الكهرومغناطيسية هي إحدى القوى الأساسية للكون ، وهي مسؤولة عن كل شيء من المجالات الكهربائية والمغناطيسية إلى الضوء. في الأصل ، اعتقد العلماء أن المغناطيسية والكهرباء قوتان منفصلتان. ولكن بحلول أواخر القرن التاسع عشر ، تغير هذا الرأي ، حيث أظهر البحث بشكل قاطع أن الشحنات الكهربائية الموجبة والسالبة تحكمها قوة واحدة (أي المغناطيسية).
منذ ذلك الوقت ، سعى العلماء لاختبار وقياس المجالات الكهرومغناطيسية وإعادة إنشائها. لتحقيق هذه الغاية ، أنشأوا مغناطيسًا كهربائيًا ، وهو جهاز يستخدم التيار الكهربائي للحث على مجال مغناطيسي. ومنذ اختراعها الأولي كأداة علمية ، أصبحت المغناطيسات الكهربائية سمة منتظمة للأجهزة الإلكترونية والعمليات الصناعية.
تتميز المغناطيسات الكهربائية عن المغناطيسات الدائمة بأنها لا تعرض سوى جاذبية مغناطيسية للأجسام المعدنية الأخرى عند مرور تيار من خلالها. يقدم هذا مزايا عديدة ، حيث يمكن التحكم في قوة جاذبيتها المغناطيسية وتشغيلها وإيقافها حسب الرغبة. ولهذا السبب يتم استخدامها على نطاق واسع في البحث والصناعة ، حيث يتم استدعاء التفاعلات المغناطيسية.
تاريخ المغناطيسات الكهربائية:
حدث أول اكتشاف مسجل للعلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية في عام 1820 ، عندما لاحظ العالم الدنماركي هانز كريستيان أورستد أن الإبرة الموجودة على بوصلته تشير بعيدًا عن الشمال المغناطيسي عند تشغيل بطارية قريبة. أقنعه هذا الانحراف بأن الحقول المغناطيسية تشع من جميع جوانب سلك يحمل تيارًا كهربائيًا ، تمامًا كما يفعل الضوء والحرارة.
رسم توضيحي لمغناطيس Sturgeon الكهربائي (1924) وأحد تصميمات Henry المحسّنة (1830). الائتمان: سميثسونيان / Scientific American
بعد ذلك بوقت قصير ، نشر النتائج التي توصل إليها ، والتي أظهرت رياضيًا أن تيارًا كهربائيًا ينتج مجالًا مغناطيسيًا أثناء تدفقه عبر سلك. بعد أربع سنوات ، طور العالم الإنجليزي ويليام ستورجون أول مغناطيس كهربائي يتكون من قطعة حديد على شكل حدوة حصان ملفوفة بسلك نحاسي. عندما يمر التيار عبر السلك ، فإنه يجذب قطعًا أخرى من الحديد ، وعندما يتوقف التيار ، فإنه يفقد المغنطة.
على الرغم من ضعفها بالمعايير الحديثة ، إلا أن المغناطيس الكهربائي لسمك Sturgeon يوضح فائدتها المحتملة. على الرغم من أنه يزن 200 جرام فقط (7 أونصات) ، إلا أنه يمكنه رفع الأشياء التي تزن حوالي 4 كجم (9 أرطال) باستخدام تيار بطارية أحادية الخلية فقط. نتيجة لذلك ، بدأ البحث يتكثف في كل من المغنطيسات الكهربائية وطبيعة الديناميكا الكهربائية.
بحلول الثلاثينيات من القرن الماضي ، أجرى العالم الأمريكي جوزيف هنري سلسلة من التحسينات على تصميم المغناطيس الكهربائي. باستخدام سلك معزول ، تمكن من وضع آلاف لفات الأسلاك في قلب واحد. نتيجة لذلك ، يمكن لأحد مغناطيساته الكهربائية أن يتحمل ما يصل إلى 936 كجم (2063 رطلاً) من الوزن. كان لهذا تأثير شائع على استخدام المغناطيسات الكهربائية.
أنواع المغناطيسات الكهربائية:
التيار الكهربائي المتدفق في سلك يخلق مجالًا مغناطيسيًا حول السلك ، بسبب قانون أمبير. ينص هذا القانون على أنه ، بالنسبة لأي مسار حلقة مغلقة ، فإن مجموع عناصر الطول مضروبًا في المجال المغناطيسي في اتجاه عنصر الطول يساوي النفاذية مضروبة في التيار الكهربائي المغلق في الحلقة.
يولد حلزون ملفوف من الأسلاك (ويعرف أيضًا باسم الملف اللولبي) مجالًا مغناطيسيًا في مركزه. الائتمان: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
لتركيز المجال المغناطيسي في مغناطيس كهربائي ، يتم لف السلك في ملف عدة مرات ، مما يضمن أن سلك المنعطفات جنبًا إلى جنب على طول الحافة. يمر المجال المغناطيسي الناتج عن لفات السلك عبر مركز الملف ، مما يخلق مجالًا مغناطيسيًا قويًا هناك. يتم تعريف جانب المغناطيس الذي تنبثق منه خطوط المجال على أنهالقطب الشمالي.
يسمى ملف السلك الذي يتخذ شكل الحلزون 'الملف اللولبي'. ومع ذلك ، يمكن إنتاج مجالات مغناطيسية أقوى بكثير إذا تم وضع مادة مغناطيسية حديدية (مثل الحديد) داخل الملف. هذا ما يسمى 'النواة المغناطيسية الحديدية' (أو 'المغناطيس الكهربي ذو القلب الحديدي') ، والذي يمكن أن يولد مجالًا مغناطيسيًا أقوى بألف مرة من قوة الملف وحده.
ثم ما يُعرف باسم 'نواة toirodal' ، حيث يتم لف السلك حول قلب مغناطيسي حديدي يتخذ شكل حلقة مغلقة (تعرف أيضًا باسم الدائرة المغناطيسية). في هذه الحالة ، تتخذ المجالات المغناطيسية شكل حلقة مغلقة ، وبالتالي تكون مقاومة المجال المغناطيسي أقل بكثير من الهواء. نتيجة لذلك ، يمكن الحصول على مجال أقوى إذا كان معظم مسار المجال المغناطيسي داخل القلب.
النواة الحديدية لها تأثير يضاعف المجال المغناطيسي للملف اللولبي بشكل كبير مقارنة بالملف اللولبي في قلب الهواء على اليسار. الائتمان: hyperphysics.phy-astr.gsu.edu
ثم هناك مغانط كهربائية 'فائقة التوصيل' ، تتكون من سلك ملفوف مصنوع من مواد فائقة التوصيل (مثل النيوبيوم تيتانيوم أو ثنائي بوريد المغنيسيوم). يتم الاحتفاظ بهذه الأسلاك أيضًا في درجات حرارة شديدة البرودة لضمان الحد الأدنى من المقاومة الكهربائية. يمكن لمثل هذه المغناطيسات الكهربائية توصيل تيارات أكبر بكثير من الأسلاك العادية ، مما يخلق أقوى المجالات المغناطيسية لأي مغناطيس كهربائي ، بينما يكون أيضًا أرخص في التشغيل بسبب عدم وجود فقدان للطاقة.
الاستخدامات الحديثة للمغناطيسات الكهربائية:
يوجد اليوم عدد لا يحصى من التطبيقات للمغناطيسات الكهربائية ، بدءًا من الآلات الصناعية واسعة النطاق إلى المكونات الإلكترونية صغيرة الحجم. بالإضافة إلى ذلك ، يتم استخدام المغناطيسات الكهربائية على نطاق واسع من أجل إجراء البحوث العلمية والتجارب ، خاصةً عندما تكون الموصلية الفائقة والتسارع السريع مطلوبًا.
في حالة الملفات اللولبية الكهرومغناطيسية ، يتم استخدامها حيثما تكون هناك حاجة إلى مجال مغناطيسي موحد (أي متحكم فيه). وينطبق الشيء نفسه على المغناطيس الكهربي ذي القلب الحديدي ، حيث يمكن إدخال الحديد أو نواة مغناطيسية حديدية أخرى أو إزالتها لتكثيف شدة مجال المغناطيس. نتيجة لذلك ، توجد مغناطيسات الملف اللولبي بشكل شائع في علامات كرات الطلاء الإلكترونية وآلات الكرة والدبابيس والطابعات النقطية وحاقن الوقود ، حيث يتم تطبيق المغناطيسية والتحكم فيها لضمان التحكم في حركة مكونات معينة.
نظرًا لقدرتها على توليد مجالات مغناطيسية قوية جدًا ومقاومة منخفضة وكفاءة عالية ، غالبًا ما توجد المغناطيسات الكهربائية فائقة التوصيل في المعدات العلمية والطبية. وتشمل هذه أجهزة التصوير بالرنين المغناطيسي (MRI) في المستشفيات ، والأدوات العلمية مثل مطياف الرنين المغناطيسي النووي (NMR) ، ومقاييس الطيف الكتلي ، وكذلك مسرعات الجسيمات.
مقطع عرضي لمصادم الهادرونات الكبير (LHC) التابع لـ CERN ، والذي يعتمد على مسرعات الجسيمات القوية لتحقيق التصادمات. الائتمان: سيرن
تُستخدم المغناطيسات الكهربائية أيضًا على نطاق واسع عندما يتعلق الأمر بالمعدات الموسيقية. وتشمل هذه مكبرات الصوت وسماعات الأذن والأجراس الكهربائية والتسجيل المغناطيسي ومعدات تخزين البيانات - مثل مسجلات الأشرطة. تعتمد صناعة الوسائط المتعددة والترفيه على المغناطيسات الكهربائية لإنشاء الأجهزة والمكونات ، مثل أجهزة الفيديو والأقراص الصلبة.
المشغلات الكهربائية ، وهي محركات مسؤولة عن تحويل الطاقة الكهربائية إلى عزم دوران ميكانيكي ، تعتمد أيضًا على المغناطيسات الكهربائية. الحث الكهرومغناطيسي هو أيضًا الوسيلة التي تعمل من خلالها محولات الطاقة ، المسؤولة عن زيادة أو تقليل الفولتية للتيار المتردد على طول خطوط الطاقة.
تعتمد التسخين التعريفي ، الذي يستخدم في الطهي والتصنيع والعلاج الطبي ، أيضًا على المغناطيسات الكهربائية ، التي تحول التيار الكهربائي إلى طاقة حرارية. تُستخدم المغناطيسات الكهربائية أيضًا في التطبيقات الصناعية ، مثل الرافعات المغناطيسية التي تستخدم الجذب المغناطيسي لرفع الأجسام الثقيلة أو الفواصل المغناطيسية المسؤولة عن فرز المعادن المغناطيسية الحديدية من الخردة المعدنية.
وأخيرًا وليس آخرًا ، هناك تطبيق قطارات ماجليف. بالإضافة إلى استخدام القوة الكهرومغناطيسية للسماح للقطار بالارتفاع فوق مسار ، فإن المغناطيسات الكهربائية فائقة التوصيل مسؤولة أيضًا عن تسريع القطارات إلى سرعات عالية.
باختصار ، فإن استخدامات المغناطيسات الكهربائية لا حدود لها تقريبًا ، حيث تعمل على تشغيل كل شيء بدءًا من الأجهزة الاستهلاكية والمعدات الثقيلة وحتى النقل الجماعي. في المستقبل ، قد يكونون مسؤولين أيضًا عن السفر إلى الفضاء ، حيث أنظمة الدفع الأيوني استخدام المجالات المغناطيسية لتسريع الجسيمات المشحونة (أي الأيونات) وتحقيق الدفع.
لقد كتبنا العديد من المقالات الشيقة حول المغناطيسات الكهربائية هنا في Universe Today. هنا من اكتشف الكهرباء؟ و مم يصنع المغناطيس؟ و كيف يعمل المغناطيس؟ و المجال المغناطيسي للأرض ، و الدفع الأيوني .
لمزيد من المعلومات ، تأكد من مراجعة موارد ناسا التعليمية تجربة المغناطيسات الكهربائية و دور الأرض كمغناطيس كهربائي وخلق الشفق القطبي ، وصفحة NASA Wavelength الموجودة على مغناطيس كهربائي .
يحتوي How Stuff Works أيضًا على صفحة رائعة بعنوان ' مقدمة عن كيفية عمل المغناطيسات الكهربائية '، و المختبر الوطني للحقل المغناطيسي العالي يحتوي (MagLab) على بعض المقالات الرائعة حول المغناطيسات الكهربائية ، وكيفية صنعها ، وكيفية عملها.
يمكنك أيضًا التحقق من علم الفلك. الحلقة 103 يتعلق بالقوى الكهرومغناطيسية.