ضریب القاوری: نگاهی به قلب پنهان جریان برق
القای الکترومغناطیسی: جرقه اولیه
داستان از کشف بزرگ مایکل فارادی۵ آغاز می‌شود. او دریافت که با حرکت یک آهنربا در نزدیکی یک سیم پیچ، می‌توان جریان الکتریکی در سیم ایجاد کرد. به این پدیده، القای الکترومغناطیسی می‌گویند. این جریان ایجاد شده، جریان القایی نام دارد. نکته کلیدی این است که این جریان فقط وقتی ایجاد می‌شود که میدان مغناطیسی در حال تغییر باشد. اگر آهنربا ثابت بماند، جریانی هم در کار نخواهد بود.
برای درک بهتر، تصور کنید یک آهنربای قوی را به سرعت داخل یک لولهٔ مسی قرار می‌دهید. خواهید دید که آهنربا به آرامی و به نرمی در لوله فرو می‌رود، گویی لوله چسبناک است! این اتفاق به دلیل ایجاد جریان های القایی در لوله است که در مقابل حرکت آهنربا مقاومت می‌کنند. این یک نمایش ساده از القاوری در عمل است.
ضریب القاوری چیست و چگونه کار می‌کند؟
حالا به سراغ تعریف اصلی می‌رویم. ضریب القاوری که با نماد $ L $ نشان داده می‌شود، یک خاصیت ذاتی برای یک قطعه الکتریکی (معمولاً یک سیم‌پیچ) است. این خاصیت نشان می‌دهد که آن قطعه چقدر در مقابل تغییرات جریان الکتریکی که از داخلش می‌گذرد، مقاومت می‌کند و در پاسخ به این تغییر، ولتاژی القا می‌نماید.
که در آن:
$ V $ = ولتاژ القا شده (بر حسب ولت)
$ L $ = ضریب القاوری (بر حسب هانری)
$ \frac{\Delta I}{\Delta t} $ = نرخ تغییر جریان (آمبر بر ثانیه)
علامت منفی در فرمول، نشان‌دهندهٔ قانون لنز۶ است. این قانون می‌گوید که جهت ولتاژ و جریان القایی همیشه به گونه‌ای است که با تغییراتی که آن را به وجود آورده است، مقابله می‌کند. مانند مثال لوله و آهنربا که سلف سعی می‌کند در مقابل تغییر سرعت آهنربا مقاومت کند.
| عامل | تأثیر بر القاوری (L) | توضیح مختصر |
|---|---|---|
| تعداد حلقه‌های سیم‌پیچ | افزایش می‌یابد | هرچه حلقه‌ها بیشتر باشند، میدان مغناطیسی قوی‌تر و در نتیجه القاوری بزرگ‌تر می‌شود. |
| مساحت هر حلقه | افزایش می‌یابد | حلقه‌های بزرگ‌تر میدان مغناطیسی بزرگ‌تری را در بر می‌گیرند. |
| جنس هسته | تغییر شدید می‌کند | استفاده از هسته آهنی به جای هوا، القاوری را صدها یا هزاران برابر افزایش می‌دهد. |
| فشرده بودن حلقه‌ها | افزایش می‌یابد | سیم‌پیچی فشرده، میدان‌های مغناطیسی را متمرکزتر می‌کند. |
سلف: قطعه‌ای که القاوری را ذخیره می‌کند
در مدارهای الکترونیکی، قطعه‌ای که به طور خاص برای داشتن القاوری ساخته می‌شود، سلف نام دارد. سلف‌ها در واقع سیم‌پیچ‌هایی هستند که انرژی را نه به صورت الکتریکی (مانند خازن)، بلکه به صورت میدان مغناطیسی ذخیره می‌کنند. هنگامی که جریان از سلف می‌گذرد، یک میدان مغناطیسی اطراف آن ایجاد می‌شود. اگر جریان قطع شود، این میدان مغناطیسی فرو می‌پاشد و سعی می‌کند جریان را تا لحظه‌ای کوتاه حفظ کند.
سلف‌ها در شکل‌ها و اندازه‌های مختلفی ساخته می‌شوند. از سلف‌های ریز و کوچکی که روی بردهای گوشی موبایل می‌بینید، تا سلف‌های بسیار بزرگ و حجیم در ایستگاه‌های تبدیل برق.
سلف در زندگی روزمره: از لامپ کم‌مصرف تا خودروی برقی
شاید فکر کنید القاوری یک مفهوم تئوری است، اما کاربردهای آن آنقدر فراوان است که در بسیاری از وسایل اطراف ما وجود دارد:
- ترانسفورماتورها۷: این قطعات که در شارژر موبایل، آداپتور لپ‌تاپ و پست‌های برق وجود دارند، از دو سلف تشکیل شده‌اند. آنها ازاصل القای متقابل برای افزایش یا کاهش ولتاژ جریان متناوب (AC) استفاده می‌کنند.
- موتورهای الکتریکی: موتورهایی که پنکه سقفی را می‌چرخانند یا خودروهای برقی را به حرکت درمی‌آورند، بر اساس تعامل بین میدان‌های مغناطیسی سلف‌ها (در stator و rotor) کار می‌کنند.
- مدارهای تنظیم کننده (فیلترها): در رادیوها، سلف‌ها کمک می‌کنند تا ایستگاه رادیویی خاصی را انتخاب کنید. آنها همچنین برای هموار کردن جریان برق در منابع تغذیه استفاده می‌شوند.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
| ویژگی | سلف | خازن |
|---|---|---|
| نحوه ذخیره انرژی | در میدان مغناطیسی | در میدان الکتریکی |
| رفتار در برابر جریان مستقیم (DC) | مانند اتصال کوتاه (پس از پایدار شدن) | مانند مدار باز (پس از پایدار شدن) |
| رفتار در برابر جریان متناوب (AC) | مقاومت می‌کند (راکتانس القایی) | مقاومت می‌کند (راکتانس خازنی) |
| رابطه بین جریان و ولتاژ | ولتاژ با نرخ تغییر جریان متناسب است | جریان با نرخ تغییر ولتاژ متناسب است |
پاورقی
۱ ضریب القاوری (Inductance)
۲ القای الکترومغناطیسی (Electromagnetic Induction)
۳ هانری (Henry) - واحد اندازه‌گیری ضریب القاوری، به نام دانشمند آمریکایی جوزف هانری نامگذاری شده است.
۴ سلف (Inductor)
۵ مایکل فارادی (Michael Faraday)
۶ قانون لنز (Lenz's Law)
۷ ترانسفورماتور (Transformer)
