​

​

نیروهای لورنتس [ ویرایش ]

در مغناطیس های الکتریکی قوی، میدان مغناطیسی به دلیل نیروی لورنتس ، بر هر پیچ سیم پیچ نیرویی وارد می کند. {\displaystyle q\mathbf {v} \times \mathbf {B} }بر روی بارهای متحرک درون سیم عمل می کند. نیروی لورنتس هم بر محور سیم و هم بر میدان مغناطیسی عمود است. می توان آن را به عنوان فشاری بین خطوط میدان مغناطیسی تجسم کرد که آنها را از هم جدا می کند. این دو اثر روی سیم پیچ آهنربای الکتریکی دارد:

  • خطوط میدان در محور سیم پیچ نیروی شعاعی بر هر چرخش سیم پیچ ها اعمال می کنند و تمایل دارند آنها را در تمام جهات به سمت بیرون هل دهند. این باعث ایجاد تنش کششی در سیم می شود.
  • خطوط میدان نشتی بین هر پیچ سیم پیچ نیروی جذابی را بین پیچ‌های مجاور اعمال می‌کنند و تمایل دارند که آنها را به هم نزدیک کنند. [ نیاز به استناد ]

نیروهای لورنتس با B2 افزایش می یابد . در آهنرباهای الکتریکی بزرگ، سیم‌پیچ‌ها باید محکم در جای خود محکم شوند تا از حرکت در هنگام خاموش و روشن کردن برق که باعث خستگی فلز در سیم‌پیچ‌ها نمی‌شود، جلوگیری شود. در طرح Bitter ، در زیر، که در آهن‌رباهای تحقیقاتی با میدان بسیار بالا استفاده می‌شود، سیم‌پیچ‌ها به‌عنوان دیسک‌های مسطح برای مقاومت در برابر نیروهای شعاعی ساخته می‌شوند و در جهت محوری برای مقاومت در برابر نیروهای محوری بسته می‌شوند که به آن اجازه می‌دهد با سرعت‌های بالا حرکت کند. سیم

ضررهای اصلی [ ویرایش ]

در الکترومغناطیس های جریان متناوب (AC) که در ترانسفورماتورها ، سلف ها و موتورها و ژنراتورهای AC استفاده می شود ، میدان مغناطیسی دائما در حال تغییر است. این باعث تلفات انرژی در هسته مغناطیسی آنها می شود که به صورت گرما در هسته پخش می شود. زیان ها از دو فرآیند ناشی می شود:

  • جریان‌های گردابی : از قانون القای فارادی ، میدان مغناطیسی در حال تغییر، جریان‌های الکتریکی در حال گردش را در رساناهای مجاور القا می‌کند که جریان‌های گردابی نامیده می‌شوند . انرژی در این جریان ها به صورت گرما در مقاومت الکتریکی هادی تلف می شود، بنابراین باعث اتلاف انرژی می شوند. از آنجایی که هسته آهنی آهنربا رسانا است و بیشتر میدان مغناطیسی در آنجا متمرکز است، جریان گردابی در هسته مشکل اصلی است. جریان های گردابی حلقه های بسته ای از جریان هستند که در صفحات عمود بر میدان مغناطیسی جریان دارند. انرژی تلف شده متناسب با ناحیه محصور شده توسط حلقه است. برای جلوگیری از آنها، هسته های الکترومغناطیس AC از پشته های ورقه های فولادی نازک، یا لایه های لایه ای ، موازی با میدان مغناطیسی، با یک پوشش عایق بر روی سطح ساخته شده اند. لایه های عایق از جریان گردابی بین ورق ها جلوگیری می کنند. هر گونه جریان گردابی باقیمانده باید در سطح مقطع هر لمینیت منفرد جریان داشته باشد، که تلفات را تا حد زیادی کاهش می دهد. جایگزین دیگر استفاده از هسته فریت است است که یک نارسانا است.
  • تلفات هیسترزیس : معکوس کردن جهت مغناطیسی حوزه های مغناطیسی در ماده هسته در هر چرخه باعث اتلاف انرژی به دلیل اجباری بودن ماده می شود. این تلفات هیسترزیس نامیده می شود . انرژی از دست رفته در هر چرخه متناسب با مساحت حلقه پسماند در نمودار BH است . برای به حداقل رساندن این تلفات، هسته های مغناطیسی مورد استفاده در ترانسفورماتورها و سایر آهنرباهای الکتریکی AC از مواد "نرم" با فشار کم مانند فولاد سیلیکونی یا فریت نرم ساخته شده اند . تلفات انرژی در هر سیکل جریان متناوب برای هر یک از این فرآیندها ثابت است، بنابراین تلفات توان به صورت خطی با فرکانس افزایش می‌یابد. افزایش می‌یابد .

الکترومغناطیس های میدان بالا [ ویرایش ]

الکترومغناطیس های ابررسانا [ ویرایش ]

قوی ترین آهنربای الکتریکی جهان، آهنربای ابررسانای تلخ هیبریدی 45 T در آزمایشگاه ملی میدان مغناطیسی ملی ایالات متحده، تالاهاسی، فلوریدا، ایالات متحده آمریکا

مقاله اصلی: آهنربای ابررسانا

هنگامی که میدان مغناطیسی بالاتر از حد فرومغناطیسی 1.6 T مورد نیاز است، می توان از الکترومغناطیس های ابررسانا استفاده کرد. اینها به جای استفاده از مواد فرومغناطیسی، از سیم پیچ های ابررسانا خنک شده با هلیوم مایع استفاده می کنند که جریان را بدون مقاومت الکتریکی هدایت می کنند . اینها به جریان‌های عظیم اجازه می‌دهند که میدان‌های مغناطیسی شدید ایجاد کنند. آهنرباهای ابررسانا توسط قدرت میدانی که در آن مواد سیم پیچ دیگر ابررسانا نیستند محدود می شوند. طرح‌های فعلی به 10 تا 20 تن محدود شده‌اند و رکورد فعلی (2017) 32 تن است . با این حال، در کاربردهای با توان بالا، این امر می‌تواند با هزینه‌های عملیاتی کمتر جبران شود، زیرا پس از راه‌اندازی هیچ برقی برای سیم‌پیچ‌ها لازم نیست، زیرا هیچ انرژی برای گرمایش اهمی از دست نمی‌رود. آنها در شتاب دهنده های ذرات و دستگاه های MRI استفاده می شوند .

الکترومغناطیس تلخ [ ویرایش ]

مقاله اصلی: الکترومغناطیس تلخ

هم مغناطیس های الکترومغناطیس هسته آهنی و هم ابررساناها محدودیت هایی برای میدانی که می توانند تولید کنند دارند. بنابراین، قوی ترین میدان های مغناطیسی ساخته شده توسط انسان توسط آهنرباهای الکترومغناطیسی غیر ابررسانای هسته هوا با طرحی که فرانسیس بیتر در سال 1933 اختراع کرد، به نام الکترومغناطیس تلخ ایجاد شده است . [25] به‌جای سیم‌پیچ‌های سیم، یک آهن‌ربای تلخ از یک سلونوئید ساخته شده از پشته‌ای از دیسک‌های رسانا تشکیل شده است که به گونه‌ای چیده شده‌اند که جریان در مسیری مارپیچ از میان آن‌ها حرکت می‌کند، با سوراخی از مرکز که در آن حداکثر میدان ایجاد می‌شود. این طرح دارای استحکام مکانیکی برای مقاومت در برابر نیروهای شدید لورنتس میدان است که با B2 افزایش می یابد . دیسک ها با سوراخ هایی سوراخ می شوند که آب خنک کننده از آن عبور می کند تا گرمای ناشی از جریان زیاد را از بین ببرد. قوی ترین میدان پیوسته ای که صرفاً با یک آهنربای مقاومتی به دست آمده است، 41.5 تسلا در 22 اوت 2017 است که توسط یک الکترومغناطیس تلخ در آزمایشگاه ملی میدان مغناطیسی بالا در تالاهاسی ، فلوریدا تولید شده است . [26] [27] رکورد قبلی 37.5 T بود. [28] قوی ترین میدان مغناطیسی پیوسته به طور کلی، 45 T، [25] در ژوئن 2000 با یک دستگاه ترکیبی متشکل از یک آهنربای تلخ در یک آهنربای ابررسانا به دست آمد.

عامل محدود کننده قدرت الکترومغناطیس‌ها ناتوانی در دفع گرمای هدررفته بسیار زیاد است، بنابراین میدان‌های قوی‌تر، تا 100 T، [24] از آهنرباهای مقاومتی با ارسال پالس‌های کوتاه جریان بالا از طریق آنها به دست آمده است. دوره غیر فعال پس از هر پالس اجازه می دهد تا گرمای تولید شده در طول پالس قبل از پالس بعدی حذف شود.

فشرده سازی شار پمپ شده انفجاری [ ویرایش ]

مقاله اصلی: ژنراتور فشرده سازی شار پمپ شده با انفجار

یک نوع لوله توخالی از ژنراتور فشرده سازی شار با پمپ انفجاری. لوله مسی توخالی مانند یک سیم پیچ ثانویه یک ترانسفورماتور عمل می کند. هنگامی که پالس جریان از خازن در سیم پیچ ها یک پالس میدان مغناطیسی ایجاد می کند، این جریان محیطی قوی در لوله ایجاد می کند و خطوط میدان مغناطیسی را در داخل به دام می اندازد. سپس مواد منفجره لوله را فرو می‌ریزند و قطر آن را کاهش می‌دهند و خطوط میدان به هم نزدیک‌تر می‌شوند و میدان را افزایش می‌دهند.

قوی‌ترین میدان‌های مغناطیسی ساخته دست بشر [29] با استفاده از مواد منفجره برای فشرده‌کردن میدان مغناطیسی درون یک آهن‌ربای الکترومغناطیسی به هنگام ضربان شدن آن ایجاد شده‌اند. اینها ژنراتورهای فشرده سازی شار پمپ شده انفجاری نامیده می شوند . انفجار میدان مغناطیسی را به مقادیری در حدود 1000 T [25] برای چند میکروثانیه فشرده می کند . در حالی که این روش ممکن است بسیار مخرب به نظر برسد، شکل دادن شارژ، انفجار را به سمت بیرون هدایت می کند تا آسیب به آزمایش به حداقل برسد. این دستگاه ها به عنوان آهنربای الکتریکی پالسی مخرب شناخته می شوند. [30] از آنها در فیزیک و علم مواد استفاده می شود برای مطالعه خواص مواد در میدان های مغناطیسی بالا استفاده می شوند.

تعریف اصطلاحات [ ویرایش ]

مدت، اصطلاحاهمیتواحد

آ\،سطح مقطع هسته متر مربع

B\,میدان مغناطیسی (چگالی شار مغناطیسی)تسلا

F\,نیروی اعمال شده توسط میدان مغناطیسی نیوتن

H\,میدان مغناطیسی آمپر بر متر

من\،جریان در سیم سیم پیچآمپر

L\,طول کل مسیر میدان مغناطیسیL_{\mathrm{core}}+L_{\mathrm{gap}}\،متر

orهL_{\mathrm{core}}\،طول مسیر میدان مغناطیسی در ماده هستهمتر

L_{\mathrm{gap}}\،طول مسیر میدان مغناطیسی در شکاف های هوامتر

متر1،متر2قدرت قطب آهنربای الکتریکیآمپر متر

\mu \,نفوذپذیری مواد هسته الکترومغناطیسنیوتن بر آمپر مربع

\mu_0\,نفوذپذیری فضای آزاد (یا هوا) = 4π(10-7 ) . )نیوتن بر آمپر مربع

\mu_r\,نفوذپذیری نسبی مواد هسته الکترومغناطیس بدون بعد

N\,تعداد چرخش سیم روی آهنربای الکتریکیبدون بعد

r\,فاصله بین قطب های دو آهنربای الکتریکیمتر

همچنین ببینید [ ویرایش ]

  • آهنربای دوقطبی - اساسی ترین شکل آهنربا
  • الکترومغناطیس
  • آهنربای دائمی الکترومغناطیسی - آرایش مغناطیسی آهنربای الکتریکی سخت
  • سیم پیچ میدان
  • بلبرینگ مغناطیسی
  • آهنربای میدان پالسی
  • آهنربای چهار قطبی - ترکیبی از آهنرباها و آهنرباهای الکتریکی که عمدتاً برای تأثیرگذاری بر حرکت ذرات باردار استفاده می شود.

منابع [ ویرایش ]

  1. ^پرش به بالا:a b c d e Nave, Carl R. (2012). "الکترومغناطیس". هایپرفیزیک. بخش فیزیک و نجوم، دانشگاه ایالتی جورجیا. بایگانی شدهاز نسخه اصلی در 22 سپتامبر 2014. بازبینی شده در 17 سپتامبر 2014.
  2. ^پرش به بالا:a b c d e f g h i j k l m n o p مرزوکی، روچدی; سامانتارای، آرون کومار؛ پاتک، پوشپرج مانی (1391). سیستم‌های مکاترونیک هوشمند: مدل‌سازی، کنترل و تشخیص Springer Science & Business Media. ص 403-405. شابک 978-1447146285. بایگانی شده از نسخه اصلی در 2016-12-03.
  3. ↑ Sturgeon, W. (1825). "دستگاه الکترومغناطیسی بهبود یافته". ترانس. انجمن سلطنتی هنر، تولیدات و تجارت . 43 : 37-52.نقل شده در Miller, TJE (2001). کنترل الکترونیکی ماشین های رلوکتانس سوئیچ شده . نیونز. پ. 7. ISBN 978-0-7506-5073-1. بایگانی شده از نسخه اصلی در 2016-12-03.
  4. ↑ ویندلسپکت، مایکل. آزمایش‌ها، اختراعات و اکتشافات علمی پیشگامانه قرن نوزدهم بایگانی شده 2017-01-11 در Wayback Machine , xxii, Greenwood Publishing Group, 2003, ISBN 0-313-31969-3 .
  5. ^ کاویچی، الیزابت. "آزمایش سری و موازی با الکترومغناطیس" (PDF) . Pavia Project Physics, Univ. از پاویا، ایتالیا بایگانی شده (PDF) از نسخه اصلی در 15 مارس 2016 . بازبینی شده در 22 اوت 2015 .
  6. ↑ شرمن، راجر (2007). "کمک های جوزف هنری به آهنربای الکتریکی و موتور الکتریکی" . مقالات جوزف هنری موسسه اسمیتسونیان بایگانی شده از نسخه اصلی در 2012-06-08 . بازیابی شده در 2008-08-27 .
  7. ↑ ضریب شوایگر – 1820 . مگلب . آزمایشگاه ملی میدان مغناطیسی بالا بایگانی شده از نسخه اصلی در 17 اکتبر 2017 . بازبینی شده در 17 اکتبر 2017 .
  8. ^پرش به بالا:a b Dawes, Chester L. (1967). "مهندسی برق". در باومایستر، تئودور (ویرایشگر). کتاب استاندارد برای مهندسین مکانیک(ویرایش هفتم). مک گراو هیل. پ. 15-105.
  9. ^ داوس 1967 ، ص. 15-105-15-106
  10. ^ داوس 1967 ، ص. 15-106، جدول 25
  11. ^ داوس 1967 ، ص. 15-106
  12. ^ داوس 1967 ، ص. 15-106
  13. ↑ Underhill، Charles R. (1906). الکترومغناطیس . دی. ون نوستراند. پ. 113. بایگانی شده از نسخه اصلی در 2016-05-01.
  14. ^ میلیکین، رابرت؛ اسقف، ادوین (1917). عناصر برق . شیکاگو: انجمن فنی آمریکا. ص 125 .
  15. ↑ فلمینگ، جان آمبروز (1892). سخنرانی های کوتاه برای صنعتگران برق، ویرایش چهارم . لندن: E. & FN Spon. صص 38-40. بایگانی شده از نسخه اصلی در 2017-01-11.
  16. ↑ گیتس، ارل (2013). مقدمه ای بر پایه برق و فناوری الکترونیک . Cengage Learning. پ. 184. شابک 978-1133948513. بایگانی شده از نسخه اصلی در 2017-01-10.
  17. ^ شیپمن، جیمز؛ جری، ویلسون؛ تاد، آرون (2009). مقدمه ای بر علوم فیزیک (12 ویرایش). Cengage Learning. ص 205-206. شابک 978-1111810283. بایگانی شده از نسخه اصلی در 2017-01-11.
  18. ^پرش به بالا:a b c "سطوح شار اشباع مواد مغناطیسی مختلف تا 24.5 کیلوگاوس" (2.5 T) p.1 "سیلیکون فولاد در حدود 17 کیلوگاوس اشباع می شود" (1.7 T) p.3 Pauley, Donald E. (مارس 1996). "مغناطیسی منبع تغذیه قسمت 1: انتخاب مواد هسته ترانسفورماتور/سلف". تبدیل نیرو و حرکت هوشمند. بایگانی شده ازنسخه اصلیدر 24 دسامبر 2014. بازبینی شده در 19 سپتامبر 2014.
  19. ^ پرکاربردترین مواد هسته مغناطیسی، فولاد سیلیکونی 3 درصد، القای اشباع 20 کیلوگاوس (2 T) دارد. "ویژگی های مواد، فولاد سیلیکونی 3% دانه گرا" . کاتالوگ . شرکت مواد مغناطیسی 2013. ص. 16. بایگانی شده از نسخه اصلی در 20 سپتامبر 2014 . بازبینی شده در 19 سپتامبر 2014 .
  20. ^پرش به بالا:a b c "فولاد مغناطیسی به طور کامل در حدود 2 T"شورت اشباع می شود، توماس آلن (2003). کتاب راهنمای توزیع نیروی برق . مطبوعات CRC. پ. 214.شابک 978-0203486504.
  21. ↑ فاینمن، ریچارد پی (1963). سخنرانی های فیزیک، جلد. 2 . نیویورک: ادیسون-وسلی. صص 36-9 تا 36-11، معادله. 36-26. شابک 978-8185015842.
  22. ^پرش به بالا:الف ب فیتزجرالد، ا. کینگزلی، چارلز؛ کوسکو، الکساندر (1971). ماشین‌های الکتریکی، ویرایش سوم. ایالات متحده آمریکا: McGraw-Hill. صص 3-5.
  23. ↑ 32 تسلا مغناطیس تمام ابررسانا . آزمایشگاه ملی میدان مغناطیسی بالا، ایالات متحده 2018.
  24. ^پرش به بالا:a b " رکوردهای جهانی Mag Lab ". مرکز رسانه. آزمایشگاه ملی میدان مغناطیسی بالا، ایالات متحده 2008. بایگانی شده ازنسخه اصلیدر 2008-10-07. بازیابی 2008-08-31 .
  25. ^پرش به بالا:کوین ، کریستین (2008). "مگنت ها: از مینی تا توانا". آزمایشگاه مگنت U. آزمایشگاه ملی میدان مغناطیسی بالا بایگانی شده ازنسخه اصلیدر 2008-09-17. بازیابی 2008-08-31 .
  26. ↑ MagLab رکورد قوی‌ترین آهنربا مقاومتی را بازیابی کرد . آزمایشگاه ملی میدان مغناطیسی بالا 22 آگوست 2017 . بازبینی شده در 14 مه 2023 .
  27. ^ توث، جی. Bole, ST (آوریل 2018). ""طراحی، ساخت، و اولین آزمایش یک آهنربای تمام مقاومتی 41.5 T در NHMFL در تالاهاسی،"" . IEEE Transactions on Applied Superconductivity . IEEE. 28 (3): 1-4. doi : 10.1109/TASC.2017.2775578 . S2CID 7923594 .
  28. ↑ HFML با آهنربای جدید 37.5 تسلا رکورد جهانی را ثبت کرد . آزمایشگاه آهنربای میدان بالا 31 مارس 2014. بایگانی شده از نسخه اصلی در 4 سپتامبر 2015 . بازبینی شده در 21 مه 2014 .
  29. ↑ "قوی ترین آهنربا در جهان چیست؟" . آهنرباهای اوج نوامبر 2014. بایگانی شده از نسخه اصلی در 5 فوریه 2017 . بازبینی شده در 5 فوریه 2017 .
  30. ↑ کوین، کریستین (2008). "7. آهنرباهای پالسی: لحظات درخشان کوتاه" . آهنربا از Mini تا Mighty . آزمایشگاه ملی میدان مغناطیسی بالا بایگانی شده از نسخه اصلی در 2014-12-20 . بازیابی شده در 2014-05-21 .

https://en.wikipedia.org/wiki/Electromagnet

​

​