فصل سوم

مغناطیس و قطب های مغناطیسی

دید کلی

اگر آهنربایی را از نقطه‌ای آویزان کنیم، آهنربا چرخیده و در راستای شمال و جنوب جغرافیایی قرار می‌گیرند. قطبی از آهنربا را که در راستای شمال جغرافیایی قرار دارد، قطب N و دیگری را قطب S می‌نامند. دلیل رفتار این گونه آهنربا وجود میدان مغناطیسی در زمین می‌باشد.

تاریخچه

ویلیام گیلبرت (willam gilbert) یکی از فیزیکدانان پیشگامی بود که اولین بار به وجود میدان مغناطیسی زمین پی برد. وی نشان داد که اگر یک میله آهنی را در راستای شمال و جنوب قرار داده و بر روی آن بکوبیم میله ، آهنربا خواهد شد. او همچنین برای اثبات وجود میدان مغناطیسی زمین یک آهنربا را درون کره‌ای قرار داد و نام ان را Terrlla نامید که در زبان لاتینی به معنای زمین کوچک بود. گیلبرت یک قطب نما را بر روی آن حرکت داد و مشاهده نمود که وقتی قطب نما در راستای سطح Terrlla قرار می‌گیرد، جهت عقربه مغناطیسی آن همواره ثابت می‌ماند، که نشانگر قرار گرفتن عقربه تحت تاثیر میدان مغناطیسی آهنربای درون کره است.

قطب‌های میدان مغناطیسی زمین

در واقع کره زمین مانند یک آهنربای قوی عمل می‌کند که قطب N آن در جنوب جغرافیایی قرار دارد (که می‌تواند قطب S آهنربا‌ها را به سمت خود منحرف کند) و قطب S آن در شمال جغرافیایی قرار دارد (که قطب N آهنربا را به سمت خود منحرف می‌سازد).
همه خطوط میدان مغناطیسی در نیمکره شمالی در نقطه‌ای که به آن قطب جنوب مغناطیسی زمین گفته می‌شود، به هم می‌رسند. این خطوط در نیمکره جنوبی در نقطه‌ای که به قطب شمال مغناطیسی زمین معروف است، به هم می‌رسند.
از آنجا که محور مغناطیسی زمین (خطی که از دو قطب مغناطیسی زمین می‌گذرد) کاملا بر محور دوران زمین (خطی که از قطب شمال و جنوب جغرافیایی زمین می‌گذرد) منطبق نیست، بنابراین یک عقربه مغناطیسی که در جهت مماس بر محور مغناطیسی زمین قرار می‌گیرد، نمی‌تواند جهت شمال و جنوب جغرافیایی زمین را دقیقا تعیین نماید.

مولفه‌های مشخص کننده میدان مغناطیسی زمین

میل مغناطیسی:
از آنجا که خطوط میدان مغناطیسی زمین بر سطح آن منطبق نیستند، بین شدت میدان مغناطیسی زمین و سطح افق همواره زاویه‌ای وجود دارد، که به آن زاویه میل مغناطیسی می‌گویند.
زاویه انحراف مغناطیسی:
صفحاتی که بر روی آن عقربه مغناطیسی قرار دارد، صفحه نصف النهار مغناطیسی و به زاویه بین آن و صفحه نصف النهار جغرافیایی ، زاویه انحراف مغناطیسی می‌گویند، که مقدار آن در هر منطقه متفاوت خواهد بود. چون دریانوردان و خلبانان در مسیریابی به نصف النهار جغرافیایی احتیاج دارند، لذا دانستن مقدار زاویه انحراف مغناطیسی برای آنان بسیار مهم است.
مولفه افقی میدان مغنا طیسی:
اگر میدان مغناطیسی زمین به دو مولفه عمود بر هم تجزیه کنیم، مولفه افقی میدان مغناطیس زمین حاصل می‌شود.

جابجایی قطبهای مغناطیسی زمین

دانشمندان از دیرباز می‌دانستند که قطب‌های مغناطیسی زمین حرکت می‌کنند. جیمز روس (james ross) نخستین فردی بود که محل قطب شمال را تعیین نمود. وی این کار را در طی سفری خطرناک انجام داده بود. در سال 1904 روالد اماند سون دوباره محل قطب شمال را تعیین نمود، و متوجه شد که محل قطب شمال به اندازه 50 کیلومتر جابجا شده‌ است. اوایل سرعت حرکت قطب 10 کیلومتر در یک سال بود ولی بعدها به 40 کیلومتر در سال رسید.

ناهنجاری مغناطیسی زمین

وقتی انجمن زمین شناسی ایالت متحده امریکا متوجه شد که دور زدن عقربه مغناطیسی در افریقا به اندازه 0.1 درجه کم شده ، و میدان مغنا طیسی 10 درصد از قرن نوزدهم ضعیف تر شده است. برای جراید این سوال پیش آمد که آیا ممکن است روزی میدان مغناطیسی زمین از بین برود؟ پروفسور گری گلاتز مایر (gary Gratsmaier) از دانشگاه کالیفرنیا در جواب این سوال گفت، با توجه به مطالعات مغناطیسی در زمانهای گذشته (علم paleomagnetism) ملاحظه می‌شود که میدان مغناطیسی در اعصار گذشته گاهی در حال افزایش و گاهی در حال کاهش است.

در واقع امروزه کره زمین دارای بیشترین شدت میدان مغناطیسی خود در طول تاریخ است. هرگاه در نقطه‌‌ای از کره زمین مقدار کمیتهای مغناطیسی (انحراف مغناطیسی ، میل مغناطیسی ، مولفه افقی بردار میدان مغناطیسی) بطور فاحشی با نقا ط مجاورش فرق کند، اصطلاحا گفته می‌شود که ناهنجاری مغناطیسی اتفاق افتاده و احتمالا در آن نقطه از زمین مخازن ارزشمندی از سنگهای معدن مغناطیسی مانند سنگ آهن وجود دارد. استفاده از این روش در کشف ذخایر معدنی بسیار مفید است.

توفان مغناطیسی

معمولا مقدار سه کمیت مغناطیسی در طی روز و سال تغییرات جزئی دارند. ولی گاهی اوقات در میدان مغناطیسی ، در نتیجه در مولفه‌های آن (سه کمیت) به مدت 6 یا 12 ساعت تغییرات ناگهانی رخ می‌دهد، که اصطلاحا به آن توفان مغناطیسی می‌گویند. این توفانها معمولا هر 11.5 سال تکرار می‌شوند. جالب توجه است که پدیده‌هایی مانند شفقهای قطبی و لکه‌های خورشیدی و انتشار امواج رادیویی نیز دارای دوره‌های 11.5 ساله هستند، که نشان دهنده ارتباط بین آنها است.

کمربند تشعشعی وان آلن

هرگا ه ذره بارداری در میدان مغناطیسی زمین قرار گیرد، بر آن ذره نیرویی وارد می‌شود، که به نیروی لورنتس معروف است. می‌دانیم که در نتیجه اندرکنش هسته‌ای درون خورشید و طوفانهای خورشیدی ، بطور مداوم ذرات پر انرژی با سرعت 500 کیلومتر بر ثانیه در فضا گسیل می‌شوند. این موضوع سبب می‌شود که سیلی از این ذرات به سمت زمین بیایند و در دام حوزه‌های مغناطیسی آن بیافتند. از آنجا که در قطبین ، شدت میدان مغناطیسی بیشینه است، نیروی لورنتس وارد بر ذرات بنیادی بسیار بزرگ است. اگر یک گروه پروتون یا الکترون بطور عمود وارد میدان مغناطیسی شوند، از طرف میدان بر این ذرات یک نیروی عمودی و جانب مرکز به نام نیروی لورنتس وارد خواهد شد، که سبب حرکت دورانی آنها می‌شود.

در اثر این نیرو ذرات در یک مسیر دورانی به شعاع r شروع به حرکت می‌کنند و مسیر حرکت آنها حول خطوط میدان مغناطیسی زمین خواهد بود. بنابراین تعداد بیشماری ذره در حوزه‌های قطبی زمین در رفت و آمد هستند. و چون در قطبین مانند سا یر نقا ط مختلف زمین هوا موجود است، به مولکولهای هوا برخورد می‌کنند. این ذرات چون حامل انرژیهای زیادی هسند، با جذب مولکولهای هوا ،‌ آنها را یونیزه کرده و ذرات جدید و پرتوهای گاما تولید می‌کنند، و ما نقاط درخشانی را در قطب مشاهده خواهیم کرد، که به آن کمربند تشعشعی وان آلن گفته می‌شود.

منشأ میدان مغناطیسی زمین

در قلب سیاره ما گلوله سخت و یکپارچه‌ای از آهن وجود دارد که به اندازه سطح خورشید داغ است و به آن هسته زمین می‌گوییم. اقیانوسی از آهن مایع دور هسته درونی وجود دارد که به آن هسته خارجی می‌گویند. محققان منشا میدان مغناطیسی را هسته خارجی می‌دانند که لایه عمیقی از آهن مایع است و به دور هسته می‌گردد. در واقع هسته خارجی مانند آب روی اجاق ، بر روی هسته داخلی در جوش و خروش است. از طرفی اثر نیروی کوریولیس دوران زمین ، درون هسته خارجی ایجاد طوفان و گرداب می‌کند. مجموع این حرکتها است که میدان مغناطیسی سیاره زمین را بوجود می‌آورد.

خ.قائدی چهارشنبه 5 اسفند 1394 ساعت 21:11

0 نظر

میدان مغناطیسی

در الکترو مغناطیس کلاسیک تعریف میدان مغناطیسی به صورت «میدان حاصل از بار الکتریکی در حال حرکت در اطراف آن» می‌باشد. به بیان ساده‌تر میدان مغناطیسی حاصل تأثیر دو میدان الکتریکی (مثلاً دو بار مثبت و منفی) بر روی هم است که منجر به درست شدن یک میدان مغناطیسی می‌شود.

میدان مغناطیسی از تک بارها، سیم‌های حامل جریان، جهت گیری دوقطبی‌های مغناطیسی (آهنرباهای دایمی)، جریان سیال رسانا (میدان مغناطیسی زمین) ایجاد می‌شوند.

نقشه ساده‌ای از میدان مغناطیسی کره زمین که منبع میدان مغناطیسی زمین را به صورت یک آهنربا نشان می‌دهد. قطب شمال زمین در نزدیکی بالای تصویر و قطب جنوب نزدیک پایین آن است. توجه کنید که قطب جنوب آهنربا در اعماق داخل زمین در زیر قطب جنوب مغناطیسی آن است. میدان مغناطیسی زمین حاصل عبور جریان دائم الکتریکی در هسته مایع خارجی آن است

در الکترو دینامیک نسبیتی بین میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی تفاوتی وجود ندارد و تعریف میدان الکترو مغناطیسی به صورت «اثر بار الکتریکی در اطراف آن» تعریف می‌شود. چون حرکت کاملاً نسبی در نظر گرفته می‌شود و نمی‌توان بین بار ثابت و بار متحرک تفاوتی قایل شد (متحرک بودن یا ثابت بودن برای ناظرهای مختلف تفاوت می‌کند). نیروی حاصل از این میدان را نیروی لورنتس می‌خوانند.

به بیانی دیگر میدان مغناطیسی میدانی است که توسط یک جسم مغناطیسی یا ذرات، و یا با تغییر میدان الکتریکی، تولید شده‌است^[۱] و توسط نیرویی که روی دیگر مواد مغناطیسی و یا حرکت بار الکتریکی اعمال می‌شود شناسایی می‌شود. میدان مغناطیسی در هر نقطه ی داده شده توسط هر دو پارامتر جهت و شدت (یا مقاومت) مشخص می‌شود، که به عنوان یک میدان برداری شناخته می‌شود.^[۲] اشیایی که خود میدان مغناطیسی تولید می‌کنند آهنربا نامیده می‌شوند. آهن‌رباها توسط نیروها و گشتاورهایی که توسط میدان‌های مغناطیسی تولید می‌کنند بر یکدیگرتاثیر می‌گذارند. آهن‌ربا معمولاً خود را در جهت میدان مغناطیسی موضعی تراز می‌کند. قطبنماها از این اثر برای اندازه‌گیری جهت میدان مغناطیسی موضعی، تولید شده توسط زمین استفاده می‌کنند. ریاضیات پیچیده که میدان مغناطیسی یک شی را نشان می‌دهد با استفاده از خطوط میدان مغناطیسی نشان داده می‌شوند. این خطوط صرفاً یک مفهوم ریاضی است وبه صورت فیزیکی وجود ندارد. با این حال، برخی پدیده‌های فیزیکی از قبیل تراز شدن براده‌های آهن در یک میدان مغناطیسی، به مانند خطوط در یک الگوی مشابه با خطوط فرضی میدان مغناطیسی از جسم را تولید می‌کند. جهت خطوط میدان مغناطیسی که تراز دلخواه برای براده ی آهنی که بر روی کاغذی که بر روی یک نوار آهنربا قرار دارد، پاشیده شده‌است. نشان می‌دهد. جاذبه ی متقابل قطب مخالف براده آهن منجر به تشکیل خوشه‌های دراز از براده در امتداد خطوط میدان شده‌است.

قاعده دست راست

جریان الکتریسیته و انتقال شار الکتریکی میدان مغناطیسی تولید می‌کند. حتی میدان مغناطیسی از یک ماده مغناطیسی را می‌توان به عنوان مدل حرکت شار الکتریکی الگو گرفت.^[۳] میدان مغناطیسی نیز بر روی حرکت شارالکتریکی نیرو وارد می‌کند. میدان‌های مغناطیسی در داخل و با توجه به مواد مغناطیسی می‌تواند کاملاً پیچیده باشد. میدان مغناطیسی با مواد دیگر اثر متقابلی دارد، بنابر این میدان مغناطیسی متقابلی با مواد دیگر ایجاد می‌کند. شرح میدان مغناطیسی در داخل آهنربا شامل دو رشته جداگانه‌است که می‌تواند هر دو به نام میدان مغناطیسی، میدان مغناطیسی B و میدان مغناطیسی H نامیده شود. این ها توسط یک میدان سوم که توصیف حالت مغناطیسی مواد مغناطیسی در درون آن هاست، که مغناطیس کنندگی نامیده می‌شود تعریف می‌شود. انرژی مورد نیاز برای ایجاد میدان مغناطیسی می‌تواند زمانی که میدان از بین می‌رود اصلاح شود؛ و این انرژی می‌تواند، به عنوان «ذخیره شده» در میدان مغناطیسی در نظر گرفته شود. انرژی ذخیره شده در مواد مغناطیسی به مقادیر B و H بستگی دارد. میدان الکتریکی میدانی است که توسط شار الکتریکی ایجاد شده‌است و این میدان‌ها به طورتنگاتنگی به میدان های مغناطیسی مربوط می‌شوند؛ تغییر در میدان مغناطیسی میدان الکتریکی و تغییر در میدان الکتریکی میدان مغناطیسی تولید می‌کند. (رجوع کنید به الکترومغناطیس) ارتباط کامل بین میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی و جریان وشار که آن ها را ایجاد می‌کنند، توسط مجموعه‌ای از معادلات ماکسول توصیف می‌شوند. با در نظرگرفتن این ارتباط خاص، میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی دو جنبهٔ مرتبط از یک موضوع منفرد، به نام میدان الکترو مغناطیسی هستند. یک میدان الکتریکی خالص، در یک چارچوب مرجع، به عنوان ترکیبی از هر دو میدان الکتریکی و میدان مغناطیسی که در یک چارچوب مرجع حرکت می‌کند، مشاهده می‌شود. در فیزیک کوانتومی، میدان مغناطیسی خالص (و الکتریکی) را توسط اثرات ناشی از فوتون‌های مجازی می‌توان درک کرد و در زبان مدل استاندارد، نیروی الکترومغناطیسی در تمام مظاهر توسط فوتون واقع می‌شود. در اغلب موارد این شرح میکروسکوپی مورد نیاز نمی‌باشد چرا که نظریه ی کلاسیک ساده، قانع کننده‌است؛ تفاوت تحت میدان با انرژی پایین تر در اکثر شرایط قابل اغماض است.

جهت میدان مغناطیسی در نزدیکی قطب‌های آهنربا با قرار دادن قطب نما در نزدیک آن مشخص می‌شود. همان‌طور که دیده می‌شود میدان مغناطیسی به سمت قطب S آهنربا و به سمت خارج از قطب N آن است

میدان‌های مغناطیسی در جوامع قدیمی و مدرن استفاده‌های بسیار داشته‌است. زمین میدان مغناطیسی خود را تولید می‌کند؛ که در جهت یابی ای که توسط قطب شمال قطب نما که به سمت قطب جنوب میدان مغناطیسی زمین منحرف شده‌است، بسیار حایز اهمیت است. از چرخش میدان مغناطیسی در موتور الکتریکی و ژنراتور بهره گرفته شده‌است. نیروهای مغناطیسی ارائه دهنده ی اطلاعاتی در مورد حرکت شار از طریق اثر هال هستند. تداخل میدان‌های مغناطیسی در دستگاه‌های برقی مانند ترانسفورماتورها در نظم حوزه‌های مغناطیسی مورده مطالعه قرار گرفته‌اند. مطالعه میدان مغناطیسی به عنوان یک موضوع مجزا از آهنربا در قرن ۱۳ هنگامی که پترو پرگرینوس د ماریکور میدان مغناطیسی آهنربای کروی را مطالعه کردو فرض نمود که زمین خود یک آهنربا است. آغاز شد. تمایزمدرن بین میدان‌های B و H در قرن ۱۹ کشف شد. رابطه بین میدانهای الکتریکی و مغناطیسی در مجموعه‌ای از معادلات ماکسول در نیمه دوم قرن ۱۹ میلادی کشف شد؛ و مفهوم الکترومغناطیس متولد شد. روندی که در پشت معادلات ماکسول قرار داشت در نیمه اول قرن ۲۰ مشخص شد، هنگامی که ارتباط خاص آن ها نشان داده شد.. شرح کاملی از الکترومغناطیس، الکترودینامیک کوانتومی و یا QED نامیده می‌شود، که شامل مکانیک کوانتومی که در اواسط قرن ۲۰ کشف شد، است.

محتویات

B و H

میدان مغناطیسی برای دو میدان برداری مختلف استفاده می‌شود، که میدان‌های B و H نامیده می‌شوند توجه^[۴] بسیاری از نام‌های جایگزین برای هر دو وجود دارد) نگاه کنید به جداول زیر) برای اجتناب از اشتباه، در این مقاله از میدان B و میدان H استفاده کرده‌است. در هر مورد که هر دوی آنها استفاده شده‌اند از میدان مغناطیسی نام برده شده‌است.

Alternative names for B
name	used by
magnetic flux density	electrical engineers
magnetic induction	applied mathematicians electronics engineers
magnetic field	physicists

Alternative names for H
name	used by
magnetic field intensity	electrical engineers
magnetic field strength	electronics engineers
auxiliary magnetic field	applied mathematicians
magnetizing field	physicists

خارج از مواد، میدان‌های B و H غیرقابل تشخیص هستند. (آن ها تنها در واحدهای خود و مقدار، متفاوتند و درتغییرات زمانی و مکانی تفاوتی ندارند) تنها در داخل ماده‌ای که تفاوت مهم است. میدان B به جریان بستگی دارد (هم ماکروسکوپی وهم میکروسکوپی مانند حرکت الکترون به دور هسته آن). در حالی که میدان H به جریان‌های ماکروسکوپی و برداری که به پدیده ی شار مغناطیسی بسیار نزدیک است، بستگی دارد.

میدان B را می‌توان در بسیاری جهات مشابه، بر اساس اثرات آن بر روی محیط اطراف آن تعریف کرد. به عنوان مثال، یک ذره با بار الکتریکی، q، و حرکت در میدان B با سرعت، v، نیرویی به نام، F، ایجاد می‌کند که نیروی لورنتس نامیده می‌شود. (پایین را ببینید. (در واحد SI، نیروی لورنتس برابر است با: $\mathbf{F}=q\left(\mathbf{v}\times\mathbf{B}\right)$ که در آن × بردار ضرب خارجی است. یک تعریف متناوب کاری از میدان B را می‌توان از لحاظ گشتاور دو قطبی مغناطیسی در میدان B ارایه داد:

\boldsymbol{\tau}=\mathbf{m_m}\times\mathbf{B}

برای دو قطبی مغناطیسی لحظه‌ای m (در آمپر متر مربع). میدان B در واحد SI تسلا و در واحد cgs گاوس نامیده می‌شود. (۱ تسلا = ۱۰۰۰۰ گاوس). در واحد SI تسلا برابر است با: (کولن × متر) / (نیوتن × ثانیه) همان‌طور که از قسمت مغناطیسی قانون نیروی لورنتس می‌توان دید: F_mag = (qv × B). H به عنوان اصلاحی برای B به علت میدان مغناطیسی تولید شده توسط مواد واسطه خواهد بود، به طوری که (در SI):

\mathbf{H}\ \equiv \ \frac{\mathbf{B}}{\mu_0}-\mathbf{M},

که در آن M مغناطیسی شدن ماده و μ₀ نفوذ پذیری مغناطیسی در فضای خالی است (یا پایداری مغناطیسی).^[۵] میدان H با یکای آمپر بر متر در SI.(A/m) و اورستد (Oe) در cgs اندازه‌گیری می‌شود. در موادی که M متناسب باB است، رابطه بین B و H را می‌توان به فرم ساده‌تر نوشت: H = B/μ که در آن μ پارامتر وابسته به مواد به نام نفوذ پذیری است. در فضای خالی، هیچ مغناطیسی وجود نداردM به طوری که H = B/μ هر چند، برای بسیاری از مواد، هیچ رابطهٔ ساده‌ای بین B و M وجود ندارد به عنوان مثال، مواد فرومغناطیسی و ابررساناها خاصیت مغناطیسی شدنی دارند که یک تابع چند ارزشی از B مربوط به پسماند مغناطیسی است.

نیروی الکترومغناطیسی سیم حامل جریان

اگر سیمی را که حامل جریان برق است در یک میدان مغناطیسی قرار دهیم بر این سیم نیرویی وارد می‌شود. این نیرو با طول سیم(L)ومیدان مغناطیسی(B)رابطه مستقیم دارد و از رابطه ی F=L I B SINα بدست می‌آید. بنابر این رابطه اگر سیم در راستای میدان مغناطیسی قرار گیرد نیروی وارد بر آن صفر است زیرا: α=0 OR π در نتیجه ۰=F واگر سیم به صورت عمود قرار گیرد نیروی آن به حد اکثر می‌رسد. اگر سیم دارای شکلی نا منظم باشد آن را به دو مولفه ی (عمودی و افقی) تقسیم می‌کنیم و از مولفه ی عمودی استفاده می‌کنیم. برای پیدا کردن جهت میدان بر اساس قاعده دست راست عمل می‌شود.

میدان مغناطیسی اطراف سیم راست

میدان مغناطیسی داخل پیچه مسطح حامل جریان

میدان مغناطیسی داخل سیملوله حامل جریان

میدان مغناطیسی داخل سیم لوله به تعداد پیچش سیم در واحد متر دور هسته‌ای آهنی که قرار گرفتن آن موجب تقویت میدان که با B نشان می‌دهند خواهند شد، علاوه بر آن به جریان عبوری نیز بستگی دارد طوری که هرچه جریان بزرگتر باشد، میدان تولید شده بزرگتر خواهد بود، و علاوه بر آنها به سطح تراوا الکترومغناطیسی نیز بستگی دارد.

میدان مغناطیسی و آهن‌ربای دائم

آهنرباهای دائم اشیائی هستند که میدان های مغناطیسی مداوم خود را تولید می‌کنند. همه آهنرباهای دائم دو قطب شمال و جنوب دارند. آنها از مواد فرومغناطیسی مانند آهن و نیکل که مغناطیسی شده‌اند ساخته شده‌اند. برای کسب اطلاعات بیشتر در مورد آهنرباها، مغناطیسی شدن و در زیر فر

شعاع‌های الکترون در یک دایره حرکت می‌کنند. نور نتیجه برانگیختگی اتم‌های گاز در لامپ است

متأسفانه مفهوم قطب های 'شار مغناطیسی' با دقت آنچه در داخل آهنربا اتفاق می‌افتد را منعکس نمی‌کند (نگاه کنید به فرو مغناطیسی شدن)؛ شار مغناطیسی وجود ندارد. به عنوان مثال، بر خلاف شارالکتریکی، آهن‌رباها نمی‌تواند قطب‌های جداگانه‌ای در شمال و جنوب قطب داشته باشند؛ همه آهنرباها جفت شمال و جنوب دارند. علاوه بر این، آهنربای کوچک داخل آهنربا بزرگتر در جهت مخالف به آنچه از میدان H انتظار می‌رود پیچیده می‌شود. شرح فیزیکی صحیح تر مغناطیسی شدن شامل حلقه‌های اتمی جریان که در سراسر آهنربا توزیع شده‌است، می‌باشد.^[۶] در این مدل، یک آهنربا از بسیاری از آهنرباهای کوچک، به نام دو قطبی مغناطیسی که هر کدام یک جفت قطب شمال و جنوب مربوط به جریان الکتریکی دارند، تشکیل شده‌است. هنگامی که در ترکیب آنها به صورت یک آهنربا که قدرت مغناطیسی دارد m. که برای راحتی محاسبات ریاضی است، همچنین با توجه به جهت متناظر با جهت گیری‌های میدان مغناطیسی آن را تعریف می‌کنند. برای آهنرباهای ساده، m در جهت خط از جنوب تا قطب شمال آهن‌ربا کشیده شده‌است. نیروی گرانش بین دو آهنربا کاملاً پیچیده و وابسته به قدرت و جهت گیری هر دو آهنربا و وابسته به مسافت و و جهت آهنرباهای متصل به یکدیگر. است. نیرو حساس به چرخش از آهن‌ربا به علت گشتاور مغناطیسی است. نیروی هر آهنربا در هر لحظه بستگی به خود آهنربا و میدان مغناطیسی B^[۷] از سوی دیگر، دارد. میدان B یک آهنربا ی کوچک بسیار پیچیده‌تر است. در ریاضیات، نیرو در یک آهنربای که یک مغناطیسی شدن لحظه‌ای m، مربوط به میدان مغناطیسی B دارد برابر است با:^[۸]

\mathbf{F} = \mathbf{\nabla} \left(\mathbf{m}\cdot\mathbf{B}\right),

که در آن∇ شیب تغییرات مقدار m B. در هر واحد از فاصله و جهت است که افزایش حداکثر m.B را محصول است (نقطه معادله زیر را ایجاد می‌کند. ضرب داخلی:(m · B = mBcos(θکه در آن m و B نشان ازاندازه بردارهای m و B است و θ زاویه بین آنها است) این معادله صرفاً فقط برای آهنرباهای صفر اندازه معتبر است، اما اغلب می‌توان به عنوان تقریبی برای آهن‌رباهای نچندان بزرگ استفاده کرد. نیروی مغناطیسی در آهنرباهای بزرگتر از تقسیم آن ها به مناطق کوچکتر با m مشخص و سپس جمعبندی نیروهای در هر یک از این مناطق تعیین می‌شود.

گشتاور در آهنربا مربوط به میدان B

طرحواره‌ای از آهنربای چهار قطبی. چهار نوک ثابت قطب‌های آهنربا هستند که دو تای آنها با قطب N و دو تا با قطب S مخالفت می‌کنند

گشتاور در آهنربا مربوط به میدان مغناطیسی خارجی می‌تواند با قرار دادن دو آهنربا در نزدیکی یکدیگر در حالی که یکی از آنها شروع به چرخش می‌کنند مشاهده می‌شود. گشتاور مغناطیسی برای به کار انداختن موتورهای ساده الکتریکی استفاده می‌شود. در یک طرح موتور ساده، آهنربابر روی یک شفت که آزادانه چرخش می‌کند ثابت شده‌است که تحت میدان مغناطیسی ردیفی از الکترو مغناطیسی ها قرار دارد.. با سوئیچینگ مداوم جریان الکتریکی از هر کدام از آهنرباهای الکتریکی، با توجه به تغییر میدان مغناطیسی آن ها، مانند قطب شمال و جنوب کنار روتور، گشتاور حاصل به شافت منتقل می‌شود. میدان مغناطیسی دوار را مشاهده کنید. گشتاور مغناطیسی τ تمایل دارد قطب مغناطیسی با خطوط میدان B در یک امتداد قرار دهد (تا زمانی که m در جهت قطب‌های مغناطیسی است می‌توان گفت m تمایل دارد با B در یک امتداد قرار بگیرد) به همین دلیل است سوزن مغناطیسی قطب نما به سمت قطب شمال زمین منحرف می‌شود. با این تعریف، جهت میدان محلی مغناطیسی زمین جهتی است که در آن قطب شمال قطب نما (یا هر آهنربایی) تمایل به آن نقطه دارد. به طور ریاضی وار، گشتاور τ آهنربای کوچک متناسب با هر دو ی میدان B اعمال شده مغناطیسی شدن آهنربا m می‌باشد:

\boldsymbol{\tau}=\mathbf{m}\times\mathbf{B}, \,

که در آن × نشان دهنده ی بردار ضرب خارجی است. در نظر داشته باشید که این معادله شامل تمام اطلاعات کیفی شامل بالامی باشد. هیچ گشتاور مغناطیسی در صورتی که m در امتداد B قرار بگیرد، وجود ندارد (مفهوم ضرب خارجی) علاوه بر این، در تمامی جهت‌ها گشتاوری که آن ها را به جهت B متمایل می‌کند احساس می‌شود.

خ.قائدی چهارشنبه 5 اسفند 1394 ساعت 21:09

0 نظر

نیروی وارد بر زره باردار متحرک در میدان الکتریکی

یکی از اهداف فیزیک، مطالعه درباره ی این است که؛ چگونه یک میدان مغناطیسی می تواند نیروی مغناطیسی به یک ذره ی باردار متحرک یا یک شیء مغناطیسی (مثل آهنربا) وارد کند. کاربرد های میدان های مغناطیسی و نیروهای مغناطیسی بیشمار است و هر ساله با سرعت زیاد تغییر می کند. در این جا چند مثال ساده از کاربردهای میدان های مغناطیسی در زندگی روزمره را بیان می کنیم؛ ضبط مغناطیسی موسیقی و تصاویر بر روی نوار کاست و ویدئو، آهنرباهای استفاده شده در بلند گوها و هدفون ها، استفاده از مواد مغناطیسی در اتومبیل های پیشرفته و به طور خلاصه، ما توسط مواد مغناطیسی محاصره شده ایم.

چه چیزی میدان مغناطیسی تولید می کند؟

چون میدان الکتریکی توسط بار الکتریکی بوجود می آید، ما باید انتظار داشته باشیم که میدان مغناطیسی نیز توسط بار مغناطیسی بوجود می آید. اگر چه بارهای مغناطیسی منفرد (تک قطبی مغناطیسی) توسط برخی نظریه ها پیشگویی شده است، اما وجودش تایید نشده است. پس میدان مغناطیسی چگونه تولید می شود؟ دو روش وجود دارد.

یک روش، استفاده از بارهای الکتریکی متحرک، از قبیل جریان در یک سیم، برای تولید یک آهنربای الکتریکی است. جریان یک میدان مغناطیسی تولید می کند برای مثال می تواند در کامپیوتر ها یا بلند کردن تکه های فلز شکل مورد استفاده قرار گیرد.

روش دیگر تولید میدان مغناطیسی، بوسیله ذرات بنیادی مانند الکترون هاست، چون این ذرات یک میدان مغناطیسی ذاتی اطراف خود دارند. میدان مغناطیسی ویژگی اساسی (مانند جرم و بار الکتریکی) هر ذره است. میدان مغناطیسی الکترون ها می توانند به صورتی با هم جمع شوند که یک میدان مغناطیسی خالص اطراف ماده ایجاد و یک آهنربای دائمی تولید کنند.

تعریف میدان مغناطیسی

ما قبلا میدان الکتریکی E را با گذاشتن بار آزمون q در نقطه ی مورد نظر و اندازه گیری نیروی الکتریکی F_E وارد بر آن به صورت زیر تعریف کردیم:

(1-28)

اگر یک تک قطبی مغناطیسی در دسترس بود، ما می توانستیم میدان مغناطیسی B را به روشی شبه به روش بالا تعیین کنیم. چون هنوز چنین ذره ای پیدا نشده است ما باید میدان مغناطیسی را به روش دیگری تعیین کنیم.

در اصل، ما در این روش یک ذره باردار را به نقطه ای که می خواهیم میدان مغناطیسی را در آن تعیین کنیم در جهت های مختلف و با سرعت های مختلف شلیک می کنیم. با محاسبه نیروی مغناطیسی F_B وارد شده روی ذره باردار در آن نقطه ی می توانیم میدان مغناطیسی را تعیین کنیم. ما مشاهده می کنیم که اگر ذره باردار با سرعت v در جهتی پرتاب شود که نیروی مغناطیسی وارد به آن صفر شود، برای تمام جهت های دیگر v نیروی مغناطیسی F_B متناسب با v sinϕ خواهد بود. در اینجا ϕ زاویه بین محور صفر – نیرو و جهت v است. بعلاوه، نیروی مغناطیسی همیشه عمود بر جهت v است.

ما می توانیم میدان مغناطیسی B را یک کمیت برداری در جهت محور صفر – نیرو تعریف کنیم. سپس، با اندازه گیری نیروی مغناطیسی F_B وقتی جهت v عمود بر محور صفر – نیرو باشد، بزرگی میدان مغناطیسی را به صورت زیر تعریف می کنیم:

(2-28)

که در آن q بار ذره است. ما می توانی همه ی این نتایج را به شکل معادله ی برداری زیر بنویسیم:

(3-28)

با استفاده از تعریف ضرب برداری، ما می توانیم بزرگی نیروی مغناطیسی را به شکل زیر بنویسیم:

(4-28)

که در آن ϕ زاویه بین جهت میدان مغناطیسی B و جهت v است.

پیداکردن نیروی مغناطیسی وارد بر ذره

معادله ی 28-4، به ما می گوید که بزرگی نیروی F_B وارد شده بر ذره باردا در یک میدان مغناطیسی متناسب است با بار q و سرعت v ذره. بنابراین، اگر بار صفر یا ذره ساکن باشد، نیروی مغناطیسی نیز صفر خواهد شد. همچنین معادله ی 28-4، به ما می گوید که اگر v و B هم جهت (ϕ=0˚) یا در خلاف جهت (ϕ=180˚) یکدیگر باشند، نیروی مغناطیسی F_B صفر خواهد شد.

با توجه به معادله ی28-3، ما می توانیم با استفاده از قاعده ی دست راست، جهت نیروی مغناطیسی را تعیین کنیم. شکل 28-2، اگر چهار انگشت دست راست بردار سرعت را به سمت بردار میدان مغناطیسی جاروب کند، شست دست راست جهت نیروی وارد بر بار مثبت را نشان می دهد. و اگر بار ذره منفی باشد، نیرو در خلاف جهت شست دست راست خواهد بود.

شکل 28-2، پیدا کردن جهت نیروی وارد بر ذره ی باردار متحرک در میدان مغناطیسی با استفاده از قانون دست راست.

توجه داشته باشید که "نیروی F_B وارد شده بر یک ذره ی باردار متحرک با سرعت v در یک میدان مغناطیسی B همیشه عمود بر v و B است."

بنابراین F_B هیچ مولفه ای موازی با v ندارد، که به این معنی است که نیروی مغناطیسی نمی تواند سرعت ذره را تغییر بدهد و از این رو انرژی جنبشی ذره تغییر نمی کند. نیرو فقط می تواند جهت سرعت (و بنابراین مسیر حرکت) را تغییر دهد.

شکل 28-3، مسیر حرکت بار های مثبت و منفی را در یک اتاقک حباب نشان می دهد. اتاقک با هیدروژن مایع پر شده است و میدان مغناطیسی یکنواخت برون سو (عمود بر صفحه شکل به طرف خارج) در آن وجود دارد.

یکای میدان مغناطیسی در SI نیوتون بر کولن – متر بر ثانیه است، که تسلا (T) نامیده می شود:

(5-28)

یکای رایج دیگر برای میدان مغناطیسی، گاوس (G) است:

(6-28)

خطوط میدان مغناطیسی

ما می توانیم میدان مغناطیسی را با خطوط میدان - همانند میدان الکتریکی - نشان دهیم. با به کار گیری قواعد مشابه؛ (1) جهت خط مماس بر خطوط میدان در هر نقطه جهت میدان مغناطیسی را در آن نقطه می دهد، و (2) چگالی خطوط بیانگر بزرگی B است.

شکل 28-4، خطوط میدان مغناطیسی را در نزدیکی یک آهنربای میله ای نشان می دهد. خطوط از میان آهنربا عبور می کند و حلقه های بسته را تشکیل می دهند. خطوط (بسته ی) میدان از یک انتهای آهنربا شده و از انتهای دیگر آن خارج می شوند. آن انتهای آهنربا که خطوط از آن خارج می شوند قطب شمال آهنربا نامیده می شود.و انتهای دیگر که خطوط وارد آن می شوند، قطب جنوب آهنربا نامیده می شود. چون یک آهنربا دو قطب دارد به آن دوقطبی مغناطیسی گفته می شود.

"قطب های مغناطیسی مخالف یکدیگر را جذب می کنند و قطب های مغناطیسی موافق یکدیگر را دفع می کنند."

زمین میدان مغناطیسی دارد که توسط مکانیسم ناشناخته ای در هسته ی آن تولید می شود. روی سطح زمین، ما می توانیم این میدان مغناطیسی را با استفاده از یک قطب نما یا عقربه ی مغناطیسی مشاهده کنیم. چون قطب شمال قطب نما رو به شمال می ایستد، نتیجه می گیریم که قطب شمال جغرافیایی زمین قطب جنوب مغناطیسی آن است و قطب جنوب جغرافیایی زمین قطب شمال مغناطیسی آن است.

شکل 28-5، (a) یک آهنربای نعل اسبی و (b) یک آهنربای c شکل. (فقط خطوط میدان خارجی نمایش داده شده است).

میدان های متقاطع: کشف الکترون

میدان های الکتریکی و میدان های مغناطیسی می توانند به ذره ی باردار نیرو وارد کنند. وقتی این دو میدان بر هم عمود باشند، به آن ها میدان های متقاطع گفته می شود. شکل 28-6، یک نمونه ساده شده از آزمایش تامسون (که منجر به کشف الکترون شد) – لامپ پرتوی کاتدی – را نشان می دهد. ذرات باردا، (که حالا ما می دانیم الکترون هستند) از یک رشته ی داغ در انتهای لامپ خلاء منتشر می شوند و توسط اختلاف پتانسیل V شتاب می گیرند. پس از عبور از سوراخ پرده C، به شکل پرتوی باریکی در می آیند. سپس با عبور از ناحیه ی با میدان های متقاطع E و B به پرده ی فلئورسنت S برخورد می کنند و یک نقطه ی نورانی تولید می کنند. نیروهای وارد بر ذره باردار در ناحیه ی میدان های متقاطع می تواند آن ها را از مرکز پرده منحرف کند. تامسون با کنترل بزرگی میدان های الکتریکی و مغناطیسی، توانست مکان نقاط نورانی را در پرده ی S کنترل کند. رویه ی تامسون در این آزمایش از سه مرحله تشکیل شده بود:

1. قرار دادن E=0 و B=0 و تعیین نقطه نورانی ناشی از پرتوی منحرف نشده روی پرده ی S .

2. روشن کردن میدان E و اندازه گیری انحراف پرتو.

3. برقراری میدان E و روشن کردن میدان B و تنظیم نمودن مقدار آن تا پرتو به مکان اولیه خود ( پرتوی منحرف نشده) بر گردد.

شکل 28-6، نمونه ای از دستگاه تامسون برای اندازه گیری نسبت جرم به بار الکترون. (لامپ پرتوی کاتدی).

قبلا ما انحراف یک ذره باردار را در میدان الکتریکی E بین دو صفحه (مرحله ی 2) محاسبه کردیم:

(7-28)

که در آن v سرعت ذره، m جرم ذره، q بار ذره و L طول صفحه هاست. وقتی دو میدان در شکل 28-8، به گونه ای تظیم شوند که دو نیروی منحرف کنند یکدیگر را حذف کنند، می توانیم بنوسیم:

(8-28)

یا:

(9-28)

بنابراین میدان های متقاطع، به ما اجازه می دهند تا سرعت ذره ی بارداری را که از درون آن ها می گذرد اندازه بگیریم. با قرار دادن مقدار v از معادله ی بالا در معادله ی 28-7، خواهیم داشت:

(10-28)

تمام کمیت های سمت راست معادله ی بالا قابل اندازه گیری است. بنابراین، میدان های متقاطع امکان اندازه گیری نسبت بار به جرم برای ذرات متحرک را می دهد.

میدان های متقاطع: اثر هال

همان طور که دیدیم، الکترون ها ی متحرک در خلاء را می توان با استفاده از میدان مغناطیسی منحرف کرد. آیا می توانیم الکترون های رسانش یک سیم مس را بوسیله ی میدان مغناطیسی منحرف کرد؟ در سال 1879 ادوین هال، نشان داد که می توان این کار را کرد. اثر هال به ما اجازه می دهد که بفهمیم آیا حامل های بار در یک رسانا مثبت هستند یا منفی. علاوه بر این، ما می توانیم تعداد حامل های بار بر واحد حجم رسانا را اندازه گیری کنیم.

شکل 28-7، یک قطعه ی مسی به عرض d را نشان می دهد که جریان i از بالا به پایین آن بر قرار است. حامل های بار الکترون ها هستند، و ما می دانیم که آن ها با سرعت سوق v_d در جهت مخالف از پایین به بالاحرکت می کنند. میدان مغناطیسی خارجی B نیز به صورت برون سو عمود بر صفحه شکل 28-7 (b) قرار دارد. با توجه به معادله ی 28-3، مشاهده می کنیم که الکترون های رسانش توسط نیروی منحرف کننده ی F_B به طرف لبه ی راست قطعه هل داده می شوند. الکترون ها به سمت راست حرکت می کنند و یک ستون از الکترون در لبه سمت راست بوجود می آورند، و به دنبال آن، بار های مثبت نیز در لبه سمت چپ قرار می گیرند. بار های منفی در سمت راست و بارهای مثبت در سمت چپ، یک میدان الکتریکی E از چپ به راست درون قطعه ایجاد می کنند. این میدان یک نیروی F_E را به الکترون ها وارد می کند و آن ها را به سمت راست هل می دهد.

در حالت تعادل نیروی الکتریکی به اندازه ی کافی افزایش یافته و با نیروی مغناطیسی برابری می کند. وقتی این اتفاق می افتد، شکل 28-7 (b)، نیروی ناشی از B و نیروی ناشی از E متعادل خواهند بود. و الکترون های رسانش بدون انحراف و تجمع بیشتر در لبه ی سمت راست با سرعت v_d به طرف بالا ی قطعه حرکت می کنند، بنابراین میدان الکتریکی بیشتر از این افزایش نخواهد یافت.

اختلاف پتانسیل هال V به میدان الکتریکی در عرض قطعه وابسته است، و بزرگی آن برابر است با:

(11-28)

وقتی نیروی الکتریکی و نیروی مغناطیسی در تعادل اند، می توانیم بنویسیم:

(12-28)

قبلا اثبات کردیم که سرعت سوق برابر است با:

(13-28)

که در آن J چگالی جریان، A مساحت سطح مقطع قطعه، و n چگالی عددی حامل های بار است. با استفاده از سه معادله ی بالا، ما می توانیم بنویسیم:

(14-28)

که در آن l=A/d ضخامت قطعه است. با این معادله ما می توانیم n را با استفاده از کمیت های قابل اندازه گیری تعیین کنیم. همچنین ما می توانیم با استفاده از اثر هال، سرعت سوق را مستقیما اندازه بگیریم؛ در این آزمایش قطعه ی فلزی را در خلاف جهت سرعت سوق حامل های بار حرکت می دهیم. سرعت حرکت قطعه را طوری تنظیم می کنیم که اختلاف پتانسیل هال صفر شود. در این شرایط اثر هال وجود ندارد، و سرعت حرکت حامل های بار نسبت به چارچوب آزمایشگاه باید صفر باشد. بنابراین در این شرایط سرعت قطعه برابر است با سرعت سوق حامل های بار منفی اما در جهت مخالف.

ذره باردار دوار

اگر ذره ای در یک مدار دایره ای با سرعت ثابت حرکت کند، بزرگی نیروی خالص وارد بر ذره ثابت، عمود بر جهت سرعت و به طرف مرکز دایره است. شکل 28-3، باریکه ای از الکترون ها را نشان می دهد که توسط یک تفنگ الکترونی به داخل یک اتاقک پرتاب شده است. الکترون ها با سرعت vدر صفحه ی شکل وارد ناحیه ای با میدان مغناطیسی یکنواخت B (جهت میدان به سمت خارج از صفحه ی شکل 28-8، است) می شوند. نیروی مغناطیسی F_B پیوسته ذره را منحرف می کند و چون v و B همیشه بر هم عمود اند، الکترون در یک مدار دایره ای حرکت می کند. بزرگی نیروی مغناطیسی وارد بر ذره برابر است با |q|vB . با استفاده از قانون دوم نیوتون (F=ma) برای حرکت یکنواخت دایره ای:

(15-28)

خواهیم داشت:

(16-28)

که در آن r شعاع مسیر دایره ای است:

(17-28)

دوره ی T برابر است با محیط تقسیم بر سرعت:

(18-28)

بسامد f برابر است با:

(19-28)

بسامد فرکانس زاویه ای ω حرکت برابر است با:

(20-28)

کمیت های T، f و ω به سرعت ذره بستگی ندارد. ذرات سریع در دایره های بزرگتری حرکت می کنند و ذرات کند تر در دایره های کوچکتری حرکت می کنند. و ذراتی که نسبت بار به جرم |q|/m یکسانی دارند، دوره ی تناوب یکسانی دارند.

مسیرهای مارپیچی

اگر سرعت ذره باردار مولفه ای موازی با میدان مغناطیسی (یکنواخت) داشته باشد، ذره در یک مسیر مارپیچی حول بردار میدان مغناطیسی حرکت خواهد کرد. شکل 28-9 (a)، نشان می دهد که بردار سرعت یک ذره به دو مولفه ی موازی با B و عمود بر B تجزیه شده است:

(21-28)

مولفه ی موازی، گام p مارپیچ – که مسافت بین دو چرخش مجاور است – را تعیین می کند. مولفه ی عمودی شعاع مارپیچ را تعیین می کند و کمیتی است که در معادله ی به جای v جایگزین می شود.

شکل28-9 (c) مارپیچ حرکت یک ذره ی باردار در میدان مغناطیسی نایکنواخت را نشان می دهد. خطوط نزدیک به هم در انتهای سمت چپ و راست شکل28-9 (c)، اشاره می کند که میدان مغناطیسی در دو انتهای آن قوی تر است. وقتی میدان در انتهای به اندازه ی کافی قوی باشد، ذره از آن انتها بازتاب پیدا می کند. اگر ذره از هر دو انتها بازتاب پیدا کند، گفته می شود که در بطری مغناطیسی به دام افتاده است.

شکل 28-9، (a) یک ذره باردار که در میدان مغناطیسی یکنواخت B با سرعت v و زاویه ی ϕ نسبت به میدان حرکت می کند. (b) حرکت مارپیچی ذره در میدان مغناطیسی یکنواخت. (c) حرکت مارپیچی ذره در یک میدان مغناطیسی نایکنواخت.

سیکلوترون و سینکروترون

باریکه ای از ذرات پر انرژی مانند الکترون های و پروتون های پر انرژی، برای کاوش اتم ها و هسته ها و آشکار کردن ساختارهای بنیادی مواد مفید هستند. چگونگی تولید و کنترل چنین باریکه هایی یکی از چالش های بزرگ در این زمینه است. چون الکترون ها و پروتون ها باردار هستند، اگر در اختلاف پتانسیل بالایی حرکت کنند، می توانند شتاب لازم برای کسب انرژی های بالا را بدست آورند. چون الکترون ها جرم کمی دارد، شتابگیری آن ها در یک مسافت معقول صورت می گیرد. درحالی که، پروتون ها و دیگر ذرات باردا جرم بزرگتری دارند، مسافت لازم برای شتاب گیری آن ها خیلی طولانی است.

سیکلوترون

شکل 28-10، نمایی از بالای یک سیکلوترون را نشان می دهد. دو کاواک D-شکل (که در لبه ی تخت خود باز هستند) از ورقه مسی ساخته شده اند. این D ها قسمتی از یک نوسانگر الکتریکی که اختلاف پتانسیل الکتریکی بین شکاف D ها را متناوب می کند. علامت الکتریکی D ها به طور تناوبی تغییر کرده و باعث می شود جهت میدان الکتریکی ایجاد شده در شکاف بین دو D متناوبا تغییر کند. ابتدا به سمت یک D و سپس به سمت D دیگر. D ها در یک میدان مغناطیسی قوی در جهت خارج از صفحه شکل قرار گرفته اند.

فرض کنید یک پروتون از منبع S در مرکز سیکلوترون شکل 28-10، تزریق می شود. ابتدا به سمت D که به صورت منفی باردار شده است حرکت می کند و وارد آن می شود. چون D ها از دیواره ای مسی ساخته شده اند و یک پوسته ی مسی به شمار می روند میدان الکتریکی درون D ها وجود ندارد و پروتون ها درون D ها فقط توسط میدان مفناطیسی شتاب می گیرند و در یک مسیر دایره ای به شعاع r=mv/|q|B حرکت می کنند. هنگامی که پروتون از یک D وارد شکاف مرکزی بین D ها می شود، اختلاف پتانسیل بین D ها معکوس شده. بنابراین پروتون دوباره به D ی با بار منفی وارد می شود و دوباره شتاب می گیرد. این فرایند ادامه پیدا می کند تا پروتون در یک مسیر مارپیچی حرکت کند و در انتها توسط صفحه ی منحرف کننده از دستگاه خارج شود. نکته ی کلیدی در عملکرد این دستگاه این است که بسامد f حرکت دایره ای پروتون در میدان مغناطیسی باید با بسامد f_osc نوسان ساز الکتریکی برابر باشد، یا:

(22-28)

شرایط تشدید، بیانگر این مطلب است که اگر انرژی پروتون دوار افزایش یابد، بسامد f_osc برابر است با بسامد طبیعی f که پروتون در یک میدان مغناطیسی دوران می کند.

با استفاده از معادله ی 28-20 و معادله ی 28-22 می توانیم شرایط تشدید را به شکل زیر بنویسیم:

(23-28)

سینکروترون

برای پروتون هایی با انرژی بالای 50MeV ، سیکلوترون های مرسوم به به درستی کار نمی کنند. چون ما در طراحی آن فرض کردیم که فرکانس چرخش ذرات باردار در میدان مغناطیسی مستقل از سرعت ذرات است و این فقط برای سرعت هایی که خیلی از سرعت نور کمتر هستند درست است. برای پروتون هایی با سرعت بالا( بالای 10% سرعت نور)، ما باید با مسئله به صورت نسبیتی برخورد کنیم. طبق نظریه ی نسبیت، بسامد چرخش پروتون به طور پیوسته کاهش می یابد. بنابراین، پروتون دیگر با نوسان ساز سیکلوترون هماهنگ نیست و افزایش انرژی آن متوقف می شود. مشکل دیگر، برای پروتونی با انرژی 500GeV در میدان مغناطیسی 1.5T ، شعاع مسیر 1.1km است. آهنربای متناظر با این سیکلوترون قراردادی به طور غیر ممکنی گران است، (مساحت بین دو قطب آن حدود 4×10⁶m² خواهد بود.)

سینکروترون پروتون طراحی شد تا این دو مشکل را حل کند. میدان مغناطیسی B و بسامد نوسان ساز f_osc به جای اینکه همانند سیکلوترون مرسوم ثابت باشند، به گونه ای طراحی شد که با زمان تغییر کنند. وقتی این تنظیمات به شکل مناسبی انجام شود؛ (1) بسامد چرخش پروتون با بسامد نوسان ساز در همه ی زمان ها هماهنگ می شود، و (2) پروتون یک مسیر دایره ای را – نه یک مسیر مارپیچی – طی می کند. بنابراین آهنربا فقط در طول مسیر مورد نیاز است. سینکروترون پروتون در ایلی نویز (Fermilab) محیطی برابر با 6.3km دارد و می تواند پروتون هایی با انرژی بالای 1TeV(=10¹²eV) تولید کند.

نیروی مغناطیسی وارد بر سیم حامل جریان

قبلا در اثر هال دیدیم که میدان مغناطیسی، به الکترون های متحرک درون نیروی سیم نیرویی رو به پهلو وارد می کند. چون الکترون ها نمی توانند از درون سیم به بیرون فرار کنند این نیرو به خود سیم وارد می شود. شکل 28-11 (a)، سیم عمودی را نشان می دهد که در یک میدان مغناطیسی برون سو قرار دارد، جریانی از این سیم عبور نمی کند و در دو انتهای خود ثابت شده است. اگر جریان رو به بالای i در سیم برقرار شود، شکل28-11 (b)، سیم به سمت راست خم می شود و اگر جریان رو به پایین i در سیم برقرار شود، شکل28-11 (c)، سیم به سمت چپ خم می شود. شکل28-12، نشان می دهد که چه اتفاقی درون سیم شکل 28-11 (b) می افتد. ما می بینیم که الکترون های رسانش با سرعت v_d ، عمود بر میدان مغناطیسی به طرف پایین حرکت می کنند، بنابراین بزرگی نیروی وارد بر هر الکترون برابر است با ev_dB و جهت این نیرو با توجه به قاعده ی دست راست به سمت راست است. اگر طول L از سیم را درنظر بگیریم، همه ی الکترون های رسانش این قسمت از سیم در زمان t=L/v_d از صفحه ی xx عبور می کنند. بنابراین در زمان t ، بار:

(24-28)

از صفحه ی xx عبور می کند. با قرار دادن این بار در معادله ی 28-4، خواهیم داشت:

(25-28)

یا:

(26-28)

توجه داشته باشید که این معادله نیروی وارد بر طول L که حامل جریان i است و به صورت عمود در یک میدان مغناطیسی قرار گرفته است را می دهد. اگر میدان مغناطیسی عمود بر سیم نباشد، نیروی مغناطیسی توسط معادله زیر داده می شود:

(27-28)

که در آن L بردار طول در امتداد سیم و در جهت جریان i است. بزرگی نیروی مغناطیسی وارد بر سیم حامل جریان برابر است با:

(28-28)

که در آن ϕ زاویه ی بین جهت L و B است. معادله ی با معادله ی هم ارز است و بنابراین می تواند برای تعریف میدان مغناطیسی B مورد استفاده قرار گیرد. ما میدان الکتریکی را با استفاده از معادله ی تعریف می کنیم چون اندازه گیری نیروی مغناطیسی روی یک سیم آسانتر از اندازه گیری آن روی یک بار متحرک است.

اگر سیم حامل جریان مستقیم نباشد یا میدان مغناطیسی یکنواخت نباشد، ما می توانیم سیم را به قطعات کوچک و مستقیم، تقسیم کنیم و معادله ی 28-27، را برای هر قطعه به کار ببریم. در این صورت، نیروی وارد بر کل سیم برابر است با جمع کل تک تک این نیرو ها. در حد دیفرانسیلی، می توانیم بنویسیم:

(29-28)

گشتاور نیروی وارد بر حلقه ی جریان

امروزه بسیاری از کارهای جهان توسط موتور الکتریکی انجام می شود. نیرویی که این کارها را انجام می دهد، نیروی مغناطیسی است. شکل28-14 یک موتور الکتریکی ساده را نشان می دهد، که از یک حلقه حامل جریان در یک میدان مغناطیسی تشکیل شده است. دو نیروی مغناطیسی F و –F یک گشتاور روی حلقه ایجاد می کنند و باعث دوران حلقه حول محور مرکزی می شوند. شکل 28-15(a) یک حلقه ی مستطیلی با اضلاع a و b را نشان می دهد که جریان i از آن عبور می کند و در میدان مغناطیسی یکنواخت B قرار گرفته است. برای تعریف جهت گیری حلقه در میدان مغناطیسی، ما از بردار عمود n که عمود بر صفحه ی حلقه است استفاده می کنیم. شکل 28-15(b) قاعده ی دست راست را برای تعیین جهت n نشان می دهد. با توجه به شکل اگر جهت خم شدن چهار انگشت دست راست در جهت جریان حلقه باشد، شست دست راست جهت n رانشان می دهد. نیروی خالص وارد بر حلقه برابر است با جمع برداری نیرو های وارد بر هر چهار ضلع مستطیل. برای ضلع 2 اندازه یبردار L برابر با b و زاویه آن با B برابر است با 90˚–θ. بنابراین بزرگی نیروی وارد بر آن برابر است با:

(30-28)

به راحتی می توان نشان داد که اندازه ی نیروی وارد بر ضلع 4 نیز برابر با مقدار بالاست اما در جهت مخالف. بنابراین F₂ و F₄ یکدیگر را حذف می کنند. برای ضلع های 1 و 3 بزرگی نیروی F₁ و F₃ برابر است با iaB . چون این دو نیرو در خلاف جهت یکدیگر اند حلقه به پایین یا بالا حرکت نمی کند. به هر حال، همان طور که شکل نشان می دهد، این دو نیرو می توانند یک گشتاور خالص ایجاد کنند. و این گشتاور تمایل دارد که حلقه را طوری بچرخاند که بردار n با B هم جهت شود. بازوی گشتاور حول محور مرکزی حلقه b/2 sin θ است، بنابراین بزرگی گشتاور وارد شده به حلقه توسط نیروهای F₁ و F₃ برابر است با (به شکل 28-15نگاه کنید):

(31-28)

اگر ما تک حلقه را با یک سم پیچ با N حلقه (دور) جایگزین کنیم، و فرض کنیم که تقریبا تمام حلقه ها ابعاد یکسانی دارند و در یک صفحه قرار دارند، بزرگی گشتاور کل وارد بر سیم پیچ برابر است با:

(32-28)

که در آن A مساحت سطح سیم پیچ است. مساحت داخل پرانتز خصوصیات سیم پیچ است. معادله ی 28-32 برای هر سیم پیچ تختی که در میدان مغناطیسی یکنواخت قرار دارد قابل استفاده است. برای مثال، برای یک سیم پیچ دایره ای با شعاع r خواهیم داشت:

(33-28)

در یک موتور، هنگامی که بردار n با میدان B هم جهت شد، جهت جریان در سیم پیچ معکوس می شود تا دوباره هم جهت شدن n با میدان B ادامه پیدا کند، بنابراین گشتاور، به طور پیوسته سیم پیچ را می چرخاند. معکوس کردن خودکار جریان توسط جابجاگر (commutator) انجام می گیرد.

شکل 28-15، (a) یک حلقه ی مستطیل شکل در میدان مغناطیسی. (b) تعیین جهت بردار عمود بر سطح حلقه. (c) نمایش همان حلقه ی مستطیلی از ضلع 2.

گشتاور دو قطبی مغناطیسی

سیم پیچ حامل جریان نیز می تواند مانند آهنربای میله ای یک دو قطبی مغناطیسی درنظر گرفته شود. و برای محاسبه گشتاور وارد بر سیم پیچ در یک میدان مغناطیسی، ما یک گشتاور دوقطبی مغناطیسی μبرای سیم پیچ درنظر می گیریم. جهت μ در جهت بردار عمود n بر سطح سیم پیچ است. بنابراین از قاعده ی دست راست تعیین می شود. شکل 28-16. بزرگی گشتاور دوقطبی مغناطیسی به صورت زیر تعریف می شود:

(34-28)

که در آن N تعداد دورها ی سیم پیچ، i جریان سیم پیچ ، و A مساحت هر یک از دور های سیم پیچ است. با توجه به معادله ی بالا، یکای μ برابر است با آمپر – متر مربع.

ما می توانیم معادله ی 28-32، را با استفاده از μ به صورت زیر بنویسیم:

(35-28)

که در آن θ زاویه ی بین بردار μ و B است.ما می توانیم این معادله را به شکل برداری زیر بنویسیم:

(36-28)

اگر به خاطر بیاوریم این معادله به معادله ی گشتاور ناشی از میدان الکتریکی روی یک دوقطبی الکتریکی بسیار شبیه است:

(37-28)

یک دوقطبی مغناطیسی در یک میدان مغناطیسی خارجی، انرژی دارد که به جهت گیری دوقطبی در میدان وابسته است. برای دو قطبی الکتریکی ما نشان دادیم که:

(38-28)

با یک مقایسه، ما می توانیم انرژی پتانسیل دوقطبی مغناطیسی در میدان مغناطیسی را به صورت زیر بنویسیم:

(39-28)

هنگامی که گشتاور دوقطبی در جهت میدان مغناطیسی باشد، دوقطبی مغناطیسی کمترین انرژی (-μBcos0=-μB) را دارد. و وقتی که گشتاور دوقطبی در خلاف جهت میدان مغناطیسی باشد، دوقطبی مغناطیسی بیشترین انرژی(-μBcos180=+μB) را دارد. با توجه به معادله ی 28-39، ما می بینیم که یکای μ می تواند ژول بر تسلا نیز باشد. اگر یک گشتاور به کار رفته (توسط عامل خارجی) یک دوقطبی مغناطیسی را از جهت گیری اولیه θ_i به جهت گیری نهایی θ_f بچرخاند، کار W_a انجام شده روی دوقطبی مغناطیسی، اگر دوقطبی قبل و بعد از حرکت ساکن باشد توسط گشتاور اعمال شده برابر است با:

(40-28)

که در آن U_i و U_f از معادله ی 28-39 محاسبه می شود. تا کنون ما فقط سیم پیچ حامل جریان را دوقطبی مغناطیس درنظر گرفتیم. در حالی که، یک آهنربای میله ای نیز یک دوقطبی مغناطیسی است، زمین نیز به تنهایی (تقریبا) یک دوقطبی مغناطیسی است. سرانجام، بیشتر ذرات زیر اتمی، شامل الکترون، پروتون، و نوترون گشتاور دوقطبی مغناطیسی دارند.

شکل 28-1،یک آهنربای الکتریکی برای جمع کردن و انتقال قطعات فلز.

شکل 28-3، مسیر حرکت الکترون و پوزیترون در یک اتاقک حباب که میدان مغناطیسی یکنواخت به طرف بیرون صفحه ی شکل در آن برقرار است

جدول 28-1، برخی میدان های مغناطیسی

شکل 28-4، (a) خطوط میدان مغناطیسی برای آهنربای میله ای. (b) براده های آهن جذب شده توسط آهنربای میله ای.

شکل 28-7، (a) یک قطعه مس که حامل جریان i است و در میدان مغناطیسی B قرار گرفته است. (b) نیروی وارد بر حامل های بار و تفکیک بارها در لبه های قطعه مسی و ایجاد میدان الکتریکی. (c) اگر حامل های بار مثبت باشند و جریان در همان جهت اولیه باشد.

شکل 28-8، مسیر حرکت الکترون در یک اتاقک گاز با فشار کم در حالی که میدان مغناطیسی یکنواخت به طرف بیرون صفحه ی شکل است.

شکل 28-10، اجزاء یک سیکلوترون، میدان مغناطیسی به طرف خارج صفحه ی شکل است.

شکل 28-11، یک سیم حامل قابل انعطاف که در میدان مغناطیسی قرار گرفته است. با برقراری جریان در جهت های مختلف سیم به راست و چپ خم می شود.

شکل 28-12، نمای بسته از قسمتی از سیم شکل 28-11(b). نیروی وارد بر حامل های بار که با سرعت سوق حرکت می کنند.

شکل 28-13، نیروی وارد بر سیم حامل جریان در یک میدان مغناطیسی. نمایش بردارهای L، B، و F.

شکل 28-14،اجزاء یک موتور الکتریکی.

شکل 28-16،جهت گیری برای بالاترین انرژی و پایین ترین انرژی از یک دوقطبی مغناطیسی در یک میدان مغناطیس

خ.قائدی چهارشنبه 5 اسفند 1394 ساعت 21:03

0 نظر

اثار مغناطیسی جریان الکتریکی

تاریخچه

اثرهای ساده الکتریکی و مغناطیسی را از زمانهای قدیم می‌شناختند. حدود 600 سال قبل از میلاد یونانیان می‌دانستند که آهنربا آهن را جذب می‌کند و کهربای مالیده به لباس چیزهای سبک مانند کاه را بسوی خود می‌کشد. با وجود این اختلاف بین جذبهای الکتریکی و مغناطیسی تعیین نشده بود و این پدیده‌ها را از یک نوع در نظر می‌گرفتند.

خط فاصل روشن بین این دو پدیده را گیلبرت (W. Gilbert) ، فیزیکدان و طبیعت شناس انگلیسی پیدا کرد. و نیز او کتابی درباره آهنربا ، "اجسام آهنربایی" و "زمین به عنوان آهنربای بزرگ" در سال 1600 منتشر کرد. کار وی شروع بررسی در پدیده‌های الکتریکی را نشان می‌دهد. گیلبرت در این کتاب همه خواص آهنرباهای شناخته شده تا آن زمان را تشریح کرده و نتایج آزمایشهای خیلی مهم ، شخص خود را نیز آورده است. همچنین وی شماری از تفاوتهای اساسی بین جذبهای الکتریکی و مغناطیسی را مشخص نموده و اصطلاح “الکتریسیته“ را وضع کرده است.

سیر تحولی و رشد

بعد از انتشار کارهای گیلبرت ، تمایز بین پدیده‌های الکتریکی و مغناطیسی مسلم شد، اما به رغم اینکه اختلافها شماری از واقعیتها ارتباط ناگسستنی بین این پدیده‌ها را پدیدار ساخت. برجسته‌ترین این واقعیتها مغناطیس اشیای آهنی و وارونی عقربه قطب نما بر اثر آذرخش بودند.
آراگو (D. F. Arago) ، فیزیکدان فرانسوی در کتاب خود به نام "تندر و آذرخش" ، شرح می‌دهد که چگونه در ژوئیه سال 1681، در کشتی راین (reine) واقع در دریای آزاد حدود صدها مایل از ساحل بر اثر آذرخش دکلها ، بادبانها و غیره بطور جدی صدمه دیدند. وقتی که شب فرا رسید، از روی وضع ستارگان دریافت که از سه قطب نمای در دسترس دو تا بجای شمال به سمت جنوب ایستاده بودند، در حالی که یکی از آنها به سمت شمال بود، آراگو همچنین شرح می‌دهد که هرگاه آذرخش به خانه بخورد، کارد ، چنگال و سایر اشیای آهنی را به شدت آهنربا می‌کند.
در آغاز قرن هجدهم ثابت شد که آذرخش در واقع جریان الکتریکی شدیدی است که از هوا می‌گذرد. بنابراین به این نتیجه می‌رسیم که جریان الکتریکی خواص مغناطیسی دارد، اما این خواص جریان فقط در سال 1820 توسط اورستد (H. Oersted) فیزیکدان دانمارکی با آزمایش مشاهده و بررسی شد. همانطوری که نیروهای مؤثر بر بارهای الکتریکی نیروهای الکتریکی نام دارد، نیروهای مؤثر بر آهنرباهای طبیعی یا مصنوعی را نیروهای مغناطیسی می‌گویند.

منشأ میدان مغناطیسی

اگر در فضا نیروهای الکتریکی حاکم باشد و بر ذرات باردار نیروی الکتریکی وارد کند، می‌گوییم در این فضا میدان الکتریکی وجود دارد. از این رو آزمایش نشان می‌دهد که در فضای اطراف جریان الکتریکی ، نیروهای مغناطیسی ظاهر می‌شود، یعنی میدان مغناطیسی بوجود می‌آید.

img/daneshnameh_up/c/cf/Electromagnetism.JPG

اولین سوال اورستد

آیا ماده سیم روی میدان مغناطیسی بوجود آمده از جریان اثر دارد یا نه؟ اورستد دریافت که سیمهای اتصال را می‌توان از چند سیم یا نوار باریک مختلف درست کرد و جنس فلز در نتیجه اثر نمی‌گذارد (احتمالا اگر بزرگ باشد اثر می‌گذارد). چون فلزات مختلف ، مقاومتهای الکتریکی متفاوتی دارند، اگر به باتری وصل شود، می توانند جریانهای متفاوت داشته باشند و در نتیجه اثر مغناطیسی این جریانها متفاوت خواهد بود.

اما باید بخاطر داشت که آزمایش اورستد پیش از وضع قانون اهم و دستیابی به مفهوم بستگی مقاومت رساناها به جنس ماده تشکیل دهنده آنها انجام گرفته است. اگر آزمایش اورستد با سیمهای پلاتین ، طلا ، نقره ، برنج ، و آهن یا نوارهای روی و قلع یا جیوه انجام گیرد، همین نتیجه اخیر بدست می‌آید. اورستد آزمایشاتش را با فلز ، یعنی رساناهایی با رسانش الکترونی ، انجام داد.

اثر مغناطیسی جریان الکترولیتی

اگر در آزمایش اورستد فلز رسانا را با لوله دارای الکترولیت یا لوله‌ای که داخل آن تخلیه الکتریکی صورت می‌گیرد، استفاده شود. هر چند در این حالتها جریان الکتریکی از حرکت یونهای مثبت و منفی ناشی می‌شوند، ولی اثر آنها روی عقربه مغناطیسی با اثر رسانای فلزی یکسان است. بدون توجه به رسانای حامل جریان ، در فضای اطراف آن میدان مغناطیسی بوجود می‌آید. از اینرو می‌توان گفت که در اطراف هر جریانی میدان مغناطیسی ظاهر می‌شود. این خاصیت اصلی جریان الکتریکی در اثرهای حرارتی و شیمیایی جریان الکتریکی نقش بازی می‌کند.

اثر مغناطیسی جریان و خواص الکتریکی رسانا

ایجاد میدان مغناطیسی معمولترین خاصیت از سه خاصیت جریان الکتریکی است. جریان الکتریکی فقط در یک نوع رسانا (الکترولیتها) اثر شیمیایی بوجود می‌آورد، نه در دیگران (فلزات). مقدار جریان آزاد شده توسط جریان ، بسته به مقاومت رسانا ، می‌تواند بیشتر یا کمتر باشد. در ابر رساناها ممکن است همراه جریان ، گرما آزاد می شود. از طرفی دیگر میدان مغناطیسی با جریان الکتریکی پیوندی جدایی ناپذیر دارد. این میدان به خواص مشخصی از رسانا بستگی ندارد و فقط شدت و جهت جریان آن را تعیین می‌کند. بیشترین کاربردهای صنعتی الکتریسیته نیز بوجود میدان مغناطیسی جریان وابسته می‌باشند.

خ.قائدی چهارشنبه 5 اسفند 1394 ساعت 21:01

0 نظر

نیروی بین سیم های موازی حامل جریان

اگر به دوسر سیم رسانایی اختلاف پتانسیلی وصل کنیم چه اتقاقی می افتد؟

بله درست حدس زده اید وجود اختلاف پتانسیل سبب می شود که الکترون های سیم شروع به حرکت کنند و جریان الکتریکی در سیم به وجود آید.

حال اگر دو سیم را به دو سر باتری وصل کرده و آن ها را به موازات هم قرار دهیم چه اتفاقی می افتد؟

در این جا قصد داریم که توضیح دهیم بین سیم ها ی موازی حامل جریان چه اتفاقی می افتد.

همان طور که می دانید طبق آزمایش اورستد در اطراف سیم حامل جریان میدان مغناطیسی به وجود می آید که این میدان برابر است با :

نیروی بین سیم های موازی حامل جریان

حال اگر دو سیم (1) و (2) حامل جریان داشته باشیم این دو سیم بر هم نیرو وارد می کنند به چه صورت؟

سیم (1) در اطراف خود میدان مغناطیسیB₁ تولید می کند و بر سیم 2 تحت تاثیر این میدان نیروی الکترو مغناطیسی وارد می شود :

نیروی بین سیم های موازی حامل جریان

و بر سیم 1 تحت تاثیر میدان مغناطیسی سیم 2 نیز نیروی الکترو مغناطیسی وارد می شود.

روش یافتن نیروی وارد بر سیم:

اگر جریان دو سیم هم جهت باشد

نیروی بین سیم های موازی حامل جریان

جهت میدان مغناطیسی حامل جریان را طبق قانون دست راست تعیین می کنیم( به این ترتیب است که انگشت شست دست راست را در جهت جریان بگیریم بسته شدن چهار انگشت جهت میدان مغناطیسی را به ما می‌دهد. ) (شکل a) و بعد طبق قاعده دست راست جهت نیروی مغناطیسی سیم حامل جریان واقع در میدان مغناطیسی را مطابق شکل (b)

نتیجه:

اگر جریانی که از دو سیم می گذرد هم‌جهت باشند سیم ها یکدیگر رامی ربایند.

نیروی بین سیم های موازی حامل جریان

اگر جریان دو سیم مخالف هم باشند:

در این حالت نیز مطابق بالا عمل می کنیم بااین تفاوت که جهت نیروی دو سیم مخالف هم اند یعنی اگر جریان ها خلاف هم باشند » نیروها همدیگر را جذب می‌کنند.

از طرفی می توان نتیجه گرفت که طبق قانون سوم نیوتن نیروی وارد بر دوسیم، مساوی ولی مخالف جهت هم هستند:

نیروی بین سیم های موازی حامل جریان

خ.قائدی چهارشنبه 5 اسفند 1394 ساعت 21:00

0 نظر

خواص مغناطیسی مواد

رفتار مغناطیسی مواد

رفتار مغناطیسی مواد عمدتاً به ساختار الکترونی آنها بستگی خواهد داشت, که می توانند دو قطبیهای مغناطیسی را ارائه دهند. تأثیرات متقابل بین این دو قطبیها نوع رفتار مغناطیسی را مشخص می کند.

دو قطبیها- و گشتاورهای مغناطیسی

رفتار مغناطیسی موارد ناشی از حرکت الکترونهاست .هر الکترون در اتم دو گشتاور مغناطیسی دارد. یک گشتاور مغناطیسی از چرخش (اسپین) الکترون حول محور خود و دیگری ازحرکت اوربیتالی الکترون حول هسته اتم ایجاد می شود. درشکل زیر هر چرخش الکترون حول محور خودش به عنوان یک دو قطبی مغناطیسی عمل کرده و دارای گشتاور دو قطبی است که مغناطیس بر نامیده می شود.

آرایش الکترونی هر سطح انرژی معین می تواند حداکثر شامل دو الکترون (یک جفت الکترون ) با چرخش (اسپین) مخالف باشد. بنابراین ازآنجا که گشتاورهای مغناطیسی هر جفت الکترون درهر سطح انرژی برابر و خلاف جهت یکدیگر بوده ودر اغلب موارد آرایش الکترونها در اتمها به صورت جفت هستند. لذا دراین عناصر رفتار مغناطیسی مشاهده نمی شود.

تذکر:

براساس این استدلال, انتظار می رود که هر اتم از عنصر با عدد اتمی فرد یک گشتاور مغناطیسی ناشی از الکترون منفرد داشته باشد, اما این حالت همیشه برقرار نیست, در اغلب این گونه عناصر تک الکترون مدار خارجی یک الکترون ظرفیت بوده و به دلیل تأثیر متقابل الکترونهای ظرفیت هر اتم به طور متوسط گشتاورهای مغناطیسی یکدیگر را خنثی کرده و ماده در کل , رفتار مغناطیسی نخواهد داشت. اما عناصر معینی, مانند فلزات واسط, دارای سطح انرژی داخلی هستند کهبه طور کامل با جفت الکترون پر نشده است. ساختار الکترونی عناصر اسکاندیم (Sc) تا مس(Cu) که در جدول پایین نشان داده شده است. از این نوع است.

به استثنای کرم و مس, که در آنها الکترونهای ظرفیت در سطح 4s با جفت الکترون پر شده است. تک الکترونها در کرم و مس درنتیجه تأثیرات متقابل بادیگر اتمها, اثر خود را از دست می دهند بنابراین اوربیتالهای 3d درمس به طور کامل پر است و مس رفتار مغناطیسی از خود نشان نمی دهد. وجود تک الکترونها در لایه های الکترونی داخلی می تواند گشتاورهای دو قطبی مثبت کوچکی داشته باشد. مانند الکترونهای اوربیتالهای 3d در Fe , Co و Ni .

رفتار دیا مغناطیسی در مواد

با تاثیر میدان مغناطیسی خارجی در اتمهای ماده ای که در این میدان قرار می گیرد. تعادل الکترونهای آنها کمی برهم می خورد و دو قطبیهای مغناطیسی کوچکی در داخل اتمها ایجاد می شود. این دو قطبیها با میدان مغناطیسی خارجی مخالفت می کنند. این کنش یک اثر مغناطیسی منفی ایجاد می کند که رفتار دیا مغناطیسی نامیده می شود. نتیجه رفتار دیا مغناطیسی یک ضریب حساسیت مغناطیسی منفی بسیار کوچک است. رفتار دیا مغناطیسی در بسیاری از مواد مانند کادمیم, مس, نقره, قلع و روی دردمای معمولی محیط ایجاد می شود.

رفتار پارامغناطیسی درمواد

بعضی از عناصر واسط و عناصر قلیایی خاکی , شامل لایه های داخلی با الکترونهای منفرد هستند.

موقعی که این الکترونها با دیگر الکترونهای ظرفیت ماده به حالت تعادل در نیایند, یک گشتارو مغناطیسی در نتیجه چرخش این الکترونها باهر اتم همراه می شود. وقتی این گونه مواد در این میدان مغناطیسی قرار گیرند. با هم ردیف شدن گشتاورهای دو قطبیهای مغناطیسی اتمها یا مولکولها یک ضریب حساسیت مغناطیسی مثبت کوچکی به دست می آید این اثر رفتار پارا مغناطیسی نامیده می شود.

رفتار فرو مغناطیسی در فلزات

رفتار دیا مغناطیسی و پارا مغناطیسی با به کارگیری میدان مغناطیسی خارجی ایجاد می شود و فقط در مدت زمانی که میدان مغناطیسی حفظ می شود خاصیت مغناطیسی باقی می ماند. اما رفتار فرو مغناطیسی بدون اعمال میدان مغناطیسی خارجی در بعضی از مواد ظاهر می شود و اهمیت صنعتی زیادی دارد .

رفتار فرو مغناطیسی ناشی از وجود الکترونهای منفرد درسطوح انرژی 3d فلزات واسط آهن, کبالت و نیکل است چنین رفتاری در فلزات قلیایی خاکی کمیاب بااوربیتهای الکترونی منفرد (نیمه پر) 4f و 5d مانند عناصر sm,Eu و Gd که برای مواد مغناطیسی دائمی وجود دارد. در نمونه هایی از Fe, Co یا Ni باتاثیر متقابل اوربیتالهای الکترونی اتمهای مجاور اسپین الکترونهای خارجی پر نشده 3d درامتدادی موازی با یکدیگر جهت گیری می کنند.

این جهت گیری اسپینهای اوربیتالهای با الکترون منفرد باآرایش خاص فقط در دماهای پایی پایدار است در دماهای بالای به دلیل ارتعاشات حرارتی و به هم خوردگی پایین پایدار است در دماهای بالا به دلیل ارتعاشات حرارتی و به هم خوردگی شبکه جهت گیری اسپینها خاصیت مغناطیسی محو می شود. درجه حرارتی که در آن رفتار فرو مغناطیسی کاملا ناپدید می شود دمای کوری (Tc) نامیده می شود برای مثال دمای کوری آهن 7690c , نیکل 3850c و کبالت 11310c است

در پایینتر از دمای کوری جهت گیری دو قطبیهای مغناطیسی اتمی مواد مغناطیسی در محدوده های کوچکی که حوزه های مغناطیسی نامیده می شود. در ردیفهای خاص و منظمی خواهد بود. اگر حوزه های مغناطیسی به صورت اتفاقی و بی نظم جهت گیری یافته باشند. دراین صورت رفتار مغناطیسی در کل نمونه وجود نخواهد داشت. دردماهای بالاتر ازدمای کوری ماده پارا مغناطیسی است و دیگر به عنوان ماده فرو مغناطیسی هیچ گونه اهمیتی ندارد. البته چنانچه این ماده فرو مغناطیسی به آرامی از درجه حرارت بالای دمای کوری سردشود. حوزه های مغناطیسی شکل می گیرد و بدین ترتیب رفتار فرو مغناطیسی مجددا پدیدار می شود.

مواد فرو مغناطیسی عمدتا شامل فلزات واسط, آهن, کبالت و نیکل هستند. اما مخلوطی از اکسید آهن با دیگر اکسیدها به نام مواد مغناطیسی سرامیکی نیز وجود دارند. مواد فرو مغناطیسی سرامیکی از پختن (زینتر کردن) تحت فشار, در دمای بالا , تولید می شوند. البته خاصیت مغناطیسی این گونه مواد مانند مواد فرو مغناطیسی فلزی نیست. عنصر MnO درشکل نمایش داده شده است. این مواد رفتار ضد مغناطیسی یا غیر مغناطیسی دارند.

رفتار فری مغناطیسی در سرامیکها

در مواد سرامیکی , یونهای مختلف, گشتاورهای مغناطیسی متفاوتی دارند دو قطبیهای یون B در خلاف جهت میدان صف می کشند، اما به دلیل اینکه قدرت تحمل دو قطبیها برابر نیستند، نتیجه، ظاهر شدن رفتار مغناطیسی و مغناطیس شدن ماده است.مواد فری مغناطیسی می توانند کاربرد میدان اعمالی را بهبود بخشند. فریتها دارای هدایت الکتریکی کمی بوده و بدین دلیل برای بسیاری از کاربردهای الکترونیکی سودمندند.

چگونگی تشکیل مغناطیسی نرم و سخت

اثر حذف میدان: تمام مواد فرو مغناطیسی درمیدان مغناطیسی خارجی، مغناطیس می شوند، اما نوع رفتار مغناطیسی بعد از حذف میدان در آنها بسیار متفاوت است. بسیاری از مواد به آسانی مغناطیس می شوند و بعد از حذف میدان، خاصیت مغناطیسی خود را نیز به آسانی از دست می دهند. این گونه مواد، مواد مغناطیسی نرم نامیده میشوند. در مقابل این مواد، موادی که به سختی مغناطیس می شوند و پس از حذف میدان مغناطیسی خارجی رفتار مغناطیسی خود را هنوز درحد بسیار بالایی حفظ می کنند، مواد مغناطیسی سخت نامیده می شوند. مواد مغناطیسی سخت برای ساخت مغناطیسهای دائمی به کار می روند.

مواد مغناطیسی

فلزات مغناطیسی : آهن خالص، نیکل و کبالت معمولاً برای کاربردهای الکتریکی به کار نمی‌روند، زیرا که آنها الکتریکی و حلقه هیسترزیس نسبتاً بزرگی دارند که به اتلاف بیش ازحد توان منجر می‌شود. علاوه بر آن، آنها مغناطیسهای دائمی ضعیفی هستند و حوزه‌ها در آنها به راحتی جهت گیری مجدد می‌یابند و مغناطیس باقیمانده و حاصلضرب BH درمقایسه با آلیاژهای پیچیده کمتر است، در نتیجه وجود بعضی عیوب درشبکه کریستالی، تغییراتی در خواص مغناطیسی رخ می‌دهد. نابجاییها، مرزدانه‌ها، مرزهای بین فازهای چند گانه و عیوب نقطه‌ای به قفل شن مرزهای حوزه‌ها کمک می‌کنند. دراین صورت موقعی که میدان مغناطیسی حذف شود، جهت‌گیری حوزه‌ها حفظ می‌شود.

انواع مواد مغناطیسی

1-آلیاژهای آهن – نیکل

بعضی از آلیاژهای آهن- نیکل، مانند پرم آلوی (%55Fe-% 45Ni)، نفوذ پذیری بالایی دارند، که این خاصیت آنها را به عنوان مغناطیسهای نرم مفید ساخته است. به عنوان مثال می‌توان از هد نام برد، که اطلاعات را بر دیسکت کامپیوتر ذخیره می‌کند یا می‌خواند، هنگامی که دیسکت می‌چرخد، در زیرهد ، جریان، یک میدان مغناطیسی درهد ایجاد می‌کند . میدان مغناطیسی در هد، به نوبه خود، بخشی از دیسکت را مغناطیسی می‌کند جهت این میدان در هد جهت ذرات مغناطیسی موجود در دیسکت را تعیین کرده و نیتجتا اطلاعات را ذخیره می کند. اطلاعات می‌تواند با چرخیدن مجدد دیسکت در زیر هد مجددا کسب شود. محدوده مغناطیس شده در دیسکت جریانی در هد ایجاد می‌کند. جهت این جریان به جهت میدان مغناطیسی در دیسکت بستگی دارد.

2-آهن – سیلیسیم

با افزودن 3 تا %5Si به آهن آلیاژی به دست می‌آید که بع از فرآیند خاصی (نورد و آنیل کردن) در کاربردهای الکتریکی ، مانند موتورها و ژنراتورها مفید است . از رفتار مغناطیسی ناهمسانگرد ورق آهن سیلیسیم دار، که در آن دانه‌ها جهت‌دار شده‌اند، استفاده کرد.

3-مغناطیسهای کامپوزیتی

کامپوزیت لایه‌ای از ورقهای نازک آهن- سیلیسیم‌دار با ورقهایی از ماده عایق (دی الکتریکی) تولید می‌شود. لایه‌ها مقاومت ویژه مغناطیسهای کامپوزیتی را افزایش می‌دهند و آن را در فرکانسهای پایین و متوسط مناسب می‌سازند.

فلزهای شیشه‌ای

فلزی بی‌شکل (غیر کریستالی ) اغلب آلیاژهای پیچیده Fe-B با به کارگیری سرعت سرد کردن فوق العاده بالا در حین انجماد ( فرآیند انجماد سریع) تولید می‌شوند. شیشه‌های فلزی به صورت نوارهای نازک تولید شده و با انباشتن بر روی هم به مواد بزرگتر تبدیل می شوند. رفتار این مواد همانند مغناطیسهای نرم با نفوذ پذیری مغناطیسی بالا خواهد بود. عدم وجود مرزدانه‌ها حرکت آسان حوزه‌ها را ممکن می‌سازد.

دو روش برای تولید مواد مغناطیسی وجود دارد:

1- تبدیل فاز

2- متالورژی پودر

1- آلنیکو ، یکی از متداولترین آلیاژهای فلزی پیچیده ، ساختار تک فازی bcc در دماهای بالا دارد. اما موقعی که آلنیکو به آرامی تا زیر دمای 8000c سرد شود، فاز دومی با ساختار bcc با رسوبهای زیادی از آهن ونیکل به دست می‌آید. فاز دوم به اندازه‌ای ریزاست که هر ذره رسوب یک تک حوزه است. بدین ترتیب ماده‌ای مغناطیسی با رفتار مغناطیسی مناسب تولید می شود. غالبا ردیف کردن حوزه‌ها دراین آلیاژها باید با به کارگیری یک میدان مغناطیسی درحین سرد کردن و تبدیل انجام گیرد. آلیاژهای آهن- کرم کبالت ( باحدود %11Co, %28Cr, %61Fe-) از لحاظ ساختار شبیه به آلیاژهای آلنیکو بوده واز جمله آلیاژهای دائمی هستند. این نوع مغناطیسی بیشتر در گوشیهای تلفن استفاده می شوند.

-متالورژی پودر

برای گروهی از آلیاژهای فلزات قلیایی خاکی نادر، شامل زاماریم- کبالت به کار می‌رود. یک ترکیب آن Co5SM ترکیب بین فلزی است ، که PH بالایی نسبت به چرخش مغناطیسی الکترونهای منفرد در الکترونهای 4f زاماریم دارد. این ترکیب بین فلزی ترد برای تولید پودر ریزی، که در آن هر ذره یک حوزه باشد، خرد می‌شود. سپس این پودر، درحالی که برای جهت گیری و ردیف شدن حوزه‌ها در یک میدان مغناطیسی قرار می‌گیرد. متراکم می‌شود. فرآیند پخت (زینترینگ) باید با دقت تمام انجام شود. تا از رشد ذرات جلوگیری شود.

مواد سرامیکی فری مغناطیسی

سرامیکهای مغناطیسی متداول فریتها هستند، که ساختار کریستالی اشپینل دارند. هر یون فلزی در ساختار کریستالی به عنوان یک دو قطبی عمل می کند. اگر چه گشتاورهای دو قطبی هر نوع یون می‌تواند با دیگری مخالف کند، ولی قدرت تحمل دو قطبیها متفاوتند.

مغناطیسهای الکتریکی نرم موقعی به دست می‌آید که یون Fe2+ توسط مخلوطهای گوناگونی از Mn ، Zn، Ni و Cu جایگزین شود. یونهای نیکل و منگنز گشتاورهای مغناطیسی دارند.

کارکرد این گونه مواد را در فرکانسهای بالا ممکن می سازد. فریتهایی که در کامپیوترها به کار می‌روند، گروه دیگر مغناطیسهای سرامیکی نرم بر پایه سنگ لعل Y3Fe5O12 هستند. این اکسیدهای پیچیده که می‌توانند با آلومینیم یا کرم به جای آهن و یا لانتانیم به جای یتریم جایگزین شده وبهبهود یابند، رفتاری بسیاری شبیه فریتها دارند. سنگ دیگر بر پایه گادولینیم و گالیم است که می تواند به صورت لایه‌های نازک تولید شود. حوزه‌های مغناطیسی بسیار کوچک می‌تواند در این لایه‌ها ایجاد شود. این حوزه‌ها حافظه خود را در نتیجه قطع ناگهانی از دست نمی‌دهند.

مغناطیسهای سرامیکی سخت، که به عنوان مغناطیسهای دائمی انتخاب می‌شوند شامل اکسیدهای فلزی پیچیده دیگری هستند ( فریتهای هگزاگونال ) این فریتهای هگزاگونال شامل pbFe12O19, BaFe12o19,SrFe12O19 هستند.

کاربردهای الکتریکی

مواد فرو مغناطیسی نرم برای بالا بردن میدان مغناطیسی موقعی که جریان الکتریکی از ماده عبور می کند, به کار می روند کاربرد این مواد بیشتر به عنوان هسته الکترومعناطیسها، موتورهای الکتریکی، ترانسفورموتورها، ژنراتورها و دیگر تجیهزات الکتریکی است. ازآنجا که در این دستگاهها میدان مغناطیسی متناوبی به کار می رود، ماده هسته به طور متناوب و پیوسته داخل حلقه هیسترزیس عمل می کند.

مواد مغناطیسی برای حافظه‌های کامپیوتر

مواد مغناطیسی برای ذخیره سازی اطلاعات کامپیوتر به کار می روند. حافظه با مغناطیس کردن ماده در جهت معینی پر می‌شود. برای مثال، اگر قطب شمال بالا باشد واحد اطلاعاتی ذخیره شده 1 است و اگر قطب شمال پایین باشد یک صفر ذخیره شده است .

فریتهای مغناطیسی شامل منگنز، منیزیم یا کبالت می تواند این خواسته را برآورده سازد.

مواد مغناطیسی برای مغناطیسهای دائمی

آلیاژهای آهن – نیکل

بعضی از آلیاژهای آهن – نیکل ، مانند پرم آلوی (%55Fe-%45Ni) نفوذ پذیری بالایی دارند، که این خاصیت آنها را به عنوان مغناطیسهای نرم مفید ساخته است. به عنوان مثال، می‌توان از هد نام برد که اطلاعات را بر روی دیسکت کامپیوتر ذخیره می کند.

خ.قائدی چهارشنبه 5 اسفند 1394 ساعت 20:57

0 نظر

فصل دوم

جریان الکتریکی

مقدمه

در یک هادی عایق شده مانند قطعه‌ای سیم مسی ، الکترونهای آزاد شبیه مولکولهای گازی که در ظرفی محبوس شده‌اند، حرکات کاتوره‌ای انجام می‌دهند و مجموعه حرکات آنها در طول سیم هیچ گونه جهت مشخصی ندارد. تعداد الکترونهایی که به چپ حرکت می‌کنند با تعداد الکترونهایی که به راست حرکت می‌کنند، یکی است و برآیند آنها صفر می‌باشد. ولی اگر دو سر سیم را به باتری وصل کنیم، این برآیند دیگر صفر نیست.

تاریخچه

تاریخ الکتریسیته به 600 سال قبل از میلاد می‌رسد. در داستانهای میلتوس (Miletus) می‌خوانیم که یک کهربا در اثر مالش کاه را جذب می‌کند. مغناطیس از موقعی شناخته شد که مشاهده گردید، بعضی از سنگها مثل مگنیتیت ، آهن را می‌ربایند. الکتریسیته و مغناطیس ، در ابتدا جداگانه توسعه پیدا کردند، تا این که در سال 1825 اورستد (Orested) رابطه‌ای بین آنها مشاهده کرد. بدین ترتیب اگر جریانی از سیم بگذرد می‌تواند یک جسم مغناطیسی را تحت تأثیر قرار دهد. بعدها فاراده کشف کرد که الکتریسیته و مغناطیس جدا از هم نیستند و در مبحث الکترومغناطیس قرار می‌گیرد.

مشخصات جریان الکتریکی

از نظر تاریخی نماد جریان I ، از کلمه آلمانی Intensit که به معنی شدت است، گرفته شده است. واحد جریان الکتریکی در دستگاه SI ، آمپر است. به همین علت بعضی اوقات جریان الکتریکی بطور غیر رسمی و به دلیل همانندی با واژه ولتاژ ، آمپراژ خوانده می‌شود. اما مهندسین از این گونه استفاده ناشیانه ، ناراضی هستند.

آیا شدت جریان در نقاط مختلف هادی متفاوت است؟

شدت جریان در هر سطح مقطع از هادی مقدار ثابتی است و بستگی به مساحت مقطع ندارد. مانند این که مقدار آبی که در هر سطح مقطع از لوله عبور می‌کند، همواره در واحد زمان همه جا مساوی است، حتی اگر سطح مقطعها مختلف باشد. ثابت بودن جریان الکتریسیته از این امر ناشی می‌شود که بار الکتریکی در هادی حفظ می‌شود. در هیچ نقطه‌ای بار الکتریکی نمی‌تواند روی هم متراکم شود و یا از هادی بیرون ریخته شود. به عبارت دیگر در هادی چشمه یا چاهی برای بار الکتریکی وجود ندارد.

سرعت رانش

میدان الکتریکی که بر روی الکترونهای هادی اثر می‌کند، هیچ گونه شتاب برآیندی ایجاد نمی‌کند. چون الکترونها پیوسته با یونهای هادی برخورد می‌کنند. لذا انرژی حاصل از شتاب الکترونها به انرژی نوسانی شبکه تبدیل می‌شود و الکترونها سرعت جریان متوسط ثابتی (سرعت رانش) در راستای خلاف جهت میدان الکتریکی بدست می‌آورند.

چگالی جریان الکتریکی

جریان I یک مشخصه برای اجسام رسانا است و مانند جرم ، حجم و ... یک کمیت کلی محسوب می‌شود. در حالی که کمیت ویژه‌ دانستیه یا چگالی جریان j است که یک کمیت برداری است و همواره منسوب به یک نقطه از هادی می‌باشد. در صورتی که جریان الکتریسیته در سطح مقطع یک هادی بطور یکنواخت جاری باشد، چگالی جریان برای تمام نقاط این مقطع برابر j = I/A است. در این رابطه A مساحت سطح مقطع است. بردار j در هر نقطه به طرفی که بار الکتریکی مثبت در آن نقطه حرکت می‌کند، متوجه است و بدین ترتیب یک الکترون در آن نقطه در جهت j حرکت خواهد کرد.

اشکال مختلف جریان الکتریکی

در هادیهای فلزی ، مانند سیمها ، جریان ناشی از عبور الکترونها است، اما این امر در مورد اکثر هادیهای غیر فلزی صادق نیست. جریان الکتریکی در الکترولیتها ، عبور اتمهای باردار شده به صورت الکتریکی (یونها) است، که در هر دو نوع مثبت و منفی وجود دارند. برای مثال، یک پیل الکتروشیمیایی ممکن است با آب نمک (یک محلول از کلرید سدیم) در یک طرف غشا و آب خالص در طرف دیگر ساخته شود. غشا به یونهای مثبت سدیم اجازه عبور می‌دهد، اما به یونهای منفی کلر این اجازه را نمی‌دهد. بنابراین یک جریان خالص ایجاد می‌شود.

جریان الکتریکی در پلاسما عبور الکترونها ، مانند یونهای مثبت و منفی است. در آب یخ زده و در برخی از الکترولیتهای جامد ، عبور پروتونها ، جریان الکتریکی را ایجاد می‌کند. نمونه‌هایی هم وجود دارد که علیرغم اینکه در آنها ، الکترونها بارهایی هستند که از نظر فیزیکی حرکت می‌کنند، اما تصور جریان مانند 'حفره‌های (نقاطی که برای خنثی شدن از نظر الکتریکی نیاز به یک الکترون دارند) مثبت متحرک ، قابل فهم تر است. این شرایطی است که در یک نیم هادی نوع p وجود دارد.

اندازه گیری جریان الکتریکی

جریان الکتریکی را می‌توان مستقیما توسط یک گالوانومتر اندازه گیری کرد. اما این روش نیاز به قطع مدار دارد که گاهی مشکل است. جریان را می‌توان بدون قطع مدار و توسط اندازه گیری میدان مغناطیسی که جریان تولید می‌کند، محاسبه کرد. ابزارهای مورد نیاز برای این کار شامل سنسورهای اثر هال ، کلمپ گیره‌های جریان و سیم پیچهای روگووسکی است.

مقاومت الکتریکی

اگر اختلاف پتانسیل معینی را یک بار به دو انتهای سیم مسی و بار دیگر به دو انتهای میله چوبی وصل کنیم، شدت جریانهای حاصل در هر لحظه با هم اختلاف زیادی خواهند داشت. خاصیتی از هادی را که اختلاف مزبور را باعث می‌شود، مقاومت الکتریکی گویند، که آن را با R نشان می‌دهند و مقدار آن برابر R = V/I است که در آن V اختلاف پتانسیل بین دو سر سیم و I جریان الکتریکی است. واحد مقاومت الکتریکی اهم یا ولت بر آمپر می‌باشد.

توان الکتریکی

یک مدار الکتریکی را در نظر می‌گیریم که حامل جریان I و ولتاژ V بوده و یک مقاومت Rدر آن قرار دارد. بار الکتریکی dq موقع عبور از مقاومت به اندازه Vdq ، از انرژی پتانسیل الکتریکی خود را از دست می‌دهد. طبق قانون بقای انرژی ، این انرژی در مقاومت به صورت دیگری ، مثلا گرما ظاهر می‌شود. گر در مدت زمان dt ، انرژی du حاصل شود، در این صورت داریم:

P=du/dt

در این رابطه P ، توان الکتریکی است که دارای واحد وات می‌باشد. برای یک مقاومت می‌توان توان را به صورت زیر:

P = RI²

خ.قائدی چهارشنبه 5 اسفند 1394 ساعت 20:54

0 نظر

مقاومت رسانای اهمی و عوامل موثر بر انها

مقاومت الکتریکی:

وقتی جریان الکتریکی از یک رسانا – مانند رشته ی درون لامپ – می گذرد، مقداری از انرژی الکتریکی به انرژی گرمایی تبدیل شده و باعث گرم شدن لامپ می شود.

وقتی در یک رسانا را به مولد وصل می کنیم، اختلاف پتانسیل الکتریکی مولد، باعث می شود که الکترون های آزاد، در مدار حرکت می کنند. در واقع مولد به الکترون های آزاد موجود در رسانا انرژی می دهد. با تبدیل انرژی پتانسیل به انرژی جنبشی (حرکتی) الکترون ها در رسانا به حرکت در می آیند، الکترون ها ضمن حرکت در رسانا با ذره های سازنده ی آن برخورد کرده و در نتیجه رسانا گرم می شود. این عمل مرتبا تکرار می شود یعنی مولد به الکترون ها انرژی می دهد و انرژی الکترون ها در برخورد با ذره های مرتعش رسانا به گرما تبدیل می شود.
به همین دلیل بعد از مدتی که از مولد استفاده می شود، انرژی آن تمام خواهد شد.
مقاومت رسانا در مقابل حرکت الکترون ها را "مقاومت الکتریکی" رسانا می گویند.

عوامل موثر در مقاومت الکتریکی رساناهای فلزی:

مقاومت یک رسانای فلزی در دمای ثابت به عوامل زیر بستگی دارد:
1- طول رسانا:
هر چه طول سیم بلند تر باشد مقاومت الکتریکی آن بیش تر است. به عبارت دیگر مقاومت الکتریکی باطول سیم رابطه مستقیم دارد. طول سیم را با L نمایش می دهند و یکای اندازه گیری آن متر است.

2- سطح مقطع رسانا:
مقاومت الکتریکی سیم های نازک بیش تر از سیم های کلفت است. به عبارت دیگر مقاومت الکتریکی با سطح مقطع سیم رابطه عکس دارد. سطح مقطع سیم را با A نمایش می دهند و یکای اندازه گیری آن مترمربع (m²) است.

3- جنس رسانا (مقاومت ویژه):
مقاومت ویژه ی پاره ای از رساناها مانند نقره و مس کم و پاره ای دیگر مانند تنگستن و آهن نسبتا زیاد است.
مقاومت ویژه را با ρ نمایش می دهند و یکای اندازه گیری آن اهم متر (Ω.m) است.
با توجه به مطالب گفته شده، مقاومت یک رسانا از رابطه ی زیر به دست می آید.

R مقاومت الکتریکی است و برحسب "اهم" اندازه گیری می شود.
واحد مقاومت به افتخار خدمات علمی (گئورک زیمون اهم) نامگذاری شده است و نماد آن Ω می باشد.
مقاومت الکتریکی رسانا را با وسیله ای به نام "اهم متر" اندازه می گیرند.

اگر این وسیله، همراه با ولت سنج و آمپر سنج یک دستگاه را تشکیل دهند آوومتر "AVO metre" نامیده می شود. (A برای اندازه گیری آمپر، V برای ولت و o برای اهم است)

قانون اهم:
آزمایش ها نشان می دهد که هر چه مقدار مقاومت الکتریکی یک مدار بیش تر باشد، شدت جریان الکتریکی در آن مدار کم تر است. از این رو می توان نتیجه گرفت که در یک مدار الکتریکی بین شدت جریان مدار، ولتاژ و مقاومت الکتریکی رابطه ی زیر وجود دارد.

مثلث اهم:
قانون اهم را می توان در مثلث مقابل قرار دارد. بنابر این دست خود را روی کمیت مورد نظر قرار V=IR می دهیم و عملیات ریاضی باقیمانده را انجام می دهیم.

توجه: مقاومت الکتریکی یک رسانا با تغییر دما تغییر می کند. در رساناهای فلزی افزایش دما سبب افزایش مقاومت ویژه در نتیجه افزایش مقاومت رسانا می شود.

خ.قائدی چهارشنبه 5 اسفند 1394 ساعت 20:52

0 نظر

نیروی محرکه

اطلاعات اولیه

اگر در سلول دانیل ، محلولهای 1M از ZnSO₄ و 1M از CuSO₄ بکار رفته باشد، آن سلول را با نماد گذاری زیر نشان می‌دهیم:

(Zn(s)|Zn²⁺(1M)|Cu²⁺(1M)|Cu(s

که در ان ، خطوط کوتاه عمودی ، حدود فازها را نشان می‌دهند. بنابر قرارداد ، ماده تشکیل دهنده آند را اول و ماده تشکیل دهنده کاتد را در آخر می‌نویسیم و مواد دیگر را به ترتیبی که از طرف آند به کاتد با آنها برخورد می‌کنیم، میان آنها قرار می‌دهیم.

جریان الکتریکی تولید شده در یک سلول ولتایی ، نتیجه نیروی محرکه الکتریکی (emf) سلول است که بر حسب ولت اندازه گیری می‌شود. هرچه تمایل وقوع واکنش سلول بیشتر باشد، نیروی محرکه الکتریکی آن بیشتر خواهد بود. اما emf یک سلول معین ، به دما و غلظت موادی که در آن بکار رفته است، نیز بستگی دارد.

emf استاندارد

ْε یا emf استاندارد ، مربوط به نیروی محرکه سلولی است. که در آن ، تمام واکنش‌دهنده‌ها و محصولات واکنش ، در حالت استاندارد خود باشند. مقادیر ْε معمولا برای اندازه گیری‌هایی که در آن 25 درجه سانتی‌گراد به عمل آمده، معین شده است. البته حالت استاندارد یک جامد یا یک مایع ، خود آن جامد خالص یا مایع خالص است. حالت استاندارد یک گاز یا یک ماده خالص در یک محلول ، حالتی است که دارای فعالیت واحد ایده‌آل باشد. اما این حالت ایده‌آل ، به‌علت جاذبه‌های بین مولکولی و بین یونی ، عملا قابل حصول نیست. به همین علت ، تصحیحات لازم برای انحراف از حالت ایده آل بایستی به عمل آید.

در این بحث فرض می‌کنیم که بتوانیم فعالیت یونها را با غلظت مولی آنها و فعالیت گازها را با فشار آنها برحسب اتمسفر نشان دهیم. از این رو ، با درنظر گرفتن این تقریب ، یک سلول استاندارد شامل یونهای با غلظت 1M و گازهایی ( اگر وجود داشته باشند ) با فشار 1atm خواهد بود.

اندازه‌گیری emf

هرگاه بخواهیم emf یک سلول را به‌عنوان میزان قابل اطمینانی برای تمایل وقوع واکنش آن سلول بکار بگیریم، ولتاژ سلول باید بیشترین مقداری باشد که بتوان از آن سلول بدست آورد. اگر به هنگام اندازه‌گیری ، مقدار محسوسی از الکتریسیته جریان پیدا کند، ولتاژ اندازه گیری شده ، ε ، به‌علت مقاومت درون سلول کاهش خواهد یافت. علاوه بر این ، وقتی که سلول جریان تولید می‌کند، واکنشهای الکترودی موجب تغییر غلظت و در نتیجه کاهش ولتاژ می‌شود.

بنابراین ، emf یک سلول باید به طریقی اندازه‌گیری شود که الکتریسیته محسوسی در سلول جاری نشود. این کار با استفاده از پتانسیل‌سنج صورت می‌گیرد. مدار پتانسیل سنج شامل منبع جریانی با ولتاژ تغییر پذیر و وسیله ای برای اندازه‌گیری این ولتاژ است. سلول مورد مطالعه به نحوی که به مدار پتانسیل سنج متصل می‌شود که emf آن با emf منبع جریان پتانسیل سنج مقابله کند.

emf برگشت پذیر

اگر emf سلول ، بیشتر از emf پتانسیل سنج باشد، الکترونها در جهت عادی ، یعنی در جهت عادی ، یعنی در جهت تخلیه خودبخودی این نوع سلول ، جریان پیدا می‌کنند. از طرف دیگر ، اگر emf منبع جریان پتانسیل سنج بیش از emf سلول باشد، الکترونها در جهت مخالف جریان پیدا می‌کنند و این موجب می‌شود که واکنش سلول در جهت عکس صورت گیرد. هرگاه این دو نیروی محرکه الکتریکی ، دقیقا با یکدیگر برابر باشند، الکترونها جریان پیدا نمی‌کنند. این ولتاژ ، emf برگشت پذیر سلول می‌باشد. emf یک سلول دانیل استاندارد برابر با 1,10 V است.

محاسبه emf

قوانین فارادی درباره واکنشهای سلولهای ولتایی و همچنین سلولهای الکترولیتی بکار می‌آید. اما باید به این نکته توجه داشت که الکتریسیته بوسیله نیم واکنشهای اکسایش و کاهش که همزمان در کاتد و آند صورت می‌گیرند، تولید می‌شود و سلول در صورتی جریان تولید می‌کند که هر دو نیم واکنش صورت گیرند.

بنابراین ، از اکسایش 1mol فلز روی ، هنگامی دو فارادی الکتریسیته تولید می‌شود که همراه با آن ، 1mol یون ²⁺Cu در کاتد کاهش یابد. معادلات جزئی:

آند Zn → Zn²⁺ + 2e

کاتد 2e + Cu²⁺ → Cu

وقتی که برحسب مول بیان می‌شوند، نمایانگر به جریان افتادن 2N الکترون (N عدد آووگادرو است) یا تولید 2F الکتریسیته است. در یک سلول ، مقدار انرژی الکتریکی تولید شده ، برحسب ژول برابر با حاصلضرب مقدار الکتریسیته حاصل ، برحسب کولن ، در emf سلول ، برحسب ولت است. بنابراین انرژی الکتریکی تولید شده از واکنش 1mol یونهای مس II را می‌توان به‌صورت زیر حساب کرد:

96500C *2 (1,10V)=212000J = 212 KJ

یک ولت کولن یک ژول است.
Emf بکار رفته در این محاسبه ، emf برگشت پذیر ( ْε ) سلول دانیل استاندارد و از این رو ، ماکسیمم ولتاژ این سلول است. پس ، مقدار انرژی محاسبه شده (212KJ) ماکسیمم کاری است که از عملکرد این نوع سلول بدست می‌آید. بیشترین کار خالصی که می‌توان از یک واکنش شیمیایی که در فشار و دمای ثابت انجام می‌گیرد، بدست آورد، میزانی از کاهش انرژی آزاد گیبس این سیستم است. برای سلول دانیل استاندارد ، G∆ برابر -212KJ است. از این رو:

G=-nFε∆

که در آن ، n تعداد مولهای الکترون منتقل شده در واکنش (یا تعداد فارادیهای تولید شده) ، F مقدار فارادی برحسب واحدهای مناسب و ε نیروی محرکه الکتریکی برحسب ولت است. اگر F را به صورت 96485C بیان کنیم، G∆ برحسب ژول بدست می‌آید. تغییر انرژی آزادی که از emf استاندارد ، ْε حاصل می‌شود، با نماد ْG∆ مشخص می‌شود. تغییر انرژی آزاد یک واکنش ، میزان تمایل وقوع آن واکنش را نشان می‌دهد.

اگر برای ایجاد تغییبری در یک سیستم لازم باشد که بر سیستم انجام شود، آن تغییر خود بخود نخواهد بود. یک تغییر خودبخود ، در فشار و دمای ثابت ، آن گونه تغییری است که بتوانیم از آن ، کار خالص بدست آوریم. پس برای هر واکنش خودبخود ، انرژی سیستم کاهش می‌یابد، یعنی G∆ منفی است. چون G=-nFε∆ است، فقط وقتی که ε مثبت باشد، واکنش سلول خودبخود خواهد بود و سلول می‌تواند به عنوان منبع انرژی الکتریکی بکار آید.

خ.قائدی چهارشنبه 5 اسفند 1394 ساعت 20:35

0 نظر

تواغن الکتریکی چیست ؟و توان در مدار های الکتریکی

توان الکتریکی چیست ؟

توان به معنی سرعت تبدیل انرژی است. در دستگاه هایی که برای تبدیل انرژی به کار می روند، هر چه این سرعت، بیش تر باشد، قدرت دستگاه نیز بیش تر است . مثلا در ژنراتور، توان بیش تر، نشان دهنده تولید انرژی برقی بیش تر است . در مصرف کننده ها نیز همین موضوع صدق می کند. لامپی که توان بیش تری دارد، نور زیادتری هم تولید می کند.

چگونه توان را محاسبه کنیم ؟

سرعت تبدیل انرژی از تقسیم مقدار آن بر زمانی که آن انرژی تبدیل شده، به دست می آید. (انرژی الکتریکی از حاصل ضرب ولتاژ در جریان در زمان به دست می آید) . اگر میزان انرژی را بر زمان تقسیم کنیم، حاصل ضرب ولتاژ مدار در جریان آن باقی می ماند که این همان رابطه توان است:

(توان = ولتاژ *جریان)

البته این رابطه فقط برای مدارهای DC صدق می کند و در مدارهای AC رابطه دیگری دارد که بعدا به آن می پردازیم .

واحد و دستگاه اندازه گیری توان چیست ؟

توان با واحد وات و در مقادیر بالاتر با کیلو وات و مگاوات سنجیده می شوند که توسط وات متر اندازه گیری می شود.

اداره برق چگونه بهای برق مصرفی را محاسبه می کند؟

در همه انشعابات، کنتور، میزان انرژی تحویلی به مصرف کننده ها را اندازه می گیرد و توسط شماره هایی نشان می دهد. این شماره ها بر حسب کیلو وات ساعت تنظیم شده اند . برای دانستن میزان مصرف یک ماه، شماره ماه قبل را از شماره جدید کسر می کنند؛ همچنین هر مشترک موظف است در ماه، مبلغی را به عنوان حق اشتراک که ارتباطی به میزان مصرف ندارد، بپردازد.

به عبارت دیگر، شما هرچه برق مصرف کنید، یک مبلغ ثابت ماهیانه به نام حق آبونمان به آن اضافه می شود.

بهای برق مصرفی، از حاصل ضرب مصرف یک ماه در بهای هر کیلو وات ساعت به دست می آید که در آخر، آبونمان و نیز مالیات صدا و سیما اضافه می شود که مورد آخر، هیچ نفعی برای اداره برق ندارد .

نیروگاه سیکل ترکیبی خوی

چرا نرخ برق به صورت تصاعدی حساب می شود؟

این امر به منظور تشویق مشترکین برای مصرف کم تر است. البته مصرف کم تر باعث کاهش بار نیروگاه ها و پست های توزیع شده و این خود باعث کم تر روشن ماندن ژنراتورها و پایین آمدن هزینه می شود. البته در کشورهای پیشرفته به علت فراوانی نیروگاه ها هزینه روشن کردن مجدد ژنراتور، بیش تر از مورد خاموش ماندن آن است و این سبب تشویق مصرف کننده به افزایش مصرف است؛ به عبارت دیگر نرخ تصاعدی در این کشورها برعکس ایران است.

منظور از زمان اوج مصرف چیست؟

در زمان های خاصی از شبانه روز، انرژی زیادی از شبکه برق گرفته می شود که معمولا این زمان، ابتدای شب است؛ زیرا در این زمان بیش ترین مصرف لوازم برقی در منازل و به خصوص مغازه ها

وجود دارد. در این مواقع ژنراتورها بیش ترین بار را تحمل می کنند و در نتیجه سوخت بیش تری مصرف می شود.

خطرات ناشی از برق:

این خطرات به دو دسته خطرات آتش سوزی و خطرات برق گرفتگی تقسیم می شوند . در صورتی که در یک مدار الکتریکی اتصال کوتاه پیش آید و برطرف نشود، جریان مدار به شدت افزایش یافته و حرارت زیادی تولد می کند. این حرارت، باعث آتش گرفتن عایق سیم ها و گسترش آن به مواد آتش گیر دیگر است. خطر ناشی از برق گرفتگی، به طور مستقیم، شخص را تهدید می کند.

.

..

.

طریقه محاسبه توان و جریان و ولتاژ الکتریکی

در این پست چند تا از فرمول های مهم و ابتدایی رشته الکترونیک رو براتون توضیح خواهیم داد که این فرمول ها پایه الکترونیک هستند و به وسیله این فرمولهای باید مدارات را آنالیز و بررسی کنیم ، در الکترونیکی بیشتر پارامترهای اجرایی را می توان از روی پارامتر های دیگر بدست آورد برای مثال در قانون اهم سه مولفه جریان و مقاومت و ولتاژ مدار را می توان از روی همدیگر به صورت تک مجهولی بدست آوریم که به صورت های زیر است :

1 - محاسبه توان الکتریکی

برای محاسبه توان الکتریکی باید از یکی از فرمولهای زیر استفاده کنید

الف - جریان ضربدر ولتاژ

ب - ولتاژ به توان دو تقسیم بر مقاومت

ج - جریان ضربدر مقاومت به توان دو

2 - محاسبه ولتاژ و جریان و مقاومت الکتریکی ( قانون اهم )

ولتاژ = مقاومت ضربدر جریان

مقاومت = ولتاژ تقسیم بر جریان

جریان = ولتاژ تقسیم بر مقاومت

وان الکتریکی

انرژی الکتریکی را که توسط یک دستگاه در یک ثانیه به مصرف می رسد، توان الکتریکی آن دستگاه می نامند و با نماد P نشان می دهند.

س: توان مصرفی از چه رابطه ای محاسبه می شود؟ P=IV

نکته: اگر دو لامپ 60 واتی و 100 واتی را یک بار بطور متوالی و یک با بطور موازی به ولتاژ یکسان وصل نماییم ، در حالت موازی نور لامپ 100 واتی بیشتر می باشد . ولی در حالت متوالی نور لامپ 60 واتی. زیرا در حالت متوالی چون جریانها یکسان است ، لامپ 60 واتی ، ولتاژ بیشتری را از مولد دریافت می دارد . بنابراین نورش بیشتر است . P=IV

الف- با کار کردن مداوم یک باتری، از انرژی آن کاسته می شود یا خیر؟ آیا می توان به طریقی انرژی از دست رفته را تأمین کرد؟

ب- در چه نوع باتری هایی( مولدها) این عمل امکان پذیر است؟

ج- درون باتری( مولد) چه اتفاقی رخ می دهد که بار الکتریکی ظاهر می شود؟

جواب الف-با کار کردن مداوم یک باتری از انرژی آن کاسته می شود. در برخی از باتری ها توسط شارژ کننده می توان انرژی کاسته شده را دوباره به باتری برگرداند.

جواب ب- در باتری های سربی خودروها و نیز باتری های خشک از نوع (نیکل- کادمیم) امکان شارژ مجدد وجود دارد.

جواب ج- هر باتری دارای دو قطب مثبت و منفی است. در اثر تغییرات شیمیایی مواد داخل باتری، مقداری الکترون در قطب منفی و به همان اندازه یون مثبت در قطب مثبت باتری جمع می شوند. هنگامی که باتری در مدار قرار می گیرد، اکترون های قطب منفی از طریق مدار به طرف یونهای مثبت قطب مثبت به حرکت در می آیند.

بهای انرژی الکتریکی مصرفی:

بهای انرژی الکتریکی مصرفی را که باید برای مصرف انرژی الکتریکی بپردازیم از حاصلضرب توان مصرفی در مدت زمان استفاده شده از دستگاه بستگی دارد.

W=Pt

اگر توان مصرفی بر حسب وات باشد انرژی مصرفی بر حسب وات ثانیه خواهد بود.
اگر توان مصرفی بر حسب کیلووات باشد انرژی مصرفی بر حسب کیلووات ساعت خواهد بود. (kwh)
که معمولاً از حالت دوم استفاده می‎شود.

(قیمت هر کیلو وات ساعت) *	30 *	زمان *	توان	= بهای انرژی الکتریکی مصرفی ماهیانه
(بر حسب ریال)	(تعداد روز)	(بر حسب ساعت)	(برحسب وات)	بر حسب ریال

مسئله: یک باتری 12 ولتی جریانی حدود 210 آمپر از آن می‎گذرد. در هر 10 ثانیه چه مقدار انرژی مصرف می شود ؟

W=VIt
W=10*210*12 =25200 ^Jol

مسئله: یک سماور برقی دارای توان مصرفی 2 کیلووات می‎باشد اگر به ولتاژ 220 ولت وصل شود چه جریانی از آن می‏گذرد.

P=VI
1000*2=220 I ==> I =100/11^A

مسئله : اگر یک لامپ 100 واتی در یک شبانه ‎روز 8 ساعت روشن باشد بهای برق مصرفی ماهیانه چقدر می‎شود (بهای هر کیلو وات ساعت 100 ریال فرض کنید)
توجه وات را به کیلو وات تبدیل می‎کنیم :

( قیمت به ریال)*	(30 )	* p	*t	= بهای برق مصرفی ماهیانه
ریال 2400 = 100*	30	* (1000/100)	* 8	= بهای برق

Eتذکر: در مراکز مسکونی یا صنعتی که مصرف انرژی الکتریکی زیاد است، برای محاسبه هزینه لازم، زمان مصرف را بر حسب ساعت( h ) و توان مصرفی را بر حسب کیلو وات( kw ) در نظر می گیرند. در این صورت با توجه به رابطه W=Pt ، انرژی مصرفی بر حسب کیلو وات ساعت ( kwh ) بوده و شمارنده ها( کنتورها) انرژی الکتریکی را بر حسب کیلووات ساعت مشخص می کنند که برابر است با:

26- انرژی الکتریکی نسبت به سایر انرژی ها سالم تر بوده و انتقال و تبدیل آن آسان تر است.

27- انرژی الکتریکی تبدیل شده( یا مصرف شده) در یک وسیله الکتریکی با عامل های زیر متناسب است:

الف- مقاومت الکتریکی رسانا(R).

ب- زمان عبور جریان الکتریکی( t).

پ- مجذور شدت جریان الکتریکی²(I) .

28- با توجه به عامل های بند قبل مصرف انرژی الکتریکی( W) در یک وسیله الکتریکی از رابطه زیر محاسبه می شود:

W=RI²t

29- انرژی الکتریکی را که توسط یک دستگاه در یک ثانیه به مصرف می رسد توان الکتریکی آن دستگاه می نامند و بانماد P نشان می دهند و یکای آن وات است. توان مصرفی از رابطه زیر محاسبه می شود: P=RI²

با توجه به رابطه اهم یعنی V=RI برای توان مصرفی رابطه های زیر را نیز می توان به دست آورد:

P=VI و P= V²/R

30- با توجه به تعریف توان مصرفی، انرژی الکتریکی مصرف شده(W) در یک وسیله الکتریکی در زمان(t ) از رابطه زیر بدست می آید:

W=Pt

31-برای محاسبه انرژی الکتریکی مصرف شده در مراکز مسکونی یا صنعتی و تجاری، مقدار انرژی الکتریکی مصرف شده در یک ساعت بر حسب کیلووات ساعت را به عنوان یکا یا مبنای محاسبه در نظر می گیرند و آن را با نماد kwh نشان می دهند.

آشنایی با الکترونیک - توان چیست؟

منبع تغذیه ای که جریانش بیشتر باشد میتواند کار بیشتری انجام دهد یا منبع تغذیه ای که ولتاژش بیشتر باشد ؟

گفتیم که ولتاژ باعث حرکت الکترونها میشود که حرکت الکترونها همان جریان میباشد .

در منابع تغذیه یک مقاومت داخلی وجود دارد که باعث میشود در هنگام تغذیه نمودن یک مصرف کننده ولتاژ منبع تغذیه کاهش یابد پس قدرت یک منبع تغذیه به دو عامل بستگی دارد یکی ولتاژش و دیگری مقاومت داخلی اش .

حالا میخواهیم ببینیم که چگونه برای یک منبع تغذیه جریان تعیین میکنند ؟

وقتی میگویند مثلاً : یک باطری یا یک آدابتور 12 ولت و 2 آمپر است یعنی اینکه اگر جریان 2 آمپر از این منبع تغذیه دریافت کنیم کاهش ولتاژش در حدود 5 - 10 درصد است که این مقدار کاهش ولتاژ تاثیر چندانی بر روی مدارات ندارد حالا اگر بیشتر از این مقدار جریان از منبع تغذیه بگیریم (مصرف کننده های بیشتری به آن وصل کنیم ) این کار دو پی آمد دارد یکی اینکه ولتاژ مورد نیاز را به مانمی دهد (ولتاژش کاهش میابد) و دوم اینکه به خود منبع تغذیه آسیب وارد میشود .

معمولاً ولتاژ منابع تغذیه را کمی بیشتر انتخاب میکنند که در حالت کار معمولی که جریان متوسطی از آن گرفته میشود ولتاژش به ولتاژ اصلی برسد مثلاً یک منبع تغذیه را که ما به عنوان منبع 12 ولتی خریداری میکنیم در حالتی که هیچ مصرف کننده ای به آن وصل نیست اگر با ولتمتر ولتاژش را اندازه گیری کنیم حدوداً 14 ولت را نشان میدهد .

چرا در حالتی که منبع به هیچ مصرف کننده ای وصل نیست مقاومت داخلی ولتاژ را افت نمیدهد ؟

چون که مقدار ولتاژی را که مقاومت داخلی افت میدهد به مقدار جریان عبوری از منبع تغذیه بستگی دارد که در این حالت چون جریان صفر است افت ولتاژی هم وجود ندارد .

نتیجه گیری کلی :

هر منبع تغذیه دو کمیت دارد ، یکی ولتاژ و دیگری قابلیت جریان دهی (حداکثر جریان مجاز) که بستگی به مقاومت داخلی اش دارد پس قدرت کلی منبع تغذیه به این دو کمیت وابسته است لذا برای تعیین قدرت یک منبع کمیت سومی نیز بوجود می آید که توان نام دارد و واحد آن وات (W) است که از حاصلضرب جریان و ولتاژ بدست می آید یعنی توان یک منبع 12 ولتی 2 آمپر 24=12*2 وات است که نشان دهنده قدرت آن میباشد .

هر چه توان یک منبع بیشتر باشد حجم و وزن آن نیز بیشتر میشود . فرق باطری ماشین با 8 عدد باطری 1.5 ولتی سری(باطری قلمی) در این است که اگر با 8 عدد باطری 1.5 ولتی بتوانیم حداکثر 2 لامپ 12 ولتی را روشن کنیم با باطری ماشین دست کم 50 عدد از همان لامپ را میتوان هم زمان روشن کرد زیرا مقاومت داخلی باطری ماشین خیلی کم است و وقتی جریان زیادی از آن دریافت میکنیم کاهش ولتاژش کم است ولی در باطری قلمی وقتی بیشتر از 2 یا 3 لامپ به آن وصل میکنیم ولتاژش کاهش یافته و نور لامپها کم میشود.

برای محاسبه مقدار افت ولتاژ از همان رابطه اهم استفاده میکنیم

V=R*I

طبق این رابطه مقدار افت ولتاژ دو سر مقاومت با تغییر جریان تغییر میکند.

برای هر عنصری که در یک مدار الکتریکی وجود دارد میتوان توان را محاسبه کرد بطور کلی دو نوع توان در یک مدار وجود دارد 1- توان تولیدی که توسط منبع تغذیه تولید میشود 2- توان مصرفی که توسط مصرف کننده ها مصرف میشود ، در یک مدار همیشه توان تولیدی با توان مصرفی برابر است ((در صورت صرفنظر کردن از تلفات سیمهای رابط))

توانی که یک مقاومت مصرف میکند به جریان عبوری از آن بستگی دارد که طبق رابطه زیر محاسبه میشود :

W=R*I^2

بطور کلی سه فرمول برای توان میتوان نوشت :

W=V^2/R

W= V*I

W=R*I^2

منبع :s-ta-p.persianblog.com

توان مولد :
هر مولد سه توان دارد:

1) توان کل یا توانی که به مدار می فرستد P₁=E.I
2) توان تلف شده در مولد p₂=rl²
3) توان مولد P₃=E.l.rl²=Rl²
هر قدر r کوچکتر باشد توان مفید مولد بیشتر است.

تمرین 2-5 :
در مدار شکل 2-19 آمپرسنج 15A ، و ولت سنج 4 ولت را نشان می دهد.
الف)‌مقاومت R را محاسبه کنید. ب) توان مصرف شده در مقاومت R و توان تولیدی مولد را محاسبه کنید.
پ) افت پتانسیل دو مولد را محاسبه کنید.
ت) مقاومت درونی مولد را محاسبه کنید.

حل:
الف:

ب:

P=RI²=8*(0/5)²=2w.p =E.I = 4/5 *0/5 =2/25w

پ:

E - V = rI=

افت پتانسیل

=>4/5 - 4 =0/5

ولت

ت:

افت پتانسیل

=rI =>

0/5 =r *0/5 => r = 1

توان الکتریکی در یک مقاومت چگونه است ؟

توان در مقاومت همواره بصورت مصرفی است . به این معنی که مقاومت در یک مدار همیشه توان را مصرف می کند . این توان بصورت حرارت خود را نشان می دهد که مقدار آن تابع مستقیم مجذور جریان عبوری از ان است .

منحنی تغییرات توان در مقاومت در جریان AC چگونه است ؟

در جریان AC که شکل موج بصورت سینوسی است ولتاپ و جریان همفا ز می باشند در نتیجه حاصل ضرب ایندو همواره دارای یک علامت است ( توان همیشه در مقاومت مثبت می باشد )

در یک سلف خالص توان چگونه است ؟

در جریان dc سلف فقط در حین قطع و صل جریان از خود عکس العمل نشان می دهد اما ÷س از جاری شدن جریان همانند یک مقاومت سیمی عمل می کند . اما در جریان ac سلف مطابق قانون لنز در برابر تغییرات جریان یک نیروی ضد محرکه ایجاد می کند که خود را بصورت عکسالعملی در برابر تغییر جریان نشان می دهد . بنابراین در سلف جریان و ولتاپ همفاز نبوده بلکه جریان 90 درجه نسبت به ولتاژ ÷س فاز است . این موضوع در توان یک سلف خود را بصورت توانهای مثبت و منفی نشان می دهد . ( شکل 2 ) بعبارت دیگر سلف در یک سیکل از جریان یا ولتاژ دارای دو سیکل بوده که در این دو سیکل هنگام توان مثبت از شبکه بار می شود و در توان منفی به شبکه انرژی پس می دهد .

با این اوصاف سلف در مدار توان مصرفی ندارد این موضوع را چگونه توضیح می دهید ؟

در حالت تئوری محض این قضیه کاملا درست است و وفقط در زمان اتصال مدار سلف از شبکه جریان می کشد . اما در عمل اتفاقی که روی می دهد اتلاف انرپی در مسیر عبور جریان به سلف است . به این معنی که سلف بخشی از توانی را که می خواهد به شبکه پس بدهد بصورت حرارت در مسیر عبور آن هدر می دهد .

چرا از سلف در مدارات استفاده می شود ؟

هیچگاه در برق تفکیک الکتریسیته از مغناطیس امکان پذیر نیست . هر جا الکتریسته وجود دارد ردی از مغناطسی هم وجود دارد . همچنین در تمامی وسایلی که در آنها از سیم پیچ استفاده می شود ( مانند الکتروموتورها – مولدها و ترانسها ) اثر سلفی مدار وجود دارد . نمی توان کار دستگاههای ذکر شده را بدون تصور خاصیت سلفی ممکن دانست . پس سلف و خاصیت آن را نمی توان از بین برد .

توان اکتیو و راکتیو به چه معنا است ؟

توانی که از شبکه کشیده می شود توان راکتیو نام دارد . این توان در مقاومت بیشترین مقدار خود را دارد . توانی که در یک مدار سلفی خالص بین سلف و شبکه تبادل می شود توان راکتیو است . این توان برای انجام کار سلف ضروری است اما با زگشت آن به شبکه بار ان را زیاد می کند .

انرژی گرمایی مصرفی W در مقاومت الکتریکی

انرژی الکتریکی هنگام شارش بار الکتریکی در هنگام عبور از یک مقاومت به انرژی گر مایی تبدیل می شود . انرژی که یک رسانا مصرف می‎کند به عواملی مانند مقاومت رسانا - شدت جریان عبوری از رسانا‎- زمان عبور جریان و ولتاژ اعمال شده بستگی دارد و واحد آن در سیستم SI ژول می‎باشد .

فرمولهای انرژی گرمایی مصرفی

R: مقاومت رسانا I: شدت جریان t: زمان V: اختلاف پتانسیل

توان الکتریکی مصرفی در مقاومت الکتریکی: P

نسبت انرژی الکتریکی مصرفی بر واحد زمان را گویند ،که واحد در سیستم SI آن (ژول بر ثانیه) یا (وات) می‎باشد.

نکته : اگر دو لامپ 60 واتی و 100 واتی را یک بار بطور متوالی و یک با بطور موازی به ولتاژ یکسان وصل نماییم ، در حالت موازی نور لامپ 100 واتی بیشتر می باشد . ولی در حالت متوالی نور لامپ 60 واتی. زیرا در حالت متوالی چون جریانها یکسان است ، لامپ 60 واتی ، ولتاژ بیشتری را از مولد دریافت می دارد . بنابراین نورش بیشتر است .


	P=VI

بهای انرژی الکتریکی مصرفی:

بهای انرژی الکتریکی مصرفی را که باید برای مصرف انرژی الکتریکی بپردازیم از حاصلضرب توان مصرفی در مدت زمان استفاده شده از دستگاه بستگی دارد.

W=Pt

اگر توان مصرفی بر حسب وات باشد انرژی مصرفی بر حسب وات ثانیه خواهد بود.
اگر توان مصرفی بر حسب کیلووات باشد انرژی مصرفی بر حسب کیلووات ساعت خواهد بود. (kwh)
که معمولاً از حالت دوم استفاده می‎شود.

(قیمت هر کیلو وات ساعت) *	30 *	زمان *	توان	= بهای انرژی الکتریکی مصرفی ماهیانه
(بر حسب ریال)	(تعداد روز)	(بر حسب ساعت)	(برحسب وات)	بر حسب ریال

مسئله: یک باتری 12 ولتی جریانی حدود 210 آمپر از آن می‎گذرد. در هر 10 ثانیه چه مقدار انرژی مصرف می شود ؟

W=VIt
W=10*210*12 =25200 ^Jol

مسئله: یک سماور برقی دارای توان مصرفی 2 کیلووات می‎باشد اگر به ولتاژ 220 ولت وصل شود چه جریانی از آن می‏گذرد.

P=VI
1000*2=220 I ==> I =100/11^A

مسئله : اگر یک لامپ 100 واتی در یک شبانه ‎روز 8 ساعت روشن باشد بهای برق مصرفی ماهیانه چقدر می‎شود (بهای هر کیلو وات ساعت 100 ریال فرض کنید)
توجه وات را به کیلو وات تبدیل می‎کنیم :

	(30 )	( قیمت به ریال*)	* p	*t	= بهای برق مصرفی ماهیانه
ریال 2400 =	30	*100	* (1000/100)	* 8	= بهای برق

خ.قائدی چهارشنبه 5 اسفند 1394 ساعت 20:14

0 نظر

ابر برجسب

جدیدترین یادداشت‌ها

بایگانی

تقویم

جستجو

دید کلی

تاریخچه

قطب‌های میدان مغناطیسی زمین

مولفه‌های مشخص کننده میدان مغناطیسی زمین

جابجایی قطبهای مغناطیسی زمین

ناهنجاری مغناطیسی زمین

توفان مغناطیسی

منشأ میدان مغناطیسی زمین

محتویات

B و H

نیروی الکترومغناطیسی سیم حامل جریان

میدان مغناطیسی اطراف سیم راست

میدان مغناطیسی داخل پیچه مسطح حامل جریان

میدان مغناطیسی داخل سیملوله حامل جریان

میدان مغناطیسی و آهن‌ربای دائم

گشتاور در آهنربا مربوط به میدان B

تاریخچه

سیر تحولی و رشد

منشأ میدان مغناطیسی

اولین سوال اورستد

اثر مغناطیسی جریان الکترولیتی

اثر مغناطیسی جریان و خواص الکتریکی رسانا

نیروی بین سیم های موازی حامل جریان

روش یافتن نیروی وارد بر سیم:

نتیجه:

اگر جریان دو سیم مخالف هم باشند:

فصل دوم

جریان الکتریکی

مقدمه

تاریخچه

مشخصات جریان الکتریکی

آیا شدت جریان در نقاط مختلف هادی متفاوت است؟

سرعت رانش

چگالی جریان الکتریکی

اشکال مختلف جریان الکتریکی

اندازه گیری جریان الکتریکی

مقاومت الکتریکی

توان الکتریکی

مقاومت الکتریکی:

عوامل موثر در مقاومت الکتریکی رساناهای فلزی:

اطلاعات اولیه

emf استاندارد

اندازه‌گیری emf

emf برگشت پذیر

محاسبه emf

توان الکتریکی چیست ؟

چگونه توان را محاسبه کنیم ؟

اداره برق چگونه بهای برق مصرفی را محاسبه می کند؟

چرا نرخ برق به صورت تصاعدی حساب می شود؟

منظور از زمان اوج مصرف چیست؟

خطرات ناشی از برق:

بهای انرژی الکتریکی مصرفی:

انرژی گرمایی مصرفی W در مقاومت الکتریکی

توان الکتریکی مصرفی در مقاومت الکتریکی: P

بهای انرژی الکتریکی مصرفی: