نیروی مغناطیسی و نیروی الکتریکی

مغناطیس، نیروی جاذبه یا دافعه ای است که در یک فاصله عمل می کند. آهن ربا شیئی است که یک میدان مغناطیسی قوی دارد و موادی مانند آهن را جذب می کند. (میدان مغناطیسی سبب حرکت ذرات باردار الکتریکی نیز می شود.) آهن ربا دو قطب دارد که قطب شمال (N) و قطب جنوب (S) نامیده می شوند. قطب های مخالف دو آهن ربا همدیگر را جذب و دو قطب هم نام، یکدیگر را دفع می کنند. آهن رباها در زندگی امروزی کاربردهای گوناگونی دارد.

سؤالاتی که می توان درباره آهن رباها مطرح کرد عبارتند از:

میدان مغناطیسی چیست؟

نیروی مغناطیسی چیست؟

چه رابطه ای بین مغناطیس و الکتریسته وجود دارد؟

میدان مغناطیسی

یک میدان مغناطیسی متشکل از خطوطی خیالی از شار (جریان) ذراتی با بار الکتریکی در حال چرخش و یا در حال حرکت است. مثال آن چرخش پروتون و حرکت الکترون ها از میان یک سیم در یک مدار الکتریکی است.

میدان مغناطیسی در واقع یک معما است ولی ما آن را یکی از ویژگی های خاص فضا می دانیم.

میدان مغناطیسی یا خطوط شار یک ذره باردار در حال حرکت

نام قطب ها

خطوط  شار مغناطیسی از یک انتهای یک جسم به طرف دیگرش در جریان است. به طور قراردادی یک انتهای شیء مغناطیسی، قطب شمال (N) و انتهای دیگر قطب جنوب (S) نامیده می شود. قطب های مغناطیسی شمال و جنوب زمین هم به همین ترتیب نام گذاری شده اند. جریان یا شار مغناطیسی زمین از شمال به جنوب حرکت می کند.

نکته: زمین از میدان مغناطیسی ای که در تصویر بالا نشان داده شد پیروی نمی کند و خطوط شار زمین مخالف حرکت ذرات باردار الکتریکی جریان دارند.

 آهن ربا

هر ذره، مثل الکترون می تواند میدان مغناطیسی داشته باشد. اشیای بزرگ تر مانند یک قطعه آهن هم می تواند میدان مغناطیسی بزرگی داشته باشد که مجموع میدان های مغناطیسی ذرات است. اگر شیء بزرگ تر، میدان مغناطیسی خیلی بزرگ تری داشته باشد آهن ربا نامیده می شود.

نیروی مغناطیسی

میدان مغناطیسی یک شیء می تواند نیروی مغناطیسی بر اشیای دیگر دارای میدان مغناطیسی ایجاد کند. این نیروی مغناطیسی، خاصیت مغناطیسی نامیده می شود.

هنگامی که یک میدان مغناطیسی بر یک بار الکتریکی در حال حرکت، مانند یک پروتون یا جریان الکتریکی داخل یک سیم اعمال می شود، نیروی وارد بر این بار الکتریکی نیروی لورنتس نامیده می شود.

جذب

هنگامی که دو آهن ربا یا دو جسم دارای خاصیت مغناطیسی نزدیک یکدیگر قرار می گیرند، نیرویی وجود دارد که قطب ها را جذب یکدیگر می کند. آهن رباها همچنین به شدت مواد فرومغناطیس مانند آهن، نیکل و کبالت را جذب می کنند.

نیرویی که N را به S جذب می کند

دفع

هنگامی که قطب های هم  نام دو شیء مغناطیسی نزدیک یکدیگر قرار می گیرند، نیروی مغناطیسی آنها را از یکدیگر دور می کند.

همچنین آهن ربا می تواند مواد دیامغناطیس را به شکل ضعیفی دفع کند.

نیروی دافعه مغناطیسی بین قطب های هم نام

میدان های مغناطیسی و الکتریکی

میدان های مغناطیسی و الکتریکی شباهت ها و هم تفاوت هایی با یکدیگر دارند. هم چنین به یکدگیر مرتبط اند.

شباهت بارهای الکتریکی و آهن ربا

همان طور که بار الکتریکی مثبت (+) و بار الکتریکی منفی (-) یکدیگر را جذب می کنند قطب های N و S آهن ربا هم یکدیگر را جذب می کنند.

در الکتریسیته بارهای مشابه همدیگر را دفع می کنند و در آهن ربا قطب های مشابه یکدیگر را دفع می کنند.

تفاوت بارهای الکتریکی و آهن ربا

میدان مغناطیسی، یک میدان دو قطبی است یعنی هر آهنربا باید دو قطب داشته باشد.

اما در مورد بارهای الکتریکی، یک بار الکتریکی مثبت یا بار الکتریکی منفی می تواند تنها باشد. بارهای الکتریکی، تک قطبی خوانده می شوند زیرا می توانند بدون بار مخالف وجود داشته باشند.

اصولی درباره میدان مغناطیسی

میدان مغناطیسی با میدان الکتریکی متفاوت است. هرچند که هر دو نوع به هم پیوسته و مرتبط اند اما در برخی از موضوعات با یکدیگر متفاوت اند. نظریه میدان مغناطیسی و خطوط میدان مغناطیسی اولین بار توسط مایکل فارادی و بعدها به وسیله جیمز کلرک ماکسول مورد بررسی قرار گرفت. هر دوی این دانشمندان انگلیسی کشفیات بزرگی در زمینه الکترومغناطیس انجام دادند.

میدان های مغناطیسی نواحی ای از یک شیء هستند که نفوذ مغناطیسی را به نمایش می گذارند. میدان ها بر روی اشیای مجاور و همین طور چیزهایی به نام خطوط میدان مغناطیسی اثر می گذارند. یک شیء مغناطیسی می تواند اشیای مغناطیسی دیگر را جذب یا دفع کند.

نیروی مغناطیسی و نیروی گرانش به یکدیگر مربوط نیستند. مقدار نیروی گرانش، بر جرم یک شیء مبتنی است درحالی که نیروی مغناطیسی بر پایه موادی است که شیء از آن ساخته شده است.

اگر شیئی را در یک میدان مغناطیسی قرار دهید، تأثیر می گیرد و این تأثیر در امتداد خطوط میدان مغناطیسی اتفاق می افتد. احتمالاً در آزمایش ها، ذرات کوچک آهن را دیده اید که حول آهن ربا در امتداد خطوط میدان مغناطیسی ایجاد شده اند. قطب های مغناطیسی نقاطی اند که خطوط میدان مغناطیسی از آنجا شروع و پایان می پذیرد. خطوط میدان در قطب ها همگرا می شوند.

احتمالاً درباره قطب های زمین هم چیزهایی را شنیده اید. قطب ها مکان هایی هستند که خطوط میدان مغناطیسی زمین در آن جا جمع (همگرا) می شوند. ما این قطب ها را با توجه به محل قرار گیری شان در زمین، شمال و جنوب می نامیم. تمام اشیای مغناطیسی دارای خطوط میدان مغناطیسی و قطب هستند. آنها می توانند به کوچکی یک اتم و یا به بزرگی یک ستاره باشند.

جذب و دفع

شما درباره ذرات باردار چیزهایی می دانید. می دانید که بارهای مثبت و منفی وجود دارد. همچنین می دانید که بارهای مثبت، بارهای منفی را جذب می کنند. دانشمندی فرانسوی به نام آندره- ماری آمپر، رابطه بین مغناطیس و الکتریسیته را مورد بررسی قرار داد. او فهمید که میدان های مغناطیسی توسط بارهای (جریان) در حال حرکت تولید می شود و بارهای در حال حرکت تحت تأثیر آهن رباها قرار می گیرند.

از طرف دیگر بارهای ساکن بارهایی هستند که میدان مغناطیسی ایجاد نمی کنند و توسط آهن ربا تحت تأثیر قرار نمی گیرند. دو سیم با جریان الکتریکی هنگامی که در کنار یکدیگر قرار می گیرند ممکن است مانند دو آهن ربا یکدیگر را جذب یا دفع کنند. اینها در رابطه با بارهای الکتریکی هم صادق است.

میدان مغناطیسی زمین

آهن رباها مثال ساده ای از میدان های مغناطیسی طبیعی هستند. زمین دارای یک میدان مغناطیسی عظیم است. از آنجایی که هسته سیاره ما پر از آهن مذاب است، میدان بزرگی وجود  دارد که از زمین در مقابل تشعشعات فضا و ذراتی مانند باد خورشیدی محافظت می کند. وقتی به آهنربای کوچکی نگاه می کنیم، می بینیم که به روش مشابهی کار می کند. آهن ربا یک میدان در اطرافش دارد.

همان طور که پیشتر اشاره شد، جریان موجود در سیم ها، اثر مغناطیسی تولید می کند. ما می توانیم قدرت این میدان مغناطیسی را با افزایش جریان داخل سیم افزایش دهیم. ما میتوانیم از این اصل برای ساختن آهن رباهای مغناطیسی مصنوعی قابل تنظیم که الکترومغناطیس نامیده می شوند استفاده کنیم. الکترومغناطیس با ساخت سیم پیچ سپس عبور جریان از سیم پیچ ایجاد می شود.