مغناطیس از حوزه هایی اســت که در ســال های اخیر مورد توجه بسیاری از محققان قرار گرفته و مطالعات بســیاری بر روی این موضوع در رشــته های مختلف انجام گردیده اســت. همچنین، یکی از کاربردهای فناوری مغناطیس در صنعت نفت، بازیابی نفت باقیمانده در مخزن تخلیه شده می باشد. در ادامه این مجله درسواره به برخی از مفاهیم مرتبط با الکترومغناطیس از علوم فیزیک می پردازیم.
با افزایش استفاده همه جانبه از تکنولوژی جدید در بعضی از صنایع و لوازم ارتباطی و میدان های الکترومغناطیسی حاصل از انتقال برق فشار قوی، امواج راداری، بی سیم ها، موضوع بررسی اثرات حاصل از تابشهای الکترومغناطیسی به صورت یک مسئله جدید، دارای اهمیت بسیارشد. بعلاوه، تاباندن امواج الکترومغناطیسی به بافت زنده برای کمک به درمان ابتدا در سال 1934 به کار گرفته شد. دلیل این کار این بود که در آن زمان از این شیوه برای سرعت بخشیدن به التیام زخم ها، سوختگی ها، آرتریت، و کاهش علائم پس از جراحی دهان استفاده شد.
خوبست بدانیم که، مواجهه با میادین الکترومغناطیسی تا حدی که منجر به بالا رفتن دما در بافت شود، می تواند به عنوان یک عامل سرطان زا محسوب می گردد. همچنین، قرار گرفتن در معرض میدان های الکترومغناطیس با شدت پایین به مدت بالا به عنوان یک عامل جدی و مضر برای سیستم های بیولوژیک می باشد. در چندین سال گذشته هزاران آزمایش جهت بررسی خطر ابتلا به سرطان ناشی از قرارگرفتن در معرض میدان های الکترومغناطیسی با فرکانس پایین انجام گردیده که در مورد فرکانس ها با جریان های الکتریکی 50-60 هرتز می باشد.
نظر به اینکه، به دلیل استفاده طولانی مدت از وسایل الکتریکی که مولد میدان های الکترومغناطیس هستند، بررسی همه جانبه در مورد اثرهای آن ها بر سیستم های بیولوژیک ضروری است. آزمایش های زیادی در زمینه ی کشش سطحی با مغناطیس انجام گردیده است. عواملی همچون شدت میدان مغناطیسی، مسیر مغناطیســی، مدت زمان مغناطیسی شدن، دما، سرعت جریان و کیفیت سیال قادرهستند بر کشش سطحی تاثیر گذار باشند.
وهاب و همکاران در سال 2020 طی یک مطالعه نشان دادند که میزان بازیابی در حضور نا نوذرات و امواج الکترومغناطیس 13/6 درصد بیشتر از مواقعی است که امواج الکترومغناطیس حضور نداشــته باشــند. بعلاوه، ژانگ فنگ و همکاران در سال 2011 طی یک مطالعه که به ارتباط میدان مغناطیس بر تغییر کشش ســطحی در سرعت های متفاوت انجام شد، نشان دادند نقش مغناطیس در کشش سطحی به سرعت جریان و شدت میدان مغناطیس بستگی دارد. بعلاوه قابل ذکر است که رســوب کانی ها یکی از پرهزینه ترین و رایج ترین مشــکلات در صنعت نفت و گاز می باشد که موجب انسداد مسیرجریان و گلوگاه های منافذ داخل چاه یا نواحی نزدیک آن می گردد، در نتیجه میزان بهره دهی چاه تولید کاهش می یابد.
بعلاوه، رســوب ایجاد شده وابسته به ترکیبات شــیمیایی موجود در آب است. علاوه براین، تای و همکاران در ســال 2008 با اســتفاده از مغناطیس با شــدت های مختلف میدان مغناطیس به بحث راجع به ایجاد کریستالهای کلسیت نسبت به عدم حضور میدان مغناطیس پرداختند. نتایج حاکی ازاین شد که، سرعت تشکیل کریستال های کلســیت در حضور میدان مغناطیس، کمتر از زمانی می باشد که میدان مغناطیس وجود نداشــته باشد و هرچه شدت میدان مغناطیس بالاتر باشد، ســرعت تشکیل کریستالهای کلسیت کمتر خواهد بود. همچنین، سرعت شکلگیری کریستال ها ناشی از مدت زمان مغناطیسی شدن می باشد. همچنین، علی و همکاران در ســال 2020 به بررسی میزان بازیابی نفت باقیمانده در مخزن توسط میدان الکترومغناطیس و نانو ذرات مغناطیسی پرداختند.
چن و همکاران در ســال 2018 با استفاده از تشدید مغناطیس هسته ای میزان بازیابی نفت در گلوگاه ها و منافذ سنگ را تجزیه و تحلیل نمودند. سلوا و همکاران در ســال 2014 طی یک مطالعه نشان دادند، تاثیر میدان مغناطیس بر کاتیون ها بیشتر از آنیون ها می باشد و همچنین کاتیونهای دارای دو بار بیشــتر از کاتیون های یکبار تحت تاثیر ایــن میدان قرار می گیرند. از نتایــج دیگر مطالعات می توان بــه تاثیر بالای میدان مغناطیس بر رســوب ســولفات اشاره نمود. نتایج مطالعات دانشمندان حاکی ازاین می باشد که، میزان ضریب بازیافت میعانات در حضور امواج الکترومغناطیس بیشتر اززمانی می باشد که امواج الکترومغناطیس وجود نداشته باشند. همچنین در بحث سیال، امواج الکترومغناطیس باعث می گردد حجم سیال تزریقی بیشتری وارد مغزه گردد که این کار تاثیر مستقیم در مقدار ضریب بازیافت را دارد.
قانون کولن
در اواخر قرن هجدهم علوم تجربی به درجه ای از پیشرفت رسیده بود که بتوان مشاهدات دقیقی درباره ی نیروهای میان بارهای الکتریکی به عمل آورد.
نتایج این مشاهدات را، که در آن زمان فوق العاده مجادله آمیز بودند، می توان در سه حکم زیر خلاصه کرد:
- دو نوع و فقط دونوع بارالکتریکی وجوددارد که اکنون به بارهای مثبت و منفی معروف هستند.
- دوبار نقطه ای نیروهایی بر یکدیگر وارد می کنند.خط اثر این نیروها در امتداد خطی واقع است که آن دو باررا به یکدیگر وصل می کند و بزرگی این نیروها با عکس مجذور فاصله ی آنها متناسب است.
- این نیروها که با حاصلضرب بارها متناسب اند، برای بارهای همنام دافعه، و برای بارهای ناهمنام جاذبه هستند.
دو حکم آخر، به اضافه ی حکم اول به عنوان مقدمه، به افتخار شارل آگوستین کولن که از پیشروان الکتریسیته در قرن هجدهم بود، به نام قانون کولن معروف هستند.
قانون کولن درمورد بارهای نقطه ای به کار می رود. از لحاظ معنای ماکروسکوپی بارنقطه ای باری است که ابعاد فضایی آن در مقایسه با هر طول دیگری در مسئله مورد نظر بسیار ناچیز می باشد و ما بار نقطه ای را به همین علت به کار می بریم.
رساناها و عایق ها
میان انتگرال مولفه عمودی میدان الکتریمی برروی یک سطح بسته و مقدار کل بارهای درون این سطح رابطه ی مهمی وجوددارد. این رابطه به قانون گاوس معروف هست.
میدان الکتریکی برابراست با :
اگر انتگرال سطحی مولفه ی عمودی این میدان الکتریکی را برروی سطح بسته ای که مبدا مختصات و در نتبجه بارر را در برمی گیرد حساب کنیم، خواهیم داشت:
کابرد قانون گاوس چیست؟
یکی از معادلات اساسی و پایه الکتریسیته و مغناطیس قانون گاوس می باشد. جنبه عملی این قانون به شکل عمده در آن است که دروضعیت هایی که تقارن کافی دارند، روش بسیار راحتی برای محاسبه ی میدان الکتریکی فراهم می آورد. برای استفاده ازقانون گاوس در محاسبه ی میدان الکتریکی، باید آن چنان سطح بسته ای انتخاب کنیم که مولفه عمودی میدان الکتریکی در تمام نقاط آن سطح صفر یا یک تک مقدار ثابت باشد.
میدان الکترو استاتیک در محیطهای دی الکتریکی به چه شکلی می باشد؟
ماده دی الکتریک کامل آن است که بار آزاد نداشته باشد. بااین حال، تمام محیط های مادی از مولکول ها به نوبه خود از موجودات بارداری ایجاد شده اند و مولکول های دی الکتریک یقینا تحت تاثیر میدان های الکتریکی قرار می گیرند. بعلاوه، میدان الکتریکی باعث می شود که نیرویی به هر ذره ی باردار وارد شود، ذرات با بار مثبت در جهت میدان رانده می شوند و ذرات با بارمنفی در جهت برعکس آن، به شکلی که قسمت های منفی و مثبت هر مولکول از مواضع حالت تعادل خود خارج شده و در دو جهت مخالف جا به جا می گردند.
دی الکتریک قطبیده، با وجودی که به شکل میانگین از لحاظ الکتریکی خنثی می باشد، ولی هم در نقاط خارج و هم در داخل دی الکتریک، میدان الکتریکی ایجاد می کند. در نهایت، با وضعی روبه رو می شویم که در ظاهر ناهنجار می باشد. قطبش دی الکتریک به میدان الکتریکی کل موجود در محیط وابسته می باشد، در صورتیکه قسمتی از این میدان الکتریکی توسط خود دی الکتریک ایجاد می گردد.
میدان مغناطیسی جریان های پایا به چه صورت است؟
آثار این میدان ها از زمان های دور ساخته شده اند، یعنی از همان موقعی که آثار ناشی از مغناطیس های طبیعی سنگ آهنربا برای اولین بار دیده شد. خواص شمال و جنوب یابی این ماده تاثیر مهمی بر دریانوردی داشت. بااین حال، جز در این مورد، مغناطیس پدیده ای بود که کم مورد استفاده قرار می گرفت و کمتر شناخته شده بود. تااینکه در اوایل قرن نوزدهم اورستد دریافت که جریان الکتریکی میدان مغناطیسی تولید می نماید.
این کار، توام با کارهای بعدی گاوس هنری فارادی و دیگران، اهمیت میدان مغناطیسی را به عنوان شریک میدان الکتریکی آشکار کرد. علاوه براین، نیروی مغناطیسی بین دوبار، به علت وابستگی به سرعت و ضرب های برداری، از نیروی الکتریکی پیچیده تر می باشد. در مرحله اول، شباهت این دو درآن می باشد که بزرگی هردونیرو به حاصل ضرب بارها و عکس مجذور فاصله ی میان آن ها وابسته می باشد. در بحث مغناطش، هرجریان اتمی مدار کوچک بسته ای به ابعاد اتمی است. در حقیقت، مطالعات تجربی همراه با فرمول بندی مکانیک کوانتومی، که بهترین و دقیق ترین روش برای محاسبات پدیده های اتمی است، به ما نشان می دهد که قسمت عمده ی میدان مغناطیسی ناشی از یک اتم تنها در دوردست، با مشخص کردن گشتاور دوقطبی مغناطیسی آن تعیین می گردد.
تصویر ساده ای از ماده ی مغناطیسی که حاوی جریان های حلقه ای اتمی هم جهت می باشد.
اگر مغناطش یکنواخت باشد، جریان های حلقه های مختلف همدیگررا حذف می کنند و دردرون ماده هیچ جریان موثرخالصی وجود نخواهدداشت.
فریت چیست؟
برحسب نظریه فرومغناطیس هایزنبرگ، تغییردر اسپین اتم های مجاور از حالت همسویی موازی به حالت همسویی پادموازی، تغییری در انرژی الکترواستاتیکی دارد. بدین شکل که اگر با این تغییر انرژی اتم ها ایجاد همسویی موازی ارجح باشد، و در عین حال اندازه ی تغییر کافی باشد، ماده متشکل از چنین اتم های فرومغناطیس می باشد.
در صورتیکه اگر بااین تغییر انرژی ایجاد همسویی پادموازی ارجح باشد، باز هم امکان ایجاد ی ساختار اسپینی منظم وجود دارد، ولی دراین مورد در سرتاسر بلور، جهت اسپین ها به شکل متناوب از اتمی به اتمی دیگر تغییر می نماید. هر ساختار اسپینی منظم با برآیند گشتاور مغناطیسی کل صفر را پاد فرو مغناطیس می نامند. فریتها از لحاظ صنعتی دارای اهمیت بی نظیری می باشند. چون علاوه بر مغناطش اشباع نسبتا بزرگشان از نظر رسانایی الکتریکی ضعیف هستند.همچنین، در فرکانس های بالا، که اتلاف انرژی از جریان گردابی در مواد رسانا ناشی می گردد یک مسئله ی مهمی می باشد که می توان استفاده نمود.