آهنگ تغییر میدان مغناطیسی
میدان مغناطیسی: یک نگاه اجمالی
پیش از پرداختن به آهنگ تغییر، باید بدانیم میدان مغناطیسی چیست. آهنربا را به خاطر بیاورید. فضای اطراف آهنربا، جایی که نیروی جذب یا دفع را حس میکنید، تحت تأثیر میدان مغناطیسی آن است. این میدان را با نماد $ \vec{B} $ نشان میدهند و واحد اندازهگیری آن تِسلا5 یا گاوس6 است. قدرت و جهت این میدان، شدت میدان مغناطیسی را تعیین میکند.
میدانهای مغناطیسی نه تنها توسط آهنرباهای دائمی، بلکه توسط جریان الکتریکی نیز ایجاد میشوند. هر بار که شما کلید چراغ را میزنید، جریانی در سیم ایجاد میشود و میدان مغناطیسی ضعیفی دور سیم پدید میآورد.
| منبع میدان | شدت تقریبی | مثال ملموس | نکته کلیدی |
|---|---|---|---|
| آهنربای دائمی یخچال | 0.001 تسلا | قدرت چسبیدن به در یخچال | میدان ثابت و بدون تغییر در زمان (بدون آهنگ تغییر) |
| سیم حامل جریان متناوب خانگی | 0.00001 تسلا | سیم پشت شارژر موبایل | میدان با جهت و اندازه متغیر (دارای آهنگ تغییر) |
| دستگاه MRI | 1.5 تا 3 تسلا | عکسبرداری پیشرفته پزشکی | میدان اصلی ثابت است، اما میدانهای کمکی به سرعت تغییر میکنند. |
آهنگ تغییر میدان دقیقاً چیست؟
فرض کنید در یک روز بادی، سرعت باد لحظه به لحظه کم و زیاد میشود. شما با نگاه کردن به شاخههای درخت میتوانید تغییرات سرعت باد را ببینید. آهنگ تغییر میدان مغناطیسی نیز مفهومی مشابه دارد. این کمیت نشان میدهد که شدت میدان مغناطیسی در یک نقطه، در هر ثانیه با چه سرعتی در حال افزایش یا کاهش است.
این مفهوم را با نماد $ \frac{\Delta B}{\Delta t} $ نشان میدهند. در این فرمول:
$ \Delta B $ تغییرات شدت میدان (بر حسب تسلا) و
$ \Delta t $ مدت زمانی است که این تغییر در آن رخ داده (بر حسب ثانیه).
پس واحد آهنگ تغییر میدان، تسلا بر ثانیه(T/s) است.
$ \text{آهنگ تغییر میدان} = \frac{\text{تغییرات شدت میدان}}{\text{مدت زمان}} $ یا $ \frac{\Delta B}{\Delta t} $
مثال عددی: اگر شدت میدان در اطراف یک سیم در مدت 0.1 ثانیه، به اندازه 0.5 تسلا افزایش یابد، آهنگ تغییر میدان برابر است با:
$ \frac{0.5 \, \text{T}}{0.1 \, \text{s}} = 5 \, \text{T/s} $
رابطه طلایی: آهنگ تغییر میدان و تولید برق
این بخش، قلب موضوع است. مایکل فارادی7 کشف کرد که یک میدان مغناطیسی متغیر میتواند در یک رسانا (مانند یک حلقه سیم) باعث ایجاد جریان الکتریکی شود. این پدیده القای الکترومغناطیسی نام دارد. نکته کلیدی اینجاست:
هرچه آهنگ تغییر میدان مغناطیسی بیشتر باشد (یعنی میدان سریعتر تغییر کند)، ولتاژ و جریان القایی قویتری تولید میشود.
یک آزمایش ساده: اگر یک آهنربا را به آرامی به داخل یک حلقه سیم فرو ببرید، جریان ضعیفی ایجاد میشود. اگر همان آهنربا را بسیار سریع به داخل حلقه پرتاب کنید، جریان لحظهای قویتری القا خواهد شد. در حالت اول $ \frac{\Delta B}{\Delta t} $ کوچک و در حالت دوم بزرگ است.
آهنگ تغییر میدان در عمل: از آشپزخانه تا قطار سریعالسیر
حالا بیایید این مفهوم انتزاعی را در دنیای واقعی جستجو کنیم. تقریباً هر وسیلهای که جریان متناوب دارد یا بدون تماس فیزیکی انرژی منتقل میکند، از این اصل استفاده میکند.
۱. اجاق القایی: زیر صفحه شیشهای این اجاق، یک سیمپیچ بزرگ وجود دارد که وقتی روشن میشود، جریان متناوب با فرکانس بالا از آن میگذرد. این جریان، یک میدان مغناطیسی با آهنگ تغییر بسیار بالا ایجاد میکند. وقتی قابلمه فلزی (رسانا) را روی صفحه میگذارید، این میدان متغیر، جریانهای الکتریکی شدیدی در کف قابلمه القا میکند که باعث داغ شدن و پختن غذا میشود. بدون تماس مستقیم
۲. شارژر بیسیم گوشی: در پایه شارژر، سیمپیچی وجود دارد که با وصل شدن به برق، میدان مغناطیسی متغیری تولید میکند. سیمپیچ کوچک درون گوشی، در معرض این میدان متغیر قرار میگیرد و به لطف آهنگ تغییر میدان، جریان الکتریکی در آن القا میشود. این جریان باتری گوشی را شارژ میکند.
۳. ترانسفورماتور (ترانس) برق: ترانسفورماتورها که در ایستگاههای برق و شارژرهای قدیمی موبایل وجود دارند، ولتاژ جریان متناوب را کم یا زیاد میکنند. هسته این دستگاهها، میدان مغناطیسی متغیر تولید شده توسط سیمپیچ اولیه را به سیمپیچ ثانویه منتقل میکند. ولتاژ القا شده در سیمپیچ ثانویه، مستقیماً به آهنگ تغییر این میدان بستگی دارد.
۴. ترمزهای مغناطیسی قطارها: در برخی قطارها، برای ترمزگیری بدون ساییدگی، آهنرباهای الکتریکی قوی در نزدیکی ریلها فعال میشوند. حرکت سریع قطار (که معادل تغییر سریع میدان برای آهنرباهاست)، جریانهای القایی شدیدی در ریل ایجاد میکند که این جریانها خود میدان مغناطیسی مخالف حرکت تولید کرده و قطار را آرام میکنند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر، شرط اصلی تغییر شار8 مغناطیسی است که از سطح حلقه سیم عبور میکند. حرکت آهنربا یک راه معمول برای ایجاد این تغییر است، اما اگر شدت میدان یک آهنربای ثابت را به کمک یک مدار الکتریکی کم و زیاد کنیم (تغییر دهیم)، باز هم جریان القا میشود. نکته کلیدی، همان آهنگ تغییر است، نه صرفاً حرکت.
پاسخ: اگر شدت میدان مغناطیسی ثابت بماند، یعنی $ \frac{\Delta B}{\Delta t} = 0 $، آنگاه هیچ جریان القاییای تولید نخواهد شد. یک آهنربای دائمی ثابت کنار یک حلقه سیم، هیچ جریانی ایجاد نمیکند مگر اینکه آن را حرکت دهیم یا بچرخانیم (شار عبوری را تغییر دهیم).
پاسخ: جهت جریان القا شده طوری است که میدان مغناطیسیای که خودش تولید میکند، با تغییرات میدان اولیه مقابله کند. این قانون مهم، قانون لنز9 نام دارد. مثلاً اگر میدان خارجی در حال افزایش باشد، جریان طوری القا میشود که میدانش در خلاف جهت باشد تا جلوی افزایش را بگیرد. این یک نتیجه مستقیم از پایستگی انرژی است.
- آهنگ تغییر میدان مغناطیسی($ \frac{\Delta B}{\Delta t} $)، کمیتی است که سرعت تغییر شدت میدان را در واحد زمان (تسلا بر ثانیه) بیان میکند.
- این مفهوم، نیروی محرکه اصلی پدیده القای الکترومغناطیسی است: میدان متغیر، جریان الکتریکی تولید میکند.
- رابطه مستقیم وجود دارد: هرچه آهنگ تغییر میدان بیشتر باشد، ولتاژ و جریان القایی بزرگتر خواهد بود.
- کاربردهای آن از زندگی روزمره (شارژر بیسیم، اجاق القایی) تا صنعت بزرگ (ترانسفورماتور، ژنراتور، ترمز مغناطیسی) گسترده است.
- یک میدان مغناطیسی کاملاً ثابت، جریانی القا نمیکند. شرط لازم برای القا، تغییر است.
پاورقی
1 آهنگ تغییر میدان: Rate of change of magnetic field.
2 شدت میدان مغناطیسی: Magnetic field strength (Magnetic flux density).
3 القای الکترومغناطیسی: Electromagnetic Induction.
4 ترانسفورماتور: Transformer.
5 تسلا (Tesla): واحد شدت میدان مغناطیسی در سیستم SI.
6 گاوس (Gauss): واحد قدیمیتر شدت میدان مغناطیسی. 1 T = 10,000 G.
7 مایکل فارادی (Michael Faraday): فیزیکدان و شیمیدان انگلیسی که القای الکترومغناطیسی را کشف کرد.
8 شار مغناطیسی (Magnetic Flux): کمیتی که مقدار کلی میدان مغناطیسی گذرنده از یک سطح را نشان میدهد. تغییر آن منجر به القا میشود.
9 قانون لنز (Lenz's Law): جهت جریان القایی طوری است که با تغییراتی که آن را به وجود آورده است، مخالفت کند.
