القوة الدافعة المغناطيسية - MMF

ما هي القوة الدافعة المغناطيسية – MMF؟

القوة الدافعة المغناطيسية (Magnetomotive force)، والمعروفة أيضاً باسم “الجهد المغناطيسي” (magnetic potential)، هي خاصية لبعض المواد أو الظواهر التي تؤدي إلى نشوء مجال مغناطيسي. القوة الدافعة المغناطيسية مماثلة للقوة الدافعة الكهربائية أو الجهد في الكهرباء.

الوحدة القياسية للقوة الدافعة المغناطيسية هي الأمبير (AT)، ويمثلها تيار كهربائي ثابت ومباشر من أمبير واحد (1A) يتدفق في حلقة مفردة من مادة موصلة كهربائياً في فراغ. في بعض الأحيان يتم استخدام وحدة تسمى جيلبرت (G) لتحديد القوة الدافعة المغناطيسية. يتم تعريف جيلبرت بشكل مختلف، وهو أصغر قليلاً من وحدة الأمبير. للتحويل من أمبير إلى جيلبرت، اضرب في (1.25664). على العكس إذا أردت التحويل من جيلبرت إلى الأمبير، اضرب في (0.795773).

على الرغم من أن التعريف القياسي للقوة الدافعة المغناطيسية يتضمن مرور التيار عبر موصل كهربائي، فإنّ المغناطيس الدائم يُظهر أيضاً القوة الدافعة المغناطيسية. وينطبق الشيء نفسه على الكواكب ذات المجالات المغناطيسية، مثل الأرض والمشتري وزحل وأورانوس ونبتون. تولد الشمس أيضاً قوى دافعة مغناطيسية، لا سيما بالقرب من البقع الشمسية.

متى يتم إنشاء القوة الدافعة المغناطيسية؟

يتم إنتاج القوة الدافعة المغناطيسية (MMF) عندما يمر تيار عبر ملف من الأسلاك. يتم إنتاج القوة الدافعة المغناطيسية عندما يتم فصل قطبين متقابلين من مغناطيسين ببضع بوصات. ببساطة، يتم إنتاج القوة الدافعة المغناطيسية كلما تم إنشاء المجال المغناطيسي. على سبيل المثال (MMF) هي مصدر لإنشاء مجال مغناطيسي.

تعريف القوة الدافعة المغناطيسية رياضيا:

التعريف: التيار المتدفق في دائرة كهربائية يرجع إلى وجود قوة دافعة كهربائية (EMF)، بالمثل القوة الدافعة المغناطيسية (MMF) مطلوبة لدفع التدفق المغناطيسي في الدائرة المغناطيسية. يُطلق على الضغط المغناطيسي الذي يُنشئ التدفق المغناطيسي في دائرة مغناطيسية باسم “القوة الدافعة المغناطيسية”. وحدة (SI) الخاصة بـ (MMF) هي (Ampere-turn (AT، ووحدة (CGS) الخاصة بها هي (G – gilbert). يتم التعبير عن (MMF) للملف المحاثي (inductive coil) بالمعادلة:

حيث:

N – عدد لفات الملف المحاثي.

I – التيار الكهربائي.

القوة الدافعة المغناطيسية (MMF) تعادل ناتج التيار حول المنعطفات وعدد لفات الملف. وفقاً لقانون الشغل (work law)، يتم تعريف (MMF) على “أنّه العمل المنجز في تحريك القطب المغناطيسي للوحدة (1weber) مرة واحدة حول الدائرة المغناطيسية”.

تعرف (MMF) أيضاً باسم “الإمكانات المغناطيسية” (magnetic potential). إنّها خاصية مادة تؤدي إلى ظهور المجال المغناطيسي. القوة الدافعة المغناطيسية هي نتاج التدفق المغناطيسي والمقاومة المغناطيسية. إنّ التردد هو عرض الممانعة من قبل المجال المغناطيسي لتكوين التدفق المغناطيسي عليه. يتم إعطاء (MMF) فيما يتعلق بالتردد والتدفق المغناطيسي بالمعادلة:

حيث:

R – هي الممانعة المغناطيسية.

Φ – هي التدفق المغناطيسي.

يمكن للقوة الدافعة المغناطيسية (MMF) قياس شدة المجال المغناطيسي وطول المادة. شدة المجال المغناطيسي هي القوة المؤثرة على قطب الوحدة الموضوع على المجال المغناطيسي. يتم التعبير عن (MMF) فيما يتعلق بكثافة المجال بالمعادلة:

حيث:

H – هي شدة المجال المغناطيسي.

l – هي طول المادة.

تطبيقات القوة الدافعة المغناطيسية في الهندسة الكهربائية:

يعتمد الاستخدام الواسع للقوة الدافعة المغناطيسية على مولدات موثوقة للكهرباء وعلى الأجهزة التي تحول الطاقة الكهربائية إلى ميكانيكية. ابتكر العالم البريطاني “ويليام ستورجون” أول مغناطيس كهربائي في عام 1824م. وكان عبارة عن لفائف من الأسلاك النحاسية غير المعزولة، ملفوفة في صف واحد حول قلب على شكل حدوة حصان مصنوع من الحديد اللين. بسبب قلة عدد المنعطفات، كان مغناطيس (Sturgeon) الكهربائي ضعيفاً نسبياً.

يمكن للمغناطيس الذي يستخدم بطارية واحدة كمصدر للطاقة أن يرفع حتى (4) كجم. عندما يتم إيقاف تشغيل التيار الكهربائي، لا يمكن للقضيب المعدني الممغنط أن يحمل حتى (200) جرام، على الرغم من أنّه كان لا يزال ممغنطاً. كان هذا مثالاً رائعاً يوضح كيفية عمل المغناطيس الكهربائي.

هناك العديد من الاستخدامات للقوة الدافعة المغناطيسية في العالم الحديث، ولكنّها تستخدم على نطاق واسع بشكل خاص في هندسة الطاقة وإلكترونيات الطاقة. المغناطيسات الكهربائية شائعة جداً في الأجهزة الكهربائية والإلكترونية بما في ذلك المحركات والمولدات الكهربائية والمحولات والمرحلات المختلفة (relays) والصفارات الكهربائية ومكبرات الصوت وسماعات الرأس وأقفال الأبواب الإلكترونية وسخّانات الحث والرافعات المغناطيسية. يمكننا أيضاً أن نضيف إلى هذه القائمة أجهزة التسجيل والتخزين المغناطيسية، بما في ذلك مسجلات الأشرطة وأشرطة الفيديو ومحركات الأقراص الثابتة.

تستخدم المغناطيسات الكهربائية في الأجهزة العلمية والطبية، وهي مكونات أساسية في مطياف الكتلة ومسرعات الجسيمات وفي أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي وفي محدد موقع الأجسام الغريبة الكهرومغناطيسية وأجهزة إزالتها. كما تستخدم المغناطيسات الكهربائية لفصل المواد المغناطيسية عن المواد الأخرى، وكذلك في قواطع الدوائر الكهربائية، وهي الأجهزة المستخدمة لحماية الدوائر الكهربائية من التلف الناتج عن التحميل الزائد أو قصر الدائرة.

بعض التجارب باستخدام القوة الدافعة المغناطيسية:

بالنسبة للتجارب، سنحتاج إلى مصدر طاقة تيار مستمر منظم قابل للضبط، ومقياس متعدد (إذا لم يكن لدى مزود الطاقة خيار لقياس التيار)، وبعض الأسلاك المغناطيسية النحاسية المعزولة، ونواة فولاذية. بالنسبة لهذا الأخير، يمكننا استخدام مسمار كبير ومجموعة من الأشياء المعدنية الصغيرة. دعونا نصنع ملفين بعدد متساوٍ من الدورات (حوالي 100 لفة لكل منهما)، باستخدام أنبوب بلاستيكي كبكرة. سيعمل الغلاف البلاستيكي لقلم كرة قديم، طالما أنّ المسمار أو القلب يدخل بداخله بسهولة.

التجربة 1: دعونا نربط أحد الملفات بالمقياس المتعدد، والذي تم ضبطه لقياس التيار الكهربائي. دعونا بعد ذلك نقوم بتوصيل النظام بوحدة إمداد الطاقة وضبط التيار الكهربائي على (1) أمبير باستخدام مقبض الجهد. سنقوم بعد ذلك بتقدير عدد الأشياء المعدنية الصغيرة التي يمكن أن يرفعها مغناطيسنا الكهربائي.

الخلاصة: يمكننا أن نرى بسهولة أنّ التيار المستمر الذي يتدفق عبر الملف يحوله إلى مغناطيس دائم. 

التجربة 2: مع الحفاظ على نفس الإعدادات، دعونا ندخل مسماراً أو قضيباً فولاذياً داخل الأنبوب البلاستيكي. سوف نلاحظ أن ّخصائص المغناطيس الخاصة لدينا قد زادت، على الرغم من أننّا أبقينا التيار الكهربائي كما هو.

الخلاصة: يزيد استخدام قلب مغناطيسي من القوة الدافعة المغناطيسية للمغناطيس الكهربائي.

التجربة 3: دعونا الآن نزيد التيار الكهربائي إلى (2A). يمكننا أن نرى أنّ عدد الأشياء التي يمكن للمغناطيس الكهربائي حملها تضاعف.

الخلاصة: زيادة التيار المتدفق عبر الملف الكهرومغناطيسي يزيد من قوة المغناطيس الكهربائي.

التجربة 4: الآن دعنا نربط ملفين متسلسلين بالمقياس المتعدد ومزود الطاقة، ونضبط التيار الكهربائي على (2) أمبير. دعونا نقدر بصرياً عدد الأشياء التي يمكن أن يحملها هذا المغناطيس الكهربائي “المضاعف”. من الواضح أن قوتها المغناطيسية تضاعفت مرة أخرى.

الخلاصة: مضاعفة عدد لفات المغناطيس الكهربائي يضاعف القوة الدافعة المغناطيسية.

الاستنتاج العام:يمكن استخدام مغناطيس كهربائي لتحويل الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية خطية.