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 می شود خیلی قوی نیست، اگر چه آلیاژهای مخصوصی که اخیرا به دست آمده اند 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 به کار 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 به طوری 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 قوی تر 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 به کار می روند. فقط تا حدود معینی مقرون به مساحتاند. در واقع ، میدان آهنرباهای الکتریکی عبارت است از بر همنهی میدان حاصل از
سیمپیچ 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، به طوری 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 جریان های مولکولی موازی شدند، افزایش بیشتر جریانی که از سیمپیچ میگذرد نمیتواند چیزی بر
مغناطش آهن اضافه کند، در حالی که میدان سیمپیچ به زیاد شدن متناسب با جریان ادامه میدهد.
هرگاه جریان شدید از سیمپیچ (برای دقت بیشتر ، در لحظهای که تعداد آمپر ـ دورها در متر به 10
6 نزدیک میشود.) بگذارند، میدان حاصل از سیمپیچ بسیار قویتر از میدان هسته آهنی اشباع شده میشود. به طوری که هسته عملا بی فایده 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 مساله
انقلاب تکنولوژیک بسیار پیچیدهای است. در واقع ، برای اینکه بتوانیم جریانهای بزرگی را به کار بریم، سیمپیچها باید از سیم کلفتی ساخته شوند. در غیر این صورت ، سیمپیچ شدیدا گرم و حتی ، گذاخته میشود. گاهی به جای 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 سیمپیچی 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 به کار بریم. پیشرفت زیادی را در ایجاد
میدانهای مغناطیسی به دست آمده به بهره گیری از ابررساناها در سیم پیچهای مغناطیس ها مربوط میشود، که به کار 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 10
4 آمپر را برای مدت بسیار کوتاهی حدود 0.01s از سیملولهای گذرانید. در این مدت ،
سیمپیچ سیملوله خیلی شدید گرم نشد، در حالی که میدانهای مغناطیسی کوتاه مدت شدیدی بدست آمده بودند.
البته او وسایل خاصی را ترتیب داد که برای ثبت نتایج آزمایشهایی که در آنها اثر
میدان مغناطیسی پرقدرت حاصل در سیملوله برای اجسام گوناگون مورد بررسی قرار میگرفتند. در اغلب کاربردهای فنی ، تعداد آمپر ـ دورها در سیمپیچهای آهنرباهای الکتریکیای میدانهای نسبتا شدید میتوان به دست آورد (با القای چند
تسلا).
مباحث مرتبط با عنوان: