ساخت آهن ربا — چگونه آهن ربا بسازیم؟ | از صفر تا صد

در این مطلب در مورد ساخت آهن ربا و روش‌های متداولی که برای ساخت آهن ربا استفاده می‌شود صحبت می‌کنیم. بدین منظور ابتدا آهن ربا، ویژگی‌ها و کاربردهای آن بررسی می‌شود و سپس به ساخت آهن ربا خواهیم پرداخت.

آهن ربا چیست؟

آهن ربا به هر ماده‌ای اطلاق می‌شود که قادر به جذب آهن و تولید یک میدان مغناطیسی خارج از خود باشد. در پایان قرن نوزدهم همه عناصر شناخته شده و بسیاری از ترکیبات آن‌ها از لحاظ مغناطیسی مورد آزمایش قرار گرفتند و تمام عناصری که خاصیت مغناطیسی داشتند مشخص شد.

ویژگی‌های آهنربا

ناحیه اطراف آهنربا که رفتار مغناطیسی آن احساس می‌شود همان چیزی است که به عنوان میدان مغناطیسی شناخته می‌شود. خطوط میدان قابل مشاهده نیستند اما با خطوطی به صورت شماتیک نشان داده می‌شوند که جهت نیرویی را که در قطب شمال آهنربا در هر نقطه از طول آن وارد می‌شود را نشان می‌دهند.

نقطه‌ای از آهن ربا که نیروی جذب آهنربا در آن بیشتر است، همان چیزی است که به عنوان قطب آهنربا شناخته می‌شود.

هنگامی که یک گیره در وسط یک آهنربای میله‌ای قرار می‌گیرد، می‌بینید که این گیره بیشتر به سمت یک منطقه خاص از آهنربا جذب می‌شود. این ناحیه قطب آهنربا است و در آنجا بیشترین تأثیر مغناطیسی وجود دارد.

آهنربای میله‌ای دارای دو قطب است. زمانی که یک آهنربای میله‌ای را با طناب معلق کنید خواهید دید که یک طرف یا قطب آن به سمت شمال است و این در حالی است که قطب دیگر به سمت جنوب خواهد بود.

قطبی که به سمت شمال است قطب شمال نامیده می‌شود در حالی که قطبی که به سمت جنوب باشد به عنوان قطب جنوب شناخته می‌شود. مهمترین ویژگی‌ها آهنربا به صورت زیر است:

• قطب‌های همنام آهنربا یکدیگر را دفع می‌کنند.

• قطب‌های غیرهمنام آهنربا یکدیگر را جذب می‌کنند.

• هر آهنربا در اطراف خود میدان مغناطیسی دارد.
• میدان مغناطیسی اطراف آهنربا را با خطوط میدان نمایش می‌دهند.
• خطوط میدان از قطب شمال آهنربا خارج شده و به قطب جنوب آهنربا وارد می‌شوند.
• خطوط میدان یکدیگر را قطع نمی‌کنند.

• وقتی یک آهنربا را به صورت معلق در هوا نگه داریم آن قدر حرکت می‌کند تا قطب شمال آن در راستای قطب شمال جغرافیایی و قطب جنوب آن در راستای قطب جنوب جغرافیایی قرار گیرد.

نمایش میدان مغناطیسی آهنربا

آهن ربای میله ای را روی میز و بر روی یک کاغذ سفید قرار دهید و سپس براده‌های آهن را بر روی کاغذ بریزید. پس از چند لحظه خواهید دید که براده‌های آهن بر روی کاغذ طرحی ایجاد می‌کنند که مانند شکل زیر است.

می‌توان دید که بر اساس الگوهای ایجاد شده تجمع براده‌ها اطراف قطب‌های آهن ربا بیشتر است که نشان می‌دهد که میدان در قطب‌ها قوی‌تر است.

مواد مغناطیسی به چند دسته تقسیم می‌شوند؟

به طور کلی می‌توان مواد را از لحاظ خاصیت مغناطیسی به سه دسته تقسیم کرد. بر اساس آزمایشی که در اواخر قرن نوزدهم انجام شد و در آن بیشتر عناصر از لحاظ خاصیت مغناطیسی بررسی شدند مشخص شد که بیشتر عناصر خاصیت دیامغناطیس داشتند.

این خاصیت به موادی اطلاق می‌شود که دارای نیروی دافعه ضعیف نسبت به هر دو قطب آهنربا هستند. بعضی از مواد مانند کروم خاصیت پارامغناطیسی را نشان می‌دادند. این مواد وقتی به مواد مغناطیسی نزدیک می‌شوند خاصیت مغناطیسی به ماده القا می‌شود با این حال این مغناطش با حذف آهنربا از بین می‌رود.

در این میان فقط سه عنصر آهن، نیکل و کبالت خاصیت فرومغناطیس را نشان دادند که به معنای قابلیت مغناطیسی دائمی است.

چگونه یک آهن ربا را قوی‌تر کنیم؟

آهنرباها طیف وسیعی از کاربردها را دارند که از این کاربردها می‌توان به چسباندن اجناس به یخچال، بلند کردن اشیای فلزی و بستن درب‌های کابینت اشاره کرد. بعضی از آهنرباها ممکن است به مرور ضعیف شده و دیگر کارایی سابق خود را نداشته باشند. متأسفانه همیشه راهی برای تقویت آهنربا وجود ندارد و با این وجود چند روش برای تقویت برخی از انواع آهن ربا وجود دارد که در اینجا به برخی از این روش‌ها اشاره می‌کنیم:

1. آهنرباهای میله‌ای آهن: یک کاسه یا ظرف را با مقداری آب پر کنید. چیزی را پیدا کنید که روی آب شناور بماند، آهنربا را روی این جسم قرار دهید. آهنربا در آب می‌چرخد ​​تا جایی که به خاطر نیروی مغناطیسی قطب شمال آهنربا دقیقاً به سمت شمال و قطب جنوب آن به سمت جنوب بدون حرکت بماند. آهن ربا را با احتیاط از آب خارج کرده و روی یک سطح سخت (ترجیحاً چوبی) دقیقاً در همان موقعیت شمال و جنوب قرار دهید. یک سر آهنربا را بارها و بارها با چکش محکم ضربه بزنید. این نیرو می‌تواند دامنه‌های ریز مغناطیسی در میله را شل کند تا بتواند قدرت مغناطیسی اصلی خود را بازیابد.
2. آهنرباهایی که قدرت خود را از دست داده‌اند: گاهی اوقات می‌توانید آهنربایی را که شارژ اصلی خود را از دست داده شارژ کنید. یک آهنربای بسیار قوی پیدا کنید و آن را بارها و بارها روی آهنربایی که ضعیف شده است بمالید. آهنربای قوی مجدداً دامنه‌های مغناطیسی داخل آهنربا ضعیف را آرایش می‌کند.
3. انباشته شدن آهنربا: یک راه برای تقویت آهنرباهای ضعیف این است که تعداد زیادی از آن‌ها را روی هم قرار دهید. با این وجود یک مشکل بزرگ وجود دارد و آن این است که آهن رباها یکدیگر را در جهت مخالف جذب می‌کنند که باعث کاهش قدرت کلی آن‌ها می‌شود. اگر راهی برای نگه داشتن یا بستن این آهنرباها پیدا کنید، در این حالت آهنرباها در یک راستا قرار می‌گیرند و یک میدان مغناطیسی قوی‌تر ایجاد می‌کنند.

آهن ربا چگونه کار می‌کند؟

آهن ربا دارای قطب‌های شمال و جنوب است که به یکدیگر جذب می‌شوند. وقتی جسمی توسط آهن ربا جذب می‌شود باعث می‌شود قطب‌های شمال اتم‌های جسم در یک راستا قرار بگیرند. یک میدان مغناطیسی توسط نیروی تولید شده توسط اتم‌های همسو ایجاد می‌شود و بنابراین جسم و آهنربا جذب یکدیگر می‌شوند.

آهن ربا چه چیزی را می‌تواند جذب کند؟

آهن ربا می‌تواند فلزاتی مانند آهن و فولاد را به خود جذب کند. در واقع اگر آهنربایی را بسیار محکم به یک قطعه آهن یا فولاد بمالید آن قطعه فلز به طور موقت تبدیل به آهن ربا می‌شود. همچنین مس و طلا نیز جذب آهنربا می‌شوند.

چه موادی قوی‌ترین آهنربا را ایجاد می‌کنند؟

قوی‌ترین آهن ربا از آلیاژ آهن، بور و نئودیمیم ساخته می‌شود.

کاربردهای آهن ربا

در این قسمت کاربردهای آهنربا را به صورت اختصار توضیح می‌دهیم.

رایانه و الکترونیک

بیشتر رایانه‌ها دارای آهن ربا در ساختار داخلی خود هستند. این آهن رباها به کامپیوتر کمک می‌کنند تا بتواند داده‌ها را بر روی هارد ذخیره کند. آهنربای درون دستگاه به تغییر جهت ماده مغناطیسی روی دیسک سخت در بخش‌های مختلف که نشان دهنده داده‌های رایانه است کمک می‌کند.

کامپیوتر جهت خواندن داده‌ها، جهت هر قسمت از مواد مغناطیسی را می‌خواند. علاوه بر این آهن ربا در بلندگوهای کوچک، رادیوها و تلویزیون‌ها نیز یافت می‌شود که بخشی از زندگی روزمره ما را تشکیل می‌دهند.

انرژی الكتریكی و صنایع دیگر

آهن ربا به عنوان یكی از مهمترین عناصر مورد استفاده در بخش صنایع در نظر گرفته می‌شود. آهنرباهای مورد استفاده در ژنراتورهای الکتریکی، انرژی مکانیکی را به برق و بالعکس تبدیل می‌کنند.

در مورد قسمت بازیافت از آهن ربا برای بلند کردن قطعات بزرگ فلز که بیش از هزاران کیلو وزن دارند استفاده می‌شود. علاوه بر این در معادنی که سنگ معدن فلزی باید از سنگ خرد شده جدا شود از آهن ربا استفاده می‌شود. از آهن ربا در واحدهای فرآوری مواد غذایی که استخراج قطعات کوچک فلز از غلات و سایر مواد غذایی مورد نیاز است استفاده می‌شود. بنابراین می‌توان اهمیت آهن ربا را در صنایع غذایی و صنعت نیز حس کرد.

بهداشت و پزشکی

از آهن ربا در پزشکی نیز استفاده می‌شود. تجهیزاتی مانند دستگاه‌های MRI از آهن ربا برای کار استفاده می‌کنند. علاوه بر تجهیزات پزشکی از آهن ربا در معالجه سرطان نیز استفاده می‌شود. در این روش یک مایع حساس به مغناطیس به بدن بیمار تزریق می‌شود، سپس یک آهنربای قدرتمند برای تولید گرما در بدن مورد استفاده قرار می‌گیرد. گرمای تولید شده باعث از بین رفتن سلول‌های سرطانی بدون آسیب رساندن به هیچ عضوی دیگری در بدن می‌شود.

در خانه

شاید شما ندانید یا متوجه آن نشوید اما بیشتر وسایلی که ما در خانه خود استفاده می‌کنیم دارای آهن ربا هستند. به عنوان مثال یخچال، جاروبرقی، کارت‌های اعتباری، تلفن، زنگ درب و ...

واضح است که آهن ربا جزئی جدایی ناپذیر از وسایلی است که ما در زندگی روزمره خود استفاده می‌کنیم و بنابراین آهن ربا برای ما بسیار مهم است.

چگونه یک آهنربای معمولی بسازیم؟

احتمالاً در زندگی روزمره خود با مواردی از این دست برخورد کرده‌اید که یک میخ آهنی را در نزدیکی یک آهنربا قرار داده‌اید و بعد از مدتی متوجه شده‌اید که میخ آهنی قادر است که برای مثال گیره‌های فلزی را بلند کند و به میخ آهنی متصل شود. این تجربه روزانه نشان می‌دهد که ساخت آهن ربا توسط القا یا induction امکان پذیر است.

ساخت آهن ربا به سه روش کلی امکان پذیر است که عبارت از روش‌های القایی، مالش دادن یا اتصال و استفاده از الکتریسیته است.

از آنجا که با استفاده از این روش‌ها می‌توان خاصیت آهنربایی به وجود آورد معمولاً از این اجسام به عنوان آهنرباهای موقتی یاد می‌شود. آهنربای مغناطیسی نیز که با استفاده از الکتریسیته ساخته می‌شود آهنربای موقتی نامیده می‌شود زیرا تنها زمانی که برق از آن عبور می‌کند تأثیر مغناطیسی خود را نشان می‌دهد.

آهنرباهای ساخته شده توسط القا و اتصال نیز آهنرباهای موقتی هستند. زیرا با حذف آهنربای ابتدایی تأثیر و ویژگی مغناطیسی نیز از دست می‌رود.

این بدان معنی است که آهن رباهایی که همیشه تأثیر مغناطیسی و ویژگی‌های مغناطیسی خود را نشان می‌دهند به عنوان آهنربای دائمی شناخته می‌شوند.

آهن رباهای دائمی معمولاً از فولاد ساخته می‌شوند در حالی که آهن رباهای موقتی از آهن ساخته می‌شوند. میخ‌های آهنی وقتی به آهن ربا متصل شوند آهن ربا می‌شوند.

میخ‌ها با جدا شدن از آهنربای مغناطیسی خاصیت خود را از دست می‌دهند. در حالی که موادی مانند فولاد قادرند خاصیت مغناطیسی خود را برای مدت طولانی حفظ کنند. در ادامه روش‌های ساخت آهن ربا را با جزئیات بیشتری توضیح می‌دهیم.

ساخت آهن ربا با اتصال یا مالش دادن با یک ماده مغناطیسی

این کار با اتصال، مالش دادن یا استروکینگ یک آهنربا به ماده انجام می‌شود. خاصیت مغناطیسی زمانی در ماده ایجاد می‌شود که ماده با آهنربا چندین بار در یک جهت مالش داده شود.

یک میخ را بر روی یک سطح صاف قرار دهید و در یک جهت میخ را بر روی آهنربا به سمت قطب شمال آهن ربا حرکت دهید.

خطوط مغناطیسی از یک انتهای میخ به انتهای دیگر می‌رود و سپس در یک دایره بزرگ از میخ خطوط میدان تشکیل می‌شود. یک سنجاق را به میخ نزدیک کنید و دیده می‌شود که میخ سنجاق را به سمت خود جذب می‌کند.

این موضوع نشان می‌دهد که میخ به دلیل کشیده شدن روی یک آهنربای مغناطیسی خاصیت مغناطیسی پیدا کرده است و بنابراین این تأثیر مغناطیسی را روی سنجاق کاغذ نشان می‌دهد. بدین ترتیب می‌توان گفت ساخت آهن ربا از طریق مالش یا استروکینگ یک جسم فلزی با یک آهنربا امکان پذیر است.

ساخت آهن ربا با استفاده از جریان الکتریکی

برای استفاده از این روش ساخت آهن ربا یک سیم را دور یک میخ فلزی بپیچید تا چیزی را که سلونوئید می‌نامیم تشکیل شود. انتهای سیم‌ها را باز بگذارید تا بتوانید آن‌ها را به منبع تغذیه مانند یک باتری در یک مدار الکتریکی متصل کنید.

ماده‌ای که به عنوان هسته در سلونوئید قرار می‌گیرد خاصیت مغناطیسی پیدا می‌کند و جریان الکتریکی برای مدت کوتاهی در این مدار برقرار می‌شود. حالا اگر سوزن یا میخ را از حول سیم‌پیچ بیرون آوریم و تعدادی سنجاق را به آن نزدیک کنیم، مشاهده می‌شود که این سنجاق‌ها برای مدتی جذب میخ یا سوزن می‌شوند.

این موضوع نشان می‌دهد که سوزن یا میخی که به عنوان هسته در این سلونوئید به کار رفته‌اند خاصیت مغناطیسی پیدا می‌کنند و بنابراین سنجاق‌ها را جذب می‌کنند. بدین ترتیب می‌توان گفت ساخت آهن ربا از طریق جریان برق نیز امکانپذیر است.

ساخت آهن ربا با استفاده از روش القایی

در مورد روش القایی در ابتدای این مبحث صحبت کردیم. بر اساس این روش ساخت آهن ربا اگر میخ آهنی برای مدتی به آهنربای میله‌ای متصل شود، پس از مدتی برخی از سنجاق‌های سبک کاغذ به میخ آهنی نزدیک می‌شوند.

در حقیقت میخ‌های آهنی در اثر اتصال به آهنربای میله‌ای مانند یک آهنربا رفتار می‌کنند. در نتیجه ساخت آهن ربا از طریق القا نیز امکان پذیر است.

در مورد روش‌های ساخت آهنربا به صورت عملی و با مواد ساده و ابتدایی در مطلب آهن ربا چیست ؟ | عملکرد، انواع و نحوه ساخت — به زبان ساده صحبت کرده‌ایم که خواندن آن را در کنار این مطلب پیشنهاد می‌کنیم.

چگونه می‌توانیم یک آهنربای الکترومغناطیسی نسبتاً قوی بسازیم؟

در این قسمت به شما آموزش می‌دهیم تا چگونه یک آهنربای الکترومغناطیسی قدرتمند که می‌تواند جسمی پنج کیلوگرمی را بلند کند، بسازید. آهنرباهای الکتریکی صنعتی می‌توانند اجسامی با وزن چندین تن را بالا ببرند و این امکان فراهم است تا آن‌ها را بر حسب نیازی که وجود دارد طراحی کرد.

برای ساخت این آهنربا ابتدا لیست مواد مورد نیاز را معرفی می‌کنیم:

1. یک قطعه آهن (طول = 4 سانتی متر و قطر = 8 میلی متر)
2. تکه‌های چوب یا ورق‌های پلاستیکی
3. سیم مسی عایق بندی شده (سیم مگنت) اندازه ۲۴ تا ۲۸
4. سیم‌های مختلف
5. باتری / منبع تغذیه قابل تنظیم DC (6 تا ۲۰ ولت)
6. کیت لحیم کاری (آهن، شار، سیم لحیم)
7. برخی از ابزارهای اساسی مانند انبردست، سیم برش و غیره
8. چسب حرارتی
9. نوار عایق الکتریکی
10. سوئیچ

مرحله اول: محاسبات

فرمول زیر نیروی بین یک سلونوئید و یک قطعه از ماده فرومغناطیس را که با فاصله g از هم قرار گرفته‌اند را محاسبه می‌کند.

$$\large F=\frac{(NI)^{2}\mu_{0}A}{2g^{2}}$$

که در این رابطه $$\mu_0$$ برابر با $$4\pi \times 10^{-7}$$، $$F$$ نیرو برحسب نیوتن، $$N$$ تعداد دورهای سلونوئید، $$A$$ مساحت بر حسب متر مربع، $$I$$ جریان بر حسب آمپر و $$g$$ فاصله بین سلونوئید و جسم است. از این رابطه می‌توان نیروی وارد شده بر جسم از طریق سلونوئید را محاسبه کرد.

ما در این ساخت از یک باتری 12 ولتی ماشین استفاده کردیم و مقاومت سیم پیچ 8٫7 اهم بود. بدین ترتیب با استفاده از قانون اهم جریان برابر با ولتاژ تقسیم بر مقاومت است و داریم $$I=1.37$$ آمپر.

با دانستن حداکثر جریان سیم پیچ می‌توانید قطر و اندازه سیم را انتخاب کنید. هر چه جریان بالاتر باشد شار مغناطیسی بالاتر خواهد بود.

مرحله دوم: ساخت قاب سلونوئید

مهم است که یک قاب قوی و محکم برای آهنربای الکتریکی ایجاد کنید. عایق بندی هسته از سیم‌های مغناطیسی نیز یک مرحله مهم است.

1. یک ورق کاغذ را دور میله آهنی قرار داده و آن را با استفاده از نوار عایق بچسبانید. بهتر است از یک هسته آهن نرم استفاده کنید.

2. از دو قطعه چوب مربع شکل استفاده کنید و آن را به دو انتهای هسته با استفاده از چسب حرارتی بچسبانید. به جای چوب می‌توانید از ورق‌های پلاستیکی یا اکریلیک نیز برای قاب استفاده کنید. در حقیقت می‌توانید از هر ماده دیگری برای قاب استفاده کنید اما مطمئن شوید که هسته یک ماده فرومغناطیسی مانند آهن باشد.

مرحله سوم: بستن سیم‌های مغناطیسی

در این شکل‌ها از سیم مسی سایز ۲۶ استفاده شده است. سیم را حدود 900-1200 دور حول هسته بچرخانید. لزومی به پیچاندن سیم به صورت مرتب نیست اما اطمینان حاصل کنید که سیم‌ها را به صورت یکنواخت حول هسته چرخانده‌اید.

برای محکم نگه داشتن سیم مسی از نوار عایق استفاده کنید، این ابزار به باز نشدن سیم مسی حول هسته کمک می‌کند.

همچنین برای از بین بردن عایق در انتهای سیم مسی از آتش یا سمباده استفاده کنید. حذف عایق سیم‌ها برای هدایت خوب مهم است.

مرحله چهارم: طراحی اتصالات مدار

پس از برداشتن عایق سیم‌های انتهای سیم‌پیچ، یک جفت سیم برای اتصالات خارجی به این سیم‌ها وصل کنید. روی یک تکه چوب، دو میخ را چکش بزنید و سیم‌ها را همانطور که در تصاویر نشان داده شده وصل کنید.

برای روشن-خاموش کردن منبع تغذیه آهن ربا از کلید سوئیچ استفاده کنید. بهتر است از سیم‌های ضخیم‌تر استفاده کنید و این سیم‌ها را به سوئیچ لحیم کنید.

مرحله پنجم: آزمایش کردن نیروی الکترومغناطیسی

برای تست این مدار از یک باتری 12 ولتی ماشین استفاده شده است. همچنین یک وزنه نیز برای تست کردن توانایی بلند کردن اجسام توسط مدار مورد استفاده قرار گرفته است.

شما می‌توانید ولتاژ منبع تغذیه را افزایش دهید اما اطمینان حاصل کنید که جریان عبوری از سلونوئید بیش از حد مقاومت سیم استفاده شده نباشد (برای محاسبه حداکثر جریان عبوری از سیم از قانون اهم استفاده کنید).

افزایش ولتاژ تغذیه، جریان را افزایش می دهد و به نوبه خود ظرفیت بالابری آهنربای الکتریکی را نیز افزایش می‌دهد.

ساخت آهنربای دائمی

در این قسمت فیلم آموزشی برای ساخت آهنربای دائمی را خواهید دید که در آن از میدان ایجاد شده در آهنربا برای تامین برق یک لامپ استفاده می‌شود. در مطلب تولید برق با میدان مغناطیسی این روش را توضیح دادیم و در این قسمت یک فیلم کوتاه برای ساخت یک آهنربای دائمی که از طریق آن می‌توانید برق تولید کنید خواهید دید. بیان این نکته ضروری است که این پروژه کوچک از حالت ابتدایی و اولیه خارج شده و سطح پیشرفته دارد.

جمع‌بندی

در این مطلب در مورد ساخت آهن ربا صحبت کردیم. بدین منظور و برای قرار گرفتن در پروسه ساخت یک آهنربا ابتدا توضیحاتی در مورد آهنربا، ویژگی‌های آن، تقسیم بندی مواد از لحاظ مغناطیسی و کاربردهای آهنربا در زندگی روزمره ارائه دادیم و سپس سه روش کلی ساخت آهن ربا را معرفی کردیم و به صورت خاص یک روش ساخت مگنت‌های الکتریکی را که با استفاده از آن می‌توان اجسام را بلند کرد مورد بررسی قرار دادیم.