القاگر: قطعه‌ای که انرژی را در میدان مغناطیسی ذخیره می‌کند
القاگر چیست و چگونه ساخته می‌شود؟
در ساده‌ترین تعریف، یک القاگر از یک سیم‌پیچ تشکیل شده است. این سیم‌پیچ می‌تواند به دور یک هستهٔ هوا، آهن یا فرّیت پیچیده شود. هنگامی که جریان الکتریکی از این سیم‌پیچ عبور می‌کند، یک میدان مغناطیسی در اطراف آن ایجاد می‌شود. این میدان مغناطیسی در واقع شکل دیگری از انرژی است و القاگر این توانایی را دارد که این انرژی را به طور موقت در خود ذخیره کند. هر چه تعداد حلقه‌های سیم‌پیچ بیشتر باشد یا از هسته‌ی مغناطیسی‌تری استفاده شود، این توانایی ذخیره‌سازی افزایش می‌یابد.
| نوع القاگر | هسته | کاربردهای معمول | مزایا |
|---|---|---|---|
| القاگر هسته هوا | هیچ (هوا) | مدارهای فرکانس بالا، رادیو | فاقد تلفات هسته، خطی |
| القاگر هسته فرّیت | فرّیت (سرامیک مغناطیسی) | فیلترهای نویز، ترانسفورماتورهای پالس | اندازه کوچک، القاوری بالا |
| القاگر هسته آهنی | ورق‌های آلیاژ آهن | منابع تغذیه، اینورترها | قابلیت عبور جریان بالا |
قانون القای فارادی و لنتز: قلب تپندهٔ القاگر
کار القاگر بر پایهٔ دو قانون فیزیکی بسیار مهم استوار است: قانون القای فارادی۳ و قانون لنتز۴. قانون فارادی می‌گوید که هنگامی که میدان مغناطیسی پیرامون یک رسانا تغییر می‌کند، یک نیروی محرکهٔ الکتریکی (ولتاژ) در آن القا می‌شود. قانون لنتز جهت این ولتاژ القا شده را مشخص می‌کند: این ولتاژ همیشه در جهتی ایجاد می‌شود که با تغییرات جریان اولیه مخالفت کند. به این پدیده، "مخالفت با تغییر" می‌گویند.
القاوری و واحد اندازه‌گیری آن: هنری
میزان توانایی یک القاگر در ذخیره‌سازی انرژی در میدان مغناطیسی را القاوری می‌نامند. واحد اندازه‌گیری القاوری، هنری۲ (H) است. این واحد به افتخار فیزیکدان آمریکایی، جوزف هنری، نام‌گذاری شده است. یک هنری مقدار زیادی است، بنابراین در الکترونیک معمولاً از واحدهای کوچک‌تری مانند میلی‌هنری (mH = 10^{-3} H) و میکروهنری (μH = 10^{-6} H) استفاده می‌شود.
کاربردهای القاگر در زندگی روزمره و الکترونیک
القاگرها به صورت گسترده در وسایل الکترونیکی اطراف ما استفاده می‌شوند.
- فیلترها: از ترکیب القاگر و خازن برای ساخت فیلترهایی استفاده می‌شود که می‌توانند فرکانس‌های خاصی را از یک سیگنال عبور داده یا مسدود کنند. این فیلترها در رادیو برای انتخاب ایستگاه‌های مختلف حیاتی هستند.
- منابع تغذیه: در مبدل‌های DC-DC (مثل کاهنده یا افزاینده‌ها)، القاگر به عنوان یک مخزن انرژی موقت عمل می‌کند و به تبدیل کارآمد ولتاژ کمک می‌نماید.
- موتورهای الکتریکی و ترانسفورماتورها: اساس کار موتورها و ترانسفورماتورها بر القای الکترومغناطیسی استوار است که در قلب آن، القاگرها قرار دارند.
مدار تانک: وقتی القاگر و خازن با هم رقص می‌کنند
یک مدار جذاب و بسیار کاربردی، زمانی شکل می‌گیرد که یک القاگر و یک خازن را به صورت موازی یا سری به هم وصل کنیم. به این ترکیب، مدار تانک یا مدار تشدید می‌گویند. این مدار در یک فرکانس خاص به نام فرکانس تشدید، می‌تواند انرژی الکتریکی را بین میدان مغناطیسی القاگر و میدان الکتریکی خازن به جلو و عقب نوسان دهد. فرکانس تشدید از رابطهٔ زیر به دست می‌آید:
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
در جریان مستقیم (DC) پایدار، چون جریان تغییر نمی‌کند ($\frac{di}{dt} = 0$)، ولتاژ دو سر یک القاگر ایده‌آل صفر خواهد بود. در این حالت، القاگر فقط مقداری مقاومت سیم دارد و در واقع مانند یک اتصال کوتاه عمل می‌کند. اما در لحظه‌ی روشن یا خاموش کردن مدار که جریان به سرعت تغییر می‌کند، القاگر واکنش شدیدی نشان می‌دهد.
این دو قطعه هر دو ذخیره‌کنندهٔ انرژی هستند، اما به شکل‌های کاملاً متفاوت. القاگر انرژی را در یک میدان مغناطیسی (ناشی از عبور جریان) ذخیره می‌کند و با تغییرات جریان مخالفت می‌نماید. در مقابل، خازن انرژی را در یک میدان الکتریکی (ناشی از ولتاژ دو سر آن) ذخیره می‌کند و با تغییرات ولتاژ مخالفت می‌کند.
زمانی که مدار قطع می‌شود، جریان از طریق القاگر به سرعت به صفر میرسد ($\frac{di}{dt}$ مقدار منفی بزرگی دارد). طبق قانون القا، القاگر یک ولتاژ قوی در جهت مخالف (برای حفظ جریان قبلی) ایجاد می‌کند. این ولتاژ می‌تواند به اندازه‌ای زیاد باشد که برای یک لحظه، جریان کافی برای روشن کردن لامپ را از مسیر موازی (که شامل لامپ است) فراهم کند.
پاورقی
۱ القاگر (Inductor)
۲ هنری (Henry)
۳ قانون القای فارادی (Faraday's Law of Induction)
۴ قانون لنتز (Lenz's Law)