قانون لنز: نگهبان نامرئی جریان الکتریکی
مغناطیس و القای الکترومغناطیسی: یک ارتباط شگفت‌انگیز
احتمالاً با آهنربا بازی کرده‌اید و دیده‌اید که چگونه یک سر آن، سر دیگر را جذب یا دفع می‌کند. این نیرو از میدان مغناطیسی۵ اطراف آهنربا ناشی می‌شود. حالا تصور کنید یک حلقه سیم دارید که به یک لامپ کوچک متصل است. اگر یک آهنربا را به سرعت به داخل این حلقه نزدیک کنید، چه اتفاقی می‌افتد؟ شگفت‌انگیز است، اما لامپ به طور لحظه‌ای روشن می‌شود! این پدیده، القای الکترومغناطیسی۶ نام دارد. در این حالت، بدون اینکه سیم را به باتری وصل کرده باشید، یک جریان الکتریکی در سیم به وجود آمده است. این جریان را جریان القایی می‌نامند.
مایکل فارادی۷ دانشمند انگلیسی، این پدیده را کشف و قاعده‌ای برای آن ارائه کرد: قانون القای فارادی. این قانون می‌گوید اندازه نیروی محرکه الکتریکی۸ (ولتاژ) القا شده در یک مدار، با سرعت تغییر شار مغناطیسی که از سطح مدار می‌گذرد، برابر است. اما این قانون فقط به اندازه ولتاژ و جریان توجه دارد و چیزی درباره جهت آن نمی‌گوید.
قانون لنز: تعیین جهت جریان القایی
هاینریش لنز۹ دانشمند آلمانی-روسی، چند سال پس از فارادی، قاعده‌ای را ارائه داد که جهت جریان القایی را مشخص می‌کرد. قانون لنز می‌گوید:
کلمه کلیدی here «مقابله» است. این قانون مانند یک سیستم دفاعی هوشمند عمل می‌کند. فرض کنید با نزدیک کردن آهنربا به حلقه، می‌خواهید تعداد خطوط میدان مغناطیسی گذرنده از حلقه (شار مغناطیسی) را افزایش دهید. جریان القا شده در حلقه، طوری جهت می‌گیرد که یک میدان مغناطیسی تولید کند که با میدان آهنربا مخالف باشد و در نتیجه با این افزایش شار مقابله کند. برعکس، اگر با دور کردن آهنربا، شار مغناطیسی را کاهش دهید، جریان القا شده طوری جهت می‌گیرد که میدان مغناطیسی تولید کند که با میدان آهنربا هم‌جهت باشد و سعی کند کاهش شار را جبران کند.
| عمل انجام شده | تغییر شار | واکنش جریان القایی | جهت میدان القایی |
|---|---|---|---|
| نزدیک کردن آهنربای قطب N به حلقه | افزایش | ایجاد قطب N در روبروی آهنربا برای دفع آن | مخالف میدان آهنربا |
| دور کردن آهنربای قطب N از حلقه | کاهش | ایجاد قطب S در روبروی آهنربا برای جذب آن | هم‌جهت با میدان آهنربا |
قانون لنز و پایستگی انرژی: یک رابطه ناگسستنی
دلیل فیزیکی پشت قانون لنز، اصل پایستگی انرژی است. فرض کنید وقتی آهنربا را به حلقه نزدیک می‌کنیم، جریان القایی طوری ایجاد شود که آهنربا را به سمت خود جذب کند. در این صورت، چه اتفاقی می‌افتد؟ آهنربا با سرعت بیشتری به سمت حلقه شتاب می‌گرفت، که باعث ایجاد جریان قوی‌تر می‌شد و این جریان قوی‌تر نیز به نوبه خود آهنربا را با نیروی بیشتری جذب می‌کرد. در این حالت انرژی از هیچ تولید می‌شد که غیرممکن است! قانون لنز با وادار کردن جریان به مقابله با حرکت آهنربا، این مشکل را حل می‌کند. برای نزدیک کردن آهنربا به حلقه، باید کار انجام دهید و بر نیروی دافعه غلبه کنید. این کار انجام شده توسط شما، دقیقاً برابر با انرژی الکتریکی تولید شده در حلقه (که مثلاً به صورت نور لامپ ظاهر می‌شود) است. بنابراین، انرژی پایسته می‌ماند.
کاربردهای قانون لنز در فناوری های روزمره
شاید فکر کنید این قانون یک مفهوم صرفاً تئوری است، اما کاربردهای عملی بسیار زیادی دارد:
ترمزهای القایی: در برخی قطارها و ترن‌های هوایی از ترمزهای القایی استفاده می‌شود. وقتی آهنرباهای قوی در کنار یک صفحه مسی قرار می‌گیرند، حرکت نسبی بین آنها جریان‌های القایی بزرگی در صفحه مسی ایجاد می‌کند. طبق قانون لنز، این جریان‌ها با حرکت قطار مقابله می‌کنند و مانند یک ترمز عمل می‌نمایند. برخلاف ترمزهای اصطکاکی، این ترمزها فرسوده نمی‌شوند.
اجاق‌های القایی: در این اجاق‌ها، یک سیم‌پیچ زیر صفحه شیشه‌ای، یک میدان مغناطیسی متناوب بسیار قوی ایجاد می‌کند. این میدان متغیر، در کف قابلمه فلزی (که نقش حلقه سیم را دارد) جریان‌های القایی قدرتمندی به نام «جریان گردابی»۱۰ ایجاد می‌کند. مقاومت فلز در برابر این جریان، باعث گرم شدن سریع قابلمه و در نتیجه پختن غذا می‌شود.
ژنراتورهای برق: اساس کار تمام ژنراتورها، القای الکترومغناطیسی است. در یک ژنراتور، یک سیم‌پیچ در داخل یک میدان مغناطیسی می‌چرخد. این چرخش باعث تغییر مداوم شار مغناطیسی در سیم‌پیچ شده و در نتیجه یک جریان متناوب القا می‌شود. قانون لنز جهت این جریان را تعیین می‌کند.
اشتباهات رایج و پرسش‌های مهم
پاسخ: خیر. قانون لنز می‌گوید جریان القایی با تغییر شار مغناطیسی مخالفت می‌کند، نه لزوماً با خود آهنربا. وقتی آهنربا را از حلقه دور می‌کنیم، جریان القایی طوری جهت می‌گیرد که سعی کند آهنربا را نگه دارد (یعنی با حرکت دورکننده مخالفت کند)، در این حالت جریان القایی با آهنربا "همکاری" می‌کند تا از کاهش شار جلوگیری نماید.
پاسخ: در یک ابررسانا، جریان القایی می‌تواند برای مدت زمان بسیار طولانی بدون تضعیف جریان داشته باشد. این باعث می‌شود اثر "مقابله" بسیار قوی و کامل باشد. به طوری که اگر شما سعی کنید یک آهنربا را به یک ابررسانا نزدیک کنید، جریان‌های القایی به قدری قوی هستند که یک نیروی دافعه عظیم ایجاد کرده و به طور کامل مانع از تغییر شار مغناطیسی درون ابررسانا می‌شوند. این پدیده اثر مایسنر۱۱ نام دارد و نمونه‌ای ایده‌آل از قانون لنز در عمل است.
پاسخ: از «قانون دست راست» استفاده می‌کنیم. اگر انگشت شست دست راست خود را در جهت میدان مغناطیسی تولید شده توسط جریان القایی قرار دهیم (از قطب S به N)، جهت بسته شدن چهار انگشت دیگر، جهت جریان القایی در حلقه را نشان می‌دهد. برای مثال، اگر جریان القایی باید قطب N در سمت چپ حلقه ایجاد کند، انگشت شست راست را به سمت چپ می‌گیریم. جهت بسته شدن انگشتان، جهت جریان را مشخص می‌کند.
پاورقی
۱ Lenz's Law
۲ Magnetic Flux
۳ Induced Current
۴ Faraday's Law of Induction
۵ Magnetic Field
۶ Electromagnetic Induction
۷ Michael Faraday
۸ Electromotive Force (EMF)
۹ Heinrich Lenz
۱۰ Eddy Currents
۱۱ Meissner Effect