القای الکترومغناطیسی: وقتی مغناطیس برق میسازد
پایههای اساسی: از کشف تا قانون
در سال ۱۸۳۱ میلادی، مایکل فارادی2 دانشمند انگلیسی، کشف کرد که اگر یک آهنربا را به سرعت داخل یک حلقه سیم حرکت دهد، در دو سر سیم یک جریان الکتریکی لحظهای ایجاد میشود. نکته کلیدی این بود که این جریان فقط در حین حرکت آهنربا (یعنی وقتی میدان مغناطیسی در حال تغییر است) به وجود میآید. اگر آهنربا ثابت باشد، جریانی هم در کار نیست. این مشاهده، جرقهی کشف بزرگ القای الکترومغناطیسی بود.
فارادی این مشاهده را به شکل یک قانون دقیق درآورد. قانون القای فارادی میگوید: مقدار نیروی محرکه الکتریکی4 (EMF) القا شده در یک مدار، با سرعت تغییر شار مغناطیسی5 گذرنده از آن مدار، نسبت مستقیم دارد. برای درک بهتر، شار مغناطیسی را میتوان به عنوان «تعداد خطوط میدان مغناطیسی» که از سطح مدار عبور میکند، تصور کرد.
$\varepsilon = -N \frac{\Delta \Phi}{\Delta t}$
در این فرمول: $\varepsilon$ نیروی محرکه القایی بر حسب ولت، $N$ تعداد دورهای سیم پیچ، $\Delta \Phi$ تغییرات شار مغناطیسی و $\Delta t$ زمان این تغییر است. علامت منفی در فرمول نیز به قانون مهم دیگری مربوط میشود.
قانون لنز: جهت جریان القایی
اگر آهنربا را به یک حلقه سیم نزدیک کنیم، جریانی در حلقه ایجاد میشود. اما این جریان چه جهتی دارد؟ هاینریش لنز3 پاسخ داد: جهت جریان القایی به گونهای است که با تغییراتی که آن را به وجود آورده است، مخالفت میکند. این اصل «قانون لنز» نامیده میشود و همان علامت منفی در قانون فارادی است.
مثال ملموس: فرض کنید قطب شمال یک آهنربا را به سرعت به سیم پیچ نزدیک میکنید. طبق قانون لنز، جریان القا شده در سیم پیچ، جهتی خواهد داشت که آن سمت از سیم پیچ را به صورت قطب شمال مغناطیسی درآورد تا با نزدیک شدن آهنربا (که آن هم قطب شمال دارد) مخالفت کند و مانع افزایش شار مغناطیسی شود. برعکس، هنگام دور کردن آهنربا، جریان القایی طوری جهت میگیرد که سعی کند آهنربا را نگه دارد و با کاهش شار مخالفت کند.
| شرایط | تغییر شار مغناطیسی | آیا جریان القایی داریم؟ |
|---|---|---|
| حرکت آهنربا به سمت حلقه سیم | $\Delta \Phi > 0$ (افزایش) | بله |
| آهنربا ثابت در کنار حلقه | $\Delta \Phi = 0$ (بدون تغییر) | خیر |
| چرخاندن حلقه در میدان مغناطیسی ثابت | تغییر زاویه، تغییر شار | بله |
| دور کردن آهنربا از حلقه | $\Delta \Phi (کاهش) | بله |
الکتریسیته در حرکت: ژنراتورها و دینام دوچرخه
یکی از مهمترین و کاربردیترین دستاوردهای القای الکترومغناطیسی، ساخت ژنراتور (مولد برق) است. ژنراتور، انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل میکند. در یک ژنراتور ساده، یک سیمپیچ بزرگ (آرمیچر) داخل یک میدان مغناطیسی قوی به گردش در میآید. با چرخش سیم پیچ، شار مغناطیسی گذرنده از آن پیوسته تغییر میکند و در نتیجه در آن یک جریان متناوب6 القا میشود. تقریباً تمام برق مورد نیاز شهرها از این طریق، در نیروگاهها تولید میشود.
مثال کوچک و قابل لمس: دینام چراغ دوچرخه یک ژنراتور کوچک است. وقتی چرخ دوچرخه میچرخد، باعث چرخاندن آهنربا داخل دینام میشود. این آهنربای در حال چرخش در نزدیکی یک سیم پیچ، میدان مغناطیسی متغیر ایجاد کرده و جریان الکتریکی لازم برای روشن شدن چراغ را تولید میکند. به محض توقف دوچرخه، تغییر میدان قطع و چراغ خاموش میشود!
از اجاق خانگی تا کارتخوان: کاربردهای شگفتانگیز
القای الکترومغناطیسی فقط در نیروگاهها نیست، بلکه در وسایل اطراف ما نیز حضور پررنگی دارد:
- اجاقهای القایی: در این اجاقها، یک سیم پیچ زیر شیشه قرار دارد که با عبور جریان متناوب از آن، یک میدان مغناطیسی متغیر قوی ایجاد میکند. وقتی ظرف فلزی (مخصوصاً آهنی) روی آن قرار میگیرد، این میدان متغیر در کف ظرف جریانهای القایی شدیدی به نام «جریانهای فوکو»7 ایجاد میکند. مقاومت فلز در برابر این جریانها، باعث گرم شدن سریع ظرف و پخت غذا میشود.
- ترانسفورماتورها (مبدلهای ولتاژ): ترانسفورماتور وسیلهای است که از دو سیم پیچ (اولیه و ثانویه) حول یک هسته آهنی تشکیل شده. اگر جریان متناوب به سیم پیچ اولیه بدهیم، یک میدان مغناطیسی متغیر در هسته ایجاد میشود. این میدان متغیر، در سیم پیچ ثانویه جریان القا میکند. با تغییر نسبت تعداد دور سیم پیچها، میتوان ولتاژ را افزایش یا کاهش داد. شارژر موبایل، آداپتور لپتاپ و دکلهای انتقال برق فشارقوی همگی از ترانسفورماتور استفاده میکنند.
- کارتهای هوشمند و کارتخوانهای بدون تماس: داخل این کارتها یک سیم پیچ کوچک وجود دارد. وقتی کارت را نزدیک دستگاه کارتخوان میگیرید، میدان مغناطیسی متغیر تولید شده توسط دستگاه، در سیم پیچ کارت جریان القا میکند. این جریان برای تأمین برق لحظهای تراشه داخل کارت و تبادل اطلاعات کافی است.
پرسشهای مهم و اشتباهات رایج
پاسخ: خیر. همانطور که گفته شد، شرط ایجاد جریان القایی، تغییر میدان مغناطیسی است. یک آهنربای ثابت، هرچند قوی، میدان مغناطیسی ثابتی ایجاد میکند که منجر به ایجاد جریان دائم نمیشود. برای روشن ماندن لامپ باید شرایط تغییر (مثلاً حرکت نسبی یا تغییر شدت میدان) به طور پیوسته حفظ شود.
پاسخ: قانون لنز جلوی دریافت انرژی رایگان از طبیعت را میگیرد و در واقع بیان دیگری از پایستگی انرژی است. فرض کنید با نزدیک کردن آهنربا به حلقه، جریان القایی طوری ایجاد شود که آهنربا را به سمت خود بکشد (به جای دفع). در این صورت آهنربا با شتاب بیشتری جذب میشد، جریان قویتری ایجاد میشد و این چرخه مدام تقویت میشد و انرژی از هیچ به وجود میآمد! قانون لنز با وادار کردن جریان به مخالفت با عمل ما، کاری میکند که برای حفظ حرکت آهنربا و ایجاد جریان، ما مجبور به کار کردن و صرف انرژی باشیم.
پاسخ: برای ایجاد جریان القایی موثر و گرمایش مناسب، ماده باید رسانای خوب الکتریسیته باشد (مانند آهن، فولاد، برخی فولادهای ضدزنگ). ظروفی از جنس شیشه، چینی، مس یا آلومینیوم خالص معمولی ممکن است به خوبی کار نکنند زیرا یا رسانای خوبی نیستند یا خاصیت مغناطیسی (فرومغناطیس) لازم برای تمرکز میدان را ندارند. ظروف مخصوص اجاق القایی معمولاً دارای یک لایه پایه آهنی هستند.
پاورقی
1 القای الکترومغناطیسی (Electromagnetic Induction)
2 مایکل فارادی (Michael Faraday)
3 هاینریش لنز (Heinrich Lenz)
4 نیروی محرکه الکتریکی (Electromotive Force - EMF): عاملی که باعث حرکت بارهای الکتریکی در مدار میشود و واحد آن ولت است.
5 شار مغناطیسی (Magnetic Flux): معیاری برای تعداد خطوط میدان مغناطیسی که از سطحی مشخص عبور میکنند.
6 جریان متناوب (Alternating Current - AC): جریانی که جهت و اندازه آن به طور متناوب با زمان تغییر میکند.
7 جریانهای فوکو (Eddy Currents): جریانهای الکتریکی گردابی که در یک هادی، هنگامی که در معرض یک میدان مغناطیسی متغیر قرار میگیرد، القا میشوند.
