الكهرومغناطيسية هي واحدة من القوى الأساسية للكون ، المسؤولة 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 الإيجابية والسلبية كانت تحكمها قوة واحدة (أي المغناطيسية).
منذ ذلك الوقت ، سعى العلماء إلى اختبار وقياس المجالات الكهرومغناطيسية ، وإعادة إنشائها. تحقيقا لهذه الغاية ، أنشأوا مغناطيسات كهربائية ، جهاز يستخدم التيار الكهربائي لتحفيز المجال المغناطيسي. ومنذ اختراعها الأولي كأداة علمية ، استمرت المغنطيسات الكهربائية لتصبح سمة منتظمة للأجهزة الإلكترونية والعمليات الصناعية.
تتميز المغناطيسات المغناطيسية بالمغناطيس الدائم من حيث أنها تعرض فقط جاذبية مغناطيسية لأجسام معدنية أخرى عندما يمر 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 ، حيثما دعت التفاعلات المغناطيسية.
تاريخ المغناطيسات الكهربائية:
أول اكتشاف مسجل للعلاقة بين الكهرباء والمغناطيسية حدث في عام 1820 ، عندما لاحظ العالم الدنماركي هانز كريستيان أورستد أن الإبرة الموجودة على بوصلته أشارت بعيدًا عن الشمال المغناطيسي عندما تم تشغيل بطارية قريبة. أقنعه هذا الانحراف أن المجالات المغناطيسية تشع من جميع جوانب السلك الذي يحمل تيارًا كهربائيًا ، تمامًا مثل الضوء والحرارة.
بعد ذلك بوقت قصير ، نشر نتائجه ، موضحًا رياضيًا أن التيار الكهربائي 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 الحصان ملفوفة بسلك نحاسي. عندما يمر التيار عبر السلك ، يجذب قطعًا أخرى من الحديد ، وعندما يتوقف التيار ، يفقد المغناطيسية.
على الرغم من ضعفه بالمعايير الحديثة ، فإن المغناطيس الكهربائي في Sturgeon يوضح فائدته المحتملة. على الرغم من وزنها 200 جرام فقط (7 أونصات) ، يمكنها رفع أشياء تزن حوالي 4 كجم (9 أرطال) مع تيار بطارية أحادية الخلية فقط. ونتيجة لذلك ، بدأ البحث في التكثيف في كل من المغناطيسات الكهربائية وطبيعة الديناميكا الكهربائية.
بحلول الثلاثينيات ، قام العالم الأمريكي جوزيف هنري بسلسلة من التحسينات على تصميم المغناطيس الكهربائي. باستخدام الأسلاك المعزولة ، تمكن من وضع الآلاف من لفات الأسلاك على قلب واحد. ونتيجة لذلك ، يمكن أن يدعم أحد مغناطيساته الكهربائية وزنًا يصل إلى 936 كجم (2063 رطل). كان هذا ليكون له تأثير شائع على استخدام المغناطيسات الكهربائية.
أنواع المغناطيسات الكهربائية:
يخلق التيار الكهربائي المتدفق في سلك مجالًا مغناطيسيًا حول السلك ، بسبب قانون أمبير. ينص هذا القانون على أنه بالنسبة لأي مسار حلقة مغلقة ، فإن مجموع عناصر الطول مضروبًا بالمجال المغناطيسي في اتجاه عنصر الطول يساوي النفاذية مضروبًا بالتيار الكهربائي المضمن في الحلقة.
لتركيز المجال المغناطيسي في مغناطيس كهربائي ، يتم لف السلك في ملف عدة مرات ، مما يضمن أن يكون سلك التدوير جنبًا إلى جنب على طول الحافة. يمر المجال المغناطيسي الناتج عن استدارة الأسلاك عبر مركز الملف ، مما يخلق مجالًا مغناطيسيًا قويًا هناك. يتم تعريف جانب المغناطيس الذي تبرز منه خطوط المجال ليكون القطب الشمالي.
تسمى لفائف الأسلاك التي تأخذ شكل حلزون "ملف لولبي". ومع ذلك ، يمكن إنتاج حقول مغناطيسية أقوى بكثير إذا تم وضع مادة مغناطيسية حديدية (أي حديد) داخل الملف. هذا ما يسمى بـ "قلب مغناطيسي حديدي" (أو "مغناطيس كهربائي ذو قلب حديدي") ، والذي يمكن أن يولد مجال مغناطيسي ألف مرة من قوة الملف وحده.
ثم ما يعرف باسم "النواة الأمامية" ، حيث يتم لف الأسلاك حول قلب مغناطيسي حديدي يأخذ شكل حلقة مغلقة (تعرف أيضًا باسم الدائرة المغناطيسية). في هذه الحالة ، تأخذ الحقول المغناطيسية شكل حلقة مغلقة ، وبالتالي تقدم "مقاومة" أقل بكثير للحقل المغناطيسي من الهواء. ونتيجة لذلك ، يمكن الحصول على مجال أقوى إذا كان معظم مسار المجال المغناطيسي داخل القلب.
ثم هناك مغناطيسات كهربائية "فائقة التوصيل" ، تتكون من أسلاك ملفوفة مصنوعة من مواد فائقة التوصيل (مثل النيوبيوم تيتانيوم أو ثنائي أكسيد المغنيسيوم). يتم الاحتفاظ بهذه الأسلاك أيضًا في درجات حرارة مبردة لضمان الحد الأدنى من المقاومة الكهربائية. يمكن لمثل هذه المغناطيسات الكهربائية إجراء تيارات أكبر بكثير من الأسلاك العادية ، مما يخلق أقوى المجالات المغناطيسية لأي مغناطيس كهربائي ، بينما يكون أيضًا أرخص في التشغيل بسبب عدم فقدان الطاقة.
الاستخدامات الحديثة للمغناطيسات الكهربائية:
اليوم ، هناك عدد لا يحصى من التطبيقات للمغناطيسات الكهربائية ، تتراوح من الآلات الصناعية واسعة النطاق ، إلى المكونات الإلكترونية الصغيرة. بالإضافة إلى ذلك ، يتم استخدام المغناطيسات الكهربائية على نطاق واسع من أجل إجراء البحوث العلمية والتجارب ، خاصة عندما يتم طلب الموصلية الفائقة والتسارع السريع.
في حالة الملفات اللولبية الكهرومغناطيسية ، يتم استخدامها حيثما تكون هناك حاجة إلى مجال مغناطيسي موحد (أي متحكم فيه). وينطبق الشيء نفسه على المغناطيس الكهربائي ذو القلب الحديدي ، حيث يمكن إدخال الحديد أو قلب مغناطيسي حديدي آخر أو إزالته لتكثيف قوة مجال المغناطيس. ونتيجة لذلك ، يمكن العثور على مغناطيس الملف اللولبي بشكل شائع في علامات كرات الطلاء الإلكترونية ، وآلات الكرة والدبابيس ، وطابعات المصفوفة النقطية ، وحاقنات الوقود ، حيث يتم تطبيق المغناطيسية والتحكم فيها لضمان الحركة المضبوطة لمكونات محددة.
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.
تستخدم المغناطيسات الكهربائية أيضًا على نطاق واسع عندما يتعلق الأمر بالمعدات الموسيقية. وهي تشمل مكبرات الصوت وسماعات الأذن والأجراس الكهربائية ومعدات التسجيل المغناطيسي وتخزين البيانات - مثل مسجلات الأشرطة. تعتمد صناعة الوسائط المتعددة والترفيه على المغناطيسات الكهربائية لإنشاء الأجهزة والمكونات ، مثل أجهزة تسجيل الفيديو والأقراص الصلبة.
تعتمد المحركات الكهربائية ، وهي المحركات المسؤولة عن تحويل الطاقة الكهربائية إلى عزم دوران ميكانيكي ، على المغناطيسات الكهربائية. الحث الكهرومغناطيسي هو أيضًا الوسيلة التي تعمل من خلالها محولات الطاقة ، والتي تكون مسؤولة عن زيادة أو تقليل جهد التيار المتناوب على طول خطوط الطاقة.
كما يعتمد التسخين الحثي ، المستخدم في الطهي والتصنيع والعلاج الطبي ، على المغناطيسات الكهربائية التي تحول التيار الكهربائي إلى طاقة حرارية. تُستخدم المغناطيسات الكهربائية أيضًا في التطبيقات الصناعية ، مثل الروافع المغناطيسية التي تستخدم الجذب المغناطيسي لرفع الأشياء الثقيلة أو الفواصل المغناطيسية المسؤولة عن فرز المعادن المغناطيسية من الخردة المعدنية.
وأخيرًا وليس آخرًا ، هناك تطبيق قطارات ماجليف. بالإضافة إلى استخدام القوة الكهرومغناطيسية للسماح للقطار بالارتفاع فوق المسار ، فإن المغناطيسات الكهربائية فائقة التوصيل مسؤولة أيضًا عن تسريع القطارات إلى سرعات عالية.
باختصار ، إن استخدامات المغناطيسات الكهربائية لا حدود لها تقريبًا ، حيث تعمل على تشغيل كل شيء من الأجهزة الاستهلاكية والمعدات الثقيلة إلى النقل الجماعي. في المستقبل ، قد تكون أيضًا مسؤولة عن السفر إلى الفضاء ، حيث تستخدم أنظمة الدفع الأيوني المجالات المغناطيسية لتسريع الجسيمات المشحونة (أي الأيونات) وتحقيق الدفع.
لقد كتبنا العديد من المقالات المثيرة للاهتمام حول المغناطيسات الكهربائية هنا في مجلة الفضاء. إليك من اكتشف الكهرباء؟ ، ما هي المغناطيسات؟ ، كيف تعمل المغناطيس؟ ، المجال المغناطيسي للأرض ، ودفع أيون.
لمزيد من المعلومات ، تأكد من التحقق من تجربة وكالة ناسا التعليمية للمغناطيسات الكهرومغناطيسية ودور الأرض كمغناطيس كهربائي وإنشاء Auroras وصفحة NASA Wavelength على المغناطيسات الكهربائية.
يحتوي How Stuff Works أيضًا على صفحة رائعة بعنوان "مقدمة إلى كيفية عمل المغناطيسات الكهربائية" ، ويحتوي المختبر الوطني للمجال المغناطيسي العالي (MagLab) على بعض المقالات الرائعة حول المغناطيسات الكهربائية وكيفية صنعها وكيفية عملها.
يمكنك أيضًا الاطلاع على علم الفلك. تدور الحلقة 103 حول القوى الكهرومغناطيسية.
