شار مغناطیسی چیست؟ + فرمول و یکای میدان مغناطیسی

شار مغناطیسی یک مفهوم کلیدی در فیزیک است که به میزان یا مقدار خطوط میدان مغناطیسی که از یک سطح خاص عبور می‌کنند، اشاره دارد. این کمیت مهم به ما کمک می‌کند تا قدرت و جهت میدان مغناطیسی را در یک ناحیه خاص از فضا تعیین کنیم. شار مغناطیسی از طریق فرمول‌های خاص محاسبه می‌شود و به صورت گسترده در مطالعه میدان‌های مغناطیسی، موتورهای الکتریکی، ترانسفورماتورها و بسیاری از دستگاه‌های الکترومغناطیسی استفاده می‌شود. در این مقاله، به توضیح اینکه شار مغناطیسی چیست، فرمول شار مغناطیسی و یکای شار مغناطیسی استاندارد و کاربردهای آن را بررسی خواهیم کرد.

شار مغناطیسی چیست ؟

در تعریف شار مغناطیسی باید بگوییم که همه آهنرباها، مستقل از شکلی که دارند، از دو ناحیه برخوردارند. این دو ناحیه، قطب‌های آهنربا را می‌سازند. خاصیت مغناطیسی، هم در درون آهنربا و هم در بیرون آن موجود است. این ویژگی، نظیر یک زنجیره مشخص و خطوطی نامرئی با شکلی معین است. این خطوط، به «خطوط شار» (Line of flux) شهرت دارد. به عبارت دیگر فارغ از شکلی که برای آهنربا‌ها می‌توان تصور کرد، تمامی این اجسام، دو ناحیه دارند؛ این دو ناحیه همان قطب‌های آهنربا را تشکیل داده‌اند. مهم‌ترین خاصیتی که آهنربا به واسطه داشتن قطب‌ها از آن برخوردار شده، خاصیت مغناطیسی است؛ این خاصیت، در درون آهنربا و در خارج از آن برقرار بوده، زنجیره‌ای است، شکل مشخصی دارد و با چشم دیده نمی‌شود. از این خطوط به خطوط شار یاد می‌کنند. 

خطوط شار میدان مغناطیسی (میدان برداری)، با چشم غیر مسلح دیده نمی‌شود. ولی اگر روی یک صفحه کاغذ، یک آهنربا بگذاریم و سپس براده‌های آهن را روی آن بریزیم، این براده‌ها، به سمت قطب شمال و جنوب آهنربا جذب می‌گردد. سپس با حرکت دادن قطب‌نما اطراف آهنربا هم، می‌توان قطب‌های شمال و جنوب را ردیابی کرد.

اگر درباره اصطلاحات برق به دنبال اطلاعات بیشتری هستید مطالعه مقاله اصطلاحات برق را به شما پیشنهاد می کنیم.

میدان‌های شار مغناطیسی اغلب به شکل خطوط نیرو نمایش داده می‌شود. این میدان در نزدیکی قطب‌ها، زیادترین مقدارش را دارد. خطوطی که شدت و جهت میدان مغناطیسی را نمایان می‌کند، «خطوط نیرو» (Lines of Force) یا به شکل کلی‌تر، شار مغناطیسی مشهور است. شار مغناطیسی با نماد Φ. نشان داده می‌شود و واحد اندازه گیری شار مغناطیسی ماکسول است.

برای ایجاد اتصالات مناسب در سیستم‌های مغناطیسی، استفاده از ترمینال ترانس می‌تواند به تسهیل انتقال انرژی کمک کند.

واحد شار مغناطیسی در جدول

در زیر جدول کامل واحدهای اندازه‌گیری شار مغناطیسی آورده شده است که شامل واحدهای مختلف در سیستم‌های مختلف است:

معادل با ماکسول (Maxwell)	سیستم واحد	نماد	واحد اندازه‌گیری
10⁸ Max (ماکسول)	SI (سیستم بین‌المللی)	Wb	وب
1 Max = 1 Maxwell	CGS (سانتیمتر-گرم-ثانیه)	Max	ماکسول
10⁸ Max (ماکسول)	CGS	G·cm²	گیوس متر مربع
10¹² Max (ماکسول)	CGS	Line	لین
10⁸ Max (ماکسول)	SI (سیستم بین‌المللی)	Wb/m²	وب / متر مربع

برای اندازه‌گیری شار مغناطیسی در مدارهای الکتریکی، آشنایی با طرز کار با مولتی متر می‌تواند بسیار مفید باشد. با این دستگاه می‌توانید ولتاژ، جریان و مقاومت را به دقت اندازه‌گیری کنید.

خطوط نیرو اطراف یک آهنربای میله‌ای

همانطور که در شکل زیر آمده است، میدان شار مغناطیسی در نزدیکی قطب‌های آهنربا زیادترین مقدار خودش را داراست، چرا که چگالی خطوط در این بخش بیشتر است. جهت شار مغناطیسی اغلب از قطب شمال (N) به سوی قطب جنوب (S) است. این خطوط میدان مغناطیسی، حلقه‌های بسته‌ای ایجاد می‌کنند که قطب شمال آهنربا را ترک می‌نماید و به قطب جنوب آن وارد می‌گردد.

هرچند، شار مغناطیسی، از قطب شمال به قطب جنوب نمی‌رود، زیرا شار مغناطیسی به شکل ایستا در سمت آهنربا موجود است. زمان رسم خطوط نیرو می‌بایستی به نکته‌های زیر نیز توجه داشت:

1. خطوط نیرو به هیچ وجه همدیگر را قطع نمی‌کنند.
2. خطوط نیرو پیوسته هستند.
3. خطوط نیرو حلقه‌ای بسته اطراف آهنربا تشکیل می‌دهد.
4. خطوط نیرو اغلب از قطب شمال شروع و در قطب جنوب تمام می‌شوند.
5. خطوط نیرو با فاصله اندکی، نشان‌دهنده میدان مغناطیسی بسیار قوی هستند.
6. خطوط نیرو با فاصله زیاد از همدیگر، بیان کنند میدان مغناطیسی بسیارضعیف هستند.

نیرو‌های مغناطیسی نظیر نیرو‌های الکتریکی، همدیگر را دفع یا جذب می‌کنند. زمانیکه دو میدان مغناطیسی در کنار هم داشته باشیم یکی از دو موارد زیر رخ می‌دهد:

 

• زمانیکه که دو قطب مجاور یکدیگر، همنام هستند (دو قطب شمال در کنار یکدیگر یا دو قطب جنوب در کنار یکدیگر)، میدان‌های مغناطیسی همدیگر را دفع می‌نمایند.
• زمانی که دو قطب کنار هم، ناهمنامند (قطب شمال و جنوب در کنار یکدیگر)، میدان‌های مغناطیسی همدیگر را جذب می‌نمایند.

میدان‌ های شار مغناطیسی در نزدیکی قطب‌ های همنام و ناهمنام

موقع ترسیم میدان‌های مغناطیسی قطب‌نما، شاهد ترک خطوط نیرو از قطب شمال و ورود به قطب جنوب خواهید بود. ذکر این نکته لازم است که حرارت و یا برخورد چکش به آهنربا باعث از دست رفتن میدان مغناطیسی می‌شود، اما شکستن آهنربا، بر خاصیت مغناطیسی هیچ تأثیری ندارد.  قطب‌های مغناطیسی همیشه به صورت جفت وجود دارد. به طور مثال اگر یک آهنربای میله‌ای را نصف نماییم، باز هم دو قطبی خواهیم داشت.

در اصل، بدون در نظر گرفتن این که چند بار این آهنربا به طور متوالی تقسیم شده است، باز هم در هر آهنربا، یک قطب شمال و یک قطب جنوب داریم. به عبارتی دیگر حتی اتم‌های منفرد، خود، نظیر آهنربا‌های کوچکی عمل می کنند. این همان بازتاب معادلات ماکسول است که می‌گوید بار الکتریکی مثبت و بار الکتریکی منفی از همدیگر جدا شده وجود دارد، ولی تک قطبی مغناطیسی به هیچ وجهی وجود ندارد.

اگر میخواهید در مورد ولتاژ اطلاعات کسب کنید، مطالعه مقاله اختلاف پتانسیل الکتریکی چیست میتواند مفید باشد.

چگالی شار مغناطیسی

در ادامه به واحد بین المللی چگالی شار مغناطیسی و روابط شار مغناطیسی می پردازیم. در تعریف روابط شار مغناطیسی باید گفت خطوط نیرو یا شار مغناطیسی (Φ) به افتخار «ویلهلم ادوارد وبر» (Edward Weber) با واحد وبر (Wb) شناخته می‌شود. تعداد خطوط گذرنده از یک ناحیه معین، «چگالی شار مغناطیسی» نام دارد.

فرمول روابط شار مغناطیسی: فرمول چگالی شار مغناطیسی به شکل حاصل تقسیم شار مغناطیسی (Φ) به سطح شار عبوری (A) تعریف می‌شود. واحد بین المللی چگالی شار مغناطیسی (B) وبر به متر مربع (Wb/m۲) است. به افتخار نیکولا تسلا این واحد به نام تسلا (T) نیز شناخته می‌شود. بنابراین: ۱T=۱Wb/m۲.

در بسیاری از پروژه‌های برقی و مغناطیسی، استفاده از مولتی متر می‌تواند به شما کمک کند تا پارامترهای مختلف الکتریکی را اندازه‌گیری کنید. برای آشنایی با نحوه کارکرد این دستگاه، مقاله مولتی متر چیست را از دست ندهید.

تفاوت بین میدان مغناطیسی و شار مغناطیسی چیست؟

میدان مغناطیسی در مقابل شار مغناطیسی قرار دارد. اما شار مغناطیسی چه نوع کمیتی است؟ همان‌طور که بیان شد شار مغناطیسی کمیتی نرده‌ای است که جهت نداشته ولی برای محاسبه آن به جهت میدان مغناطیسی و همچنین نیم خط عمود بر سطح نیاز دارد؛ بنابراین اگر میدان مغناطیسی موازی و هم راستا با سطح مورد نظر باشد، شار مغناطیسی نمی‌تواند از سطح عبور ‌کند و در صورتی که میدان مغناطیسی بر سطح عمود باشد، شار مغناطیسی به صورت بیشنه است.

اما میدان مغناطیسی همان خطوط مغناطیسی است که در فضای اطراف یک جسم مغناطیسی با یک ترتیب خاص قرار دارد. توجه داشته باشید که این خطوط مغناطیسی در یک منطقه معین به وسیله شار مغناطیسی توصیف می‌شوند. همواره نیروها برای جابه‌جا کردن بارهای الکتریکی معمولاً در اطراف این میدان‌های مغناطیسی وارد شده و ذرات شارژ شده در راستای خطوط مغناطیسی منحرف می‌شوند. معمولاً به دلیل شباهت زیادی که بین مفاهیم مرتبط با میدان مغناطیسی و شار مغناطیسی وجود دارد، اکثر افراد برای فهمیدن این مطالب سردرگم می‌شوند.

خطوط مغناطیسی، دارای چگالی بوده و با استحکام میدان مغناطیسی، رابطه مستقیم دارد؛ یعنی، هرقدر قدرت میدان بیشتر باشد، تراکم خطوط شار نیز بالاتر خواهد بود. در ضمن، هر چه به قطب‌های آهنربا نزدیک‌تر می‌شویم، تراکم خطوط افزایش و هر چه از آن‌ها فاصله بگیریم، تراکم نیز کاهش پیدا می‌کند. چگالی خطوط مغناطیسی یکی از پارامتر‌هایی است که برای توصیف میدان مغناطیسی به کار برده می‌شود.

جهت کسب اطلاعات کامل‌تر در این رابطه، مقاله انواع جعبه فیوز را مطالعه کنید. 

شما می‌توانید نیرویی که به وسیله یک ذره با بار متحرک در امتداد یک میدان مغناطیسی ایجاد می‌شود را از طریق معادله زیر به دست آورد:

F = qvXB = qvB

در این معادله اگر بار ذرات را q در نظر بگیریم، v سرعت این ذرات و B بردار شار مغناطیسی است.

برای به دست آوردن رابطه بین میدان مغناطیسی و شار مغناطیسی می‌توانید از معادله زیر استفاده کنید:

B = uxH = uH

که در این معادله B شار مغناطیسی، H چگالی میدان مغناطیسی و u مقدار نفوذ پذیری محیط است.

یک معادله دیگر هم برای به دست آوردن رابطه بین میدان مغناطیسی و شار مغناطیسی وجود دارد که عبارت است از:

شار مغناطیسی = BA = BXA

 

در این معادله B میدان مغناطیسی و A ناحیه عمود بر میدان مغناطیسی است.

همان طور که بیان کردیم شار مغناطیسی کمیتی فیزیکی است و هرگاه از یک مسیر بسته با مساحت A میدان مغناطیسی B عبور کند؛ فرمول شار مغناطیسی برابر است با:

Φ= ∬B⋅ɗS

چنانچه میدان مغناطیسی مستقل از سطح مقطع و به صورت یکنواخت باشد، معادله به این صورت خواهد شد:

Φ=BA cosθ

در این معادله B میدان مغناطیسی و A مساحت سطح مقطع است.

در هنگام نصب دستگاه‌های مغناطیسی و شار مغناطیسی، استفاده از ترمینال‌ شاخه‌ ای می‌تواند اتصال مناسبی را برای قطعات مختلف فراهم کند.

شار مغناطیسی به چه عواملی بستگی دارد:

بعد از آنکه با تعریف شار مغناطیسی (شار مغناطیسی به چه معناست) آشنا شدیم، حال نوبت به آن است تا در مورد این سؤال مهم که شار مغناطیسی به چه عواملی بستگی دارد، نکاتی ارائه گردد. این عوامل به شرح زیر هستند:

• هر زمانی که اندازه میدان مغناطیسی با تغییراتی مواجه شود، شار نیز تحت تأثیر قرار خواهد گرفت. این رابطه یک رابطه مستقیم است؛ یعنی، هر زمان که اندازه میدان افزایش پیدا کند، میزان شار نیز زیاد می‌شود. 
• مساحت نیز از دیگر عوامل تأثیر‌گذار بر شار مغناطیسی است؛ این جمله به این معناست که اگر مساحت زیاد شود، میزان شار نیز افزایش پیدا می‌کند.

تغییر زاویه بین میدان و پیچه نیز بر شارژ مغناطیسی اثرگذار است و باعث تغییر آن می‌شود.

سخن آخر

برای جمع بندی این موضوع مثالی از چگالی شار را باهم می‌بینیم:

مقدار شار موجود در یک آهنربای استوانه‌ای به اندازه ۰.۰۱۳ وبر است. اگر قطر استوانه ۱۲ سانتی‌متر باشد، چگالی شار را بیابید.

حل: سطح مقطع شار گذرنده از این آهنربا همان مساحت دایره است، پس:

A=π×r۲=۳.۱۴۲×۰.۰۶۲=۰.۰۱۱۳m۲

شار مغناطیسی برابر ۰.۰۱۳ وبر است بنابراین چگالی شار عبارت است از:

B=ΦA=۰.۰۱۳۰.۰۱۱۳=۱.۱۵T

در نتیجه، چگالی شار برابر ۱.۱۵ تسلا است و همینطور یکای شار مغناطیسی برابر تسلا در مترمربع خواهد بود که مترمربع یکای مساحت می‌‌باشد.

سوالات متداول

1. شار مغناطیسی چیست؟

شار مغناطیسی کمیتی نرده‌ای است که جهت نداشته ولی برای محاسبه آن به جهت میدان مغناطیسی و همچنین نیم خط عمود بر سطح نیاز دارد؛ بنابراین اگر میدان مغناطیسی موازی و هم راستا با سطح مورد نظر باشد، شار مغناطیسی نمی‌تواند از سطح عبور ‌کند و در صورتی که میدان مغناطیسی بر سطح عمود باشد، شار مغناطیسی به صورت بیشنه است.

2. یکای شار مغناطیسی چیست؟

یکای میدان مغناطیسی برابر تسلا در مترمربع خواهد بود که مترمربع یکای مساحت می‌‌باشد.