ما هو المغناطيس
تُعرف المادة التي تمتلك مغناطيسية باسم “المغناطيس”. يولد المغناطيس مجالًا مغناطيسيًا يمثل القوة المغناطيسية الموجودة داخل المغناطيس والمنطقة المحيطة به. إنّ المجال المغناطيسي متجه بطبيعته ويتم تحديد قوته من خلال كثافة خطوط المجال. هذا بسبب تجميع خط المجال. تتنافر أقطاب المغناطيس المتشابهة مع بعضها البعض بينما تجذب أقطاب المغناطيس المختلفة بعضها البعض. وهناك نوعان من المغناطيس: المغناطيس الكهربائي والمغناطيس الدائم.
تعريف المغناطيس الكهربائي
المغناطيسات الكهربائية: هي المادة التي تنتج مجالًا مغناطيسيًا نتيجة لتدفق التيار الكهربائي. وتتشكل هذه عن طريق لف سلك موصل حول قلب معدني ناعم. في الأساس، عندما يتم توفير الإثارة للسلك بواسطة مصدر، يتدفق التيار الكهربائي عبر السلك. فيؤدي هذا إلى تكوين مجال مغناطيسي حول الملف، مما يتسبب في تمغنط المعدن.
المجال المغناطيسي الذي تنتجه المغناطيسات الكهربائية ذو طبيعة مؤقتة حيث يعتمد توليد المجال المغناطيسي على تدفق التيار. وبالتالي، مع إزالة التيار، يتضاءل المجال المغناطيسي أيضًا. لذلك، يمكننا القول أنّ قوة هذه المغناطيسات تختلف باختلاف كمية التيار المتدفق عبر الملف. وبالتالي، في بعض الأحيان يشار إليه على أنّه مغناطيس يمكن التحكم فيه.
للمغناطيسات الكهربائية قطب شمالي وجنوبي مختلف يعتمد على اتجاه تدفق التيار. المجال المغناطيسي في المغناطيس الكهربائي هو نتيجة لتدفق التيار في موصلين متجاورين. ومن ثمّ، فإنّ اتجاه تدفق التيار يحدد المجال المغناطيسي. القوة بين اثنين من الموصلين هي نتيجة التفاعل بين المجالين.
تعريف المغناطيس الدائم
المغناطيس الدائم عبارة عن مادة صلبة مغناطيسية ممغنطة في وقت التصنيع وبالتالي يكون لها مجال مغناطيسي خاص بها. هذه لا تحتاج إلى طاقة خارجية لأنّ خصائصها المغناطيسية مستقلة عن أي إثارة خارجية. الأنواع المختلفة من المغناطيس الدائم هي:
- مغناطيس – Alcino.
- مغناطيس نيوديميوم – Neodymium.
- مغناطيس الفريت – Ferrite.
- مغناطيس السماريوم كوبالت – Samarium Cobalt.
المجال المغناطيسي للمغناطيس الدائم
الآن، السؤال الذي يطرح نفسه، كيف للمغناطيس الدائم مجال مغناطيسي خاص به؟
بشكل أساسي، تحتوي المادة المغناطيسية على مجال مغناطيسي ضعيف يتم إنشاؤه بواسطة الإلكترونات المحيطة بنواة الذرة. تشكل هذه المجموعة من الذرات مجالات مغناطيسية. لإنشاء مغناطيس دائم من مادة مغناطيسية حديدية، يتم توفير درجة حرارة عالية للغاية للمادة المغناطيسية الخارجية في وجود مجال مغناطيسي خارجي قوي. هذا يؤدي إلى اصطفاف المجالات المغناطيسية في اتجاه المجال المغناطيسي الخارجي. بمجرد حصول المادة على تشبعها المغناطيسي، يتم تبريدها بينما تظل المجالات ثابتة في موضعها المحاذي. هذا يخلق مغناطيس قوي دائم.
يتم توفير مغنطة المواد لمحاذاة المجالات الموجودة في اتجاهات عشوائية. هذا لأنّه في اتجاهات عشوائية تلغي المجالات المغناطيسية للنطاقات بعضها البعض. وهكذا، بمجرد جعل مغناطيسات المغناطيس الدائم ممغنطة، فإنّها تحتفظ بخصائصها المغناطيسية لفترة طويلة جدًا. ومع ذلك، فإنّ إزالة مغناطيسية المغناطيس الدائم تتم بشكل عام عن طريق تعريض المغناطيس لدرجة حرارة عالية جدًا. لأنّ هذا يتسبب في انتشار المجالات المتوافقة مرة أخرى.
الفرق بين المغناطيس الدائم والمغناطيس الكهربائي
المغناطيسات الكهربائية والمغناطيس الدائم هما النوعان الرئيسيان من المواد التي تظهر خصائص مغناطيسية. ومع ذلك، يتم التمييز بين الاثنين إلى حد كبير على أساس توليد المجال المغناطيسي. لذا، فإنّ الاختلاف بين المغناطيس الكهربائي والمغناطيس الدائم هو أنّ المغناطيس الكهربائي يولد مجالًا مغناطيسيًا عندما يتم توفير تيار كهربائي له. في مقابل ذلك، ينتج المغناطيس الدائم مجالأ مغناطيسيًا من تلقاء نفسه عندما يكون ممغنطًا.
جدول المقارنة بين المغناطيس الكهربائي والمغناطيس الدائم:
| أوجه المقارنة | المغناطيس الكهربائي | المغناطيس الدائم |
| توليد المجال المغناطيسي | بسبب التيار الكهربائي. | بسبب خصائص المواد عند المغنطة. |
| قوة المجال المغناطيسي | تعتمد قوة المجال على إجمالي التيار المتدفق عبر الملف اللولبي أو الملف. | هنا تعتمد شدة المجال المغناطيسي فقط على المادة المعنية. |
| المغنطة | مؤقتة | دائمة |
| نوع المادة المستخدمة | عموماً لب الحديد اللين. | عادةً ما تستخدم مادة صلبة. |
| إزالة المغناطيسية | يتم إزالة المغناطيسية عند توقف تدفق التيار. | يتم إزالة مغناطيسية المادة عندما تتعرض لدرجة حرارة عالية للغاية. |
| متطلبات القوة الخارجية | يوجد | لا يوجد |
| احتباس المجال المغناطيسي | يتم الاحتفاظ بالمجال حتى الوقت الذي يتدفق فيه التيار عبر المادة. | تحتفظ هذه المواد بالمجال طوال الوقت. |
| التكلفة | قليلة | مرتفعة نسبياً. |
| أقطاب المغناطيس | يمكن أن تتنوع. | هنا لا يمكن تغيير القطبين. |
| مثال | ملف لولبي عبر مكواة. | شريط المغناطيس. |
| التطبيقات | الأجراس الكهربائية ومكبرات الصوت والمحركات وما إلى ذلك. | الهواتف المحمولة وسماعات الرأس وأجهزة الاستشعار وما إلى ذلك. |
الاختلافات الرئيسية بين المغناطيس الكهربائي والمغناطيس الدائم:
- يوفر المغناطيس الكهربائي مغنطة مؤقتة بينما يُظهر المغناطيس الدائم مغنطة دائمة لفترة طويلة من الوقت.
- يعتمد المجال المغناطيسي للمغناطيسات الكهربائية على التيار المتدفق عبر المادة. ومع ذلك، في حالة المغناطيس الدائم، يوجد المجال المغناطيسي في المادة بمجرد أن تصبح ممغنطة.
- نظرًا لأنّ المواد الكهرومغناطيسية تتطلب تدفقًا مستمرًا للتيار، فإنّ الإمداد المنتظم للطاقة الكهربائية ضروري في حالة المغناطيس الكهربائي. في حين أنّ هذا ليس هو الحال مع المغناطيس الدائم.
- بشكل عام، كلما ظهرت الحاجة إلى إزالة مغناطيسية (demagnetizing) المغناطيس، يتم إزالة مغناطيسية المغناطيس الكهربائي ببساطة عن طريق إزالة تدفق التيار عبر المادة. في حين أنّ درجة الحرارة الزائدة الزائدة مطلوبة أن تتوفر من أجل إزالة المغناطيسية عن المغناطيس الدائم.
- بالنسبة للمغناطيس الكهربائي، تتغير قوة المجال المغناطيسي وفقًا لكمية التيار المتدفق عبر المادة. ومع ذلك، على الرغم من أنّ المغناطيس الدائم يحافظ على المجال المغناطيسي بشكل دائم لفترة طويلة جدًا إذا ضاعت الخاصية المغناطيسية، فإنّ المادة تكون عديمة الفائدة.
- يعد الملف اللولبي المتعرج (solenoid winding) عبر لب الحديد مثالًا على المغناطيس الكهربائي، بينما بالنسبة للمغناطيس الدائم، فإنّ المغناطيس الشريطي (bar magnet) هو مثال عليه.
- التكلفة الأولية للمغناطيس الكهربائي منخفضة ولكنّها تتطلب مصدرًا مستمرًا للطاقة لإنتاج مجال مغناطيسي. على عكس المغناطيس الدائم، فهو أكثر تكلفة نسبيًا من المغناطيسات الكهربائية ولكنّه لا يتطلب مصدر طاقة خارجي.
- نظرًا لأنّ المغناطيسات الكهربائية تحتاج إلى اقتران نحاسي، فإنّها تحتاج إلى مساحة أكبر بينما المغناطيس الدائم له هيكل مضغوط نسبيًا.
- تعتمد قطبية المغناطيسات الكهربائية على اتجاه تدفق التيار وبالتالي يمكن أن تتنوع. ومع ذلك، فإنّ القطبية في حالة المغناطيس الدائم ثابتة ولا يمكن تغييرها.
لذلك، نستنتج أنّ المجال المغناطيسي للمغناطيس الكهربائي يعتمد على التيار وبالتالي فهو مؤقت بطبيعته. بينما مجال المغناطيس الدائم يكون دائمًا ممغنطًا.
خصائص المغناطيس الكهربائي
- قوة المجال المغناطيسي: تعتمد على كمية التيار الكهربائي الذي يمر عبر الملف.
- اتجاه المجال المغناطيسي: يعتمد على اتجاه التيار الكهربائي.
- وجود المجال المغناطيسي: موجود فقط عندما يتدفق التيار الكهربائي عبر الملف.
استخدامات المغناطيس الكهربائي
- المحركات الكهربائية: تُستخدم المغناطيسات الكهربائية لتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة حركية.
- مكبرات الصوت: تُستخدم المغناطيسات الكهربائية لتحويل الإشارات الكهربائية إلى صوت.
- أجهزة الإنذار: تُستخدم المغناطيسات الكهربائية لكشف الأجسام المعدنية.
- الرافعات: تُستخدم المغناطيسات الكهربائية لرفع الأجسام المعدنية الثقيلة.
مميزات المغناطيس الكهربائي
- قوة عالية: يمكن أن تكون المغناطيسات الكهربائية أقوى بكثير من المغناطيسات الدائمة.
- تحكم سهل: يمكن التحكم في قوة المجال المغناطيسي بسهولة عن طريق تغيير كمية التيار الكهربائي.
- استخدامات متنوعة: يمكن استخدام المغناطيسات الكهربائية في العديد من التطبيقات المختلفة.
عيوب المغناطيس الكهربائي
- الحاجة إلى مصدر طاقة: تتطلب المغناطيسات الكهربائية مصدرًا للطاقة الكهربائية لتشغيلها.
- التعقيد: قد تكون المغناطيسات الكهربائية أكثر تعقيدًا من المغناطيسات الدائمة.
- التكلفة: قد تكون المغناطيسات الكهربائية أكثر تكلفة من المغناطيسات الدائمة.
