آهنربای الکتریکی نوعی آهنربا است که در آن میدان مغناطیسی توسط جریان الکتریکی تولید می‌شود.زمانی که جریان قطع شود، میدان مغناطیسی ناپدید می‌شود.آهنرباهای الکتریکی موارد استفاده گسترده‌ای به عنوان اجزای دیگر وسایل الکتریکی دارند. مانند موتورها، مولدها، رله‌ها، بلندگوها، دیسک‌های سخت، دستگاه‌های ام آر آی، ابزارهای علمی و دستگاه‌های جداسازی مغناطیسی و همچنین به عنوان آهنرباهای صنعتی در جرثقیل‌ها برای بلند کردن و جابه جا کردن قطعه‌های سنگین آهن مورد استفاده قرار می‌گیرد.

یک آهن ربای مغناطیسی ساده متشکل از یک سیم پیچ با سیم روکش دار که به دور هسته آهنی پیچیده شده‌است.قدرت میدان مغناطیسی ایجاد شده به مقدار جریان بستگی دارد.

جریان (I) جاری در یک سیم می‌دانی مغناطیسی (B) ایجاد می‌کند.جهت میدان مطابق جهت تعیین شده با قانون دست راست است.

جریان الکتریکی جاری در یک سیم، می‌دانی مغناطیسی اطراف سیم ایجاد می‌کند.(شکل را ببینید).

برای متمرکز کردن میدان مغناطیسی درون آهنربای الکتریکی، سیم به صورت سیم پیچ (چند دور سیم که در کنار هم قرار گرفته‌اند) در آورده شده‌است. میدان مغناطیسی هر دور سیم از مرکز هسته می‌گذرد و میدان مغناطیسی قوی ایجاد می‌کند. سیم پیچ به شکل لوله را سیم لوله می‌نامند (solenoid) . سیم لوله‌ای که به شکل یک چنبره در آمده‌است، یعنی دو انتهای آن به هم متصل شده‌اند را سیم پیچ حلقوی (toroid) می‌نامند. اگر هسته‌ای فرو مغناطیس مانند آهن نرم استفاده شود، میدان‌های مغناطیسی بسیار قوی تری ایجاد می‌شود. هسته فرو مغناطیس میدان ناشی از سیم پیچ را تا هزاران برابر تقویت می‌کند. که این ناشی از ضریب گذر دهی مغناطیسی بسیار بالای مواد فرو مغناطیس است. این آهن ربا را آهن ربای فرو مغناطیسی می‌نامند. جهت میدان مغناطیسی گذرنده از میان یک سیم پیچ را می‌توان توسط قانون دست راست تعیین کرد. اگر انگشتان دست راست را به دور سیم پیچ و در جهت جریان (جریان قراردادی) خم کنید، انگشت شصت جهت جریان در مرکز سیم پیچ را نشان می‌دهد. سمتی که خطوط میدان مغناطیسی از آن خارج می‌شود قطب N آهن ربا تعریف می‌شود. بر تری اصلی یک آهن ربای الکتریکی بر یک آهنربای دائمی این است که میدان مغناطیسی می‌تواند با کنترل مقدار جریان الکتریکی، به مقدار زیادی تغییر داده شود. هرچند، بر ای حفظ میدان مغناطیسی، جریان الکتریکی دایمی مورد نیاز است.

هسته آهنی چگونه کار می‌کند [ویرایش]

هسته آهن ربا (معمولا آهن) از فازهای کوچکی به نام حوضه مغناطیسی تشکیل شده‌است که مانند آهن رباهای کوچکی عمل می‌کنند. قبل از ایجاد جریان در آهن ربای الکتریکی، حوضه‌های مغناطیسی در جهات تصادفی قرار دارند، بنابراین میدان‌های مغناطیسی کوچک یکدیگر را خنثی می‌کنند و هسته آهنی در کل میدان مغناطیسی قابل توجهی ندا رد. زمانی که جریان الکتریکی در سیمی که دور هسته پیچیده‌است، برقرار می‌شود، میدان مغناطیسی اش به آهن نفوذ می‌کند و حوضه‌های مغناطیسی را می‌چرخاند و با خود هم راستا می‌کند. بنابراین میدان‌های مغناطیسی کوچک حوضه‌ها به میدان مغناطیسی سیم اضافه می‌شوند و میدان مغناطیسی قوی به وجود می‌آورند که از هسته به سمت فضای اطراف آن خارج می‌شود. هرچه جریان الکتریکی که از سیم عبور می‌کند زیاد تر باشد، حوضه‌های مغناطیسی بیشتری با میدان مغناطیسی آن هم راستا می‌شوند و در نتیجه میدان مغناطیسی قوی تری به وجود می‌آید. در نهایت تمام حوضه‌های مغناطیسی با میدان سیم همراستا می‌شوند و افزایش جریان تنها باعث افزایش جزیی در میدان مغناطیسی می‌شود این حالت را اشباع مغناطیسی می‌نامند. زمانی که جریان در سیم پیچ قطع می‌شود، اکثر حوضه‌های مغناطیسی نظم خود را از دست می‌دهند و به جهتی تصادفی می‌چرخند و میدان از بین می‌رود. هرچند، مقداری از نظم به خاطر اینکه حوضه‌ها بر ای چرخاندن میدان مغناطیسی خود با مخالفت رو به رو می‌شوند، باقی می‌ماند و هسته را دار ای خاصیت آهن ربایی دایمی ضعیفی باقی می‌گذارد. به این پدیده پسماند مغناطیسی می‌گویند.

آهنربای مغناطیسی ستورجن, 1824

تاریخچه [ویرایش]

دانشمند دانمارکی هانس کریستین اورستد در سال 1820 میلادی کشف کرد که جریان الکتریکی، میدان مغناطیسی ایجاد می‌کند. در سال 1824 دانشمند انگلیسی به نام ویلیام ستورجن آهن ربای الکتریکی را اختراع کرد. اولین آهن ربای الکتریکی او قطعه آهنی به شکل نعل اسب بود که 18 دور سیم مسی لخت دور آن پیچیده شده بود (در آن زمان سیم روکش دار موجود نبوده‌است). آهن با لاک از سیم پیچ عایق شده بود.زمانی که جریانی از سیم پیچ گذر می‌کرد، آهن خاصیت آهن ربایی پیدا می‌کرد و دیگر قطعات آهن را می‌ربایید.زمانی که جریان قطع می‌شد این خاصیت را از دست می‌داد. ستورجن قدرت این پدیده را این‌طور نمایان ساخت که با گذر جریان ناشی از یک باتری تک سلولی، آهن به وزن 7 اونس (تقریبا200 گرم)، می‌توانست 9 پوند(تقریبا 4 کیلوگرم) را بلند کند. آهنرباهای ستورجن ضعیف بودند به خاطر اینکه او از سیم بدون روکش استفاده می‌کرد بنابراین تعداد دورهای سیم تنها به یک لایه محدود می‌شد.در ابتدای سال 1827 دانشمند آمریکایی جوزف هنری آهن ربای الکتریکی را بهبود بخشید و معروف کرد. با عایق کردن سیم با لایه‌ای از ابریشم او قادر بود سیم را چندین لایه دور هسته بپیچد و آهنرباهایی قوی با هزاران دور سیم پیچ ایجاد کند. مخصوصا آهن ربایی را که می‌توانست2063 پوند (936 کیلوگرم) را بلند کند.اولین استفاده گسترده آهنرباهای الکتریکی بر ای تولید صدا در تلگراف بود. نظریه حوضه‌های مغناطیسی و طرز کار هسته‌های فرو مغناطیس اولین بار توسط دانشمند فرانسوی پیر-ارنست ویس در سال 1906 پیشنهاد شد.و نظریه دقیق مکانیک کوانتومی مدرن فرو مغناطیس در سال 1920 توسط هایزنبرگ، لانداو، بلوخ و دیگران تدوین شد.

هن ربای الکتریکی صنعتی در حال بلند کردن آهن قراضه، 1914

موارد مصرف آهنرباهای الکتریکی [ویرایش]

آهنرباهای الکتریکی به طور گسترده‌ای در دستگاه‌های الکتریکی و الکترومغناطیسی استفاده می‌شوند.شامل:

• موتورها و مولدها
• مبدل‌های الکتریکی
• رلهها، شامل رید رله‌ها مورد استفاده در سویچ‌های تلفن
• زنگ‌های الکتریکی
• بلندگوها
• ضبط مغناطیسی و ذخیره داده:نوار کاست، ویدیو کاست، دیسک‌های سخت( هارددیسک‌ها )
• ابزارهای علمی مانند ام آر آی و طیف سنجی جرمی
• شتاب دهنده ذرات
• قفل‌های مغناطیسی
• جداسازی مغناطیسی مواد
• آهنرباهای جرثقیل صنعتی
• سیستم‌های تعلیق مغناطیسی در قطارهای پر سرعت

آنالیز آهنرباهای الکتریکی فرومغناطیس [ویرایش]

میدان مغناطیسی آهنرباهای الکتریکی در کل با قانون آمپر بدست می‌آید. که می‌گوید انتگرال میدان مغناطیسی H اطراف هر سطح بسته‌ای برابر است با جمع جریان جاری در سیم پیچ.معادله دیگری نیز استفاده می‌شود که میدان مغناطیسی را بر اساس هر جز از جریان به دست می‌دهد و قانون بیوساوار نام دارد.محاسبه میدان مغناطیسی و نیروی ناشی از ماده فرومغناطیس به دو دلیل مشکل است. اول، به این خاطر که شدت میدان در هر نقطه به صورت پیچیده‌ای متفاوت است، مخصوصا خارج هسته و در شکاف‌های هوایی، که باید میدان‌های حاشیه‌ای و نشتی مغناطیسی در نظر گرفته شوند.دوم، میدان مغناطیسی B و نیرو توابعی غیرخطی از جریان و متناسب با رابطه غیر خطی B و H برای ماده مورد استفاده در هسته هستند.برای محاسبه دقیق، نرم افزارهایی استفاده می‌شوند که می‌توانند مدلی از میدان مغناطیسی بر اساس روش اجزا محدود تولید کنند.