طول مسیری‌ست که شار از آن عبور می‌کند. A سطح مقطع مسیر عبور شار است و u رسانایی مخصوص مغناطیسی‌ست که بیانگر توانایی نفوذ میدان مغناطیسی در ماده است.
R=\frac{L}{\mu.A}
انرژی ذخیره شده و نیروی جاذبه‌ی الکترومغناطیسی در شکاف هوا
با انتگرال‌گیری از توان (حاصلضرب پتانسیل الکتریکی در جریان) درحوزه‌ی زمان می‌توان انرژی ذخیره شده در میدان مغناطیسی را محاسبه کرد. به دلیل عدم فاصله گرفتن از هدف این نوشتار از بیان روابط در این بخش صرف نظر می‌شود. اما خواننده می‌تواند با در نظر گرفتن قانون فارادی (برای بازنویسی پتانسیل الکتریکی با پارامترهای مغناطیسی) و استفاده از روابط پتاسیل مغناطیسی و قانون هاپکینسون، رابطه‌ی زیر برای محاسبه‌ی انرژی ذخیره شده در یک شکاف هوا در مسیر عبور شار مغناطیسی را استخراج کند.
F=\frac{1}{2} \mu _{0} A N^{2} \frac{ i^{2} }{ \delta ^{2} }
منظور از شکاف هوا (Air Gap) فاصله‌ایست که در طول مسیر عبور شار مغناطیس وجود دارد و هیچ ماده‌ای جز هوا در آن وجود ندارد.
نیروی جاذب در شکاف هوا را می‌توان با استفاده از تکنیک کار مجازی بر اساس انرژی ذخیره شده به صورت زیر استخراج کرد. این نیرو همان نیروییست که در موتورهای مختلف باعث چرخش روتور می‌شود. در واقع اجسام فرومغناطیسی تمایل دارند با حرکت کردن به سمتی که شکاف هوا به حداقل برسد، مقاومت مغناطیسی (رلوکتانس) ایجاد شده در اثر این شکاف را به حداقل برسانند و شار مغناطیسی بیشتری را از خود عبور دهند. (پارامتر L در رابطه‌ی رلوکتانس کاهش یابد تا طبق رابطه‌ی هاپکینسون شار بیشتری به ازای mmf ثابت عبور کند)
این نیرو همان نیروییست که باعث می‌شود عقربه‌ی قطب‌نما خود را در جهت خطوط مغناطیسی زمین (از جنوب به شمال) قرار دهد تا شار بیشتری از عقربه عبور کند. یا همان نیرویی که باعث می‌شود پس از فعال شدن یک فاز در استاتور موتورهای استپر، روتور که از جنس فرومغناطیس است به گونه‌ای چرخش کند که بیشترین شار مغناطیسی از آن عبور کند.
Pingback:سلونوئید چیست؟ - Redronic