جریان القایی: جریان الکتریکی تولیدشده به دلیل تغییر میدان مغناطیسی

جریان القایی: وقتی مغناطیس برق تولید می‌کند

مغناطیس و الکتریسیته: یک ارتباط ناگسستنی

برای قرن‌ها، مردم برق و مغناطیس را دو پدیده‌ی کاملاً جدا می‌دانستند. اما در قرن نوزدهم، دانشمندان بزرگی مانند مایکل فارادی^۷ و هاینریش لنز^۸ کشف کردند که این دو پدیده چگونه به هم مرتبط هستند. آن‌ها فهمیدند که یک میدان مغناطیسی متغیر می‌تواند یک نیروی محرکه الکتریکی^۹ در یک سیم پیچ ایجاد کند و این نیرو باعث به جریان افتادن الکترون‌ها و تولید جریان الکتریکی می‌شود. این جریان تولیدشده، همان جریان القایی است.

یک آزمایش ساده: اگر یک آهنربای قوی را به سرعت به داخل یک حلقه سیمی فرو ببرید، عقربه‌ی یک گالوانومتر^۱۰ (وسیله‌ای برای اندازه‌گیری جریان کوچک) که به حلقه متصل است، منحرف می‌شود. این انحراف نشان‌دهنده‌ی تولید جریان الکتریکی است. وقتی آهنربا را ثابت نگه دارید، عقربه به صفر برمی‌گردد. و وقتی آهنربا را بیرون می‌کشید، عقربه دوباره اما در جهت مخالف منحرف می‌شود. این یک نمایش ساده از القای الکترومغناطیسی است.

قانون فارادی و قانون لنز: قوانین حاکم بر القا

این پدیده توسط دو قانون فیزیکی مهم توصیف می‌شود که مانند دو روی یک سکه هستند:

۱. قانون فارادی: این قانون اندازه‌ی نیروی محرکه الکتریکی القاشده را مشخص می‌کند. طبق این قانون، هرچه سرعت تغییر میدان مغناطیسی بیشتر باشد، تعداد حلقه‌های سیم پیچ بیشتر باشد و آهنربا قوی‌تر باشد، نیروی محرکه الکتریکی (و در نتیجه جریان) القاشده بزرگ‌تر خواهد بود.

این قانون به زبان ریاضی به صورت زیر نوشته می‌شود:

۲. قانون لنز: این قانون جهت جریان القایی را مشخص می‌کند. قانون لنز می‌گوید: «جهت جریان القایی به گونه‌ای است که با تغییریتی که آن را به وجود آورده است، مخالفت می‌کند.» این یک بیان از قانون پایستگی انرژی است.

مثال: وقتی قطب شمال یک آهنربا را به سیم پیچ نزدیک می‌کنیم، جریان القایی به گونه‌ای جهت می‌گیرد که آن سمت از سیم پیچ را به یک قطب شمال تبدیل کند تا با نزدیک شدن آهنربا مخالفت کند (هم‌نام دفع می‌شوند). برعکس، وقتی آهنربا را دور می‌کنیم، جریان القایی جهت عکس می‌گیرد تا سیم پیچ را به یک قطب جنوب تبدیل کند و با دور شدن آهنربا مخالفت کند (غیرهم‌نام جذب می‌شوند).

جریان القایی در خدمت تمدن: از ژنراتور تا اجاق القایی

این پدیده تنها یک موضوع درسی نیست، بلکه پایه‌ی بسیاری از فناوری‌هایی است که زندگی مدرن را ممکن ساخته‌اند:

ژنراتورهای برق: در نیروگاه‌ها، توربین‌های بخار، باد یا آب، آهنرباهای عظیمی را در داخل سیم‌پیچ‌های بزرگ می‌چرخانند. این چرخش، یک میدان مغناطیسی متغیر ایجاد می‌کند که منجر به تولید جریان القایی عظیم در سیم‌پیچ‌ها می‌شود. به زبان ساده، ژنراتورها انرژی مکانیکی را به انرژی الکتریکی تبدیل می‌کنند.

ترانسفورماتورها: این وسیله‌ها که روی دکل‌های برق و در شارژرهای موبایل می‌بینید، از دو سیم‌پیچ تشکیل شده‌اند. جریان متغیر در سیم‌پیچ اولیه، یک میدان مغناطیسی متغیر ایجاد می‌کند که در سیم‌پیچ ثانویه جریان القایی به وجود می‌آورد. ترانسفورماتورها می‌توانند ولتاژ برق را افزایش (برای انتقال به مسافت‌های دور) یا کاهش (برای استفاده در خانه‌ها) دهند.

اجاق‌های القایی: در این اجاق‌ها، یک سیم‌پیچ زیر صفحه‌ی شیشه‌ای قرار دارد. وقتی اجاق روشن می‌شود، جریان متغیر شدیدی در این سیم‌پیچ ایجاد می‌شود که یک میدان مغناطیسی متغیر قوی تولید می‌کند. این میدان، در کف قابلمه‌ی فلزی (که خودش نقش هادی دوم را دارد) جریان‌های القایی کوچک و پیچیده‌ای به نام جریان گردابی^۱۲ ایجاد می‌کند. مقاومت فلز در برابر این جریان‌ها، باعث گرم شدن سریع و مستقیم قابلمه می‌شود، در حالی که خود صفحه‌ی اجاق داغ نمی‌شود.

اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم

پاورقی

^۱ جریان القایی (Induced Current)
^۲ میدان مغناطیسی (Magnetic Field)
^۳ ژنراتور (Generator)
^۴ ترانسفورماتور (Transformer)
^۵ قانون فارادی (Faraday's Law)
^۶ قانون لنز (Lenz's Law)
^۷ مایکل فارادی (Michael Faraday)
^۸ هاینریش لنز (Heinrich Lenz)
^۹ نیروی محرکه الکتریکی (Electromotive Force - EMF)
^۱۰ گالوانومتر (Galvanometer)
^۱۱ شار مغناطیسی (Magnetic Flux)
^۱۲ جریان گردابی (Eddy Current)