الکترومغناطیس

«الکترومغناطیس»

ارکان اصلی الکترومغناطیس

الکترومغناطیس، علم مطالعه میدان مغناطیسی است که به وسیله عبور جریان از یک سیستم رسانا تولید می شود. این مطالعات، در اولین گام به فهم بیشتر ماشینهای الکتریکی منجر می شوند و همچنین در بررسی مدارهای الکترونیکی و به خصوص در رابطه با ارتباطات، مهم هستند.

هدف از این تحقیق، تعریف اصطلاحاتی از تئوری الکترومغناطیس است که برای درک پایه ای از مهندسی برق لازم است.

نمایش میدان مغناطیسی و جهت آن

اگر هنگام عبور جریان الکتریکی از یک رسانای بلند و مستقیم عقربه مغناطیسی کوچکی قرار دهیم، مشاهده می شود که عقربه مغناطیسی منحرف می شود و جهت انحراف آن به جهت جریان بستگی دارد. این مطلب در شکل 1، توضیح داده شده است.

مطالعه درباره میدان اطراف محور سیم پیچ، مهمتراز تحقیق درباره حاصل از سیم راست است. برش مقطعی یک سیم پیچ در شکل 2، نشان داده شده است. جهت جریان با توجه به قرارداد نقطه و ضربدر مشخص شده است. نقطه ها مشخص کننده عبور جریان به طرف خارج کاغذ هستند؛ در حالی که ضربدر مشخص کننده وارد شدن جریان به درون صفحه کاغذ است. نقطه ها نشانه نوک یک تیر هستند و ضربدر نشانه پرهای انتهای یک تیر می باشد. همچنین جهت انحراف عقربه هم نشان داده شده است.

با توجه به شکلها، خواص ویژه ای را می توان به خطوط شار نسبت داد.:

1. در یک میدان مغناطیسی، هر خط شار یک دور کامل را به دور حداقل یک رسانای حامل جریان که به آن مرتبط است، طی می کند و شار پیوندی را تشکیل می دهد.
2. جهت میدان در هر نقطه، جهتی است که نیروی مغناطیسی، بر شمال عقربه مغناطیسی که در آن وجود دارد، وارد می کند.
3. خطوط شار هیچگاه همدیگر را قطع نمی کنند؛ زیرا نیروی حاصل در هر نقطه از میدان فقط می تواند در یک جهت باشد. استفاده از خطوط شار مغناطیسی قراردادی مفید برای تشریح میدان مغناطیسی است. باید به خاطر داشت که این خطوط وجود ندارند و کاملا تصوری هستند.

یادگیری بعضی از قوانین که جهت میدان را با جهت جریان مرتبط می کند، بسیار مفید است. یکی از این قوانین، قانون دست راست است. اگر یک رسانا را با دست راست به گونه ای بگیریم که انگشت شست در جهت جریان باشد، انگشتان دیگر جهت خطوط شار، اطراف رسانا را نشــــان می دهند. این مطلب در شکل 3، نشان داده شده است.

شار مغناطیسی و چگالی شار

تمام اثرات مغناطیسی یک سیستم که با خطوط شار مغناطیسی نشان داده می شود، شار مرتبط با سیستم نامیده می شود. واحد شار مغناطیسی وبر است.

نیروی وارد بر رسانای حامل جریان

تعریف آمپر بر این اساس است که بر یک رسانای حامل جریان که در میدان مغناطیس قرار دارد، نیروی مکانیکی وارد گردد.

یک رسانای یکنواخت و مستقیم به طور عمود در یک میدان مغناطیسی با چگالی شار یکنواخت B قرار گرفته است را در نظر بگیرید. ترتیب قرار گرفتن آنها در شکل 6، نشان داده شده است. رسانا، جریان I را از خود عبور می دهد و I طول موثر رسانا است؛ یعنی طولی که در میدان قرار گرفته است.

در حالی که از رابطه فوق واحد اندازه گیری شار بدست می آید، می توان نشان داد که این واقعیت می تواند با نیروی محرکه القاء شده بستگی داشته باشد که خود سبب تعریف ساده تری از واحد شار (وبر) می گردد.

(الف) اگر میدان مغناطیسی (که رو به داخل صفحه است) با آهنگ ثابت افزایش یابد، یک جریان ثابت مطابق شکل در حلقه ای به شعاع r پدیدار می شود. (ب) میدانهای الکتریکی القایی در این ناحیه وجود دارند حتی وقتی حلقه برداشته می شود. (پ) تصویر کاملی از میدانهای الکتریکی به صورت خطوط میدان نشان داده شده است. (ت) چهار مسیر بسته مشابه در اطراف یک emf قابل محاسبه.

الکتریسیته ساکن و ظرفیت

الکتریسیته ساکن، مطالعه میدانهای الکتریکی است که با حضور بارهای الکتریکی در سیستمی از هادیها یا عایقها به وجود می آیند. مطالعه آن منجر به فهم اثر خازنی می گردد که در تمامی مدارها یافت می شود. ظرفیت عملا در الکترونیک و مدارهای ارتباطی اهمیت دارد.

خواص یک میدان الکتریکی

وقتی جریانی با آهنگ یک آمپر در مدت زمان یک ثانیه از سطح یک هادی عبور نماید، باری معادل یک کلمب به وجود می آید. کلمب واحد بار الکتریکی می باشد.

وقتی که بتوان جریان را در پریود معینی از زمان، از درون جسمی گذراند، آن جسم بار الکتریکی بدست می آورد. از آنجا که جریان قراردادی، عبور بار مثبت می باشد، جسم بار مثبت به دست خواهد آورد. برعکس اگر جریان از جسم گرفته شود، آن جسم کمبود بار مثبت پیدا خواهد کرد؛ یعنی بار منفی بدست خواهد آورد. جسم قبل از دخالت هر عامل خارجی، به علت توازن ساختمان اتمی اش، بارهای الکتریکی مثبت و منفی مساوی دارد. بعد از بر هم خوردن تعادلش، سعی می کند تا وضعیت اولیه خود را به دست آورد.

1. در یک میدان الکتریکی خط نیرو از بار بیرون می آید یا به آن وارد می شود. جهت قراردادی از بار مثبت به بار منفی می باشد.
2. جهت خطوط، جهت نیرویی است که بر بار مثبتی که در نقطه ای از میدان الکتریکی قرار گرفته، وارد شود. فرض بر این است که این بار تحقیق تاثیری روی توزیع میدان ندارد.
3. خطوط نیرو هیچگاه به هم برخورد نمی کنند؛ زیرا نیرو برآیند در هر نقطه از یک میدان الکتریکی، فقط می تواند یک جهت داشته باشد.

باید توجه کرد که با اینکه اصولا می توان عملکرد نیروی الکتریکی را بر روی یک جسم کوچک باردار مشاهده کرد، اما به دست آوردن یک تحقیق علمی از توزیع میدان بسیار مشکل است و روشی غیر مستقیم باید به کار رود. با تصورکردن نیروهایی که بر روی یک بار مثبت فرضی وارد می شوند، (بار مثبتی که در میدان حرکت می کند) می توان مفهوم را بیشتر فهمید. نیروی جاذبه یا دافعه مستقیما بین دو بار مجاور عمل می کند. بنابراین خطوط نیرو همیشه به طور عمودی از سطوح هم پتانسیل خارج می شوند. سطح هم پتانسیل سطحی است که در تمام نقاط خود پتانسیل یکسانی دارد.

اکثر میدانهای الکتریکی بین دو هادی قرار دارند و دارای بارهای مساوی اما مخالف هستند. دو نوع مهم قرار گرفتن هادیها عبارت از صفحات موازی و استوانه های هم مرکز می باشد. اولی (صفحــات موازی) در بسیاری از خــازنها به شکل عملی ظاهر می شود؛ در حالی که دومی (استوانه های متحدالمرکز) سطح مقطع کابل هم محور می باشد. میدانهای مربوط به هر کدام در شکل 9، نشان داده شده است.

شدت میدان الکتریکی و پتانسیل

یک میدان الکتریکی به وسیله مشاهده اثر آن بر روی بار بررسی می شود. باری را، به مقدار بار واحد یعنی یک کلمب در نظر بگیرید. اندازه نیرویی که در نقطــه ای از میـدان بر این بــار وارد می شود، شدت میدان الکتریکی در آن نقطه می نامند و گـــاهی بر حسب نیوتن بر واحد بار اندازه گیری می شود و با نماد E نشان می دهند. همچنین به شدت میدان، فشار الکتریکی یا شدت میدان الکترواستاتیکی می گویند.

باید تذکر داده شود که یک کلمب بار بسیار بزرگی است. به این خاطر موجب توقفی در مطالعه میدان می گردد. به هر حال استفاده از چنین بار بزرگی، فرض مطلق است اما واحد اندازه گیری SI را حفظ خواهد کرد. وقتی بار در میدان الکتریکی حرکت می کند کاری که روی میدان انجام می شود یا میدان انجام می دهد، به صورت تغییر پتانسیل بار نمایان می شود. از هر گونه مقاومت مکانیکی در برابر حرکت صرفه نظر می شود. اگر یک بار وا حد از نقطه ای در یک میدان الکتریکی به نقطه ای دیگر برود، به طوری که پتانسیل آن V ولت تغییر کند، کار انجام شده V ژول خواهد بود. این واقعیت بدون توجه به مسیر حرکت بار درست است.

ساده ترین شکل برای بررسی یک میدان، میدان بین صفحات موازی باردار است. این موضوع در شکل 10 نشان داده شده است؛ میدان در مرکز سیستم اساسا یکنواخت است.

اختلاف پتانسیل بین دو صفحه را V ولت فرض کنید. کاری که در انتقال بار واحد از یک صفحه به صفحه دیگر از میان میدان الکتریکی انجام می شود، V ژول خواهد بود. قسمتی از عمل انتقال را که در شکل 11 نشان داده شده است؛ در نظر بگیرید. بار واحد به اندازه  در جهتی که با جهت میدان زاویه  می سازد جابجا می شود. از آنجایی که میدان یکنواخت است کار انجام شده عبارت است از:

علامت منفی به این خاطر در نظر گرفته شده است که حرکت بار در خلاف جهت میدان الکتریکی می باشد. به عبارت دیگر می توان گفت که جهت میدان الکتریکی نسبت به جهت حرکت مخالف است.

در صفحات موازی، حرکت معمولی بار نسبت به خطوط نیرو موازی فرض می شود. به عنوان فرض اولیه این عمل را در هر میدان الکتریکی در نظر می گیرند؛ مگر اینکه به گونه ای دیگر تصریح شود.  در نتیجه با این فرض،  و  است بنابراین کار انجام شده با رابطه زیر داده می شود:

می توان دید که شدت میدان الکتریکی که در جهت میدان، اندازه گیری می شود، توسط سرعت تغییر پتانسیل اندازه گیری شده در جهت مخالف در هر نقطه از میدان، داده می شود. با اینکه شدت میدان الکتریکی می تواند بر حسب نیوتن در واحد بار اندازه گیری شود، از رابطه بالا نتیجه گرفته می شود که می تواند با واحد ولت بر متر اندازه گیری شود.

توجه کنید که شدت میدان الکتریکی در یک نقطه، کمیتی برداری است که دارای اندازه و جهت می باشد. بیشترین تغییر ولتاژ در جهت میدان صورت می گیرد. ولتاژ یا پتانسیل در یک نقطه کمیتهای برداری نیستند.

شار الکتریکی و چگالی شار

مجموع آثار الکتریکی یک سیستم که توسط خطوط نیروی الکتریکی توصیف می شود، شار الکتریکی پیوندی سیستم نامیده می شود. واحد شار الکتریکی کلمب می باشد.

چگالی شار الکتریکی نیز کمیتی برداری، دارای اندازه و جهت می باشد. جهت شار همان جهت خطوط نیرو می باشد.

قابلیت نفوذ پذیری

چگالی شار ممکن است نتیجه شدت میدان الکتریکی در نظر گرفته شود. برای میدان الکتریکی با شدت میدان E، مقدار چگالی شار منتجه D به محیطی که شار در آن تولید شده بستگی دارد. نسبت D به E قابلیت نفوذ پذیری مطلق محیط نامیده می شود.

این رابطه ممکن است با معادل مغناطیسی آن  مقایسه شود. مجددا مقدار اصلی قابلیت نفوذ پذیری با مقدار آن در قیاس با فضای آزاد (خلاء) تعیین می گردد. اگر چگالی شار ناشی از شدت میدان الکتریکی در محیطی غیر از خلاء موجود باشد، مقدار قابلیت نفوذ پذیری تغییر می یابد. قابلیت نفوذ پذیری مطلق ، با ضریبی از  بیان می شود،  قابلیت نفوذ پذیری مطلق برای خلاء می باشد.

ظرفیت

در تحلیلی که در ادامه می آید، حالتهای ویژه ای نظیر یک جفت صفحه موازی جهت ذخیره بار الکتریکی استفاده می شود. وسایلی که مخصوصا جهت این هدف ساخته می شود، خازن نامیده می شوند.

طرح شتابدهنده و اندوگراف. در نقطه A بار مثبت روی تسمه متحرک پاشیده می شود و توسط تسمه به نقطه B منتقل می شود و به پایانه جریان پیدا می کند و اختلاف پتانسیل V را تولید می نماید. یونهای مثبت  از پایانه دفع شده و پرتوهای شتابدار را تشکیل می دهند.

مسئله نمونه شکل بالا، طرح اساسی یک چاپگر جوهر افشان. سیگنال ورودی یک کامپیوتر، بار روی قطره و در نتیجه برخورد قطره به کاغذ را کنترل می کند. نیروی عرضی میدان الکتریکی  باعث انحراف قطره می شود. قطره در یک مسیر سهمی شکل در بین صفحات پس از آن در مسیر مستقیم (که با نقطه چین نشان داده شده) حرکت می کند.

فهرست مطالب

ارکان اصلی الکترومغناطیس 1
نمایش میدان مغناطیسی و جهت آن 1
شار مغناطیسی و چگالی شار 4
نیروی وارد بر رسانای حامل جریان 6
الکتریسیته ساکن و ظرفیت 10
خواص یک میدان الکتریکی 10
شدت میدان الکتریکی و پتانسیل 13
شار الکتریکی و چگالی شار 16
قابلیت نفوذ پذیری 16
ظرفیت 18

مقاله فوق دارای صفحه مشخصات، تصویر، فهرست مطالب و 21 صفحه متن (در قالب و ) با رعایت کامل صفحه بندی می باشد. همچنین فونت های کار شده برای متن مقاله  B Nazanin(15) و برای تیترهای داخل مقاله B Titr می باشند.

قیمت این مقاله 2300 تومان می باشد، جهت دریافت کامل متن مقاله (قابل ویرایش) بالای صفحه روی پرداخت و دریافت کلیک کنید

مشاهده فهرست مقالات الکترونیک

نوشته شده در 4 آذر ۱۴۰۰

لطفا پس از بهره مندی از مطالب فوق با نظر گرمت به من انرژی مثبت تزریق کن 🙂