کاربردها و استفاده‌های شگفت آور متنوع آهنربای الکتریکی

هنگامی که یک جریان الکتریکی از میان سیم‌های یک سیم پیچ اطراف یک رسانا (که اغلب از فلزات آهنی است) عبور می‌کند، یک میدان مغناطیسی در اطراف آن رسانا ایجاد می‌شود. این میدان دارای رفتار و دارای تمام خواص یک آهنربای واقعی است. هنگامی که جریان جاری از میان سیم متوقف می‌شود، فلز خواص مغناطیسی خود را از دست می‌دهد. برعکس آن نیز صادق است، یعنی اگر سیم از میان  یک میدان مغناطیسی جا به جا شود (یا شار مغناطیسی در اطراف یک سیم متغیر باشد)، جریانی الکتریکی را در سیم ایجاد می‌کند.

کشف الکترومغناطیس تاریخ جالبی دارد. مدت‌ها قبل، وجود مغناطیس و الکتریسیته به عنوان پدیده‌هایی جداگانه مشخص شده بود. کشف این واقعیت که آنها جلوه‌های متفاوتی از یک نیرو هستند دیرتر صورت گرفت. بسیاری از دانشمندان بزرگ در کشف رمز الکترومغناطیس سهیم بودند و صرفاً دادن اعتبار به تعداد معدودی از آنها عادلانه نیست. معروف‌ترین نام‌های مرتبط با آن نام‌های هانس کریستین اورستد، سر مایکل فارادی و جیمز کلرک ماکسول است. اورستد نشان داد که یک جریان الکتریکی عقربه‌ی مغناطیسی قطب نما را منحرف می‌کند. او نتایج خود را در ژورنالی منتشر کرد و این نتایج بسیار مهم شناخته شدند. فارادی مفهوم میدان را برای توصیف الکترومغناطیس معرفی کرد، که به قرار دادن آن در یک چارچوب ریاضی کمک کرد. ماکسول، یکی از بزرگترین فیزیکدانان تمام دوران، الکترومغناطیس را به صورت ریاضی توصیف کرد. چهار معادله مهم وی، که امروزه با عنوان معادلات ماکسول شناخته می‌شوند، اساس توصیف الکترومغناطیس در فیزیک است. اگرچه هنوز ماهیت کامل الکترومغناطیس تماماً درک نشده است، اما ما هنوز هم همچنان از پتانسیل آهنربای الکتریکی استفاده می‌کنیم، همان طور که توسط چندین کاربرد داده شده در زیر این موضوع نشان داده شده است.

انواع موتورهای الکتریکی با استفاده از همین اصل کار می‌کنند. در تمام موتورهای الکتریکی، جریانی از میان یک سیم عبور می‌کند که بر آن توسط یک میدان مغناطیسی و به صورت عمود بر آن نیرو وارد می‌شود. میدان مغناطیسی نیرویی (به نام گشتاور) ایجاد می‌کند که سیم پیچ را می چرخاند. این مورد برای ایجاد حرکت برای تعدادی از کاربردها در صنایع و لوازم خانگی مورد استفاده قرار می‌گیرد.

یک ژنراتور دقیقاً برعکس موتور الکتریکی عمل می‌کند. یک حلقه سیم بین دو آهنربا (که نمایانگر یک میدان مغناطیسی ثابت است) چرخانده می‌شود. این، جریانی الکتریکی را در حلقه سیم ایجاد می‌کند که به روش‌های مختلفی قابل استفاده است.

از سوئیچ‌های رله در بسیاری از تجهیزات استفاده می‌شود. عملکرد اصلی یک رله الکترومغناطیسی شامل ایجاد یک میدان مغناطیسی در یک هسته آهنی با عبور یک جریان الکتریکی از میان یک سیم پیچ پیچیده شده در اطراف آن است. هنگامی که یک جریان الکتریکی از سیم پیچ عبور می‌کند، میدان مغناطیسی ایجاد شده باعث می‌شود یک مدار قطع یا وصل شود. این مکانیسمِ اساسی، در بسیاری از کاربردها مورد استفاده قرار می‌گیرد.

شتاب دهنده‌های ذرات مانند برخورد دهنده بزرگ هادرون که اکنون مشهور است، انرژی یک پرتوی ذرات را افزایش داده و جهت یابی آن را فراهم می‌کنند. آهنرباهای عظیم، معروف به دوقطبی‌ها، برای تغییر مسیر یک جریان پر انرژی از ذرات به کار می‌روند. از آهنرباهای چهارگانه برای همگرایی ذرات استفاده می‌شود. این آهن رباها ابررسانا هستند و میدان مغناطیسی بسیار قوی‌ای را قادر می‌سازند تا مسیر ذراتی را که با سرعت نزدیک به نور حرکت می‌کنند، خم کنند.

طیف سنج جرمی ابزاری است که در شیمی تحلیلی برای اهداف مختلفی مانند روشن ساختن ساختار ترکیبات شیمیایی مورد استفاده قرار می‌گیرد. این دستگاه با تقسیم مولکول‌ها به ذرات باردار و سپس اندازه گیری نسبت جرم به بار آنها عمل می‌کند. پس از تکه تکه شدن یک ترکیب، قطعات باردار توسط آنالیزور جرم جدا می‌شوند. جدا سازی با استفاده از میادین الکترومغناطیسی روی قطعات باردار حاصل می‌شود.

MRI  یک روش شناخته شده است که برای تصویر برداری از بافت‌های نرم بدن مفید است. دستگاه MRI دارای آهنربای ابررساناست که یک میدان مغناطیسی قوی را در اطراف بدن بیمار ایجاد می‌کند. آهنرباهای ابررسانا، کویل‌هایی از آلیاژهای فلزی با مقاومت تقریباً صفر هستند که هنگام سوپرسرد شدن، الکتریسیته را به نحوی بسیار کارآمد هدایت می‌کنند. هنگامی که برق از میان سیم پیچ جریان می‌یابد، به یک آهنربای قدرتمند تبدیل می‌شود. از میدان مغناطیسی ایجاد شده برای تصویر برداری از بافت‌های بدن استفاده می‌شود.

ترانسفورماتور وسیله‌ای است که برای تغییر ولتاژ و فرکانس جریان متناوب ورودی (AC) از آن استفاده می‌شود. ترانسفورماتور از هسته‌ای از آهن تشکیل شده است که در آن سیم پیچ اولیه (که جریانی را از خطوط تغذیه AC حمل می‌کند) و یک سیم پیچ ثانویه (که حامل جریان متناوب تعدیل شده است) به دور آن پیچیده شده است. جریان ورودی شار مغناطیسی را در هسته ایجاد می‌کند. این شار جریان تبدیل شده را که از طریق سیم پیچ ثانویه جریان می‌یابد، تولید می‌کند. ترانسفورماتورها دو نوع هستند: ترانسفورماتورهای افزاینده و ترانسفورماتورهای کاهنده.

این‌ها حاوی آهنربای دائمی و همچنین یک آهنربای الکتریکی هستند. آهنربای الکتریکی به صورت یک سیم پیچ است که به "سیم پیچ صوتی" معروف است. هنگامی که جریان الکتریکی از سیم پیچ عبور می‌کند، به آهنربای الکتریکی‌ای تبدیل می‌شود که قطبیت آن با جریانی که از آن عبور می کند تغییر می‌کند. میدان مغناطیسی سیم پیچ صوتی با میدان مغناطیسی آهنربای دائمی در تعامل است. این امر نیرویی را ایجاد می‌کند که سیم پیچ را حرکت می‌دهد. حرکت سیم پیچ، مخروط بلندگو را که به آن متصل است، حرکت می‌دهد. این فرآیند صدای تقویت شده‌ای را حمل می‌کند که به صورت یک سیگنال الکتریکی در بلندگو دریافت شده است.

این‌ها قطارهایی با سرعت بالا هستند که دارای آهنرباهای الکتریکی قدرتمندی برای شناور سازی (بلند کردن)، هدایت و حرکت آنها هستند که به قطارهای مَگلِو یا ساده‌تر به مگلوها مشهورند. آهنربای الکتریکی، قطار را تا چند میلی متر بالاتر از خط ریل بلند می‌کند. این امر اصطکاک را، که یکی از اصلی‌ترین موانع دستیابی به سرعت در هر نوع حمل و نقل است، بسیار کاهش می‌دهد.

 
منبع: چاندرامیتا بورا - ScienceStruck