Magnetic flux
شار مغناطیسی یک مفهوم اساسی در فیزیک و الکترومغناطیس است که به تعداد خطوط میدان مغناطیسی عبوری از یک سطح مشخص اشاره دارد. به عبارت سادهتر، شار مغناطیسی معیاری برای میزان میدان مغناطیسی است که از یک ناحیه معین عبور میکند.
شار مغناطیسی با علامت φm نشان داده می شود.
شارمغناطیسی از طریق شارمتر اندازه گیری می شود.
به طور خلاصه، هرجا که صحبت از میدانهای مغناطیسی، آهنرباها، سیمپیچها، تولید یا تغییر ولتاژ از طریق مغناطیس، و ذخیره یا انتقال داده به صورت مغناطیسی باشد، مفهوم شار مغناطیسی نقش حیاتی ایفا میکند. این مفهوم، سنگ بنای بسیاری از فناوریهایی است که زندگی مدرن ما را شکل دادهاند.
واحد شار مغناطیسی
* واحد SI وبر (Wb)
* واحد CGS آن Maxwell
اهمیت شار مغناطیسی
مفهوم شار مغناطیسی از جنبههای مختلفی در فیزیک و مهندسی اهمیت دارد:
* قانون فارادی در القای الکترومغناطیسی:
این قانون بیان میکند که تغییرات شار مغناطیسی عبوری از یک حلقه یا سیمپیچ، نیروی محرکه الکتریکی (ولتاژ) القا میکند. این اصل underlies عملکرد ژنراتورها، ترانسفورماتورها و بسیاری از دستگاههای الکتریکی دیگر است.
* قانون گاوس برای مغناطیس: این قانون بیان میکند که شار مغناطیسی خالص عبوری از هر سطح بسته، همواره صفر است. این به این معنی است که تکقطبی مغناطیسی (مانند تک بار الکتریکی) وجود ندارد و خطوط میدان مغناطیسی همیشه حلقههای بسته تشکیل میدهند (یعنی از یک قطب خارج و به قطب دیگر وارد میشوند و درون منبع نیز ادامه دارند).
کاربردهای شار مغناطیسی
همانطور که قبلاً اشاره شد، شار مغناطیسی یک مفهوم فیزیکی اساسی است، نه یک قطعه یا سنسور فیزیکی که بتواند “کاربردهای” مستقیمی داشته باشد. در واقع، شار مغناطیسی زیربنای عملکرد بسیاری از دستگاهها و پدیدههایی است که با میدانهای مغناطیسی سروکار دارند. کاربردهایی که قبلاً ذکر شد (مانند ژنراتورها و ترانسفورماتورها) همگی بر اساس تغییرات شار مغناطیسی یا وجود شار مغناطیسی عمل میکنند.
کاربرد شار مغناطیسی
۱. تولید و انتقال انرژی الکتریکی:
* ژنراتورها و آلترناتورها:
اساس کار تمام نیروگاههای تولید برق (حرارتی، آبی، هستهای، بادی) بر پایه القای الکترومغناطیسی است. چرخش سیمپیچها در یک میدان مغناطیسی (یا چرخش میدان مغناطیسی در اطراف سیمپیچها) باعث تغییر شار مغناطیسی عبوری از سیمپیچها شده و در نتیجه برق تولید میشود.
* ترانسفورماتورها:
این دستگاهها برای تغییر سطح ولتاژ متناوب (افزایش یا کاهش) در شبکههای انتقال و توزیع برق استفاده میشوند. هسته آهنی ترانسفورماتور، شار مغناطیسی متغیری را که توسط سیمپیچ اولیه ایجاد شده، به سیمپیچ ثانویه منتقل میکند و این تغییر شار، ولتاژ را در سیمپیچ ثانویه القا میکند.
۲. موتورهای الکتریکی:
انواع موتورهای الکتریکی (DC و AC) ، اگرچه در موتورها هدف اصلی تولید حرکت است، اما اصل کار آنها بر تعامل بین میدانهای مغناطیسی (یکی از سیمپیچهای استاتور و دیگری از جریان در روتور یا آهنربای دائم) استوار است. این تعاملات را میتوان بر اساس شار مغناطیسی و نیروهای وارد بر رساناها در میدان مغناطیسی تحلیل کرد.
۳. ذخیره سازی دادهها:
هارد دیسکها (HDD) و نوارهای مغناطیسی: در گذشته و تا حدی امروزه، اطلاعات به صورت مغناطیسی روی سطوح مخصوص ذخیره میشوند. هر بیت اطلاعات با جهتگیری خاصی از مغناطیس نشان داده میشود. فرآیند خواندن و نوشتن اطلاعات شامل تغییر شار مغناطیسی در هد خواندن/نوشتن است که این تغییرات به سیگنالهای الکتریکی تبدیل میشوند.
۴. تصویربرداری پزشکی:
تصویربرداری تشدید مغناطیسی (MRI) این تکنیک پیشرفته پزشکی از میدانهای مغناطیسی قوی و امواج رادیویی برای تولید تصاویر دقیق از اندامها و بافتهای داخلی بدن استفاده میکند. در MRI، بدن بیمار در یک میدان مغناطیسی بسیار قوی قرار میگیرد و با پایش تغییرات میدانهای مغناطیسی کوچک ناشی از پروتونهای هیدروژن در بافتها، تصاویر ساخته میشوند.
۵. کاربردهای در ساختمان و شهرسازی هوشمند :
* شارژرهای بیسیم (Wireless Chargers):
این فناوری که روز به روز در خانهها و فضاهای شهری رایجتر میشود، بر پایه القای الکترومغناطیسی و انتقال انرژی از طریق تغییرات شار مغناطیسی استوار است. از شارژ گوشیهای هوشمند گرفته تا اتوبوسهای برقی در حال حرکت، این اصل کاربرد دارد.
در ساختمانهای آینده میتوان از این فناوری برای شارژ وسایل نقلیه الکتریکی پارک شده در گاراژها یا حتی شارژ ابزارهای برقی کارگران ساختمانی استفاده کرد.
* حسگرهای مغناطیسی:
مانند سنسورهای اثر هال این سنسورها شار مغناطیسی را اندازهگیری کرده و آن را به سیگنال الکتریکی تبدیل میکنند. کاربردهای آنها در کنترل دسترسی، تشخیص موقعیت، اندازهگیری سرعت، و سیستمهای امنیتی ساختمان بسیار گسترده است.
* جداکنندههای فلزی (Metal Detectors):
در ورودی ساختمانها، فرودگاهها و نقاط امنیتی، آشکارسازهای فلزی با ایجاد یک میدان مغناطیسی متغیر (که شار مغناطیسی متغیری تولید میکند) و پایش تغییرات شار القایی ناشی از وجود فلز، اشیاء فلزی را شناسایی میکنند.
* مگلو (Maglev):
این سیستمهای حمل و نقل پیشرفته با استفاده از میدانهای مغناطیسی بسیار قوی قطار مگلو ، آسانسور مگلو این فناوری میتواند بخشی از توسعه شهرسازی آینده باشد.
* بررسی اثرات میدانهای الکترومغناطیسی بر سازهها و ساکنان:
به ویژه در نزدیکی خطوط برق فشار قوی یا زیرساختهای الکتریکی.