آهنربا

جسمی که میدان مغناطیسی دارد

یک سنگ مگنتیت توسط یک آهنربای نئودیمیم در بالای آن کشیده می شود .

آهنربا ماده یا جسمی است که میدان مغناطیسی تولید می کند . این میدان مغناطیسی نامرئی است اما مسئول قابل توجه ترین خاصیت آهنربا است: نیرویی که سایر مواد فرومغناطیسی مانند آهن ، فولاد ، نیکل ، کبالت و غیره را می کشد و آهنرباهای دیگر را جذب یا دفع می کند.

آهنربای دائم جسمی ساخته شده از ماده ای است که مغناطیسی شده و میدان مغناطیسی پایدار خود را ایجاد می کند. یک مثال روزمره یک آهنربای یخچال است که برای نگه داشتن یادداشت ها روی درب یخچال استفاده می شود. موادی که می توانند مغناطیسی شوند و همچنین موادی هستند که به شدت به یک آهنربا جذب می شوند، فرومغناطیسی (یا فری مغناطیسی ) نامیده می شوند. اینها شامل عناصر آهن ، نیکل و کبالت و آلیاژهای آنها، برخی از آلیاژهای فلزات کمیاب و برخی مواد معدنی طبیعی مانند لودستون است . اگرچه مواد فرومغناطیسی (و فری مغناطیسی) تنها موادی هستند که به اندازه کافی جذب آهنربا می شوند که معمولاً مغناطیسی در نظر گرفته می شوند، همه مواد دیگر به یک میدان مغناطیسی واکنش ضعیفی نشان می دهند که یکی از چندین نوع دیگر مغناطیس است .

مواد فرومغناطیسی را می توان به مواد مغناطیسی "نرم" مانند آهن آنیل شده ، که می توانند مغناطیسی شوند، اما تمایلی به مغناطیسی ماندن ندارند، و مواد مغناطیسی "سخت" که این کار را انجام می دهند، تقسیم می شوند. آهنرباهای دائمی از مواد فرومغناطیسی "سخت" مانند آلنیکو و فریت ساخته می شوند که در حین ساخت تحت پردازش خاصی در یک میدان مغناطیسی قوی قرار می گیرند تا ساختار میکروکریستالی داخلی خود را تراز کنند و مغناطیس زدایی آنها را بسیار سخت می کند. برای مغناطیس زدایی یک آهنربای اشباع شده، باید میدان مغناطیسی خاصی اعمال شود و این آستانه به اجبار ماده مربوطه بستگی دارد. مواد "سخت" اجباری بالایی دارند، در حالی که مواد "نرم" اجباری کمی دارند. قدرت کلی یک آهنربا با گشتاور مغناطیسی آن یا در عوض، کل شار مغناطیسی که تولید می کند اندازه گیری می شود. قدرت محلی مغناطیس در یک ماده با مغناطش آن اندازه گیری می شود .

یک آهنربای الکتریکی از سیم پیچی ساخته می شود که وقتی جریان الکتریکی از آن عبور می کند مانند آهنربا عمل می کند اما وقتی جریان قطع می شود دیگر آهنربا نیست. اغلب، سیم پیچ به دور هسته ای از مواد فرومغناطیسی "نرم" مانند فولاد ملایم پیچیده می شود که میدان مغناطیسی تولید شده توسط سیم پیچ را به شدت افزایش می دهد.

کشف و توسعه

مردم باستان در مورد مغناطیس از سنگ‌های لودستون (یا مگنتیت ) که به طور طبیعی قطعات آهن‌ربایی شده سنگ آهن هستند، یاد گرفتند. کلمه آهنربا در انگلیسی میانه از لاتین magnetum "lodestone" گرفته شده است ، در نهایت از یونانی μαγνῆτις [λίθος] ( magnētis [lithos] ) ^[1] به معنی "[سنگ] از Magnesia"، ^[2] مکانی در آناتولی که در آن سنگ های سنگی وجود داشتند . یافت شده ( مانیسای امروزی در ترکیه امروزی ). سنگ‌های لودستون، معلق بودند تا بتوانند بچرخند، اولین قطب‌نماهای مغناطیسی بودند . اولین توصیفات شناخته شده از آهنرباها و خواص آنها مربوط به آناتولی، هند و چین در حدود 2500 سال پیش است. ^{[3] [4] [5]} خواص سنگ‌های سنگی و میل آنها به آهن توسط پلینی بزرگ در دایره المعارف تاریخ طبیعی خود در قرن 1 پس از میلاد نوشته شده است. ^[6]

در قرن یازدهم چین، کشف شد که خاموش کردن آهن داغ قرمز در میدان مغناطیسی زمین، آهن را برای همیشه مغناطیسی می‌کند. این منجر به توسعه قطب‌نمای ناوبری شد، همانطور که در مقاله‌های استخر رویایی در سال 1088 ^{توضیح داده شد . [9]}

یک آهنربای مستقیم آهنی تمایل دارد که توسط میدان مغناطیسی خود، خود را مغناطیس زدایی کند. برای غلبه بر این موضوع، آهنربای نعل اسبی توسط ^دانیل برنولی در سال 1743 اختراع شد ^{. [11]}

در سال 1820، هانس کریستین اورستد کشف کرد که یک سوزن قطب نما توسط جریان الکتریکی نزدیک منحرف می شود. در همان سال آندره ماری آمپر نشان داد که آهن را می توان با قرار دادن آن در یک شیر برقی تغذیه شده با برق مغناطیسی کرد. ^{[ 12]} این امر باعث شد که ویلیام استورجن در سال 1824 یک آهنربای الکتریکی با هسته آهن ایجاد کند . در سال 1831 او یک جداکننده سنگ معدن با آهنربای الکتریکی ساخت که قادر به بلند کردن 750 پوند (340 کیلوگرم) بود. ^[13]

فیزیک

میدان مغناطیسی

براده های آهنی که در میدان مغناطیسی قرار گرفته اند توسط یک آهنربای میله ای تولید می شوند

تشخیص میدان مغناطیسی با قطب نما و با براده های آهن

چگالی شار مغناطیسی (همچنین میدان مغناطیسی B یا فقط میدان مغناطیسی نامیده می شود که معمولاً با B نشان داده می شود ) یک میدان برداری است . بردار میدان مغناطیسی B در یک نقطه معین از فضا با دو ویژگی مشخص می شود:

1. جهت آن ، که در امتداد جهت یک سوزن قطب نما است .
2. بزرگی آن (که قدرت نیز نامیده می شود )، که متناسب با شدت جهت گیری سوزن قطب نما در آن جهت است.

در واحدهای SI ، قدرت میدان مغناطیسی B بر حسب تسلا داده می شود . ^[14]

لحظه مغناطیسی

ممان مغناطیسی آهنربا (همچنین گشتاور دوقطبی مغناطیسی نیز نامیده می‌شود و معمولاً μ نشان داده می‌شود ) برداری است که ویژگی‌های مغناطیسی کلی آهنربا را مشخص می‌کند. برای یک آهن‌ربای میله‌ای، جهت گشتاور مغناطیسی از قطب جنوب آهنربا به قطب شمال آن اشاره می‌کند، ^[15] و قدر به میزان قوی و فاصله این قطب‌ها از یکدیگر مربوط می‌شود. در واحدهای SI ، گشتاور مغناطیسی بر حسب A·m ² (آمپر ضربدر متر مربع) مشخص می شود.

آهنربا هم میدان مغناطیسی خود را تولید می کند و هم به میدان های مغناطیسی پاسخ می دهد. قدرت میدان مغناطیسی که تولید می کند در هر نقطه معینی متناسب با بزرگی گشتاور مغناطیسی آن است. علاوه بر این، هنگامی که آهنربا در یک میدان مغناطیسی خارجی، که توسط یک منبع متفاوت تولید می‌شود، قرار می‌گیرد، در معرض گشتاوری قرار می‌گیرد که می‌خواهد گشتاور مغناطیسی را به موازات میدان تنظیم کند. ^[16] مقدار این گشتاور هم با گشتاور مغناطیسی و هم با میدان خارجی متناسب است. همچنین ممکن است یک آهنربا با توجه به موقعیت و جهت آهنربا و منبع، تحت تأثیر نیرویی قرار گیرد که آن را در یک جهت یا جهت دیگر هدایت می کند. اگر میدان در فضا یکنواخت باشد، آهنربا تحت هیچ نیروی خالصی قرار نمی گیرد، اگرچه تحت تأثیر گشتاور است. ^[17]

سیمی به شکل دایره با مساحت A و دارای جریان I دارای گشتاور مغناطیسی به قدر IA است .

مغناطیس سازی

مغناطش یک ماده مغناطیسی شده مقدار محلی گشتاور مغناطیسی آن در واحد حجم است که معمولاً M با واحدهای A / m نشان داده می شود . ^[18] این یک میدان برداری است ، نه فقط یک بردار (مانند گشتاور مغناطیسی)، زیرا مناطق مختلف یک آهنربا را می توان با جهات و قدرت های مختلف مغناطیسی کرد (به عنوان مثال، به دلیل حوزه ها، به زیر مراجعه کنید). یک آهنربای میله ای خوب ممکن است دارای گشتاور مغناطیسی قدر 0.1 A·m ² و حجم 1 cm ³ یا 1×10-6 ^m  3 ^باشد و بنابراین میانگین قدر مغناطیسی 100000 A/m است. آهن می تواند حدود یک میلیون آمپر بر متر مغناطیسی داشته باشد. چنین مقدار زیادی توضیح می دهد که چرا آهنرباهای آهنی در تولید میدان های مغناطیسی بسیار موثر هستند.

آهنرباهای مدلسازی

میدان آهنربای میله ای استوانه ای با دقت محاسبه شده است

دو مدل مختلف برای آهنرباها وجود دارد: قطب های مغناطیسی و جریان های اتمی.

اگرچه برای بسیاری از اهداف، فکر کردن به آهنربا به عنوان دارای قطب های مغناطیسی متمایز شمال و جنوب راحت است، اما مفهوم قطب ها را نباید به معنای واقعی کلمه در نظر گرفت: این صرفاً راهی برای اشاره به دو انتهای مختلف آهنربا است. آهنربا در طرف مقابل ذرات شمالی یا جنوبی مشخصی ندارد. اگر یک آهنربای میله ای به دو قسمت تقسیم شود، در تلاش برای جداسازی قطب شمال و جنوب، نتیجه دو آهنربای میله ای خواهد بود که هر کدام دارای یک قطب شمال و جنوب هستند. با این حال، نسخه ای از رویکرد قطب مغناطیسی توسط مغناطیس دان های حرفه ای برای طراحی آهنرباهای دائمی استفاده می شود. ^{[ نیازمند منبع ]}

در این رویکرد، واگرایی مغناطش ∇· M در داخل آهنربا به عنوان توزیع تک قطبی های مغناطیسی در نظر گرفته می شود . این یک راحتی ریاضی است و به معنای وجود تک قطبی در آهنربا نیست. اگر توزیع قطب مغناطیسی مشخص باشد، مدل قطب میدان مغناطیسی H را می دهد . در خارج از آهنربا، میدان B متناسب با H است ، در حالی که در داخل مغناطش باید به H اضافه شود . گسترش این روش که امکان بارهای مغناطیسی داخلی را فراهم می کند در نظریه های فرومغناطیس استفاده می شود.

مدل دیگر مدل آمپر است ، که در آن تمام مغناطش به دلیل اثر جریان های دایره ای دایره ای میکروسکوپی یا اتمی است که جریان آمپر نیز نامیده می شود، در سراسر ماده. برای یک آهنربای میله‌ای استوانه‌ای مغناطیسی یکنواخت، اثر خالص جریان‌های محدود میکروسکوپی این است که باعث می‌شود آهنربا طوری رفتار کند که گویی یک صفحه ماکروسکوپی از جریان الکتریکی در اطراف سطح جریان دارد، با جهت جریان محلی طبیعی به محور سیلندر. ^[19] جریان‌های میکروسکوپی در اتم‌های داخل ماده عموماً توسط جریان‌های اتم‌های همسایه خنثی می‌شوند، بنابراین فقط سطح سهم خالص دارد. تراشیدن لایه بیرونی آهنربا میدان مغناطیسی آن را از بین نمی‌برد ، اما سطح جدیدی از جریان‌های لغو نشده از جریان‌های دایره‌ای در سراسر ماده باقی می‌ماند. ^[20] قانون دست راست می گوید جریان با بار مثبت در کدام جهت جریان دارد. با این حال، جریان ناشی از برق با بار منفی در عمل بسیار رایج است. ^{[ نیازمند منبع ]}

قطبیت

قطب شمال آهنربا به عنوان قطبی تعریف می شود که وقتی آهنربا آزادانه معلق می شود، به سمت قطب مغناطیسی شمال زمین در قطب شمال می رود ( قطب های مغناطیسی و جغرافیایی بر هم منطبق نیستند، میل مغناطیسی را ببینید ). از آنجایی که قطب های مخالف (شمال و جنوب) جذب می شوند، قطب مغناطیسی شمال در واقع قطب جنوب میدان مغناطیسی زمین است. ^{[21] [22] [23] [24]} به عنوان یک موضوع عملی، برای تشخیص اینکه کدام قطب آهنربا شمال و کدام قطب جنوب است، استفاده از میدان مغناطیسی زمین اصلاً ضروری نیست. به عنوان مثال، یک روش مقایسه آن با یک آهنربای الکتریکی است که قطب های آن را می توان با قانون دست راست شناسایی کرد . خطوط میدان مغناطیسی یک آهنربا طبق قراردادی در نظر گرفته می شود که از قطب شمال آهنربا خارج شده و دوباره به قطب جنوب وارد می شود. ^[24]

مواد مغناطیسی

اصطلاح آهنربا معمولاً برای اجسامی است که میدان مغناطیسی پایدار خود را حتی در غیاب میدان مغناطیسی اعمال شده تولید می کنند. فقط کلاس های خاصی از مواد می توانند این کار را انجام دهند. با این حال، بیشتر مواد، یک میدان مغناطیسی در پاسخ به یک میدان مغناطیسی اعمال شده تولید می کنند - پدیده ای که به عنوان مغناطیس شناخته می شود. انواع مختلفی از مغناطیس وجود دارد و همه مواد حداقل یکی از آنها را نشان می دهند.

رفتار مغناطیسی کلی یک ماده می تواند به طور گسترده ای متفاوت باشد، بسته به ساختار ماده، به ویژه به پیکربندی الکترونی آن . چندین شکل از رفتار مغناطیسی در مواد مختلف مشاهده شده است، از جمله:

• مواد فرومغناطیسی و فری مغناطیسی آنهایی هستند که معمولاً مغناطیسی در نظر گرفته می شوند. آنها به اندازه کافی جذب یک آهنربا می شوند که جاذبه را می توان احساس کرد. این مواد تنها موادی هستند که می توانند مغناطش را حفظ کرده و تبدیل به آهنربا شوند. یک مثال رایج یک آهنربای یخچال سنتی است . مواد فری مغناطیسی، که شامل فریت‌ها و طولانی‌ترین مواد مغناطیسی استفاده‌شده و طبیعی ، مگنتیت و لودستون هستند ، مشابه فرومغناطیس‌ها اما ضعیف‌تر هستند. تفاوت بین مواد فرو و آهن مغناطیسی به ساختار میکروسکوپی آنها مربوط می شود، همانطور که در مغناطیس توضیح داده شده است .
• مواد پارامغناطیس مانند پلاتین ، آلومینیوم و اکسیژن به سمت هر دو قطب آهنربا جذب ضعیفی دارند. این جاذبه صدها هزار بار ضعیف تر از مواد فرومغناطیسی است، بنابراین تنها با استفاده از ابزارهای حساس یا استفاده از آهنرباهای بسیار قوی می توان آن را تشخیص داد. فروسیال های مغناطیسی ، اگرچه از ذرات ریز فرومغناطیسی معلق در مایع ساخته شده اند، اما گاهی اوقات پارامغناطیس در نظر گرفته می شوند زیرا نمی توانند مغناطیسی شوند.
• دیامغناطیس به معنای دفع شده توسط هر دو قطب است. در مقایسه با مواد پارامغناطیس و فرومغناطیسی، مواد دیامغناطیس مانند کربن ، مس ، آب و پلاستیک حتی ضعیف‌تر توسط آهنربا دفع می‌شوند. نفوذپذیری مواد دیامغناطیس کمتر از نفوذپذیری خلاء است . تمام موادی که یکی از انواع دیگر مغناطیس را ندارند دیامغناطیس هستند. این شامل اکثر مواد می شود. اگرچه نیروی وارد بر یک جسم دیامغناطیسی از یک آهنربای معمولی بسیار ضعیف است که نمی توان آن را احساس کرد، با استفاده از آهنرباهای فوق رسانا بسیار قوی ، اجسام دیامغناطیسی مانند قطعات سرب و حتی موش ^[25] را می توان معلق کرد ، بنابراین آنها در هوا شناور می شوند. ابررساناها میدان های مغناطیسی را از درون خود دفع می کنند و به شدت دیامغناطیس هستند.

انواع مختلفی از مغناطیس وجود دارد، مانند شیشه اسپین ، سوپرپارامغناطیس ، ابردیا مغناطیس و متامغناطیس .

شکل

شکل یک آهنربای دائمی تأثیر زیادی بر خواص مغناطیسی آن دارد. وقتی یک آهنربا مغناطیسی می شود ، یک میدان مغناطیسی زدایی در داخل آن ایجاد می شود. همانطور که از نام آن پیداست، میدان مغناطیسی زدایی برای مغناطیس زدایی آهنربا کار می کند و خواص مغناطیسی آن را کاهش می دهد. قدرت میدان مغناطیسی زدایی متناسب با مغناطش و شکل آهنربا است ${\displaystyle H_{d}}$ ${\displaystyle M}$

${\displaystyle H_{d}=-N_{d}M.}$

در اینجا عامل مغناطیس زدایی نامیده می شود و بسته به شکل آهنربا مقدار متفاوتی دارد. به عنوان مثال، اگر آهنربا یک کره باشد ، پس . ${\displaystyle N_{d}}$ ${\displaystyle N_{d}={\frac {1}{3}}}$

مقدار ضریب مغناطیس زدایی نیز به جهت مغناطش نسبت به شکل آهنربا بستگی دارد. از آنجایی که یک کره از همه زوایا متقارن است، عامل مغناطیس زدایی فقط یک مقدار دارد. اما آهنربایی که به شکل یک استوانه بلند است ، بسته به اینکه موازی یا عمود بر طولش مغناطیسی شده باشد، دو عامل مغناطیس زدایی متفاوت ایجاد می کند. ^[16]

استفاده های رایج

هارد دیسک داده ها را روی یک پوشش مغناطیسی نازک ضبط می کند

جداکننده دستی مغناطیسی برای مواد معدنی سنگین

• رسانه ضبط مغناطیسی: نوارهای VHS حاوی یک حلقه نوار مغناطیسی هستند . اطلاعاتی که فیلم و صدا را می سازد روی پوشش مغناطیسی روی نوار کدگذاری می شود. کاست های صوتی رایج نیز به نوار مغناطیسی متکی هستند. به طور مشابه، در رایانه ها، فلاپی دیسک ها و هارد دیسک ها داده ها را روی یک پوشش مغناطیسی نازک ضبط می کنند. ^[26]
• کارت های اعتباری ، نقدی و دستگاه های باجه خودکار : همه این کارت ها دارای یک نوار مغناطیسی در یک طرف هستند. این نوار اطلاعات تماس با موسسه مالی یک فرد و ارتباط با حساب(های) آنها را رمزگذاری می کند. ^[27]
• انواع قدیمی‌تر تلویزیون‌ها (غیر صفحه‌نمایش مسطح) و مانیتورهای کامپیوتر بزرگ‌تر : تلویزیون‌ها و صفحه‌های کامپیوتری حاوی یک لوله پرتوی کاتدی از یک آهنربای الکتریکی برای هدایت الکترون‌ها به صفحه نمایش استفاده می‌کنند. ^[28]
• بلندگوها و میکروفون ها : اکثر بلندگوها از یک آهنربای دائمی و یک سیم پیچ حامل جریان برای تبدیل انرژی الکتریکی (سیگنال) به انرژی مکانیکی (حرکتی که صدا را ایجاد می کند) استفاده می کنند. سیم پیچ دور یک بوبین متصل به مخروط بلندگو پیچیده شده است و سیگنال را به عنوان جریان متغیری که با میدان آهنربای دائمی در تعامل است، حمل می کند. سیم پیچ صدا یک نیروی مغناطیسی را احساس می کند و در پاسخ، مخروط را حرکت می دهد و هوای مجاور را تحت فشار قرار می دهد و در نتیجه صدا تولید می کند . میکروفون های پویا از همان مفهوم استفاده می کنند، اما برعکس. یک میکروفون دارای دیافراگم یا غشایی است که به سیم پیچی متصل است. سیم پیچ درون یک آهنربا با شکل خاص قرار دارد. هنگامی که صدا غشا را به ارتعاش در می آورد، سیم پیچ نیز ارتعاش می یابد. همانطور که سیم پیچ در میدان مغناطیسی حرکت می کند، ولتاژی در سراسر سیم پیچ القا می شود. این ولتاژ جریانی را در سیم ایجاد می کند که مشخصه صدای اصلی است.
• گیتارهای الکتریک از پیکاپ های مغناطیسی برای تبدیل ارتعاش سیم های گیتار به جریان الکتریکی استفاده می کنند که سپس می تواند تقویت شود . این با اصل پشت بلندگو و میکروفون دینامیک متفاوت است زیرا ارتعاشات مستقیماً توسط آهنربا حس می شوند و دیافراگم در آن استفاده نمی شود. اندام هاموند از اصل مشابهی استفاده می‌کرد، با چرخ‌های تونیو چرخان به جای تار.
• موتورهای الکتریکی و ژنراتورها : برخی از موتورهای الکتریکی به ترکیبی از آهنربای الکتریکی و آهنربای دائمی متکی هستند و مانند بلندگوها، انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی تبدیل می کنند. یک ژنراتور برعکس است: انرژی مکانیکی را با حرکت یک رسانا در یک میدان مغناطیسی به انرژی الکتریکی تبدیل می کند.
• پزشکی : بیمارستان ها از تصویربرداری رزونانس مغناطیسی برای تشخیص مشکلات در اندام های بیمار بدون جراحی تهاجمی استفاده می کنند.
• شیمی: شیمیدانان از تشدید مغناطیسی هسته ای برای توصیف ترکیبات سنتز شده استفاده می کنند.
• از چاک ها در زمینه فلزکاری برای نگهداری اشیا استفاده می شود. آهن ربا در انواع دیگر وسایل بست مانند پایه مغناطیسی ، گیره مغناطیسی و آهنربای یخچال نیز استفاده می شود .
• قطب نما : قطب نما (یا قطب نما دریایی) یک نشانگر مغناطیسی است که آزادانه خود را با یک میدان مغناطیسی تراز می کند، که معمولاً میدان مغناطیسی زمین است .
• هنر : ورق های آهنربایی وینیل ممکن است به نقاشی ها، عکس ها و سایر اقلام زینتی متصل شوند و به یخچال و سایر سطوح فلزی متصل شوند. اشیاء و رنگ را می توان مستقیماً روی سطح آهنربا اعمال کرد تا قطعات هنری کلاژ ایجاد کند. تابلوهای مغناطیسی فلزی، نوارها، درها، اجاق‌های مایکروویو، ماشین‌های ظرفشویی، ماشین‌ها، پرتوهای فلزی I و هر سطح فلزی را می‌توان از هنر وینیل مغناطیسی استفاده کرد.
• پروژه های علمی : بسیاری از سؤالات مبحثی بر اساس آهنربا هستند، از جمله دفع سیم های حامل جریان، تأثیر دما، و موتورهای مرتبط با آهنربا. ^[29]

آهنرباها در اسباب بازی ها کاربرد زیادی دارند . M-tic از میله های مغناطیسی متصل به کره های فلزی برای ساخت و ساز استفاده می کند .

• اسباب‌بازی‌ها : با توجه به توانایی آن‌ها در مقابله با نیروی گرانش در فاصله نزدیک، آهن‌رباها اغلب در اسباب‌بازی‌های کودکان مانند چرخ مگنت اسپیس و لویترون به کار می‌روند تا جلوه‌ای سرگرم‌کننده داشته باشند.
• آهنرباهای یخچال برای تزئین آشپزخانه، به عنوان یادگاری یا صرفاً برای نگه داشتن یادداشت یا عکس روی درب یخچال استفاده می شود.
• می توان از آهنربا برای ساخت جواهرات استفاده کرد. گردنبندها و دستبندها می توانند دارای یک گیره مغناطیسی باشند یا ممکن است به طور کامل از یک سری آهنربا و مهره های آهنی ساخته شوند.
• آهنرباها می توانند اقلام مغناطیسی (میخ های آهنی، منگنه ها، گیره ها، گیره های کاغذ) را که یا خیلی کوچک هستند، خیلی سخت به دست می آیند، یا خیلی نازک هستند که انگشتان نمی توانند آن ها را نگه دارند، بردارند. برخی از پیچ گوشتی ها برای این منظور مغناطیسی می شوند.
• آهنرباها را می توان در عملیات ضایعات و نجات برای جداسازی فلزات مغناطیسی (آهن، کبالت و نیکل) از فلزات غیر مغناطیسی (آلومینیوم، آلیاژهای غیر آهنی و غیره) استفاده کرد. همین ایده را می توان در به اصطلاح "آزمایش آهنربا" استفاده کرد که در آن شاسی خودرو با آهنربا بررسی می شود تا نواحی تعمیر شده با استفاده از فایبرگلاس یا بتونه پلاستیکی را تشخیص دهد.
• آهنرباها در صنایع فرآیندی، مخصوصاً تولید مواد غذایی، به منظور حذف اجسام خارجی فلزی از مواد وارد شده به فرآیند (مواد اولیه) یا تشخیص آلودگی احتمالی در پایان فرآیند و قبل از بسته بندی یافت می شوند. آنها لایه مهمی از حفاظت برای تجهیزات فرآیند و مصرف کننده نهایی را تشکیل می دهند. ^[30]
• حمل و نقل معلق مغناطیسی یا maglev شکلی از حمل و نقل است که وسایل نقلیه (به ویژه قطارها) را از طریق نیروی الکترومغناطیسی معلق، هدایت و به جلو می راند. حذف مقاومت غلتشی باعث افزایش کارایی می شود. حداکثر سرعت ثبت شده قطار مگلو 581 کیلومتر در ساعت (361 مایل در ساعت) است.
• آهنرباها ممکن است به عنوان یک وسیله ایمن برای برخی از اتصالات کابلی استفاده شوند . برای مثال، سیم‌های برق برخی از لپ‌تاپ‌ها مغناطیسی هستند تا از آسیب‌دیدگی تصادفی به پورت در هنگام ضربه خوردن جلوگیری کنند. اتصال برق MagSafe به مک بوک اپل یکی از این نمونه هاست.

مسائل پزشکی و ایمنی

از آنجایی که بافت‌های انسانی سطح بسیار پایینی از حساسیت به میدان‌های مغناطیسی ساکن دارند، شواهد علمی رایج کمی وجود دارد که تأثیر سلامتی مرتبط با قرار گرفتن در معرض میدان‌های ساکن را نشان دهد. با این حال، میدان های مغناطیسی دینامیک ممکن است موضوع متفاوتی باشد. همبستگی بین تابش الکترومغناطیسی و نرخ سرطان به دلیل همبستگی های جمعیتی فرض شده است (به تابش الکترومغناطیسی و سلامت مراجعه کنید ).

اگر یک جسم خارجی فرومغناطیسی در بافت انسان وجود داشته باشد، یک میدان مغناطیسی خارجی در تعامل با آن می تواند خطر ایمنی جدی ایجاد کند. ^[31]

نوع متفاوتی از خطر غیرمستقیم سلامت مغناطیسی وجود دارد که شامل ضربان سازها می شود. اگر یک ضربان ساز در قفسه سینه بیمار تعبیه شده باشد (معمولاً به منظور نظارت و تنظیم قلب برای ضربان های القای الکتریکی ثابت )، باید مراقب بود که آن را از میدان های مغناطیسی دور نگه دارید. به همین دلیل است که بیمار با دستگاه نصب شده نمی تواند با استفاده از دستگاه تصویربرداری تشدید مغناطیسی آزمایش شود.

کودکان گاهی اوقات آهنرباهای کوچک اسباب‌بازی‌ها را می‌بلعند و اگر دو یا چند آهن‌ربا بلعیده شوند، این امر می‌تواند خطرناک باشد، زیرا آهن‌رباها می‌توانند بافت‌های داخلی را نیشگون بگیرند یا سوراخ کنند. ^[32]

دستگاه های تصویربرداری مغناطیسی (به عنوان مثال MRI ) میدان های مغناطیسی عظیمی تولید می کنند و بنابراین اتاق هایی که برای نگهداری آن ها در نظر گرفته شده اند، فلزات آهنی را حذف نمی کنند. آوردن اجسام ساخته شده از فلزات آهنی (مانند کپسول های اکسیژن) به چنین اتاقی خطر ایمنی شدیدی ایجاد می کند، زیرا ممکن است آن اجسام به شدت توسط میدان های مغناطیسی شدید پرتاب شوند.

مغناطیس کننده فرومغناطیس

مواد فرومغناطیسی را می توان به روش های زیر مغناطیسی کرد:

• حرارت دادن جسم بالاتر از دمای کوری اش ، به آن اجازه می دهد در یک میدان مغناطیسی خنک شود و در حین سرد شدن آن را چکش می زند. این موثرترین روش است و شبیه فرآیندهای صنعتی است که برای ایجاد آهنرباهای دائمی استفاده می شود.
• قرار دادن آیتم در یک میدان مغناطیسی خارجی باعث می شود که آیتم مقداری از مغناطیس را در هنگام حذف حفظ کند. ثابت شده است که لرزش اثر را افزایش می دهد. نشان داده شده است که مواد آهنی همسو با میدان مغناطیسی زمین که در معرض ارتعاش هستند (به عنوان مثال، قاب یک نوار نقاله) مغناطیسی باقیمانده قابل توجهی را به دست می آورند. به همین ترتیب، ضربه زدن به میخ فولادی که توسط انگشتان در جهت NS با چکش نگه داشته می شود، میخ را به طور موقت مغناطیسی می کند.
• نوازش: آهنربای موجود به طور مکرر از یک سر آیتم به سمت دیگر در یک جهت حرکت می کند ( روش تک لمسی ) یا دو آهنربا از مرکز یک سوم به سمت خارج حرکت می کنند ( روش لمس دوگانه ). ^[33]
• جریان الکتریکی: میدان مغناطیسی که با عبور جریان الکتریکی از یک سیم پیچ ایجاد می شود، می تواند دامنه ها را در یک ردیف قرار دهد. هنگامی که همه دامنه ها در یک ردیف قرار می گیرند، افزایش جریان باعث افزایش مغناطیسی نمی شود. ^[34]

مغناطیس زدایی فرومغناطیس

مواد فرومغناطیسی مغناطیسی را می توان به روش های زیر مغناطیس زدایی (یا گاز زدایی) کرد:

• گرم کردن آهنربا از دمای کوری آن . حرکت مولکولی هم ترازی حوزه های مغناطیسی را از بین می برد. این همیشه تمام مغناطیسی شدن را از بین می برد.
• قرار دادن آهنربا در یک میدان مغناطیسی متناوب با شدت بالاتر از نیروی اجباری ماده و سپس یا به آرامی بیرون کشیدن آهنربا یا کاهش آهسته میدان مغناطیسی به صفر. این اصلی است که در مغناطیس زدایی های تجاری برای مغناطیس زدایی ابزارها، پاک کردن کارت های اعتباری، هارد دیسک ها و سیم پیچ های ضد گاز که برای مغناطیس زدایی CRT ها استفاده می شود، استفاده می شود .
• اگر هر بخشی از آهنربا تحت یک میدان معکوس بالاتر از نیروی اجباری ماده مغناطیسی قرار گیرد، مقداری مغناطیس زدایی یا مغناطیسی معکوس رخ خواهد داد .
• مغناطیس زدایی به تدریج اتفاق می افتد اگر آهنربا تحت میدان های چرخه ای قرار گیرد که آهنربا را از قسمت خطی در ربع دوم منحنی B-H ماده مغناطیسی دور کند (منحنی مغناطیس زدایی).
• چکش یا تکان خوردن: اختلال مکانیکی باعث تصادفی شدن حوزه های مغناطیسی و کاهش مغناطیس شدن یک جسم می شود، اما ممکن است باعث آسیب غیرقابل قبول شود.

انواع آهنرباهای دائمی

عناصر فلزی مغناطیسی

بسیاری از مواد دارای اسپین های الکترون جفت نشده هستند و اکثر این مواد پارامغناطیس هستند . هنگامی که اسپین ها به گونه ای با یکدیگر برهم کنش می کنند که اسپین ها به طور خود به خود در یک راستا قرار می گیرند، مواد فرومغناطیسی نامیده می شوند (چیزی که اغلب به صورت ضعیف مغناطیسی نامیده می شود). از آنجایی که ساختار اتمی کریستالی منظم آنها باعث برهمکنش اسپین آنها می شود، برخی از فلزات زمانی که در حالت طبیعی خود مانند سنگ معدن یافت می شوند فرومغناطیسی هستند . اینها شامل سنگ آهن ( مگنتیت یا لودستون )، کبالت و نیکل ، و همچنین فلزات خاکی کمیاب گادولینیوم و دیسپروزیم (در دمای بسیار پایین) است. چنین فرومغناطیس های طبیعی در اولین آزمایش ها با مغناطیس مورد استفاده قرار گرفتند. از آن زمان، فناوری در دسترس بودن مواد مغناطیسی را گسترش داده است تا محصولات مختلف ساخته شده توسط انسان را در بر گیرد، اما همه آنها بر اساس عناصر مغناطیسی طبیعی هستند.

کامپوزیت ها

پشته ای از آهنرباهای فریت

آهنرباهای سرامیکی یا فریتی از کامپوزیت پخته شده از اکسید آهن پودری و سرامیک کربنات باریم / استرانسیوم ساخته شده‌اند . با توجه به هزینه کم مواد و روش های ساخت، آهنرباهای ارزان قیمت (یا هسته های فرومغناطیسی غیر مغناطیسی، برای استفاده در قطعات الکترونیکی مانند آنتن های رادیویی قابل حمل AM ) با اشکال مختلف را می توان به راحتی به صورت انبوه تولید کرد. آهنرباهای به دست آمده خورنده نیستند اما شکننده هستند و باید مانند سایر سرامیک ها رفتار شوند.

آهنرباهای Alnico از ریخته گری یا تف جوشی ترکیبی از آلومینیوم ، نیکل و کبالت با آهن و مقادیر کمی از عناصر دیگر برای افزایش خواص آهنربا ساخته می شوند . تف جوشی ویژگی های مکانیکی برتری را ارائه می دهد، در حالی که ریخته گری میدان های مغناطیسی بالاتری را ارائه می دهد و امکان طراحی اشکال پیچیده را فراهم می کند. آهنرباهای Alnico در برابر خوردگی مقاومت می کنند و خواص فیزیکی بیشتری نسبت به فریت دارند، اما به اندازه یک فلز مطلوب نیستند. نام های تجاری آلیاژهای این خانواده عبارتند از: Alni، Alcomax، Hycomax، Columax و Ticonal . ^[35]

آهنرباهای قالب‌گیری تزریقی ترکیبی از انواع مختلف رزین و پودرهای مغناطیسی هستند که به قطعاتی با اشکال پیچیده اجازه می‌دهند تا با قالب‌گیری تزریقی تولید شوند. خواص فیزیکی و مغناطیسی محصول به مواد اولیه بستگی دارد، اما به طور کلی از نظر قدرت مغناطیسی کمتر و از نظر خواص فیزیکی شبیه به پلاستیک است.

آهنربای انعطاف پذیر

آهنرباهای انعطاف پذیر از یک ترکیب فرومغناطیسی با اجبار بالا (معمولاً اکسید آهن ) ترکیب شده با یک چسب پلیمری رزینی تشکیل شده اند. ^[36] این به عنوان یک ورقه اکسترود می شود و از روی خطی از آهنرباهای دائمی استوانه ای قوی عبور می کند. این آهن‌رباها در یک پشته با قطب‌های مغناطیسی متناوب رو به بالا (N، S، N، S...) روی یک شفت چرخان قرار گرفته‌اند. این ورق پلاستیکی را با قطب های مغناطیسی در قالب خط متناوب تحت تأثیر قرار می دهد. برای تولید آهنربا از الکترومغناطیس استفاده نمی شود. فاصله قطب تا قطب حدود 5 میلی متر است، اما بسته به سازنده متفاوت است. این آهنرباها از نظر قدرت مغناطیسی پایین تری هستند اما بسته به چسب مورد استفاده می توانند بسیار انعطاف پذیر باشند. ^[37]

برای ترکیبات مغناطیسی (مانند Nd ₂ Fe ₁₄ B ) که در برابر مشکل خوردگی مرز دانه آسیب پذیر هستند ، محافظت بیشتری می کند. ^[36]

آهنرباهای خاکی کمیاب

آهنرباهای بیضی شکل (احتمالاً هماتین ) که یکی از دیگری آویزان است

عناصر خاکی کمیاب ( لانتانوئید ) دارای یک پوسته الکترونی f نیمه اشغال شده هستند (که می تواند تا 14 الکترون را در خود جای دهد). اسپین این الکترون ها را می توان در یک راستا قرار داد که در نتیجه میدان های مغناطیسی بسیار قوی ایجاد می شود و بنابراین، این عناصر در آهنرباهای فشرده با قدرت بالا استفاده می شوند که قیمت بالاتر آنها نگران کننده نیست. رایج ترین انواع آهنرباهای خاکی کمیاب، آهنرباهای ساماریوم-کبالت و نئودیمیم-آهن-بور (NIB) هستند .

آهنرباهای تک مولکولی (SMM) و آهنرباهای تک زنجیره ای (SCM)

در دهه 1990، کشف شد که مولکول های خاصی حاوی یون های فلزی پارامغناطیس قادر به ذخیره یک گشتاور مغناطیسی در دماهای بسیار پایین هستند. اینها با آهنرباهای معمولی که اطلاعات را در سطح حوزه مغناطیسی ذخیره می کنند بسیار متفاوت هستند و از نظر تئوری می توانند یک رسانه ذخیره سازی بسیار متراکم تر از آهنرباهای معمولی ارائه دهند. در این راستا، تحقیقات روی تک لایه های SMM در حال حاضر در حال انجام است. به طور خلاصه، دو ویژگی اصلی SMM عبارتند از:

1. یک مقدار بزرگ اسپین حالت پایه ( S ) که توسط جفت شدن فرومغناطیسی یا فری مغناطیسی بین مراکز فلزی پارامغناطیس ایجاد می شود.
2. مقدار منفی ناهمسانگردی تقسیم میدان صفر ( D )

اکثر SMM ها حاوی منگنز هستند اما می توان آنها را با خوشه های وانادیوم، آهن، نیکل و کبالت نیز یافت. اخیراً مشخص شده است که برخی از سیستم های زنجیره ای می توانند مغناطیسی را نیز نشان دهند که برای مدت طولانی در دماهای بالاتر باقی می ماند. به این سیستم ها آهنرباهای تک زنجیره ای گفته می شود.

آهنرباهای نانوساختار

برخی از مواد نانوساختار، امواج انرژی به نام مگنون را نشان می‌دهند که به شکل یک میعانات بوز-انیشتین در حالت پایه مشترک قرار می‌گیرند . ^{[38] [39]}

آهنرباهای دائمی عاری از خاک کمیاب

وزارت انرژی ایالات متحده نیاز به یافتن جایگزین هایی برای فلزات کمیاب در فناوری آهنربای دائمی را شناسایی کرده و تأمین مالی چنین تحقیقاتی را آغاز کرده است. آژانس پروژه‌های تحقیقاتی پیشرفته (ARPA-E) از برنامه جایگزین‌های زمین کمیاب در فناوری‌های حیاتی (REACT) برای توسعه مواد جایگزین حمایت مالی کرده است. در سال 2011، ARPA-E 31.6 میلیون دلار برای تأمین مالی پروژه های جایگزین زمین های کمیاب اعطا کرد. ^[40] نیتریدهای آهن مواد امیدوار کننده ای برای آهنرباهای آزاد خاکی کمیاب هستند. ^[41]

هزینه ها

ارزان‌ترین آهن‌رباهای دائمی فعلی ^[update]، که قدرت میدان را امکان‌پذیر می‌کنند، آهنرباهای منعطف و سرامیکی هستند، اما اینها نیز جزو ضعیف‌ترین انواع هستند. آهنرباهای فریت عمدتاً آهنرباهای ارزان قیمت هستند زیرا از مواد خام ارزان قیمت ساخته می شوند: اکسید آهن و کربنات Ba- یا Sr. با این حال، یک آهنربای کم‌هزینه جدید، آلیاژ منگنز-آل، ^{[36] [ منبع غیر اولیه مورد نیاز ] [42] [43]} توسعه یافته است و اکنون بر میدان آهنرباهای کم‌هزینه مسلط است. ^{[ نیاز به منبع ]} دارای مغناطیس اشباع بالاتری نسبت به آهنرباهای فریتی است. همچنین دارای ضرایب دمایی مطلوب تری است، اگرچه می تواند از نظر حرارتی ناپایدار باشد. آهنرباهای نئودیمیم-آهن-بور (NIB) از قوی ترین ها هستند. اینها نسبت به سایر مواد مغناطیسی به ازای هر کیلوگرم هزینه بیشتری دارند، اما به دلیل میدان شدیدشان، در بسیاری از کاربردها کوچکتر و ارزانتر هستند. ^[44]

دما

حساسیت دما متفاوت است، اما وقتی آهنربا تا دمایی به نام نقطه کوری گرم می شود ، حتی پس از سرد شدن زیر آن دما، تمام خاصیت مغناطیسی خود را از دست می دهد. با این حال، آهنرباها اغلب می توانند دوباره مغناطیس شوند.

علاوه بر این، برخی از آهنرباها شکننده هستند و می توانند در دمای بالا شکسته شوند.

حداکثر دمای قابل استفاده برای آهنرباهای alnico در بیش از 540 درجه سانتیگراد (1000 درجه فارنهایت)، حدود 300 درجه سانتیگراد (570 درجه فارنهایت) برای فریت و SmCo، حدود 140 درجه سانتیگراد (280 درجه فارنهایت) برای NIB و کمتر برای سرامیک های انعطاف پذیر است. ، اما اعداد دقیق به درجه مواد بستگی دارد.

الکترومغناطیس

آهنربای الکتریکی در ساده‌ترین شکل خود، سیمی است که در یک یا چند حلقه پیچیده شده است که به عنوان شیر برقی شناخته می‌شود . هنگامی که جریان الکتریکی از سیم عبور می کند، یک میدان مغناطیسی ایجاد می شود. در نزدیکی (و به ویژه در داخل) سیم پیچ متمرکز شده است و خطوط میدان آن بسیار شبیه خطوط آهنربا است. جهت این آهنربای موثر با قانون دست راست تعیین می شود . گشتاور مغناطیسی و میدان مغناطیسی آهنربای الکتریکی با تعداد حلقه های سیم، با مقطع هر حلقه و جریان عبوری از سیم متناسب است. ^[45]

اگر سیم پیچ به دور ماده ای پیچیده شود که خاصیت مغناطیسی خاصی ندارد (مثلاً مقوا)، میدان بسیار ضعیفی ایجاد می کند. با این حال، اگر به دور یک ماده فرومغناطیسی نرم مانند میخ آهنی پیچیده شود، میدان خالص تولید شده می تواند منجر به افزایش چند صد تا هزار برابری قدرت میدان شود.

کاربردهای الکترومغناطیس شامل شتاب دهنده های ذرات ، موتورهای الکتریکی ، جرثقیل های زباله و ماشین های تصویربرداری تشدید مغناطیسی است . برخی از کاربردها شامل تنظیماتی بیش از یک دوقطبی مغناطیسی ساده هستند. به عنوان مثال، آهنرباهای چهار قطبی و شش قطبی برای تمرکز پرتوهای ذرات استفاده می شود .

واحدها و محاسبات

برای بیشتر کاربردهای مهندسی، واحدهای MKS (منطقی شده) یا SI (Système International) معمولاً استفاده می شود. دو مجموعه دیگر از واحدها، Gaussian و CGS-EMU ، برای خواص مغناطیسی یکسان هستند و معمولاً در فیزیک استفاده می شوند. ^{[ نیازمند منبع ]}

در همه واحدها، استفاده از دو نوع میدان مغناطیسی B و H و همچنین مغناطیسی M که به عنوان گشتاور مغناطیسی در واحد حجم تعریف می شود، راحت است.

1. میدان القایی مغناطیسی B بر حسب واحد SI تسلا (T) داده شده است. B میدان مغناطیسی است که تغییرات زمانی آن، طبق قانون فارادی، میدان های الکتریکی در گردش (که شرکت های برق می فروشند) تولید می کند. B همچنین بر روی ذرات باردار متحرک (مانند لوله های تلویزیون) نیروی انحراف ایجاد می کند. تسلا معادل شار مغناطیسی (بر حسب وبر) در واحد سطح (به متر مربع) است، بنابراین به B واحد چگالی شار می دهد. در CGS واحد B گاوس (G) است. یک تسلا برابر است با ¹⁰⁴  G.
2. میدان مغناطیسی H بر حسب واحد SI آمپر دور بر متر (A-turn/m) داده می شود. چرخش ها به این دلیل ظاهر می شوند که وقتی H توسط یک سیم حامل جریان تولید می شود، مقدار آن با تعداد دورهای آن سیم متناسب است. در CGS، واحد H اورستد (Oe) است. یک چرخش A/m برابر با 4π×10-3 ^Oe است .
3. مغناطش M بر حسب واحد SI آمپر بر متر (A/m) داده می شود. در CGS واحد M اورستد (Oe) است. یک A/m برابر با 10-3 ^emu  /cm3 ^است . یک آهنربای دائمی خوب می تواند آهنربایی به بزرگی یک میلیون آمپر بر متر داشته باشد.
4. در واحدهای SI، رابطه B  = μ ₀ ( H  +  M ) برقرار است، که در آن μ ₀ نفوذپذیری فضا است که برابر با 4π×10-7 ^T  •m/A است. در CGS به صورت B  = H  + 4π M نوشته می شود . (رویکرد قطبی μ ₀ H را در واحدهای SI می دهد. یک عبارت μ ₀ M در SI باید مکمل این μ ₀ H باشد تا میدان صحیح را در B ، آهنربا به دست دهد. با میدان B محاسبه شده با استفاده از جریان های آمپر مطابقت دارد).

موادی که آهنرباهای دائمی نیستند معمولاً رابطه M  = χ H در SI را برآورده می کنند، جایی که χ حساسیت مغناطیسی (بدون بعد) است. اکثر مواد غیر مغناطیسی دارای χ نسبتاً کوچک (در حد یک میلیونیم) هستند، اما آهنرباهای نرم می توانند χ در حدود صدها یا هزاران داشته باشند. برای موادی که M  = χ H را برآورده می کنند ، می توانیم B  = μ ₀ (1 +  χ ) H  = μ ₀ μ _r H  = μ H را بنویسیم ، که در آن μ _r  = 1 +  χ نفوذپذیری نسبی (بدون بعد) و μ =μ است. ₀ μ _r نفوذپذیری مغناطیسی است. هر دو آهنربای سخت و نرم دارای رفتار پیچیده‌تر و وابسته به تاریخ هستند که توسط حلقه‌های پسماند توصیف می‌شود که B در مقابل H یا M در مقابل H را نشان می‌دهند . در CGS، M  = χ H ، اما χ _SI  = 4 πχ _CGS ، و μ = _μr .

احتیاط: تا حدی به دلیل اینکه نمادهای رومی و یونانی کافی وجود ندارد، هیچ نماد مورد توافق عمومی برای قدرت قطب مغناطیسی و گشتاور مغناطیسی وجود ندارد. نماد m برای هر دو مقاومت قطب (واحد A•m، که در اینجا m قائم برای متر است) و برای گشتاور مغناطیسی (واحد A•m ² ) استفاده شده است. نماد μ در برخی متون برای نفوذپذیری مغناطیسی و در متون دیگر برای ممان مغناطیسی استفاده شده است. ما از μ برای نفوذپذیری مغناطیسی و m برای گشتاور مغناطیسی استفاده خواهیم کرد . برای استحکام قطب، از q _m استفاده می کنیم . برای یک آهنربای میله ای با مقطع A با مغناطش یکنواخت M در امتداد محور خود، قدرت قطب با q _m  = MA داده می شود ، به طوری که M را می توان به عنوان قدرت قطب در واحد سطح در نظر گرفت.

میدان های آهنربا

خطوط میدان آهنرباهای استوانه ای با نسبت های مختلف

دور از یک آهنربا، میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط آن آهنربا تقریباً همیشه با یک میدان دوقطبی توصیف می شود که با گشتاور مغناطیسی کل آن مشخص می شود. این بدون توجه به شکل آهنربا درست است، تا زمانی که ممان مغناطیسی غیر صفر باشد. یکی از مشخصه های میدان دوقطبی این است که قدرت میدان به طور معکوس با مکعب فاصله از مرکز آهنربا کاهش می یابد.

نزدیکتر به آهنربا، میدان مغناطیسی پیچیده تر می شود و بیشتر به شکل دقیق و مغناطش آهنربا وابسته می شود. به طور رسمی، میدان را می توان به صورت یک بسط چند قطبی بیان کرد : یک میدان دوقطبی، به علاوه یک میدان چهار قطبی ، به علاوه یک میدان هشت قطبی و غیره.

در فاصله نزدیک، بسیاری از زمینه های مختلف امکان پذیر است. برای مثال، برای یک آهنربای میله ای بلند و لاغر با قطب شمال در یک انتها و قطب جنوب در سر دیگر، میدان مغناطیسی نزدیک هر دو انتها برعکس مجذور فاصله از آن قطب می افتد.

محاسبه نیروی مغناطیسی

نیروی کشش یک آهنربا

قدرت یک آهنربای معین گاهی اوقات بر حسب نیروی کششی آن - توانایی آن در کشیدن اجسام فرومغناطیسی - داده می شود. ^[46] نیروی کششی اعمال شده توسط یک آهنربای الکتریکی یا یک آهنربای دائمی بدون شکاف هوا (یعنی جسم فرومغناطیسی در تماس مستقیم با قطب آهنربا ^{[47] است) با} معادله ماکسول به دست می‌آید : ^[48]

${\displaystyle F={{B^{2}A} \over {2\mu _{0}}}}$،

کجا

F نیرو است (واحد SI: نیوتن )

A سطح مقطع سطح قطب بر حسب متر مربع است

B القای مغناطیسی است که توسط آهنربا اعمال می شود

این نتیجه را می توان به راحتی با استفاده از مدل گیلبرت به دست آورد ، که فرض می کند قطب آهنربا با تک قطبی های مغناطیسی شارژ می شود که همان را در جسم فرومغناطیسی القا می کند.

اگر یک آهنربا به صورت عمودی عمل کند، می تواند جرم m را بر حسب کیلوگرم که با معادله ساده بدست می آید، بلند کند:

${\displaystyle m={{B^{2}A} \over {2\mu _{0}g}},}$

که در آن g شتاب گرانشی است .

نیروی بین دو قطب مغناطیسی

به طور کلاسیک ، نیروی بین دو قطب مغناطیسی به صورت زیر داده می شود: ^[49]

${\displaystyle F={{\mu q_{m1}q_{m2}} \over {4\pi r^{2}}}}$

کجا

F نیرو است (واحد SI: نیوتن )

q _{m 1} و q _{m 2} قدر قطب های مغناطیسی هستند (واحد SI: آمپر متر )

μ نفوذپذیری محیط میانی است (واحد SI: تسلا متر بر آمپر ، هنری بر متر یا نیوتن بر آمپر مربع)

r جداسازی است (واحد SI: متر).

شرح قطب برای مهندسانی که آهنرباهای دنیای واقعی را طراحی می کنند مفید است، اما آهنرباهای واقعی دارای توزیع قطب پیچیده تر از شمال و جنوب منفرد هستند. بنابراین، اجرای ایده قطب ساده نیست. در برخی موارد، یکی از فرمول های پیچیده تر ارائه شده در زیر مفیدتر خواهد بود.

نیروی بین دو سطح مغناطیسی نزدیک منطقهالف

نیروی مکانیکی بین دو سطح مغناطیسی مجاور را می توان با رابطه زیر محاسبه کرد. این معادله فقط برای مواردی معتبر است که در آن اثر حاشیه ناچیز است و حجم شکاف هوا بسیار کوچکتر از مواد مغناطیسی شده است: ^{[50] [51]}

${\displaystyle F={\frac {\mu _{0}H^{2}A}{2}}={\frac {B^{2}A}{2\mu _{0}}}}$

کجا:

A مساحت هر سطح بر حسب متر ^{مربع است}

H میدان مغناطیسی آنها بر حسب A/m است

μ ₀ نفوذپذیری فضا است که برابر است با 4π×10-7 ^T  •m/A

B چگالی شار، در T است.

نیروی بین دو آهنربای میله ای

نیروی بین دو آهنربای میله‌ای استوانه‌ای یکسان که از انتها به انتها در فاصله زیاد قرار می‌گیرند تقریباً است: ^{[ مشکوک - بحث ]} ، ^[50] ${\displaystyle z\gg R}$

${\displaystyle F\simeq \left[{\frac {B_{0}^{2}A^{2}\left(L^{2}+R^{2}\right)}{\pi \mu _{0}L^{2}}}\right]\left[{\frac {1}{z^{2}}}+{\frac {1}{(z+2L)^{2}}}-{\frac {2}{(z+L)^{2}}}\right]}$

کجا:

B ₀ چگالی شار مغناطیسی بسیار نزدیک به هر قطب است، در T،

A مساحت هر قطب بر حسب متر ^مربع است .

L طول هر آهنربا بر حسب متر است

R شعاع هر آهنربا بر حسب متر و است

z جدایی بین دو آهنربا بر حسب متر است.

${\displaystyle B_{0}\,=\,{\frac {\mu _{0}}{2}}M}$چگالی شار در قطب را به مغناطش آهنربا مرتبط می کند.

توجه داشته باشید که تمامی این فرمول ها بر اساس مدل گیلبرت است که در فواصل نسبتاً دور قابل استفاده است. در مدل های دیگر (مثلاً مدل آمپر)، فرمول پیچیده تری استفاده می شود که گاهی اوقات نمی توان آن را به صورت تحلیلی حل کرد. در این موارد باید از روش های عددی استفاده کرد.

نیروی بین دو آهنربای استوانه ای

برای دو آهن‌ربای استوانه‌ای با شعاع و طول ، با دوقطبی مغناطیسی آن‌ها، نیرو را می‌توان به صورت مجانبی در فاصله‌های زیاد با، ^{[52] تقریب زد.} ${\displaystyle R}$ ${\displaystyle L}$ ${\displaystyle z\gg R}$

${\displaystyle F(z)\simeq {\frac {\pi \mu _{0}}{4}}M^{2}R^{4}\left[{\frac {1}{z^{2}}}+{\frac {1}{(z+2L)^{2}}}-{\frac {2}{(z+L)^{2}}}\right]}$

مغناطش آهنرباها کجاست و فاصله بین آهنرباها کجاست. اندازه گیری چگالی شار مغناطیسی بسیار نزدیک به آهنربا تقریباً با فرمول مرتبط است ${\displaystyle M}$ ${\displaystyle z}$ ${\displaystyle B_{0}}$ ${\displaystyle M}$

${\displaystyle B_{0}={\frac {\mu _{0}}{2}}M}$

دوقطبی مغناطیسی موثر را می توان به صورت زیر نوشت

${\displaystyle m=MV}$

حجم آهنربا کجاست برای یک سیلندر، این است . ${\displaystyle V}$ ${\displaystyle V=\pi R^{2}L}$

وقتی تقریب دوقطبی نقطه به دست آمد، ${\displaystyle z\gg L}$

${\displaystyle F(x)={\frac {3\pi \mu _{0}}{2}}M^{2}R^{4}L^{2}{\frac {1}{z^{4}}}={\frac {3\mu _{0}}{2\pi }}M^{2}V^{2}{\frac {1}{z^{4}}}={\frac {3\mu _{0}}{2\pi }}m_{1}m_{2}{\frac {1}{z^{4}}}}$

که با بیان نیروی بین دو دوقطبی مغناطیسی مطابقت دارد.

همچنین ببینید

• آهنربای دوقطبی
• قضیه ارنشاو
• الکترت
• میدان الکترومغناطیسی
• الکترومغناطیس
• آرایه هالباخ
• نانو ذرات مغناطیسی
• سوئیچ مغناطیسی
• مغناطیس
• مغناطیس شیمی
• آهنرباهای مبتنی بر مولکول
• آهنربای تک مولکولی
• ابر مغناطیس

یادداشت ها

1. اپرای پلاتونیس بایگانی شده 14-01-2018 در ماشین راه برگشت ، مایر و زلر، 1839، ص. 989.
2. محل مگنزیا مورد بحث است. این می تواند منطقه ای در سرزمین اصلی یونان یا Magnesia ad Sipylum باشد . به عنوان مثال، "مگنت" را ببینید. وبلاگ کلاه زبان . 28 مه 2005. بایگانی شده از نسخه اصلی در 19 مه 2012 . بازبینی شده در 22 مارس 2013 .
3. فاولر، مایکل (1997). «آغازهای تاریخی نظریه های الکتریسیته و مغناطیس». بایگانی شده از نسخه اصلی در 2008-03-15 . بازیابی شده در 2008-04-02 .
4. وولز، هیو پی (1932). "تکامل اولیه مهندسی قدرت". داعش​ 17 (2): 412-420 [419-20]. doi :10.1086/346662. S2CID  143949193.
5. لی شو هوا (1954). "Origine de la Boussole II. Aimant et Boussole". داعش​ 45 (2): 175-196. doi :10.1086/348315. JSTOR  227361. S2CID  143585290.
6. پلینی بزرگ، تاریخ طبیعی، کتاب XXXIV. تاریخ طبیعی فلزات.، فصل. 42.-فلز به نام LIVE IRON بایگانی شده در 29-06-2011 در Wayback Machine . Perseus.tufts.edu. بازیابی شده در 2011-05-17.
7. Coey, JMD (2009). مغناطیس و مواد مغناطیسی. کمبریج: انتشارات دانشگاه کمبریج. صص 1-3. شابک 978-0-511-68515-6. OCLC  664016090.
8. «چهار اختراع بزرگ چین باستان». سفارت جمهوری خلق چین در جمهوری آفریقای جنوبی . 13/12/2004 . بازبینی شده در 8 ژانویه 2023 .
9. اشمیدل، پترا جی (1996-1997). "دو منبع عربی اولیه در قطب نما مغناطیسی" (PDF) . مجله معارف عربی و اسلامی . 1 : 81-132. doi : 10.5617/jais.4547 . بایگانی شده (PDF) از نسخه اصلی در 2012-05-24.
10. "هفت لحظه مغناطیسی - آهنرباهای مدرن". کالج ترینیتی دوبلین بازبینی شده در 8 ژانویه 2023 .
11. مولر، کارل هارتموت؛ ساواتزکی، سیمون؛ گاوس، رولان؛ Gutfleisch، Oliver (2021)، Coey، JMD؛ پارکین، استوارت SP (ویرایشات)، "مواد و کاربردهای مغناطیس دائمی"، کتابچه راهنمای مغناطیس و مواد مغناطیسی ، چم: انتشارات بین المللی اسپرینگر، ص. 1391, doi :10.1007/978-3-030-63210-6_29, ISBN 978-3-030-63210-6, S2CID  244736617 , بازیابی شده 08/01/2023
12. دلون، ژان (2008). آمپر، آندره ماری . جلد 1. پسران چارلز اسکریبنر. صص 142-149. {{cite book}}: |work=نادیده گرفته شد ( کمک )
13. «جوزف هنری – تالار مشاهیر مهندسی». مرکز فناوری ادیسون بازبینی شده در 8 ژانویه 2023 .
14. گریفیث، دیوید جی (1999). مقدمه ای بر الکترودینامیک (ویرایش سوم). سالن پرنتیس صص 255-8. شابک 0-13-805326-X. OCLC  40251748.
15. نایت، جونز، و فیلد، "فیزیک کالج" (2007) ص. 815.
16. Culity، BD & Graham، CD (2008). مقدمه ای بر مواد مغناطیسی (2 ویرایش). مطبوعات Wiley-IEEE . ص 103. شابک 978-0-471-47741-9.
17. بویر، تیموتی اچ (1988). "نیروی یک دوقطبی مغناطیسی". مجله فیزیک آمریکا . 56 (8): 688-692. Bibcode :1988AmJPh..56..688B. doi :10.1119/1.15501.
18. «واحدها برای خواص مغناطیسی» (PDF) . Lake Shore Cryotronics, Inc. بایگانی شده از نسخه اصلی (PDF) در 2011-07-14 . بازیابی شده در 2012-11-05 .
19. آلن، زکریا (1852). فلسفه مکانیک طبیعت، و منبع و شیوه های عمل نیروی محرکه طبیعی. دی. اپلتون و شرکت. ص 252.
20. ساسلو، وین ام. (2002). الکتریسیته، مغناطیس و نور (ویرایش سوم). مطبوعات دانشگاهی. ص 426. شابک 978-0-12-619455-5. بایگانی شده از نسخه اصلی در 2014-06-27.
21. سروی، ریموند ای. کریس ویل (2006). ملزومات فیزیک کالج. ایالات متحده آمریکا: Cengage Learning. ص 493. شابک 0-495-10619-4. بایگانی شده از نسخه اصلی در 2013-06-04.
22. امیلیانی، سزار (1992). سیاره زمین: کیهان شناسی، زمین شناسی، و تکامل حیات و محیط زیست. انگلستان: انتشارات دانشگاه کمبریج. ص 228. شابک 0-521-40949-7. بایگانی شده از نسخه اصلی در 2016-12-24.
23. آداب، شادی (2000). میدان های ایستا و پتانسیل ها ایالات متحده: مطبوعات CRC. ص 148. شابک 0-7503-0718-8. بایگانی شده از نسخه اصلی در 2016-12-24.
24. Nave، Carl R. (2010). "مگنت میله". هایپرفیزیک . بخش فیزیک و نجوم، دانشگاه ایالتی جورجیا. بایگانی شده از نسخه اصلی در 2011-04-08 . بازیابی شده در 2011-04-10 .
25. موش‌ها در آزمایشگاه ناسا بایگانی‌شده 09/02/2011 در ماشین راه‌اندازی . Livescience.com (09-09-2009). بازیابی شده در 2011-10-08.
26. مالینسون، جان سی (1987). مبانی ضبط مغناطیسی (ویرایش دوم). مطبوعات دانشگاهی . شابک 0-12-466626-4.
27. «نوار روی کارت اعتباری». چگونه کار می کند . بایگانی شده از نسخه اصلی در 2011-06-24 . بازبینی شده در 19 جولای 2011 .
28. «انحراف الکترومغناطیسی در یک لوله پرتو کاتدی، I». آزمایشگاه ملی میدان مغناطیسی بالا بایگانی شده از نسخه اصلی در 3 آوریل 2012 . بازیابی شده در 20 ژوئیه 2011 .
29. «میان وعده‌هایی درباره مغناطیس». اسنک های علمی Exploratorium . کاوشگر. بایگانی شده از نسخه اصلی در 7 آوریل 2013 . بازبینی شده در 17 آوریل 2013 .
30. «مگنت‌های نئودیمیم: استحکام، طراحی برای حذف فلز ولگرد». بایگانی شده از نسخه اصلی در 2017-05-10 . بازیابی شده در 2016-12-05 .منبع روی آهنربا در صنایع فرآیندی
31. Schenck JF (2000). "ایمنی میدان های مغناطیسی قوی و ساکن". J Magn Reson Imaging . 12 (1): 2-19. doi : 10.1002/1522-2586(200007)12:1<2::AID-JMRI2>3.0.CO;2-V . PMID  10931560. S2CID  19976829.
32. Oestreich AE (2008). "بررسی جهانی آسیب ناشی از بلع چندین آهنربا". اطفال رادیول . 39 (2): 142-7. doi :10.1007/s00247-008-1059-7. PMID  19020871. S2CID  21306900.
33. مک کنزی، AEE (1961). مغناطیس و الکتریسیته . کمبریج. صص 3-4.
34. «مواد فرومغناطیسی». Phares Electronics . بایگانی شده از نسخه اصلی در 27 ژوئن 2015 . بازبینی شده در 26 ژوئن 2015 .
35. بردی، جورج استوارت؛ هنری آر.کلوزر; جان آ. واکاری (2002). کتاب مواد: دایره المعارفی برای مدیران. مک گراو-هیل حرفه ای. ص 577. شابک 0-07-136076-X. بایگانی شده از نسخه اصلی در 2016-12-24.
36. "مگنت های دائمی نانوساختار Mn-Al (اختراع ثبت شده)" . بازیابی شده در 18 فوریه 2017 .
37. «نسخه مطبوعاتی: آهنربای یخچال تبدیل شد». ریکن. 11 مارس 2011. بایگانی شده از نسخه اصلی در 7 آگوست 2017.
38. «Nanomagnets Bend The Rules». بایگانی شده از نسخه اصلی در 7 دسامبر 2005 . بازیابی شده در 14 نوامبر 2005 .
39. دلا توره، ای. بنت، ال. واتسون، آر (2005). "توسعه قانون Bloch T ^3/2 به نانوساختارهای مغناطیسی: تراکم بوز-اینشتین". نامه های بررسی فیزیکی 94 (14): 147210. Bibcode :2005PhRvL..94n7210D. doi :10.1103/PhysRevLett.94.147210. PMID  15904108.
40. «تامین مالی تحقیق برای آهنرباهای دائمی بدون زمین کمیاب». ARPA-E. بایگانی شده از نسخه اصلی در 10 اکتبر 2013 . بازبینی شده در 23 آوریل 2013 .
41. توسط (2022-09-01). "نیتریدهای آهن: آهنرباهای قدرتمند بدون عناصر کمیاب زمین". هکادی . بازیابی شده در 2023-11-08 .
42. کلر، توماس؛ بیکر، ایان (2022-02-01). "مواد آهنربای دائم بر پایه منگنز". پیشرفت در علم مواد . 124 : 100872. doi :10.1016/j.pmatsci.2021.100872. ISSN  0079-6425.
43. مروری بر آهنرباهای دائمی MnAl با مطالعه پتانسیل آنها در ماشین های الکتریکی
44. سوالات متداول بایگانی شده در 12/03/2008 در ماشین راه برگشت . Magnet sales & Mfct Co Inc. بازیابی شده در 08-10-2011.
45. راکل، تاد؛ تیپلر، پل آ. موسکا، ژن (2007). فیزیک برای دانشمندان و مهندسان (6 ویرایش). پالگریو مک میلان . شابک 978-1-4292-0410-1.
46. «مگنت چقدر نگه می دارد؟». www.kjmagnetics.com . بازیابی شده در 2020-01-20 .
47. «نیروی کشش مغناطیسی توضیح داده شد - نیروی کشش مغناطیسی چیست؟ | Dura Magnetics USA». 19 اکتبر 2016 . بازیابی شده در 2020-01-20 .
48. کاردارلی، فرانسوا (2008). راهنمای مواد: مرجع مختصر دسکتاپ (ویرایش دوم). اسپرینگر. ص 493. شابک 9781846286681. بایگانی شده از نسخه اصلی در 2016-12-24.
49. «روابط پایه». Geophysics.ou.edu. بایگانی شده از نسخه اصلی در 09/07/2010 . بازیابی 2009-10-19 .
50. "میدان ها و نیروهای مغناطیسی". بایگانی شده از نسخه اصلی در 2012-02-20 . بازیابی شده در 2009-12-24 .
51. «نیروی تولید شده توسط میدان مغناطیسی». بایگانی شده از نسخه اصلی در 2010-03-17 . بازیابی 2010-03-09 .
52. دیوید ووکون؛ مارکو بلژیا; لودک هلر؛ پتر سیتنر (2009). "برهمکنش ها و نیروهای مغناطیسی بین آهنرباهای دائمی استوانه ای". مجله مغناطیس و مواد مغناطیسی . 321 (22): 3758-3763. Bibcode :2009JMMM..321.3758V. doi : 10.1016/j.jmmm.2009.07.030 .

مراجع

• "تاریخ اولیه آهنربای دائمی". Edward Neville Da Costa Andrade، Endeavour، جلد 17، شماره 65، ژانویه 1958. حاوی توضیحات عالی از روشهای اولیه تولید آهنرباهای دائمی است.
• "قطب مثبت n". فرهنگ لغت انگلیسی مختصر آکسفورد . کاترین سونز و انگوس استیونسون. انتشارات دانشگاه آکسفورد ، 2004. مرجع آنلاین آکسفورد. انتشارات دانشگاه آکسفورد
• وین ام. ساسلو، الکتریسیته، مغناطیس و نور ، دانشگاهی (2002). شابک 0-12-619455-6 . فصل 9 آهنرباها و میدان های مغناطیسی آنها را با استفاده از مفهوم قطب های مغناطیسی مورد بحث قرار می دهد، اما همچنین شواهدی ارائه می دهد که قطب های مغناطیسی واقعاً در ماده معمولی وجود ندارند. فصل های 10 و 11، پیرو آنچه به نظر می رسد یک رویکرد قرن 19 است، از مفهوم قطب برای به دست آوردن قوانینی استفاده می کنند که مغناطیس جریان های الکتریکی را توصیف می کنند. 
• ادوارد P. Furlani، آهنربا دائمی و دستگاه های الکترومکانیکی: مواد، تجزیه و تحلیل و کاربردها، مجموعه مطبوعات دانشگاهی در الکترومغناطیس (2001). شابک 0-12-269951-3 . 

لینک های خارجی

• چگونه آهنرباها ساخته می شوند آرشیو شده 2013-03-16 در ماشین Wayback (ویدئو)
• آهنرباهای حلقه شناور، بولتن IAPT، جلد 4، شماره 6، 145 (ژوئن 2012). (انتشارات انجمن معلمان فیزیک هند ).
• تاریخچه مختصری از الکتریسیته و مغناطیس