نقش مهم مغناطیس در الکترونیک

مغناطیس و الکتریسیته اساساً به هم مرتبط هستند. آهنرباها برای کمک به ایجاد الکتریسیته، و الکتریسیته می تواند به ایجاد نیروی الکترومغناطیسی کمک کند. آهنرباهای های دائمی و الکترومغناطیس ها در دستگاه های الکترونیکی برای اهداف مختلف استفاده می شوند.

در تاریخ، آهنرباها برای اولین بار در سال 600 قبل از میلاد، زمانی که لودستون کشف شد، ذکر شد. از آن زمان، آهنرباها کاربردهای مختلفی داشته اند. جالب ترین این کاربردها استفاده از آهنربا و تولید مغناطیس در کامپیوتر و الکترونیک است.

آهنرباها تقریباً در همه جای زندگی ما یافت می شوند. از آهن‌رباهای یخچال که به نگه داشتن تقویم‌ها، تصاویر و فهرست‌های مواد غذایی کمک می‌کنند تا آهن‌رباهای موجود در خودروها که به حفظ امنیت ما کمک می‌کنند. اما این همه چگونه کار می کند؟ مغناطیس نیرویی است که توسط آهنرباها وارد می‌شود و در اثر حرکت بار الکتریکی ایجاد می شود.

چرا از مغناطیس در قطعات الکترونیکی استفاده می کنیم؟ کامپیوترها از مغناطیس برای ذخیره اطلاعات روی هارد دیسک استفاده می کنند. آهنرباهای های دائمی و الکترومغناطیس ها به طور گسترده در دستگاه های الکترونیکی مانند ژنراتورها، بلندگوها، تلویزیون ها، اسکنرهای ام آر آی، موتورها و غیره استفاده می شوند.

در این مقاله، ما در مورد اصول مغناطیس، چیستی، علت آن و چگونگی ظاهر شدن آن به عنوان بخش مهمی از سیستم های الکترونیکی صحبت خواهیم کرد.

تاریخچه مغناطیس

کشف آهن‌ربا به قبل از میلاد مسیح بازمی‌گردد. اولین آهنرباها و همچنین تنها آهنرباهای واقعی که می توانید به طور طبیعی پیدا کنید، سنگ آهن نامیده می شوند. لودستون (lodestones) یک سنگ معدنی است که از قبل دارای میدان مغناطیسی برای جذب سایر مواد فرومغناطیسی است. کلمه آهنربا از واژه یونانی magnētis lithos یا سنگ مغناطیسی Lodestone گرفته شده است. لودستون یک قطعه مغناطیسی طبیعی از مگنتیت معدنی است. دلیل اینکه آن را لودستون می نامند، این است که از آن برای جهت یابی و ایجاد اولین قطب نماها استفاده می شده است و این نام به معنای “سنگ مسیر” یا “سنگ پیشرو” است.

آهنرباهایی که ما امروزه استفاده می کنیم بسیار قوی تر از سنگ آهن هستند و به طور طبیعی یافت نمی شوند. بنابراین، قدرت آهن‌رباها تقریباً نامحدود است، و اگرچه، ما هم اکنون از آنها برای موارد زیادی استفاده می‌کنیم، در آینده می‌توان از آن‌ها حتی بیشتر استفاده کرد.

یکی از اولین ارتباطات بین مغناطیس و الکتریسیته توسط فیزیکدان و شیمیدان دانمارکی، هانس کریستین اورستد کشف شد. او متوجه شد که یک سوزن قطب نما هنگام روشن و خاموش شدن جریان الکتریکی باتری، منحرف می شود. این آغاز رابطه بین الکتریسیته و مغناطیس بود.

بیشتر بخوانید: نکات مهم در انتخاب سروو موتور

مغناطیس چیست؟

مغناطیس به نیرویی اشاره دارد که آهنرباها هنگام جذب یا دفع یکدیگر اعمال می کنند. حرکت بارهای الکتریکی باعث این اتفاق می شود. درست مانند میدان های گرانشی، ما نمی توانیم میدان های مغناطیسی را ببینیم یا لمس کنیم. جهت مشاهده قیمت و خرید ترمز الکترومغناطیسی وارد شوید.

می توان کشش میدان گرانشی زمین را روی خود و اجسام اطرافمان احساس کرد. با این حال، ما میدان های مغناطیسی را به این شکل مستقیم تجربه نمی کنیم.

مغناطیس از نیروی الکترومغناطیسی یک بار الکتریکی متحرک ناشی می شود. یک آهنربا دارای یک میدان مغناطیسی نامرئی و دو سر آن به نام قطب است. قطب شمال به سمت میدان مغناطیسی شمالی زمین است. قطب جنوب به سمت میدان مغناطیسی جنوبی زمین است. قطب شمال آهنربا به قطب جنوب هر آهنربا دیگری جذب می شود و توسط قطب شمال آهنربای دیگر دفع می شود. برش آهنربا، دو آهنربا جدید را تشکیل می دهد که هر کدام دارای قطب شمال و جنوب هستند.

همچنین بخوانید: تفاوت میان فلومتر، ترانسمیتر جریان و سوئیچ جریان

تفاوت بین الکتریسیته و مغناطیس

تفاوت های زیادی بین الکتریسیته و مغناطیس وجود دارد. تفاوت اصلی بین آنها وجود مغناطیس است.

الکتریسیته می تواند در یک بار ساکن وجود داشته باشد، در حالی که ما می توانیم حضور مغناطیس را تنها زمانی احساس کنیم که بارهای متحرک در نتیجه الکتریسیته وجود داشته باشد. در مجموع، الکتریسیته می تواند بدون مغناطیس وجود داشته باشد، اما مغناطیس بدون الکتریسیته نمی تواند وجود داشته باشد.

همچنین بخوانید: شبکه صنعتی پروفی باس و هرآنچه که باید از آن بدانید

نحوه ایجاد و تشکیل مغناطیس

آهنربای دائمی جسمی است که از ماده ای ساخته شده است که مغناطیسی شده و یک میدان مغناطیسی پایدار ایجاد می کند. یک آهنربای الکتریکی دارای میدان مغناطیسی است که توسط جریان الکتریکی تولید می شود. این بدان معنی است که میدان مغناطیسی با قطع جریان ناپدید می شود.

یک آهنربای الکتریکی ساده متشکل از سیم پیچی از سیم پیچیده شده به دور یک ماده فرومغناطیسی، معمولا آهن، که به عنوان رایج ترین عنصر شناخته شده است، می باشد. شدت میدان مغناطیسی تولید شده متناسب با مقدار جریان عبوری از سیم پیچ است.

این دانش امکان ساخت آهنرباهای قوی را فراهم کرده است، جایی که می‌توانیم بین قدرت میدان مغناطیسی سوئیچ کنیم، به این معنی که می‌توانیم از آهنرباهای بسیار قوی استفاده کنیم بدون اینکه همیشه تأثیر زیادی داشته باشد.

ماهیت میدان های مغناطیسی

تعداد محدودی از مواد، از جمله آهن، کبالت، نیکل و گادولینیوم به خودی خود اثرات مغناطیسی قوی نشان می دهند. همه میدان های مغناطیسی ناشی از حرکت بارهای الکتریکی نسبت به یکدیگر هستند. القای مغناطیس در یک آهنربای الکتریکی با قرار دادن آن در نزدیکی سیم پیچی از سیم حامل جریان ذکر شده است، اما حتی فرومغناطیس ها تنها به دلیل جریان های کوچک تولید شده در سطح اتمی دارای مغناطیس هستند.

اگر یک آهنربای دائمی به یک ماده فرومغناطیسی نزدیک شود، اجزای اتم های منفرد آهن، کبالت یا هر ماده دیگر با خطوط تخیلی تأثیر آهنربا که از قطب شمال و جنوب آن بیرون می زند، که میدان مغناطیسی نامیده می شود، همسو می شوند. اگر ماده گرم و سرد شود، مغناطیسی شدن (magnetization) می‌تواند دائمی شود، اگرچه می‌تواند خود به خود نیز رخ دهد. این magnetization را می توان با گرمای شدید یا اختلال فیزیکی معکوس کرد.

هیچ تک قطبی مغناطیسی وجود ندارد. یعنی چیزی به نام “آهنربای نقطه ای” مانند بارهای الکتریکی نقطه ای وجود ندارد. در عوض، آهنرباها دوقطبی مغناطیسی دارند و خطوط میدان مغناطیسی آنها از قطب مغناطیسی شمال سرچشمه می گیرند و قبل از بازگشت به قطب جنوب، به سمت خارج می چرخند. به یاد داشته باشید، این “خطوط” فقط ابزارهایی هستند که برای توصیف رفتار اتم ها و ذرات استفاده می شوند!

چگونه مغناطیس کار می کند؟

به گفته HyperPhysics، میدان های مغناطیسی توسط حرکت بارهای الکتریکی ایجاد می شوند. الکترون ها همگی دارای یک خاصیت مکانیکی کوانتومی بنیادی تکانه زاویه ای هستند که به «اسپین» معروف است. در داخل اتم ها، بیشتر الکترون ها تمایل به تشکیل جفت هایی دارند که یکی از آنها به سمت بالا و دیگری به سمت پایین می چرخد، یا به عبارت دیگر لحظه لحظه ای زاویه ای آنها در جهت مخالف قرار می گیرد. در این حالت، میدان های مغناطیسی ایجاد شده توسط آن اسپین ها در جهت مخالف قرار می گیرند، بنابراین یکدیگر را خنثی می کنند. با این حال، برخی اتم ها حاوی یک یا چند الکترون جفت نشده هستند و این الکترون های جفت نشده یک میدان مغناطیسی کوچک ایجاد می کنند. با توجه به مرکز منابع تست غیر مخرب (NDT) جهت چرخش آنها جهت میدان مغناطیسی را تعیین می کند.

مشاهده قیمت و خرید قطعات مکانیکی

هنگامی که اکثریت قابل توجهی از الکترون‌های جفت‌نشده با اسپین‌های خود در یک راستا قرار می‌گیرند، با هم ترکیب می‌شوند و میدان مغناطیسی تولید می‌کنند که آنقدر قوی است که بتوان در مقیاس ماکروسکوپی مشاهده کرد.

منابع میدان مغناطیسی دو قطبی هستند، به این معنی که دارای قطب شمال و جنوب هستند. به گفته جوزف بکر از دانشگاه ایالتی سن خوزه، قطب های مخالف (N و S) جذب می شوند و قطب های مشابه (N و N یا S و S) دفع می شوند. این یک میدان حلقوی یا دوناتی شکل ایجاد می کند، زیرا جهت مزرعه از قطب شمال به بیرون منتشر می شود و از طریق قطب جنوب وارد می شود.

زمین خود یک آهنربای غول پیکر است. به گفته ناسا، این سیاره میدان مغناطیسی خود را از جریان الکتریکی در حال گردش در هسته فلزی مذاب دریافت می کند. قطب نما به سمت شمال می رود زیرا سوزن مغناطیسی کوچک موجود در آن معلق است تا بتواند آزادانه در داخل بدنه خود بچرخد تا خود را با میدان مغناطیسی زمین هماهنگ کند. به طرز متناقضی، آنچه ما آن را قطب شمال مغناطیسی می نامیم در واقع یک قطب مغناطیسی جنوب است زیرا قطب های مغناطیسی شمال سوزن های قطب نما را جذب می کند.

بیشتر بخوانید: معرفی و بررسی درایو الکتریکی

مغناطیس در سطح اتمی

همانطور که قبلاً تأکید شد، میدان های مغناطیسی توسط جریان تولید می شوند. در آهنرباهای دائمی، جریان‌های کوچکی از دو نوع حرکت الکترون‌ها در اتم‌های این آهن‌رباها تولید می‌شوند: مدار آنها در اطراف پروتون مرکزی اتم، و چرخش یا اسپین آنها.

در بیشتر مواد، گشتاورهای مغناطیسی کوچک ایجاد شده توسط حرکت تک تک الکترون‌های یک اتم، یکدیگر را خنثی می‌کنند. وقتی این کار را نمی کنند، خود اتم مانند یک آهنربای کوچک عمل می کند. در مواد فرومغناطیسی، گشتاورهای مغناطیسی نه تنها خنثی نمی‌شوند، بلکه خود را در یک جهت تراز می‌کنند و به‌گونه‌ای جابه‌جا می‌شوند که در راستای خطوط یک میدان مغناطیسی خارجی اعمال‌شده قرار بگیرند.

برخی از مواد دارای اتم هایی هستند که به گونه ای رفتار می کنند که به آنها اجازه می دهد به درجات مختلف توسط یک میدان مغناطیسی اعمال شده مغناطیسی شوند. (به یاد داشته باشید، برای وجود میدان مغناطیسی همیشه به آهنربا نیاز ندارید؛ یک جریان الکتریکی به اندازه کافی این کار را انجام می دهد.)

همچنین بخوانید: مصارف PLC در صنایع و مزایای آن

انواع مغناطیس در مواد مختلف

همه مواد دارای خاصیت مغناطیسی هستند، اما رفتار مغناطیسی به پیکربندی الکترونی اتم ها و دما بستگی دارد. پیکربندی الکترون می تواند باعث شود که گشتاورهای مغناطیسی یکدیگر را خنثی کنند (مواد مغناطیسی کمتری داشته باشند) یا تراز شوند (آن را مغناطیسی تر کنند). افزایش دما حرکت حرارتی تصادفی را افزایش می‌دهد و تراز کردن الکترون‌ها را سخت‌تر می‌کند و معمولاً قدرت آهن‌ربا را کاهش می‌دهد. مغناطیس ممکن است بر اساس علت و رفتار آن طبقه بندی شود. رفتار مغناطیسی مواد مختلف را به پنج نوع می توان تقسیم کرد:

دیامغناطیس (Diamagnetism)

اکثر مواد دارای این خاصیت هستند، که در آن گشتاورهای مغناطیسی اتم‌های قرار گرفته در یک میدان مغناطیسی خارجی، خود را در جهت مخالف میدان اعمال‌شده قرار می‌دهند. بر این اساس، میدان مغناطیسی حاصل با میدان اعمال شده مخالف است. اما این میدان «واکنشی» بسیار ضعیف است. از آنجایی که مواد با این خاصیت به معنای خاصی مغناطیسی نیستند، قدرت مغناطیس وابسته به دما نیست.

همچنین بخوانید: گیربکس صنعتی چیست؟

پارامغناطیس (Paramagnetism)

موادی مانند آلومینیوم دارای اتم های منفرد با گشتاورهای دوقطبی خالص مثبت هستند. با این حال، گشتاورهای دوقطبی اتم‌های همسایه معمولاً یکدیگر را خنثی می‌کنند و ماده را به‌عنوان یک کل مغناطیسی نمی‌کنند. هنگامی که یک میدان مغناطیسی اعمال می شود، به جای مخالفت مستقیم با میدان، دوقطبی های مغناطیسی اتم ها به طور ناقص با میدان اعمال شده همسو می شوند و در نتیجه یک ماده مغناطیسی ضعیف ایجاد می شود.

فرومغناطیس (Ferromagnetism)

موادی مانند آهن، نیکل و مگنتیت (لودستون) دارای این خاصیت قوی هستند. همانطور که قبلاً اشاره شد، گشتاورهای دوقطبی اتم های همسایه خود را حتی در غیاب میدان مغناطیسی هم تراز می کنند. فعل و انفعالات آنها می تواند منجر به یک میدان مغناطیسی با بزرگی شود که به 1000 تسلا یا T (واحد SI قدرت میدان مغناطیسی؛ نه یک نیرو، بلکه چیزی شبیه به یک) می رسد. در مقام مقایسه، میدان مغناطیسی خود زمین 100 میلیون بار ضعیف تر است!

فری مغناطیس (Ferrimagnetism)

به تفاوت یک مصوت (“ی” به جای “و”) با کلاس قبلی مواد توجه کنید. این مواد معمولاً اکسید هستند و فعل و انفعالات مغناطیسی منحصر به فرد آنها از این واقعیت ناشی می شود که اتم های این اکسیدها در ساختار بلوری “شبکه” قرار گرفته اند. رفتار مواد فریمغناطیسی بسیار شبیه به مواد فرومغناطیسی است، اما ترتیب عناصر مغناطیسی در فضا متفاوت است، که منجر به سطوح مختلف حساسیت دما و تمایزات دیگر می شود.

همچنین بخوانید: معرفی و بررسی درایو هیدرولیکی

ضد فرومغناطیس (Antiferromagnetism)

این دسته از مواد با حساسیت دمایی خاص مشخص می شوند. بالاتر از یک دمای معین که دمای نیل یا TN نامیده می شود، این ماده بسیار شبیه به یک ماده پارامغناطیس رفتار می کند. یک نمونه از این مواد هماتیت است. این مواد نیز کریستال هستند، اما همانطور که از نام آنها پیداست، شبکه ها به گونه ای سازماندهی شده اند که در صورت عدم وجود میدان مغناطیسی خارجی، برهمکنش های دوقطبی مغناطیسی کاملاً از بین می روند.

نقش مغناطیس در صنعت الکترونیک

مغناطیس نقش مهمی در مهندسی برق و الکترونیک دارد زیرا بدون آن اجزایی مانند رله، سلونوئید، سلف، چوک، سیم پیچ، بلندگو، موتور، ژنراتور، ترانسفورماتور و کنتور برق کار نمی کنند! الکترومغناطیس رابطه بین الکتریسیته و مغناطیس است و پایه و اساس موتورهای الکتریکی و همچنین ژنراتورها و ترانسفورماتورها است.

مایکل فارادی رابطه بین میدان های مغناطیسی و الکتریسیته را در دهه 1830 کشف کرد. یکی از مهم‌ترین مشارکت‌های او در این زمینه، قانون القای الکترومغناطیسی فارادی است که می‌گوید: «هر گونه تغییر در محیط مغناطیسی یک سیم‌پیچ (یک رسانا) باعث القای ولتاژ در سیم‌پیچ می‌شود. و اگر سیم پیچ بسته باشد، جریان، ادامه می یابد.

اساساً تا زمانی که حرکت نسبی بین میدان مغناطیسی و سیم پیچ وجود داشته باشد، ولتاژ القا می شود. دیوید کوهن تانوگی، نایب رئیس باشگاه انرژی MIT و یکی از همکاران جان اس. هنسی در بخش علوم و مهندسی مواد MIT می گوید: “مغناطیس یک نیرو است، اما از خود انرژی ندارد.” با این حال، “مغناطیس برای تبدیل انرژی از یک شکل به شکل دیگر بسیار مفید است. حدود 99 درصد از انرژی تولید شده از سوخت های فسیلی، انرژی هسته ای، هیدروالکتریک و باد از سیستم هایی می آید که از مغناطیس در فرآیند تبدیل استفاده می کنند.

آهنرباها تقریباً در همه چیز در جهان ما به کار می روند، از ژنراتورها و موتورها در خودروهای هیبریدی گرفته تا هارد دیسک های کامپیوتری. محققان همچنین در حال حاضر در حال بررسی پتانسیل آهنرباهای خاکی کمیاب هستند که آهنرباهای دائمی قوی هستند که از آلیاژهای عناصر خاکی کمیاب تشکیل شده اند. آنها نشان دهنده نسل بعدی در نقش مغناطیس در تولید انرژی هستند.

همچنین بخوانید: مونتاژ تابلو برق

کاربرد مغناطیس در صنایع

مواد مغناطیسی کاربردهای زیادی در زندگی روزمره ما پیدا می کنند، از تولید برق گرفته تا استفاده از برق. اینها شامل موتورهای الکتریکی، ترانسفورماتورها و ژنراتورها هستند. آنها همچنین نقش کلیدی در شارژ و ذخیره تجهیزات در جنبه های مختلف فناوری ذخیره سازی داده ها از جمله دیسک های سخت و کاست های صوتی دارند. آنها همچنین در تلفن، پخش کننده سی دی، تلویزیون، بلندگوها و ضبط کننده های ویدئویی به کار می روند.

از نظر طبقه بندی استاندارد مواد مغناطیسی، مواد فرومغناطیسی بیشتر در آهنرباهای دائمی و کاربردهای ذخیره سازی داده ها استفاده می شوند. مواد فری مغناطیسی در اجرای سلف ها، ترانسفورماتورها و اجزای مغناطیسی مرتبط به کار می روند.

مواد سوپرپارامغناطیس در ایجاد نوار ضبط برای کاربردهای مختلف صوتی و تصویری استفاده می شود. چند نمونه از کاربرد قطعات با مواد مغناطیسی در شکل زیر نشان داده شده است

سوالات متداول

1. آهنربا چیست؟

آهنربا جسمی است که اتم های آن به گونه ای مرتب شده اند که جسم دارای ویژگی های مغناطیس باشد. آهنربا سایر قطعات آهن را جذب می کند یا خود را در یک میدان مغناطیسی بیرونی جهت می دهد.

2. الکترومغناطیس چیست؟

الکترومغناطیس از سیم پیچی تشکیل شده است که دور هسته فلزی ساخته شده از آهن پیچیده شده است. هنگامی که این ماده در معرض جریان الکتریکی قرار می گیرد، یک میدان مغناطیسی ایجاد می شود که باعث می شود ماده مانند یک آهنربا رفتار کند. قدرت میدان مغناطیسی را می توان با کنترل جریان الکتریکی کنترل کرد.

3. خطوط میدان مغناطیسی چیست؟

خط میدان مغناطیسی یا خطوط نیرو، قدرت آهنربا و جهت نیروی آهنربا را نشان می دهد. مایکل فارادی برای تجسم میدان مغناطیسی کشف کرد.

4. چند نوع آهنربا وجود دارد؟

اساساً سه نوع آهنربا وجود دارد: مغناطیسی دائمی، آهنربای موقت و آهنربای الکتریکی (الکترومغناطیسی)

5. چه کسی الکترومغناطیس را کشف کرد؟

هانس کریستین اورستد الکترومغناطیس را کشف کرد

6. چرا میدان مغناطیسی زمین مهم است؟

بدون میدان مغناطیسی زمین، زندگی در این سیاره در نهایت از بین می رود. این به این دلیل است که ما در معرض مقادیر بالایی از تابش خورشید قرار می گیریم و جو ما به فضا نشت می کند.

7. آیا انسان ها الکترومغناطیسی هستند؟

انسان ها می توانند میدان های الکترومغناطیسی خود را تولید کنند. این را می توان به دلیل وجود جریان های الکتریکی کوچکی که از بدن عبور می کند (تولید شده در اثر واکنش های شیمیایی) توضیح داد. در واقع، شما می‌توانید با یک میدان مغناطیسی نزدیک، جریان‌های گردشی را در بدن خود القا کنید.

8. آیا آهنربا برای بدن مضر است؟

مضر بودن آهنرباها برای بدن انسان به قدرت آنها بستگی دارد. دانشمندان موافق هستند که آهنرباهای زیر 3000 گاوس بی ضرر هستند اما هر چیزی بالاتر از آن می تواند به طور بالقوه خطرناک باشد.

9. آیا آهنربا می تواند به مک بوک آسیب برساند؟

آهنربا می تواند به مک بوک آسیب برساند. این به این دلیل است که داده های روی هارد دیسک رایانه شما به دلیل مغناطیسی شدن آهنربای مجاور پاک می شوند. اگر این اتفاق بیفتد، اطلاعات شما ممکن است خراب شود و نیاز به بازیابی از یک نسخه پشتیبان داشته باشد.

10. 

اندوکتانس مغناطیسی به عنوان خاصیتی تعریف می شود که به هر ماده ای (مانند آهن) اجازه می دهد تا زمانی که در نزدیکی آهنربای دیگری قرار می گیرد به طور موقت خواص مغناطیسی به دست آورد. این پدیده اولین بار توسط مایکل فارادی در سال 1831 مشاهده شد.