شار مغناطیسی: نگاهی به راز جریان نیروهای نامرئی
میدان مغناطیسی: منشأ نیروهای نامرئی
قبل از پرداختن به شار مغناطیسی، باید بفهمیم میدان مغناطیسی چیست. یک آهنربا را در نظر بگیرید. فضای اطراف آن که خاصیت آهنربایی دارد، میدان مغناطیسی نامیده میشود. این میدان یک کمیت برداری است، یعنی هم اندازه دارد و هم جهت. جهت آن همیشه از قطب شمال2 آهنربا خارج شده و به قطب جنوب3 وارد میشود. خطوطی که جهت میدان را نشان میدهند، خطوط میدان مغناطیسی نام دارند.
مثلاً وقتی برادههای آهن را نزدیک یک آهنربای نعلی شکل میکنید، به شکل منظمی دور آن قرار میگیرند. این الگو، در واقع، نمایی از خطوط میدان مغناطیسی را نشان میدهد.
| ویژگی | توضیح | مثال قابل لمس |
|---|---|---|
| قطبها | هر آهنربا دارای دو قطب شمال و جنوب است. قطبهای همنام یکدیگر را دفع و قطبهای غیرهمنام همدیگر را جذب میکنند. | وقتی دو سر شمال دو آهنربای میلنشکن را به هم نزدیک میکنید، احساس میکنید نیرویی آنها را از هم دور میکند. |
| خطوط میدان | خطوطی خیالی که جهت میدان مغناطیسی را نشان میدهند. هرچه خطوط متراکمتر باشند، میدان قویتر است. | برادههای آهن در اطراف آهنربا، مسیر این خطوط را نمایش میدهند. |
| نفوذپذیری | میدان مغناطیسی میتواند از بسیاری مواد (مانند هوا، کاغذ، چوب) عبور کند. | آهنربا حتی از داخل یک دفترچه نیز میتواند یک گیرهٔ کاغذ را جذب کند. |
شار مغناطیسی دقیقاً چیست؟
حالا میتوانیم شار مغناطیسی را تعریف کنیم. فرض کنید یک حلقه سیم یا یک قاب داریم (این قاب میتواند یک سطح فرضی یا واقعی باشد) و یک میدان مغناطیسی در اطراف آن وجود دارد. شار مغناطیسی نشان میدهد چه تعداد یا چه میزانی از این خطوط میدان از سطح آن قاب عبور میکنند.
میتوانید آن را مانند تعداد قطرات باران که از یک پنجره باز وارد اتاق میشوند، تصور کنید. اگر باران به صورت عمود ببارد، بیشترین تعداد قطرات وارد میشوند. اگر باران مایل ببارد، تعداد کمتری وارد میشود. شار مغناطیسی نیز به همین صورت به زاویهی برخورد میدان به سطح بستگی دارد.
$\Phi_B = B \cdot A \cdot \cos\theta$
واحد شار مغناطیسی در سیستم استاندارد، وبر4 ($Wb$) است. ($1 Wb = 1 T \cdot m^2$)
این فرمول به ما میگوید:
- هرچه میدان قویتر باشد ($B$ بزرگتر)، شار بیشتر است.
- هرچه سطح بزرگتر باشد ($A$ بزرگتر)، شار بیشتر است.
- اگر میدان کاملاً عمود بر سطح باشد ($\theta = 0^\circ$ و $\cos 0 = 1$)، شار بیشینه است. اگر موازی باشد ($\theta = 90^\circ$ و $\cos 90 = 0$)، شار صفر است.
شار مغناطیسی چگونه جریان الکتریکی میسازد؟
اینجاست که ماجرا جالب میشود! رابطهی جادویی بین شار مغناطیسی و الکتریسیته را القای الکترومغناطیسی5 مینامند. طبق قانون فاراده6، اگر شار مغناطیسی گذرنده از یک حلقه سیم تغییر کند، در آن حلقه یک نیروی محرکه الکتریکی (EMF) و در نتیجه جریان الکتریکی القا میشود. مهم تغییر شار است، نه مقدار ثابت آن.
سه روش اصلی برای تغییر شار وجود دارد:
- تغییر بزرگی میدان مغناطیسی ($B$).
- تغییر مساحت حلقه ($A$).
- تغییر زاویه بین میدان و سطح ($\theta$)، مثلاً با چرخاندن حلقه.
از توربین بادی تا شارژر بیسیم: کاربردهای شار مغناطیسی
این مفهوم انتزاعی در قلب بسیاری از فناوریهای اطراف ماست:
۱. ژنراتورهای برق: در نیروگاههای بادی، توربین میچرخد و آهنرباهای بزرگ داخل ژنراتور را میچرخاند. این چرخش باعث تغییر مداوم شار مغناطیسی در سیمپیچها شده و جریان برق متناوب تولید میکند. دقیقاً همین اتفاق در پشت دینام دوچرخه شما (در اندازهای کوچکتر) میافتد.
۲. ترانسفورماتورها (مبدلهای ولتاژ): ترانسفورماتور داخل یک آداپتور شارژر لپتاپ را در نظر بگیرید. جریان متناوب در سیمپیچ اولیه، یک شار مغناطیسی متغیر ایجاد میکند. این شار متغیر به سیمپیچ ثانویه نفوذ میکند و در آنجا جریان الکتریکی القا میکند. با تغییر تعداد دور سیمپیچها، ولتاژ کم یا زیاد میشود.
۳. آشپزی القایی: در اجاقهای اینداکشن، یک سیمپیچ زیر صفحه شیشهای قرار دارد. با عبور جریان متناوب از این سیمپیچ، شار مغناطیسی متغیر قوی ایجاد میشود. این شار در کف قابلمه فلزی مخصوص، جریانهای الکتریکی القا کرده و فلز را مستقیماً گرم میکند، نه اینکه شعله به ظرف حرارت بدهد.
۴. شارژرهای بیسیم: وقتی تلفن همراه را روی پایه شارژر بیسیم میگذارید، یک سیمپیچ در پایه، شار مغناطیسی متغیر تولید میکند. این شار از فاصله هوایی عبور کرده و در سیمپیچ داخل تلفن، جریان الکتریکی القا میکند و باتری را شارژ میکند.
۵. دستگاه تصویربرداری MRI: این دستگاههای پیشرفته پزشکی از آهنرباهای ابررسانای بسیار قوی استفاده میکنند که یک میدان مغناطیسی یکنواخت و قوی ایجاد میکنند. تغییرات کنترل شده در این میدان (تغییرات شار) باعث میشود اتمهای بدن سیگنالهایی بفرستند که برای ساخت تصویر دقیق از اندامهای داخلی استفاده میشود.
پرسشهای متداول و تصورات نادرست
پاورقی
1 شار مغناطیسی (Magnetic Flux)
2 قطب شمال (North Pole)
3 قطب جنوب (South Pole)
4 وبر (Weber) - واحد شار مغناطیسی، به افتخار ویلهلم ادوارد وبر، فیزیکدان آلمانی.
5 القای الکترومغناطیسی (Electromagnetic Induction)
6 قانون فاراده (Faraday's Law) - قانونی که رابطه بین تغییرات شار مغناطیسی و نیروی محرکه القایی را بیان میکند.
7 سلف (Inductor) - یک قطعه الکترونیکی که انرژی را در میدان مغناطیسی خود ذخیره میکند.
