میدان الکتریکی، مغناطیسی و الکترومغناطیسی

این مقاله ابتدا به تعاریفی ساده در رابطه با میدان های الکتریکی و مغناطیسی می پردازد، سپس وارد مبحث ترکیب این دو میدان، یعنی الکترومغناطیس و میدان الکترومغناطیس می شود.

این مبحث در ادامه مبحث الکترونیک پایه است.

میدان الکتریکی

بار الکتریکی

همه چیز در دنیای مادی، نوعی جاذبه دارد: سیارات، اجسام، اتم ها، پروتون ها، نوترون ها و الکترون ها. اما اگر همه این جاذبه ها از یک نوع بودند و صرفا به قانون جاذبه جرمی نیوتن بستگی داشتند، تمام عالم به یک جسم بسیار بزرگ در می­آمد؛ پس نتیجه می­توانیم بگیریم که در کنار جاذبه جرمی، نوعی دافعه نیز وجود دارد تا از برخورت تمام ذرات بنیادی با یکدیگر، جلوگیری نماید. این نوع جاذبه و دافعه به صورت نوعی فرکانس، درون ذرات بنیادی خلق شده است، که با تغییر این فرکانس، ذره بنیادی نیز تغییر می­کند. دو نوع از ذره های بنیادی هستن که هم نوع خود را دفع می­کنند و هم دیگر را جذب می­کنند. این دو ذره، الکترون و پروتون نام دارند. طبق تعریف، پروتون دارای بار مثبت می­باشد و الکترون نیز بار منفی دارد، بار این دو ذره باهم برابر است.

بار منفی

به طور کلی، اجسامی بار منفی دارند که الکترون های بیشتری نسبت به پروتون، در آنها وجود دارد. از آنجایی که تعداد پروتون در اتم را نمی­توان به سادگی تغییر داد، برای منفی کردن یک جسم، باید به آن الکترون تزریق کنیم.

بار مثبت

به طور کلی، اجسامی بار مثبت دارند که الکترون های کمتری نسبت به پروتون، در آنها وجود دارد. از آنجایی که تعداد پروتون در اتم را نمی­توان به سادگی تغییر داد، برای مثبت کردن یک جسم، باید از آن الکترون گرفت.

الکترونیک

علم الکترونیک یعنی بیان روش هایی برای تزریق یا گرفتن الکترون، و ترکیب روابط ریاضی با این روش ها. علم دیجیتال، یعنی ترکیب روابط منطقی با علم الکترونیک. قبل از آموختن این روش ها، لازم است ابتدا به برخی از قوانین موجود بین بار ها، در حالتی که ساکن هستند یا در حال حرکت اند، بپردازید.

نیروی بین دو بار

بار هر الکترون برابر با:

1.602 × 10^-19

کولن می­ باشد.

هر کولن برابر است با بار 6,242,197,253,433,208,489 الکترون که در یک ناحیه تجمع داشته باشند.

نیروی بین دو بار، در دو نقطه متفاوت به فاصله r از طریق رابطه زیر محاسبه می­ شود:

دو عدد ₀µ و ₀Ƹ ، به ترتیب ضریب گذردهی مغناطیسی در خلا و ضریب گذردهی الکتریکی در خلا می­ باشند و کاملا ثابت هستند.

سرعت نور را در خلاء (بیشترین سرعت نور c)، را تعریف می­ کنند.

سرعت عبور جریان در سیم های مدار، معمولا برابر با نصف سرعت نور است (دانستن این سرعت، برای انتقال داده در فرکانس بالا، بسیار مهم است).

میدان الکتریکی یک نقطه

نیروی ایجاد شده از تجمع تعدادی بار (بر اثر نیروی هریک از بارها)، در فضای اطراف یک جسم باردار را میدان الکتریکی یک جسم می­ نامند.

این خاصیت موجب دفع بار هم نام و جذب بار نا هم نام می­ شود.

رابطه زیر میدان الکتریکی را در اطراف الکترون های تجمع شده در یک نقطه، بیان می­ نماید:

خطوط میدان الکتریکی

خطوطی فرضی هستند که اثرات میدان الکتریکی، در امتداد آن ها صورت می­ پذیرد. تعریفی که در مورد خطوط وجود دارد را می­ توانید در شکل زیر مشاهده نمایید:

پتانسیل الکتریکی(ولت)

انرژی موجود در یک جسم رسانا، یک سیم یا هر ماده رسانای دیگر را، انرژی پتانسیل الکتریکی یا ولت می­ نامند.

میزان انرژی پتانسیل یک جسم را با داشتن یک منبع 0 ولتی (به عنوان مثال زمین) و یک دستگاه ولت متر، می­ توانید اندازه بگیرید.

انرژی پتانسیل، از نیرو در جا به جایی به دست می­ آید.

اختلاف پتانسیل  الکتریکی(ولتاژ)

تمامی موارد گفته شده، برای انتقال مفهوم ولتاژ بودند.

موارد بالا موجب می­ شوند تا انرژی پتانسیل الکتریکی در دو نقطه مختلف در مدار، با یکدیگر تفاوت داشته باشند، در نتیجه انرژی بالاتر به سمت انرژی پایین تر حرکت می­ کند و اختلاف این دو انرژی را ولتاژ یا اختلاف پتانسیل الکتریکی، می­ نامند.

واحد پتانسیل همان ژول است، اما در علم الکترونیک، به دلیل اهمیت اختلاف پتانسیل، نام یکای پتانسیل را اغلب ولت می­ نامند.

علاوه بر این که ولت به تنهایی قادر به انتقال داده می­ باشد، این اختلاف پتانسیل است که موجب حرکت جریان روی مسیر های رسانای روی برد های الکترونیکی می­ شود.

جریان بین دو منبع 5 ولتی وجود ندارد، اما بین دو منبع 0 و 5 ولتی، جریان وجود دارد.

به واسطه وجود جریان، مقاومت نیز وجود دارد.

میدان مغناطیسی

در تعریف به خطوط فرضی اطراف یک جسم دارای خاصیت مغناطیسی، میدان مغناطیسی می­گویند.

به بیان دیگر: هر جا که خاصیت مغناطیسی وجود داشته باشد، میدان مغناطیسی نیز، وجود دارد.

خاصیت مغناطیسی

به خاصیتی که در آهنربا وجود دارد، خاصیت مغناطیسی می­ گویند که موجب می­ شود تا مواد مغناطیسی (مانند آهن) به آن جذب شود.

به انتقال خاصیت مغناطیسی به مواد مغناطیسی، القای مغناطیسی می­ گویند.

مواد مغناطیسی به دو دسته فرومغناطیس و پارا مغناطیس تقسیم می­شوند.

مواد فرومغناطیس نیز به دو دسته فرومغناطیس نرم (مانند آهن که به راحتی خاصیت مغناطیسی پیدا می کند و به راحتی از دست می­ دهد) و فرومغناطیس سخت (مانند فولاد که زمان زیادی می­ برد تا خاصیت مغناطیسی پیدا کند و مدت بیشتری این خاصیت را در خود نگه می­دارد) تقسیم می­ شوند.

از مواد پارامغناطیس می­توان منگنز را نام برد که باید در میدان مغناطیسی قوی قرار گیرد تا خاصیت مغناطیسی پیدا کند.

خطوط میدان مغناطیسی و ویژگی های آن

یک سری خطوط غیر قابل مشاهده که در اطراف مواد دارای خاصیت مغناطیسی وجود دارند.

از ویژگی های این خطوط می­توان گفت که این خطوط هیچ گاه یکدیگر را قطع نمی­ کنند و در هر ناحیه که خطوط فشردگی بیشتری دارند، میدان در آن ناحیه قوی تر است.

جهت خطوط در خارج از جسمی که دارای خاصیت مغناطیسی است (به عنوان مثال در آهنربا) از قطب N آن به طرف قطب S و در داخل عکس این حالت است.

گفتیم خطوط غیر قابل مشاهده است اما اثرات آن ها در محیط را می­توان دید.

اگر یک قطب نما را به دور یک آهنربا بچرخانید، چرخش عقربه قطب نما را مشاهده خواهید کرد.

برای مشاهده مکان خطوط می­توانید یک کاغذ روی آهنربا قرار دهید و براده آهن را به آرامی روی کاغذ پخش کنید.

مشاهده خواهید کرد که براده ها مانند تصویر زیر خطوطی را روی کاغذ رسم می­ کنند.

الکترومغناطیس

تولید میدان میدان مغناطیسی با استفاده از جریان الکتریکی

میدان مغناطیسی تولید شده با استفاده از جریان الکتریکی را میدان الکترومغناطیس می­ گویند.

برای تولید میدان الکترومغناطیس می­توانیم از یک سیم رسانا یا سلف استفاده کنیم.

اگر جریان الکتریکی را از یک سیم راست عبور دهیم دور آن میدان مغناطیسی ایجاد می­ شود.

جهت این حلقه های میدان مغناطیسی بستگی به جهت جریان دارد.

در تصویر زیر مشاهده می­ کنید که جهت جریان از بالا به پایین است و جهت حلقه ها در جلوی سیم از راست به چپ است.

جهت حلقه ها را در حالت عملیاتی، می­ توانید با استفاده از قطب نما تعیین کنید.

برای تعیین جهت میدان، در محاسبات از قانون دست راست می­توانید استفاده کرد.

قانون دست راست به این صورت است که شست دست راست را بر انگشت اشاره عمود می­کنیم و شست را در جهت جریان (از مثبت به منفی) قرار می­دهیم.

سپس چهار انگشت دیگر دست را مشت می­کنیم و فرض می­کنیم که سیم را گرفته ایم، آنگاه جهت حلقه ها از ابتدا تا نوک چهار انگشت است.

اگر دو سیم حامل جریان را کنار هم بگذاریم همان طور که اگر دو آهنربا را به هم نزدیک کنیم به یکدیگر نیرو وارد می­کنند که این نیرو ها اگر به اندازه کافی باشند، می­توانند دو سیم را به یکدیگر نزدیک یا از هم دور کنند.

برای تعیین جهت نیرو باید دست راست را باز کنیم و کف دست را طوری بر خطوط میدان عمود کنیم که جهت میدان به پشت دست وارد و از کف آن خارج شود. سپس شست را بر انگشت اشاره عمود می­کنیم و چهار انگشت را در جهت جریان قرار می­دهیم. جهت نیرو از ابتدا به سمت نوک شست است.

در تصویر بالا منظور از F12 نیروی میدان سیم ۱ بر سیم۲ است و منظور از F21 نیروی میدان  سیم۲ بر سیم ۱ است.

حال اگر یک سیم بلند روکش دار را به دور یک میله بپیچانیم، پس از برقراری جریان، علاوه بر تولید میدان مغناطیسی قوی، همانند آنچه که در بالا مشاهده کردیم میدان  هر حلقه بردیگری اثرمی­ گذارد.

در این وسیله که سلف یا سیملوله نامیده می­ شود برای تعیین  قطب ها باید از قانون دست راست استفاده کنیم، به این صورت که شست را بر انگشت اشاره  عمود می­کنیم و ۴ انگشت دیگر را از ورودی جریان، مماس بر سلف می­چرخانیم تا سلف را در دست بگیریم.

جهت شست قطب N و عکس آن قطب S در خارج سلف است.

القای الکترومغناطیس

القای الکترومغناطیس موجب جا به جایی نبرو و داده بدون تماس می­شود، این در حالی است که مغناطیس به تنهایی، صرفا قادر است که نیرو را بدون برخورد انتقال دهد.

در مباحث مربوط به الکترومغناطیس، با دیدگاه دیجیتالی، ساخت سیگنال بسیار ساده است، اما از دیدگاه آنالوگ، اندکی پیچیدگی های جزئی وجود دارد.

القای الکترومغناطیس با استفاده از دو سیم راست رسانا

یک سیم راست حامل جریان می­تواند به سیم دیگری در اطراف خود جریان الکتریکی القا کند. علت این القا تغییر شار مغناطیسی است. به طور کلی، تغییر شار مغناطیسی یعنی جا به جایی میدان، چرخش میدان ویا تغییر قدرت میدان مغناطیسی. در مدار زیر، با انجام کار های زیر، می توانید شار مغناطیسی را تغییر دهید و به روی اجسام رسانا و مدار های اطراف، القای الکترومغناطیس انجام دهید:

* جا به جا کردن سیم AB
* چرخاندن سیم AB
* تغییر مقاومت مدار با P1

هنگامی که القای الکترومغناطیس انجام می­شود، باید برای تعیین جهت جریان القا شده، جهت میدان القا شده را عکس کنیم و با استفاده از قانون دست راست، جهت جریان القایی را بیابیم.

این امر (میدان عکس) از قانون لنز نتیجه می­ شود.

سیم پیچ (سلف)

اگر به دور یک میخ آهنی یک سیم بپیچانیم، و دو سر سیم را به باطری وصل نماییم، میخ تحت تأثیر میدان مغناطیسی ایجاد شده توسط جریان الکتریکی بر روی سیم، قرار می­گیرد و خاصیت آهنربایی پیدا می­ کند.

ساختمان سیم پیچ (سلف) نیز به همین صورت است.

سلف معمولا از دو قسمت هسته آهنی و سیم مسی پیچیده شده در دور هسته  تشکیل شده­است.

سلف ها می­توانند بدون هسته آهنی نیز باشند.

وقتی جریان به سیم وارد می­شود، بخشی از انرژی صرف ایجاد میدان مغناطیسی و منظم کردن دو قطبی های مغناطیسی در آهن می­شود که این امر باعث می­شود مقاومت سلف بالا رود و جریان کمتری از آن خارج شود، اما پس از منظم شدن دو قطبی های هسته، مقاومت سلف کم می­شود.

شکل زیر شمای سلف در نقشه را نشان می­ دهد.

با استفاده از سلف می­توان ترانسفورمر ساخت. ترانسفورمر وسیله ای است که به کمک آن می­توان در ولتاژ ورودی تغییراتی ایجاد کرد. ترانسفورمر دارای انواع کاهنده (برای کاهش ولتاژ ورودی) و افزاینده (برای افزایش ولتاژ ورودی) است. از ترانسفورمر فقط می­توان در جریان متناوب استفاده نمود.

القای الکترومغناطیس با استفاده از سلف

در سلف اگر از جریان مستقیم استفاده کنیم تنها در لحظه برقراری جریان تغییر شار به وجود می­ آید، ولی در هنگام استفاده از جریان متناوب، دائم تغییر شار خواهیم داشت که  این امر موجب می­ شود تا میدان مغناطیسی در اطراف به صورت موجی پخش شود، یعنی امواج الکترومغناطیس پدید می­ آید.

سلف این القای مغناطیسی را در شرایط جریان متناوب برای خود نیز انجام می­ دهد که این پدیده، پدیده خود القایی نامیده می­ شود.

هر سلف دارای یک ضریب خود القایی است که با این ضریب و یک محاسبه ساده می­توانید میزان افت ولتاژ را در ولتاژ ورودی هنگامی که سلف سری بسته شده، بیابید. به مدارها و فرمول زیر، توجه نمایید:

XL = 2πfL

π = 3.1415 (pi)

در فرمول بالا، Xl برابر با مقاومت ایجاد شده در سلف، بر اثر جریان متناوب می­ باشد،

f برابر با فرکانس منبع جریان متناوب می­ باشد،

L نیز ضریب خودالقایی سلف است، که معمولا روی قطعه ثبت شده است.

از فرمول بالا، نتیجه می­ شود که با بالا رفتن فرکانس، مقاومت سلف (ایندوکتانس) بالا خواهد رفت، در نتیجه، سلف L1 در مدارهای بالا، نقش فیلتر پایین گذر را دارد و L2 همانند یک فیلتر بالاگذر عمل می­ کند.

کاربرد سلف

مهم ترین کاربرد سلف، به عنوان فیلتر و ایجاد کننده میدان مغناطیسی می­ باشد.

دو نمونه از کاربرد های استفاده خاصیت مغناطیسی سلف:

بلندگو (Speaker):

حتما می­دانید که کار بلندگو تولید صدا با لرزش صفحه­اش است. این صفحه با استفاده از نیروی الکترومغناطیسی به لرزش در می­ آید، به این صورت که زیر این صفحه یک عدد سلف چسبیده است و در میان این سلف یک آهنربا قرار دارد. با برقراری جریان در سلف، میدان آهنربا بر میدان سلف نیرو وارد می­ کند و موجب می­شود تا سلف به حرکت در آید و صفحه تکان بخورد (از لرزش صفحه، هوای اطراف صفحه کم فشار و پر فشار می­ شود).  اگر جریان متناوب وارد سلف شود، صفحه دائم به لرزش در می­آید و هرچه جریان قوی تر باشد صدا بلند تر است و فرکانس بالا نیز موجب می­ شود تا صدای ایجاد شده به صورت پیوسته شنیده شود.

هرچه فرکانس بالاتر باشد، صدا زیر تر می­ شود.

میکروفن (Micro Phone):

نوعی از میکرو فن ها ساختاری همانند بلندگو دارد، با این تفاوت که صفحه، با تکان خوردن و هوایی که به آن برخورد می­کند (هوای باز دم) به لرزش در می­ آید و موجب می­ شود تا سلف حرکت کند.

این حرکات سلف چون در حضور میدان مغناطیسی صورت می­گیرد، موجب می­ شود تا القای بار صورت گیرد و ولتاژ در خروجی میکروفن به وجود آید.

با استفاده از تقویت کننده، ولتاژ خروجی این نوع از میکروفن ها تقویت می­ شود و برای پخش یا ضبط استفاده می­ گردد.

مخابرات رادیویی:

برای انتقال داده از طریق امواج رادیویی، لازم است که پتانسیل الکتریکی را روی آنتن، افزایش و کاهش دهیم، این کار سبب ایجاد میدان الکتریکی می­شود و حرکت الکترون ها در بخش های نوسان ساز، میدان مغناطیسی پدید  می­ آورد.

میدان الکتریکی و مغناطیسی، به صورت یک موج الکترومغناطیسی، با سرعت نور (در خلا) و به صورت کروی، در اطراف پخش می­ شود.

این امواج با یک گیرنده، دریافت، تقویت و رمز گشایی می­شوند.

در مطالب بعد به چگونگی ارسال و دریافت داده، با امواج الکترومغناطیس، خواهیم پرداخت.