مقدمه
آهنربای دائم به اختصار PM1 خوانده می‌شود و قطعه‌ای از فولاد سخت و یا دیگر مواد مغناطیسی که تحت اثر میدانهای شدید ، مغناطیس شده و این اثر را برای مدت طولانی در خود حفظ می‌کنند. اثر آهنربایی اولین بار ، روی قطعه‌هایی از سنگ معدن آهن ، به نام آهنربای طبیعی یا معدنی در طبیعت مشاهده شد و دیدند که قطعات آهن را به خود جذب می‌کند.
بعدا دریافتند که چنانچه قطعه درازی از این سنگ آهن مغناطیسی معدن را ، بطور معلق در هوا نگهدارند این قطعه دراز خود را در امتدادی قرار می‌دهد که یک انتهایش به طرف قطب شمال زمین قرار دارد و این انتهای میله آهن مغناطیس دار را قطب شمال و سر دیگر آن را قطب جنوب نامیدند. چنین قطعه سنگ معدن آهن ، آهنربای میله‌ای نامیده شد.
نظریه اول آهنربایی
هر آهنربا از تعدادی ذره آهنربایی تشکیل شده است. وقتی یک قطعه آهن ، آهنربا نیست، ذرات آهنربایی بطور پراکنده و دلخواه داخل آن قرار دارند و وقتی ذرات داخل آهن در امتدادی منظم قرار گیرند، اثرات مغناطیسی آنها باهم جمع شده و آن آهن ، آهنربا می‌شود.
نظریه دوم آهنربایی
خاصیت آهنربایی به الکترونها وابسته است. الکترون دارای یک نیروی دوار در اطراف خود میباشد و وقتی مدارهای الکترونها در امتداد میله آهن طوری قرار گیرند که دایره‌های نیرو با یکدیگر جمع شوند، میله آهنی ، آهنربا می‌شود. در طبیعت از نقطه نظر تغییرات چگالی فلوی مغناطیسی (B) بر حسب جریان (I) می‌توان مواد را به دو دسته تقسیم نمود:
1. مواد غیر مغناطیسی: از این مواد می‌توان پلاستیک و میکا و عایقهای جریان الکتریکی را نام برد. در این مواد ، نفوذ پذیری مغناطیسی عددی ثابت است و مقدار آن را µ˚= 4π×10-7 فرض می‌کنیم.
2. مواد مغناطیسی: مواد مغناطیسی که به مواد فرومغناطیسی نیز معروفند جزء گروه آهن به شمار می‌روند. در این مواد با جریان مفروض I چگالی شار (B) افزونتری نسبت به فضای آزاد شکل می‌گیرد و منحنی B-I این مواد غیر خطی است. مواد مغناطیسی خود به دو گروه تقسیم بندی می‌شوند:
• مواد فرومغناطیسی نرم: که آنها خطی کردن تغییرات B بر حسب I (منحنی B-I) امکان پذیر است، از تقریب خوبی برخوردار میباشد و در این مواد ، B بخاطر I حاصل می‌شود.
• مواد فرومغناطیسی سخت: که از اینگونه مواد برای ساخت مغناطیس دائم استفاده می‌شود. در این مواد B بخاطر دو عامل جریان (I) و خاصیت مغناطیس شوندگی ماده (M) بروزمی کند. این مواد در اثر میدانهای شدید ، مغناطیس شده و این اثر را تا مدت طولانی خود حفظ می‌کنند.
مواد مغناطیسی برای مقاصد خاص نیز ساخته می‌شوند، بطوری که طی سی سال گذشته چند ماده مغناطیسی جدید ساخته شده که مشخصات لازم برای ایجاد یک آهنربای دائم خوب را دارا هستند. آهنربای دائم خوب ، از ماده‌ای است که تا حد امکان شار باقیمانده (یا چگالی شار باقیمانده) بزرگی داشته باشند. عمده این مواد فریتها (مواد مغناطیسی سرامیکی) و مواد مغناطیسی خاک کمیاب هستند.
انواع آهنربای دائم
سه نوع آهنربای دائم که دارای کاربرد فراوان هستند به شرح زیرند:
آهنربای آلنیکو
آلنیکو از ابتدای نام سه عنصر آلومینیوم ، نیکل و کبالت گرفته شده است. این آلیاژ که عمدتا از فلزات آهن و آلومینیوم و نیکل و کبالت ساخته می‌شود، قابلیت پذیرش نیروی مغناطیسی بالایی و به منظور ساختن آهنربای دائم بلندگوها و لامپهایی با حوزه مغناطیسی و در سروموتورهای DC2 پیشرفته استفاده می‌شود.
معمولا در آخر اسم "آلنیکو" حرفی اضافه می‌گردد که مشخص کننده قدرت آهنربا است. فرضا "آلنیکوv" قویترین آهنربای دائم نسبت به "آلنیکوها" است و معمولا آهنربای "آلنیکو" را به صورت طولی مغناطیس می‌کنند و سپس مورد استفاده قرار می‌دهند. منظور از مغناطیس کردن طولی این است که دو قطب S و N در طول جسم قرار می‌گیرند.
آهنربای فریت
این آهنربا را آهنربای سرامیک نیز می‌نامند. این آهنربای دائم از ترکیب مواد ذوب شده نوعی چینی و پودر ماده مغناطیسی ساخته می‌شود. این آهنربا چون پودر پس ماند مغناطیسی و نیروی خنثی کننده زیادی دارد، آن را به صورت عرضی مغناطیسی می‌کنند. منظور از مغناطیس کردن عرضی ، قرار گرفتن دو قطب S و N در عرض جسم است و چون چگالی شار (B) این آهنربای دائم کم است برای جبران چگالی شار زیاد، آن را دراز می سازند.
چون هزینه ساخت این آهنربا کم بوده و مواد اولیه آن به ارزانی قابل تهیه است، بطور گسترده مورد استفاده قرار می‌گیرد. نامگذاری آهنربای فریت با توجه به نوع عنصری که در ساخت آهنربا از آن استفاده شده است صورت می‌گیرد. مثل فریت استرونیتام و یا فریت باریم.
آهنربای سارماریوم - کبالت
عنصر اصلی این آهنربای دائم عنصر ساماریوم با علامت اختصاری Sm و عدد اتمی 62 است. چون این آهنربای کمیاب (به دلیل عنصر تشکیل دهنده کمیاب ساماریوم) دارای پس ماند مغناطیسی و خنثی کننده خیلی زیادی است، به همین دلیل می‌تواند شدتی به مراتب بزرگتر از آهنربای دائم معمولی داشته باشد. به عنوان مثال در یک طول و مساحت برابر ، چگالی شار (B) این آهنربا دو برابر آهنربای سرامیک است.
هزینه تولید این آهنربا قابل ملاحظه است و به همین دلیل آن را کم قطر می‌سازند. چون شدت مغناطیسی این آهنربا بالا است، لذا از چنین آهنربایی که در ابعاد کوچک و وزن کمتر شدت مغناطیسی خوبی دارد در ساعتهای الکترونیکی و لامپهای ماگنترون و تجهیزات نظامی و سروموتورها هواپیما استفاده می‌کنند. به این ترتیب روز به روز دامنه کاربرد این آهنربا رو به افزایش است.
دید کلی
آهنربای دائمی با کیفیت بالا کاربردهای بسیار زیاد و مهمی در علم و انقلاب تکنولوژیک ، مثلا در اسبابهای اندازه گیری الکتریکی دارند. ولی میدانهایی که توسط آنها ایجاد می‌شود خیلی قوی نیست، اگر چه آلیاژهای مخصوصی که اخیرا بدست آمده‌اند داشتن آهنربای دائمی قوی که خواص مغناطیسی خود را برای مدت مدیدی حفظ کنند امکان پذیر ساخته است. از جمله این آلیاژها ، مثلا فولاد-کبالت است که شامل حدود 50% آهن ، 30% کبالت و مخلوطهایی از تنگستن ، کروم و کربن است.
عیب دیگر آهنربای دائمی این است که القای مغناطیسی آنها نمی‌تواند به سرعت تغییر کنند. از این نظر ، سیملوله‌های حامل جریان (آهنرباهای الکتریکی) بسیار مناسبند. زیرا با تغییر جریان در سیم پیچ سیملوله می‌توان میدان آنها را به آسانی تغییر داد. با قرار دادن هسته آهنی داخل سیملوله ، میدان آن را می‌توان صدها هزار بار افزایش داد. بیشتر آهنرباهای الکتریکی که در مهندسی بکار می‌روند چنین ساختمانی دارند.
ساخت آهنربای الکتریکی ساده
آهنربای الکتریکی ساده را می‌توان در منزل ساخت. کافی است که چندین دور سیم عایق شده‌ای را بر یک میله آهنی (پیچ یا میخ ، بپیچانیم و دو انتهای سیم را به یک منبع dc نظیر انبار ، یا پیل گالوانی وصل کنیم. بهتر است آهن ابتدا تابکاری شود، یعنی ، تا دمای سرخ شدن داغ شود. مثلا در کوره گرم و سپس به آرامی سرد شود. سیم پیچ باید توسط رئوستایی با مقاومت 1W تا 20W به باتری وصل شود، بطوری که جریان مصرف شده از باتری خیلی شدید نباشد. گاهی آهنرباهای الکتریکی شکل نعل اسب را دارند که برای نگه داشتن بار بسیار مناسبترند.
ساختار آهنربای الکتریکی
میدان پیچه با هسته آهنی بسیار قویتر از پیچه بدون هسته است، زیرا آهن درون پیچه شدیدا مغناطیده و میدان آن بر میدان پیچه منطبق است. ولی ، هسته‌هایی آهنی که در آهنرباهای الکتریکی برای تقویت میدان بکار می‌روند، فقط تا حدود معینی مقرون به مساحت‌اند. در واقع ، میدان آهنرباهای الکتریکی عبارت است از برهمنهی میدان حاصل از سیم پیچ حامل جریان و میدان هسته مغناطیده ، برای جریانهای ضعیف ، میدان دوم به مراتب قویتر از میدان اولی است.
وقتی که میدان در سیم پیچ افزایش می‌یابد، ابتدا این دو میدان به یک میزان معینی متناسب با جریان افزایش می‌یابند، بطوری که نقش هسته تعیین کننده می‌ماند. ولی ، با افزایش بیشتر جریانی که از سیم پیچ می‌گذرد، مغناطش آهن کند می‌شود و آهن به حالت اشباع مغناطیسی نزدیک می‌شود. وقتی که عملا تمام جریانهای مولکولی موازی شدند، افزایش بیشتر جریانی که از سیم پیچ می‌گذرد نمی‌تواند چیزی بر مغناطش آهن اضافه کند، در حالی که میدان سیم پیچ به زیاد شدن متناسب با جریان ادامه می‌دهد.
هرگاه جریان شدید از سیم پیچ (برای دقت بیشتر ، در لحظه‌ای که تعداد آمپر ـ دورها در متر به 106 نزدیک می‌شود.) بگذارند، میدان حاصل از سیم پیچ بسیار قویتر از میدان هسته آهنی اشباع شده می‌شود. بطوری که هسته عملا بی‌فایده می‌شود و فقط ساختمان آهنربای الکتریکی را پیچیده می‌کند. به این دلیل ، آهنرباهای الکتریکی ، پر قدرت بدون هسته آهنی ساخته می‌شوند.
آهنربای الکتریکی پر قدرت
تهیه آهنرباهای الکتریکی پرقدرت مسأله انقلاب تکنولوژیک بسیار پیچیده‌ای است. در واقع ، برای اینکه بتوانیم جریانهای بزرگی را بکار بریم، سیم‌پیچها باید از سیم کلفتی ساخته شوند. در غیر این صورت ، سیم پیچ شدیدا گرم و حتی گداخته می‌شود. گاهی بجای سیم از لوله‌های مسی استفاده می‌شود، که در آن جریان نیرومند آب برای خنک کردن سریع دیواره‌های لوله که جریان از آن می‌گذرد گردش می‌کند. ولی با سیم پیچی که از سیم کلفت یا لوله ساخته شده است داشتن تعداد زیادی دور در واحد طول ناممکن است.
از طرف دیگر ، استفاده از سیم نازک تعداد دورهای زیادی را در واحد متر ممکن می‌سازد، نمی‌گذارد تا جریانهای زیاد را بکار بریم. پیشرفت زیادی را در ایجاد میدانهای مغناطیسی بدست آمده به بهره گیری از ابررسانا‌ها در سیم پیچهای مغناطیسها مربوط می‌شود، که بکار بردن جریانهای شدید را مقدور می‌سازد.
تکنیک کاپیتزا
کاپیتزا (P.L. kapitza) فیزیکدان شوروی سابق راه هوشمندانه‌ای را برای بیرون آمدن از این وضع پیشنهاد کرد. او جریانهای عظیم 104 آمپر را برای مدت بسیار کوتاهی حدود 0.01 s از سیملوله‌ای گذرانید. در این مدت ، سیم پیچ سیملوله خیلی شدید گرم نشد، در حالی که میدانهای مغناطیسی کوتاه مدت شدیدی بدست آمده بودند.
فرمت این مقاله به صورت Word و با قابلیت ویرایش میباشد
تعداد صفحات این مقاله 20 صفحه
پس از پرداخت ، میتوانید مقاله را به صورت انلاین دانلود کنید
دانلود مقاله آهنربای دائمی