القای الکترومغناطیسی: نیروی پنهان پشت برق
کشف شگفت‌انگیز: از آهنربا تا الکتریسیته
داستان از آنجا شروع شد که مایکل فارادی1، دانشمند انگلیسی، در سال ۱۸۳۱ میلادی متوجه شد که می‌توان با استفاده از یک آهنربا، جریان الکتریکی تولید کرد. آزمایش معروف او بسیار ساده اما هوشمندانه بود: او یک آهنربای میل‌ای را داخل یک سیم‌پیچ2 فرو برد و خارج کرد و مشاهده کرد که عقربه‌ی یک گالوانومتر3 (وسیله‌ای برای اندازه‌گیری جریان کوچک) منحرف می‌شود. این انحراف نشان‌دهنده‌ی تولید یک جریان الکتریکی لحظه‌ای بود. نکته‌ی کلیدی این بود که این جریان فقط در لحظه‌ی تغییر میدان مغناطیسی ایجاد می‌شد.
به زبان ریاضی: $\mathcal{E} = -N \frac{\Delta \Phi_B}{\Delta t}$
که در آن: $\mathcal{E}$ نیروی محرکه‌ی القایی، $N$ تعداد حلقه‌های سیم‌پیچ، $\Delta \Phi_B$ تغییرات شار مغناطیسی و $\Delta t$ مدت زمان این تغییر است.
برای درک بهتر، یک آهنربا را در نظر بگیرید که آن را به سرعت به یک سیم‌پیچ نزدیک و دور می‌کنید. هر چه این حرکت سریع‌تر باشد (یعنی $\Delta t$ کوچک‌تر)، تغییرات شار مغناطیسی بیشتر شده و در نتیجه جریان القایی قوی‌تری تولید می‌شود.
قانون لنز: جهت جریان القایی
هاینریش لنز5 فیزیکدان آلمانی، قاعده‌ای را ارائه داد که جهت جریان القایی را مشخص می‌کند. طبق قانون لنز، جهت جریان القایی به گونه‌ای است که با تغییراتی که آن را به وجود آورده است، مقابله می‌کند.
مثال: اگر یک آهنربای شمال‌رو را به سیم‌پیچ نزدیک کنید، سیم‌پیچ طوری جریان القا می‌کند که گویی خودش تبدیل به آهنربایی شده که قطب شمال آن رو به قطب شمال آهنربای شماست (همان‌طور که می‌دانید قطب‌های همنام یکدیگر را دفع می‌کنند). بنابراین، شما برای نزدیک کردن آهنربا باید نیرو وارد کنید و در واقع با یک نیروی مقاومت روبرو می‌شوید. این انرژی که شما صرف می‌کنید، در نهایت به انرژی الکتریکی در مدار تبدیل می‌شود. این همان دلیل وجود علامت منفی در فرمول قانون فارادی است.
| روش ایجاد تغییر | توضیح | مثال عملی |
|---|---|---|
| نزدیک یا دور کردن آهنربا از مدار | تعداد خطوط میدان مغناطیسی عبوری از سطح مدار تغییر می‌کند. | آزمایش اولیه‌ی فارادی |
| تغییر اندازه‌ی مدار در حضور میدان مغناطیسی | با بزرگ یا کوچک کردن حلقه، شار مغناطیسی گذرنده از آن تغییر می‌کند. | ریل‌گان (قطاری که با نیروی دافعه‌ی مغناطیسی شتاب می‌گیرد) |
| چرخاندن مدار در میدان مغناطیسی | زاویه‌ی بین سطح مدار و خطوط میدان مغناطیسی تغییر می‌کند. | اساس کار ژنراتورهای DC و AC |
| تغییر شدت جریان در یک مدار مجاور | با روشن یا خاموش کردن یک مدار، میدان مغناطیسی آن تغییر کرده و در مدار دیگر جریان القا می‌شود. | اساس کار ترانسفورماتور |
کاربردهای القای الکترومغناطیسی در زندگی روزمره
این پدیده آنقدر بنیادی است که تقریباً تمام صنعت برق و بسیاری از دستگاه‌های اطراف ما بر پایه‌ی آن کار می‌کنند.
ژنراتورهای برق: این دستگاه‌ها انرژی مکانیکی (مانند چرخش توربین‌های بخار، آب یا باد) را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند. در یک ژنراتور ساده، یک سیم‌پیچ بزرگ در داخل یک میدان مغناطیسی قوی به چرخش درمی‌آید. این چرخش باعث تغییر مداوم شار مغناطیسی در سیم‌پیچ شده و جریان الکتریکی متناوب (AC)6 تولید می‌کند. تقریباً تمام برقی که از پریزهای خانه‌ی شما تأمین می‌شود، حاصل کار ژنراتورهای غول‌پیکر در نیروگاه‌ها است.
ترانسفورماتورها (Transformer): این وسیله‌ها برای افزایش یا کاهش ولتاژ جریان متناوب استفاده می‌شوند. ترانسفورماتور از دو سیم‌پیچ اولیه و ثانویه تشکیل شده که روی یک هسته‌ی آهنی مشترک پیچیده شده‌اند. وقتی جریان متناوب از سیم‌پیچ اولیه می‌گذرد، یک میدان مغناطیسی متغیر ایجاد می‌کند. این میدان متغیر، در سیم‌پیچ ثانویه جریان الکتریکی القا می‌کند. نسبت تعداد دور سیم‌پیچ‌ها، نسبت ولتاژ خروجی به ورودی را تعیین می‌کند. از ترانسفورماتورها در ایستگاه‌های انتقال برق برای کاهش تلفات انرژی و در شارژرهای موبایل برای کاهش ولتاژ برق شهر استفاده می‌شود.
اجاق‌های القایی: این اجاق‌ها به جای حرارت دادن مستقیم ظرف، با ایجاد یک میدان مغناطیسی متغیر بسیار قوی در زیر سطح خود، جریان‌های الکتریکی شدیدی (به نام جریان‌های فوکو7) را در کف ظرف فلزی القا می‌کنند. مقاومت فلز در برابر این جریان‌ها، باعث تولید گرمای زیاد و پخت غذا می‌شود. این روش بسیار کارآمد و سریع است.
کارت‌های هوشمند و شارژرهای بی‌سیم: در این فناوری‌ها، یک سیم‌پیچ در دستگاه پایه (مثلاً خواننده‌ی کارت یا پد شارژ) وجود دارد که با عبور جریان متناوب، یک میدان مغناطیسی متغیر ایجاد می‌کند. این میدان در سیم‌پیچ موجود در کارت یا گوشی، جریان الکتریکی القا کرده و آن را فعال یا شارژ می‌کند.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
خیر، تنها شرط لازم، تغییر شار مغناطیسی است. این تغییر می‌تواند با حرکت دادن سیم‌پیچ در یک میدان مغناطیسی ثابت نیز ایجاد شود. یا حتی با تغییر شدت میدان مغناطیسی یک آهنربای الکتریکی ثابت.
زیرا در این حالت، شار مغناطیسی عبوری از سیم‌پیچ ثابت است. طبق قانون فارادی، تنها زمانی نیروی محرکه القا می‌شود که این شار با زمان تغییر کند ($\frac{\Delta \Phi_B}{\Delta t} \neq 0$).
جریان القایی فقط در مدت زمانی که شار مغناطیسی در حال تغییر است، برقرار می‌ماند. به محض ثابت شدن شار (مثلاً وقتی آهنربا از حرکت می‌ایستد)، جریان نیز قطع می‌شود. این جریان، یک پدیده‌ی لحظه‌ای و وابسته به تغییر است.
پاورقی
1 مایکل فارادی (Michael Faraday)
2 سیم‌پیچ (Coil)
3 گالوانومتر (Galvanometer)
4 نیروی محرکه‌ی الکتریکی (Electromotive Force - EMF)
5 هاینریش لنز (Heinrich Lenz)
6 جریان متناوب (Alternating Current - AC)
7 جریان‌های فوکو (Eddy Currents)