انرژی مغناطیسی: نیروی نامرئی ذخیره‌شده
مغناطیس و انرژی: از کجا آغاز می‌شود؟
همه‌ی ما با آهنربا بازی کرده‌ایم. آیا تا به حال فکر کرده‌اید که نیروی جذب یا دفع بین دو آهنربا از کجا می‌آید؟ پاسخ در مفهوم میدان مغناطیسی۲ نهفته است. هر آهنربا یا سیمی که جریان الکتریکی از آن عبور می‌کند، فضای اطراف خود را تحت تأثیر قرار می‌دهد و یک میدان مغناطیسی نامرئی ایجاد می‌کند. این میدان، حامل انرژی است. وقتی دو آهنربا را به هم نزدیک می‌کنید، این انرژی یا ذخیره می‌شود (اگر هم‌نام باشند و همدیگر را دفع کنند) یا آزاد می‌شود (اگر غیرهم‌نام باشند و به سمت هم کشیده شوند).
یک آزمایش ساده: یک آهنربای نعلی‌شکل و یک میخ کوچک بردارید. میخ در ابتدا۳ خاصیت مغناطیسی ندارد. وقتی آهنربا را به میخ نزدیک می‌کنید، میخ به سمت آن کشیده می‌شود. در این فرآیند، بخشی از انرژی ذخیره‌شده در میدان مغناطیسی آهنربا صرف حرکت میخ و چسباندن آن به آهنربا می‌شود. این یک شکل ساده از تبدیل انرژی مغناطیسی به انرژی حرکتی است.
انرژی مغناطیسی در سیم‌پیچ‌ها و مدارهای الکتریکی
وقتی کلید یک چراغ قوه را فشار می‌دهید، جریان الکتریکی از طریق باتری و سیم‌ها به لامپ میرسد. اگر در این مدار یک سیم‌پیچ (مثلاً یک قطعه سیم لاکی‌پیچ‌خورده به دور یک میله آهنی) قرار دهید، اتفاق جالبی می‌افتد. با بستن کلید، جریان در سیم‌پیچ به آرامی افزایش می‌یابد و انرژی در میدان مغناطیسی اطراف آن ذخیره می‌شود. اگر کلید را ناگهان باز کنید، این انرژی آزاد می‌شود و ممکن است حتی یک جرقه کوچک ببینید! این پدیده اساس کار بسیاری از وسایل الکترونیکی است.
| وسیله / ماده | ظرفیت ذخیره‌سازی انرژی مغناطیسی | توضیح |
|---|---|---|
| آهنربای یخچال | بسیار کم | انرژی کافی برای نگه داشتن یک یادداشت سبک را دارد. |
| سلف در رادیوی قدیمی | متوسط | می‌تواند انرژی را به صورت موقت ذخیره و در تنظیم امواج رادیویی آزاد کند. |
| آهنربای الکتریکی بزرگ (در مراکز بازیافت) | بسیار زیاد | انرژی کافی برای بلند کردن خودروهای قراضه را تولید می‌کند. |
| ابرخازن‌های پیشرفته (با القاگر) | عظیم | برای ذخیره‌سازی انرژی در مقیاس بزرگ و آزادسازی سریع آن استفاده می‌شوند. |
تبدیل انرژی: از مغناطیسی به حرکتی و برعکس
یکی از شگفت‌انگیزترین قوانین فیزیک، پایستگی انرژی است. انرژی مغناطیسی می‌تواند به شکل‌های دیگر انرژی تبدیل شود. مهم‌ترین مثال این تبدیل، موتور الکتریکی۹ و ژنراتور۱۰ است.
موتور الکتریکی: در یک موتور ساده (مثل موتور اسباب‌بازی)، انرژی الکتریکی از باتری به سیم‌پیچ‌های داخل موتور میرسد. این سیم‌پیچ‌ها تبدیل به آهنربای الکتریکی می‌شوند و با آهنرباهای دائمی در اطراف خود برهمکنش می‌کنند (دفع و جذب). این برهمکنش، انرژی مغناطیسی ذخیره‌شده را به انرژی حرکتی (چرخش موتور) تبدیل می‌کند.
ژنراتور (برعکس موتور): وقتی شما پدال یک دوچرخهی دارای دینام را می‌زنید، یک آهنربا در داخل دینام به چرخش درمی‌آید. این چرخش، میدان مغناطیسی را در اطراف یک سیم‌پیچ تغییر می‌دهد. این تغییر میدان، در سیم‌پیچ جریان الکتریکی۱۱ ایجاد می‌کند. در اینجا، انرژی حرکتی شما ابتدا به انرژی مغناطیسی و سپس به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود تا چراغ دوچرخه روشن شود.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
پاسخ: خود میدان مغناطیسی انرژی نیست، بلکه یک ناحیه‌ی تأثیر است که انرژی در آن ذخیره می‌شود. مانند یک چشمه که خود آب نیست، بلکه محلی است که آب در آن یافت می‌شود. انرژی در خود ساختار میدان وجود دارد.
پاسخ: زیرا برای غلبه بر نیروی دافعه و نزدیک کردن آن‌ها به هم، باید کار انجام دهید (مثلاً با دست خود فشار بیاورید). این کار انجام‌شده توسط شما، در میدان مغناطیسی بین دو آهنربا به صورت انرژی پتانسیل مغناطیسی ذخیره می‌شود. اگر آن‌ها را رها کنید، این انرژی آزاد شده و آهنرباها از هم دور می‌شوند.
پاسخ: بله، اما به میزان بسیار ناچیز. هر ماده‌ای که در معرض یک میدان مغناطیسی قرار گیرد، تا حد بسیار کمی تحت تأثیر قرار می‌گیرد (پدیده‌ای به نام دیامغناطیس۱۲). اما برای ذخیره‌سازی مقادیر قابل توجه انرژی، به موادی با خاصیت مغناطیسی قوی مانند آهن یا در سیم‌پیچ‌ها نیاز داریم.
پاورقی
۱ Magnetic Energy – انرژی ذخیره‌شده در یک میدان مغناطیسی.
۲ Magnetic Field – ناحیه‌ای در اطراف آهنربا یا جریان الکتریکی که در آن نیروی مغناطیسی اعمال می‌شود.
۳ Initially – در آغاز، در ابتدا.
۴ Inductor – قطعه‌ای الکترونیکی (معمولاً یک سیم‌پیچ) که انرژی را در میدان مغناطیسی خود ذخیره می‌کند.
۵ Joule – واحد استاندارد انرژی در سیستم SI.
۶ Inductance – میزان توانایی یک سیم‌پیچ برای ذخیره‌سازی انرژی در میدان مغناطیسی.
۷ Henry – واحد اندوکتانس.
۸ Ampere – واحد جریان الکتریکی.
۹ Electric Motor – وسیله‌ای که انرژی الکتریکی را به انرژی مکانیکی (حرکتی) تبدیل می‌کند.
۱۰ Generator – وسیله‌ای که انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کند.
۱۱ Electric Current – جریان بارهای الکتریکی (معمولاً الکترون‌ها) در یک هادی.
۱۲ Diamagnetism – خاصیتی از مواد که در برابر اعمال یک میدان مغناطیسی خارجی، یک میدان مغناطیسی ضعیف در خلاف جهت آن ایجاد می‌کنند.
۱۳ Countless – بی‌شمار.
۱۴ MRI (Magnetic Resonance Imaging) – تصویربرداری تشدید مغناطیسی، یک تکنیک پیشرفته تصویربرداری پزشکی که از میدان‌های مغناطیسی قوی استفاده می‌کند.
