شار مغناطیسی: درک جریان نامرئی نیرو
شار مغناطیسی چیست و چگونه تصور می‌شود؟
برای درک شار مغناطیسی، ابتدا باید با میدان مغناطیسی آشنا شویم. یک آهنربا را در نظر بگیرید. فضای اطراف آن که در آن نیروی مغناطیسی احساس می‌شود، میدان مغناطیسی۳ نام دارد. این میدان را معمولاً به صورت خطوطی نامرئی نمایش می‌دهند که از قطب شمال آهنربا خارج و به قطب جنوب آن وارد می‌شوند. هرچه این خطوط به هم فشرده‌تر باشند، میدان قوی‌تر است.
حالا یک قاب سیمی مربع‌شکل را تصور کنید که در فضای اطراف این آهنربا قرار گرفته است. شار مغناطیسی در واقع تعداد کل این خطوط میدانی است که از سطح این قاب عبور می‌کنند. فرض کنید این خطوط مانند قطره‌های باران هستند. شار مغناطیسی، معادل تعداد قطره‌هایی است که روی یک چتر برفی در یک طوفان می‌بارد! اگر چتر را به صورت عمودی نگه دارید (یعنی سطح آن عمود بر جهت بارش باشد)، بیشترین تعداد قطره را دریافت می‌کنید. اگر چتر را کج کنید، تعداد کمتری قطره به آن برخورد می‌کند.
B: چگالی میدان مغناطیسی (تعداد خطوط در واحد سطح)
A: مساحت سطحی که خطوط از آن عبور می‌کنند
θ: زاویه‌ی بین راستای میدان مغناطیسی و خط عمود بر سطح
عوامل مؤثر بر مقدار شار مغناطیسی
مقدار شار مغناطیسی عبوری از یک سطح به سه عامل اصلی بستگی دارد که در فرمول بالا نیز دیده می‌شوند:
| عامل | توضیح | مثال عملی |
|---|---|---|
| شدت میدان مغناطیسی (B) | هرچه آهنربا قوی‌تر باشد، خطوط میدان بیشتر و در نتیجه شار بزرگ‌تر است. | شار عبوری از یک حلقه در نزدیکی یک آهنربای نئودیمیوم قوی بسیار بیشتر از یک آهنربای یخچال ضعیف است. |
| مساحت سطح (A) | هرچه سطح بزرگ‌تر باشد، خطوط میدان بیشتری می‌توانند از آن عبور کنند. | یک حلقه‌ی سیمی با قطر 10 سانتی‌متر شار بسیار بیشتری از حلقه‌ای با قطر 1 سانتی‌متر دریافت می‌کند. |
| زاویه (θ) | وقتی سطح عمود بر میدان باشد ($\theta = 0^\circ$)، شار حداکثر است. وقتی سطح موازی با میدان باشد ($\theta = 90^\circ$)، شار صفر است. | اگر صفحه‌ی حلقه را به آرامی از حالت عمود بچرخانیم، شار عبوری از آن کاهش می‌یابد. |
شار مغناطیسی در عمل: از دینام دوچرخه تا نیروگاه
مهم‌ترین کاربرد شار مغناطیسی در پدیده‌ای به نام القای الکترومغناطیسی۴ است. مایکل فارادی۵ کشف کرد که وقتی شار مغناطیسی عبوری از یک مدار سیمی تغییر کند، یک نیروی محرکه‌ی الکتریکی (ولتاژ) در آن مدار القا می‌شود. این اصل، پایه‌ی تولید تقریباً تمام برق در جهان است.
مثال: یک دینام دوچرخه را در نظر بگیرید. داخل دینام یک آهنربا وجود دارد که به چرخش درمی‌آید. در اطراف این آهنربا یک سیم‌پیچ ثابت قرار دارد. با چرخش آهنربا، جهت و مقدار شار مغناطیسی عبوری از سیم‌پیچ به طور مداوم تغییر می‌کند. این تغییر شار، باعث القای جریان الکتریکی در سیم‌پیچ می‌شود که چراغ‌های دوچرخه را روشن می‌کند. در یک نیروگاه بزرگ، توربین‌های عظیم، آهنرباهای غول‌پیکری را در داخل سیم‌پیچ‌های بسیار بزرگی می‌چرخانند و تغییر شار عظیمی ایجاد می‌کنند که برق شهرها را تأمین می‌نماید.
دستگاه‌های دیگری که بر همین اساس کار می‌کنند عبارتند از: ترانسفورماتور۶ (که ولتاژ برق را کم یا زیاد می‌کند)، اجاق‌های القایی (که مستقیماً ظرف غذا را گرم می‌کنند) و کارت‌های اعتباری (که نوار مغناطیسی آنها اطلاعات را در خود ذخیره می‌کند).
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
خیر. شار مغناطیسی به وجود یک ماده‌ی خاص مانند فلز وابسته نیست. این مفهوم برای هر سطحی، حتی در خلأ، تعریف می‌شود. آنچه مهم است، وجود یک میدان مغناطیسی و یک سطح مشخص (حتی خیالی) است که خطوط میدان از آن عبور می‌کنند.
خیر. آنچه برای القای جریان ضروری است، تغییر شار مغناطیسی است، نه مقدار مطلق آن. حتی اگر شار اولیه کم باشد، اگر به سرعت تغییر کند (مثلاً با تند چرخاندن آهنربا)، می‌تواند ولتاژ قابل توجهی ایجاد نماید.
واحد شار مغناطیسی در سیستم استاندارد بین‌المللی، وبر (Wb) است. یک وبر برابر است با شار مغناطیسی که وقتی یک میدان مغناطیسی یکنواخت با چگالی یک تسلا۷ ($1\ T$) از سطحی به مساحت یک متر مربع که عمود بر راستای میدان قرار دارد، بگذرد ($1\ Wb = 1\ T \cdot 1\ m^2$).
پاورقی
۱ شار مغناطیسی (Magnetic Flux)
۲ وبر (Weber)
۳ میدان مغناطیسی (Magnetic Field)
۴ القای الکترومغناطیسی (Electromagnetic Induction)
۵ مایکل فارادی (Michael Faraday)
۶ ترانسفورماتور (Transformer)
۷ تسلا (Tesla) - واحد چگالی شار مغناطیسی