اقرأ في هذا المقال
- ما هو المغناطيس الكهربائي؟
- كيف يعمل المغناطيس الكهربائي؟
- أجزاء المغناطيس الكهربائي
- التطبيقات الرئيسية للمغناطيس الكهربائي
ما هو المغناطيس الكهربائي؟
المغناطيسات الكهربائية مختلفة عن المغناطيسات الدائمة، فهي مصنوعة من لفائف من الأسلاك التي تمر عبرها الكهرباء، تخلق الشحنات المتحركة مجالات مغناطيسية، لذلك عندما يمر تيار كهربائي في لفائف الأسلاك في المغناطيس الكهربائي، فإنّ الملفات تتصرف مثل المغناطيس، أمّا عندما تتوقف الكهرباء عن التدفق، لا تعمل الملفات مثل المغناطيس بعد الآن، تُستخدم المغناطيسات الكهربائية في الكثير من الأجهزة الإلكترونية عندما تكون القوى المغناطيسية مطلوبة فقط لفترات زمنية قصيرة.
المغناطيس الكهربائي: هو جهاز يتكون من لب مادة مغناطيسية محاطة بملف يمر من خلاله تيار كهربائي لمغنطة اللب، يتم إستخدام المغناطيس الكهربائي حيثما تكون هناك حاجة إلى مغناطيس يمكن التحكم فيه، كما هو الحال في الأجهزة التي يتم فيها تغيير التدفق المغناطيسي أو عكسه أو تشغيله وإيقافه.
كيف يعمل المغناطيس الكهربائي؟
يتم تنظيم التصميم الهندسي للمغناطيسات الكهربائية من خلال مفهوم الدائرة المغناطيسية. في الدائرة المغناطيسية، تُعرَّف القوة الدافعة المغناطيسية (F) أو (Fm) على أنّها لفات الأمبير للملف الذي يولد المجال المغناطيسي لإنتاج التدفق المغناطيسي في الدائرة. وبالتالي إذا كان ملف من (n) لفات لكل متر يحمل تياراً (i) أمبير، فإنّ المجال داخل الملف هو (ni) أمبير لكل متر والقوة الدافعة المغناطيسية التي يولدها هي (nil) أمبير، حيث (l) هو طول الملف.
والأكثر من ذلك، أنّ القوة الدافعة المغناطيسية هي (Ni)، حيث (N) هو العدد الإجمالي للفات في الملف، كثافة التدفق المغناطيسي (B) تعادل في الدائرة المغناطيسية كثافة التيار في الدائرة الكهربائية. في الدائرة المغناطيسية المكافئ المغناطيسي للتيار هو التدفق الكلي الذي يرمز إليه بالحرف اليوناني “phi) “ϕ) المعطى بواسطة (BA) حيث (A) هي منطقة المقطع العرضي للدائرة المغناطيسية. في الدائرة الكهربائية ترتبط القوة الدافعة الكهربائية (E) بالتيار (i) في الدائرة بواسطة:
E = Ri
حيث (R) هي مقاومة الدائرة، في الدائرة المغناطيسية:
F = rϕ
حيث (r) هي مقاومة الدائرة المغناطيسية وتعادل المقاومة في الدائرة الكهربائية، يتم الحصول على الممانعة بقسمة طول المسار المغناطيسي (l) على نفاذية عدد مرات مساحة المقطع العرضي(A):
r = l / μA
الحرف اليوناني (mu) ،(μ) يرمز إلى نفاذية الوسط الذي يشكل الدائرة المغناطيسية، وحدة الممانعة هي أمبير لكل ويبر. يمكن إستخدام هذه المفاهيم لحساب تردد الدائرة المغناطيسية وبالتالي التيار المطلوب من خلال ملف لإجبار التدفق المطلوب عبر هذه الدائرة على المرور.
ومع ذلك، فإنّ العديد من الافتراضات المتضمنة في هذا النوع من الحسابات تجعله في أفضل الأحوال مجرد دليل تقريبي للتصميم، يمكن تصور تأثير وسيط منفذ على مجال مغناطيسي على أنّه جمع خطوط القوة المغناطيسية مع نفسها، على العكس من ذلك، تميل خطوط القوة التي تمر من منطقة عالية إلى منطقة ذات نفاذية منخفضة إلى الانتشار، وسيحدث هذا الشيء عند فجوة هوائية.
وبالتالي فإنّ كثافة التدفق التي تتناسب مع عدد خطوط القوة لكل وحدة مساحة ستنخفض في فجوة الهواء من خلال الخطوط المنتفخة على جانبي الفجوة، سيزداد هذا التأثير للفجوات الأطول، يمكن إجراء تصحيحات تقريبية لأخذ تأثير الهدب في الإعتبار. من المفترض أيضاً أنّ المجال المغناطيسي محصور تماماً داخل الملف. في الواقع هناك دائماً قدر معين من التدفق يتسرب للخارج، والذي يتم تمثيله بخطوط القوة المغناطيسية حول الجزء الخارجي من الملف، والتي لا تساهم في مغنطة اللب، يكون تدفق التسرب صغيراً بشكل عام إذا كانت نفاذية اللب المغناطيسي عالية نسبياً.
أجزاء المغناطيس الكهربائي:
الملفات اللولبية – Solenoids:
الملف اللولبي: هو بشكل عام ملف طويل يتدفق من خلاله التيار، مما يؤدي إلى إنشاء مجال مغناطيسي. بشكل أكثر تحديداً أصبح الاسم يشير إلى جهاز كهروميكانيكي ينتج حركة ميكانيكية عند تنشيطه بتيار كهربائي، في أبسط أشكاله يتكون من إطار حديدي يحيط بالملف ومكبس أسطواني يتحرك داخل الملف، بالنسبة لإمداد التيار المتناوب (AC)، فإنّ الحديد في الإطار الصلب يتسبب في الخسائر وأيضاً تقلل الكفاءة ولذلك يتم إستخدام إطار مصفح، والذي يتكون من كومة من صفائح رقيقة من الحديد مقطعة بالشكل المناسب ومكدسة بطبقة من الورنيش العازل بين كل ورقة، عندما يتم تنشيط الملف ينتقل المكبس إلى الملف بفضل التجاذب المغناطيسي بينه وبين الإطار حتى يتلامس مع الإطار.
تفضّل الملفات اللولبية التيار المتردد لأنّها تكون أكثر قوة في الوضع المفتوح بالكامل من وحدات التيار المباشر، يحدث هذا بسبب انخفاض التيار الأولي، المرتفع بسبب تحريض الملف بواسطة الفجوة الهوائية بين المكبس والإطار، عندما يغلق الملف اللولبي، تقل فجوة الهواء هذه ويزداد تحريض الملف، ويسقط التيار المتردد خلاله. إذا تمسك الملف اللولبي بالتيار المتردد في الوضع المفتوح فمن المحتمل أن يحترق الملف. عندما يتم فتح الملف اللولبي بالكامل، فإنّه يحتوي على فجوة هوائية كبيرة ويحافظ التردد العالي لهذه الفجوة على التدفق في الدائرة المغناطيسية منخفضاً لقوة دافعة مغناطيسية معينة، وتكون القوة على المكبس منخفضة بالمقابل.
أما عندما يغلق المكبس، ينخفض التردد ويزداد التدفق بحيث تزداد القوة تدريجياً، توفر الشركات المصنعة للملفات اللولبية منحنيات قوة الشوط بحيث يمكن للمستخدمين تحديد الوحدة المناسبة لغرضهم، يمكن تعديل المنحنى عن طريق تحميل الزنبرك للمكبس بحيث يمكن مطابقة القوة المتوفرة خلال الشوط مع الحمل الميكانيكي المحدد.
الجهاز المتناوب – Relays:
المتناوب: هو جهاز يتم فيه تطبيق مبدأ الملف اللولبي لفتح وإغلاق الدوائر الكهربائية ذات التيار الخفيف، نفس الجهاز المطبق في دوائر التيار الثقيل يسمى “موصل أو قاطع الدائرة”، نظراً لأنّ مقدار الحركة الميكانيكية المطلوبة صغير بشكل عام، يكون مكبس الملف اللولبي ثابتاً عادةً ويكون جزء من الإطار منفصلاً لإعطاء الحركة اللازمة، عندما يتم تنشيط الملف ينجذب الجزء المفصلي من الإطار إلى قلب الحديد الصلب في الملف، هذا الجذب يدفع جهات الإتصال معاً، عند إزالة تيار التنشيط يُجبر الجزء المفصلي على العودة إلى الوضع المفتوح بواسطة نوابض التلامس.
مع ظهور دوائر التحويل الترانزستور، التي تستخدم طاقة منخفضة بشكل ملحوظ، نشأت الحاجة إلى جهاز متناوب يعمل بشكل موثوق بقوة 100 إلى 300 ملي واط، مقارنة بـ 4 واط للمتناوب التقليدي، تم تلبية هذه الحاجة عن طريق متناوب المزمار، أو مفتاح المزمار، ويتكون من شفرتين مسطحتين من 50 – 50 سبيكة من النيكل والحديد تتداخل مع فجوة بينهما. عندما يتم تطبيق مجال مغناطيسي على طول الشفرات، يتم إحداث أقطاب مغناطيسية معاكسة في الأجزاء المتداخلة وتنجذب معًا، مما يؤدي إلى اتصال كهربائي.
عند إزالة الحقل، يفتح نصل شفرة الاتصال جهة الاتصال. يتم طلاء منطقة التداخل على كل شفرة بالذهب لضمان اتصال كهربائي جيد، ويتم تعبئة الكبسولة الزجاجية المرفقة بالنيتروجين الجاف لمنع التآكل. الحقل المطلوب لتشغيل الجهاز هو معادلة لمقدار التداخل وهناك تداخل مثالي يقابل الحد الأدنى من تيار التشغيل المطلوب. باستخدام مغناطيسات صغيرة، خارجية ودائمة، يمكن تحويل مفاتيح المزمار إلى متناوبات مزلاج تظل مغلقة عند إزالة مجال التنشيط، ويمكن أيضاً تصميمها بثلاث شفرات لإعطاء جهات إتصال متغيرة.
التطبيقات الرئيسية للمغناطيس الكهربائي:
للمغناطيسات الكهربائية مجموعة متنوعة من الإستخدامات، فيما يلي ملخص لمبادئ تشغيل بعض الأجهزة المهمة في عدد قليل من مجالات التطبيق الرئيسية مثل الاتصالات، والبحوث، والصناعة الكهربائية، والتسجيل المغناطيسي.
الهاتف:
تعتمد أنظمة الهاتف الحديثة على متناوب المزمار، جنباً إلى جنب مع دوائر الحالة الصلبة لتوجيه الإتصالات المعقدة، جهاز إستقبال الهاتف هو في الأساس مغناطيس كهربائي به نير على شكل حرف (U) وبه ملفات ملفوفة على كل ساق من (U)، يؤدي مرور الإشارة الكهربائية عبر الملفات إلى جذب مغناطيسي لغشاء من الحديد الناعم يدعم مسافة صغيرة من نهايات (U) ينحرف الحجاب الحاجز بمقدار يتناسب مع حجم التيار في الملف ويولد موجات صوتية أثناء تحركه ذهاباً وإياباً، أدّى التحسن في المواد المغناطيسية إلى زيادة حساسية جهاز إستقبال الهاتف، لكن التصميم الأساسي لم يتغير.
مكبرات الصوت:
يؤدي مكبر الصوت نفس وظيفة سماعة الأذن الخاصة بجهاز استقبال الهاتف، ولكنّه مطلوب لإزاحة حجم أكبر من الهواء، يتكون الحجاب الحاجز من مخروط مرن بمساحة كبيرة يحمل ملفاً من الأسلاك الدقيقة على حلقة صغيرة تقع في قمته. تقع الحلقة بين أقطاب مغناطيس دائم أسطواني قوي الشكل. يتسبب تيار التردد الصوتي عبر الملف في إنحراف الحجاب الحاجز، كما هو الحال في سماعة الأذن.
مكبرات الصوت الحديثة أكثر حساسية وكفاءة من سابقاتها بسبب التحسن في مواد المغناطيس الدائم. وكلما زادت كثافة التدفق في الفجوة، زادت الحساسية، مكبرات الصوت الحديثة تستخدم كثافة تدفق تصل إلى واحد ويبر لكل متر مربع، عادةً ما تستخدم سبائك المغناطيس.
مبدأ عمل التلفاز:
توفر الحقول المغناطيسية أداة بحث قوية لا يمكن للفيزياء الحديثة بدونها أن تنمو إلى نطاقها الحالي، يتمثل أحد المجالات الرئيسية للتطبيق في تفاعل المجالات المغناطيسية والجسيمات دون الذرية المشحونة، يمكن إعتبار الجسيم المتحرك الذي يحمل شحنة مثل الإلكترون، بمثابة تيار كهربائي، ومثل السلك الحامل للتيار، يتعرض لقوة في مجال مغناطيسي. اتجاه القوة عمودي على كل من إتجاه حركة الجسيم والمجال المغناطيسي، بحيث ينحرف الجسيم عن مساره الأصلي، يمكن إستخدام هذا المبدأ لتركيز تيار من الإلكترونات في حزمة ضيقة ولنحرف الحزمة عن طريق إنشاء مجالات مغناطيسية مناسبة، إما من مغناطيس دائم أو من مغناطيس كهربائي، يحتوي كل جهاز استقبال تلفزيوني على أنظمة تركيز وانحراف كهذه لمسح وجه أنبوب التلفزيون بشعاع إلكتروني.
في التطبيقات العلمية، يتم استخدام نفس المبدأ في المجهر الإلكتروني، حيث يتم تمرير شعاع الإلكترونات عبر سلسلة من “العدسات” المغناطيسية، تماماً كما يمر الضوء عبر العدسات الزجاجية في المجهر التقليدي.
