جریان القایی: الکتریسیتهای بدون اتصال
اصول پایه: از آهنربا تا لامپ
تصور کنید یک آهنربای قوی دارید و یک حلقه سیم که دو سر آن به یک لامپ کوچک متصل است. اگر آهنربا را ثابت نگه دارید، هیچ اتفاقی نمیافتد. اما اگر به سرعت آهنربا را به داخل حلقه سیم وارد کنید یا از آن خارج کنید، میبینید که لامپ برای یک لحظه روشن میشود! این همان جادوی القای الکترومغناطیسی است. در واقع، شما بدون آنکه سیم را به باتری وصل کنید، در آن جریان الکتریکی ایجاد کردهاید.
قوانین حاکم بر القا: قانون القای فارادی و قانون لنز
این پدیدهٔ جادویی توسط دو قانون مهم فیزیک توصیف میشود که مانند دو روی یک سکه هستند:
۱. قانون القای فارادی: این قانون میگوید هرگاه تعداد خطوط میدان مغناطیسی گذرنده از یک حلقه سیم (سیم پیچ) تغییر کند، در آن حلقه یک نیروی محرکهٔ الکتریکی3 (و در نتیجه جریان) القا میشود. بزرگی این نیروی محرکه، به سرعت تغییر میدان مغناطیسی بستگی دارد.
این قانون را میتوان به شکل سادهشدهای به صورت زیر نوشت:
یعنی: نیروی محرکهٔ القا شده، با سرعت تغییر تعداد خطوط میدان مغناطیسی گذرنده از حلقه، متناسب است.
۲. قانون لنز: این قانون جهت جریان القا شده را مشخص میکند. قانون لنز میگوید: جهت جریان القا شده به گونهای است که با عامل بهوجودآورندهٔ خود مخالفت کند. این یک قانون "لجبازی" طبیعت است!
مثال: وقتی قطب شمال یک آهنربا را به سیم پیچ نزدیک میکنیم (عامل ایجاد تغییر)، جریان القا شده طوری در سیم پیچ میچرخد که آن سمت از سیم پیچ، به قطب شمال تبدیل شود تا با نزدیک شدن آهنربا مخالفت کند (دو قطب شمال همدیگر را دفع میکنند). برعکس، وقتی آهنربا را دور میکنیم، جریان طوری القا میشود که سیم پیچ، قطب جنوب ایجاد کند تا آهنربا را به سمت خود بکشد و با دور شدن آن مخالفت کند.
| قانون | چه چیزی را توضیح میدهد؟ | مثال ساده |
|---|---|---|
| القای فارادی | شرایط لازم برای ایجاد جریان القایی (تغییر میدان مغناطیسی). | هرچه آهنربا را سریعتر داخل سیم پیچ فرو کنید، لامپ پرنورتر میشود. |
| لنز | جهت جریان القا شده و اثر آن در مقابل تغییر. | وقتی آهنربا را نزدیک میکنید، احساس میکنید یک نیروی دافعه وجود دارد که کار شما را سختتر میکند. |
جریان القایی در قلب فناوریهای روزمره
شاید فکر کنید این پدیده فقط یک آزمایش آزمایشگاهی است، اما بدانید که جریان القایی در بسیاری از دستگاههایی که هر روز استفاده میکنیم، نقش حیاتی دارد. در اینجا به چند نمونه ملموس اشاره میکنیم:
| دستگاه | نحوهٔ استفاده از القا | توضیح |
|---|---|---|
| ژنراتور برق | تبدیل انرژی مکانیکی به الکتریکی | یک آهنربای بزرگ درون یک سیم پیچ عظیم میچرخد. این چرخش مداوم باعث تغییر میدان مغناطیسی در سیم پیچ شده و جریان الکتریکی قوی (برق شهر) القا میکند. انرژی چرخش میتواند از آب (توربین آبی)، باد یا سوختهای فسیلی تأمین شود. |
| ترانسفورماتور (ترانس) | کم یا زیاد کردن ولتاژ جریان متناوب | دو سیم پیچ مجزا روی یک هسته آهنی قرار دارند. جریان متناوب در سیم پیچ اول، یک میدان مغناطیسی متغیر ایجاد میکند. این میدان متغیر، در سیم پیچ دوم جریان القا میکند. با تغییر تعداد دور سیم پیچها، ولتاژ خروجی کم یا زیاد میشود. ترانس کاهنده در شارژر موبایل و ترانس افزاینده در پستهای برق استفاده میشود. |
| اجاق القایی | گرم کردن مستقیم قابلمه | در زیر سطح شیشهای اجاق، یک سیم پیچ وجود دارد که با جریان متناوب، میدان مغناطیسی بسیار متغیر و قدرتمندی ایجاد میکند. وقتی قابلمه آهنی (رسانا) روی آن قرار میگیرد، در کف قابلمه جریانهای گردابی القا میشود. مقاومت فلز در برابر این جریانها، باعث گرم شدن سریع و مستقیم خود قابلمه میشود، نه صفحه اجاق. |
| شارژر بیسیم | انتقال انرژی بدون سیم | پد شارژر حاوی یک سیم پیچ فرستنده است. با اتصال به برق، در آن جریان متناوبی ایجاد میشود که میدان مغناطیسی متغیری تولید میکند. وقتی گوشی با سیم پیچ گیرنده روی پد قرار میگیرد، این میدان متغیر در سیم پیچ داخل گوشی جریان القا کرده و باتری را شارژ میکند. |
| کارتخوانهای بدون تماس | تأمین انرژی و تبادل داده | دستگاه کارتخوان، یک میدان مغناطیسی متغیر ایجاد میکند. وقتی کارت نزدیک میشود، یک سیم پیچ کوچک داخل آن انرژی لازم برای روشن کردن تراشهٔ کارت را از طریق القا دریافت میکند. سپس کارت با تغییراتی در میدان، دادهها را به دستگاه برمیگرداند. |
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. شرط اصلی ایجاد جریان القایی، تغییر میدان مغناطیسی است. اگر آهنربا و سیم پیچ نسبت به هم کاملاً ثابت بمانند، حتی اگر میدان بسیار قوی باشد، هیچ جریانی القا نخواهد شد. جریان فقط در حین حرکت یا تغییر شدت میدان به وجود میآید.
پاسخ: زیرا برای ایجاد جریان القایی (جریانهای گردابی) نیاز به یک رسانای الکتریکی (مانند آهن، فولاد، برخی استیلها) داریم. جریان در این مواد القا شده و باعث گرم شدن میشود. شیشه یا پلاستیک رسانای الکتریکی نیستند، بنابراین میدان مغناطیسی در آنها جریان القا نمیکند و گرم نمیشوند. (البته اگر محتویات داخل آن رسانا باشد، به طور غیرمستقیم گرم میشود).
پاسخ: دو تفاوت عمده وجود دارد:
۱. منبع: جریان معمولی از تبدیل انرژی شیمیایی در باتری یا اختلاف پتانسیل پریز برق میآید و نیاز به اتصال فیزیکی سیم دارد. جریان القایی از تغییر میدان مغناطیسی و بدون اتصال مستقیم به منبع اولیه ایجاد میشود.
۲. نوع: جریان باتری مستقیم4 (همیشه در یک جهت) است. جریان القایی معمولاً متناوب5 است (جهت آن با تغییر میدان، به جلو و عقب برمیگردد)، مگر آنکه طراحی خاصی برای یکسو کردن آن وجود داشته باشد، مانند برخی دینامهای دوچرخه قدیمی.
پاورقی
۱. جریان القایی (Induced Current): جریان الکتریکی که در یک رسانا به دلیل تغییر شار مغناطیسی گذرنده از آن ایجاد میشود.
۲. مایکل فارادی (Michael Faraday): فیزیکدان و شیمیدان انگلیسی (۱۷۹۱-۱۸۶۷) که القای الکترومغناطیسی را کشف و قوانین آن را فرمولبندی کرد.
۳. نیروی محرکهٔ الکتریکی (Electromotive Force - EMF): عاملی که باعث ایجاد و حفظ جریان الکتریکی در یک مدار میشود. واحد آن ولت است.
۴. جریان مستقیم (Direct Current - DC): جریان الکتریکی که جهت آن همواره ثابت است. منبع آن معمولاً باتریها و سلولهای خورشیدی است.
۵. جریان متناوب (Alternating Current - AC): جریان الکتریکی که جهت و بزرگی آن به طور متناوب و معمولاً با الگویی سینوسی تغییر میکند. برق تحویلی به خانهها از این نوع است.
