سیمپیچ متحرک: قلب تپندهٔ ابزارهای اندازهگیری
سیمپیچ متحرک چیست و چگونه کار میکند؟
برای درک سیمپیچ متحرک، ابتدا باید با یک اصل مهم فیزیک آشنا شویم: وقتی از یک سیم حامل جریان الکتریکی، در نزدیکی یک آهنربا قرار بگیرد، بین میدان مغناطیسی آهنربا و میدان ایجادشده توسط سیم، یک نیروی مکانیکی ایجاد میشود که میتواند سیم را به حرکت درآورد. سیمپیچ متحرک، در واقع تعداد زیادی از این سیمها است که به دور یک قاب سبک پیچیده شدهاند.
حالا تصور کنید این حلقه سیم (سیمپیچ) به صورت آزاد بین دو قطب یک آهنربای نعلیشکل قوی قرار گرفته است. وقتی جریان الکتریکی (مثلاً از یک باتری) از این سیمپیچ عبور کند، در اطراف آن یک میدان مغناطیسی ضعیف ایجاد میشود. این میدان مغناطیسی جدید با میدان قوی آهنربای دائمی وارد کنش میشود. بر اساس قانون دست چپ فلمینگ، این کنش باعث میشود یک طرف سیمپیچ به سمت بیرون و طرف دیگر به سمت داخل هل داده شود. در نتیجه، کل سیمپیچ به دور محور خود میچرخد. این چرخش، اساس کار بسیاری از وسایل اندازهگیری است.
اجزای اصلی تشکیلدهندهٔ یک سیمپیچ متحرک
یک سیستم سیمپیچ متحرک کامل، از چند قسمت حیاتی تشکیل شده که همگی با همکاری هم، جریان الکتریکی را به یک نشانگر قابل خواندن تبدیل میکنند.
| نام قطعه | جنس و ویژگی | وظیفه |
|---|---|---|
| سیمپیچ متحرک | سیم مسی نازک و لاکدار با تعداد دور زیاد، پیچیده شده روی یک قاب آلومینیومی سبک | ایجاد میدان مغناطیسی متناسب با جریان ورودی و چرخش در پاسخ به آن |
| آهنربای دائمی | از آلیاژهای خاص مانند آلنیکو ساخته میشود | ایجاد یک میدان مغناطیسی ثابت، قوی و یکنواخت برای برهمکنش با سیمپیچ |
| هستهٔ آهنی نرم | استوانهای از جنس آهن نرم که در مرکز سیمپیچ قرار میگیرد | متمرکز کردن و یکنواختتر کردن خطوط میدان مغناطیسی برای افزایش حساسیت |
| فنرهای مارپیچی (کنترلگر) | دو عدد، از جنس فسفر برنز | ۱. انتقال جریان به سیمپیچ ۲. ایجاد نیروی بازگردان برای متوقف کردن عقربه در جای دقیق |
| محور و بلبرینگ | محور نازک و بلبرینگهای ظریف (گاه از جنس یاقوت) | امکان چرخش آزاد و کماصطکاک سیمپیچ |
| عقربه و صفحهٔ مدرج | عقربهای سبک متصل به سیمپیچ و صفحهای با اعداد | تبدیل میزان چرخش سیمپیچ به یک عدد قابل خواندن (مثلاً آمپر یا ولت) |
از بلندگو تا مولتیمتر: سیمپیچ متحرک در زندگی ما
شاید فکر کنید این قطعه فقط در آزمایشگاههای فیزیک کاربرد دارد، اما نمونههای سادهتر آن را هر روز میبینید و استفاده میکنید:
بلندگوهای معمولی: درون هر بلندگو یک آهنربای دائمی قوی و یک سیمپیچ متحرک سبک وجود دارد. سیگنال الکتریکی موسیقی از طریق سیمپیچ عبور میکند و باعث لرزش آن در میدان آهنربا میشود. این لرزش به دیافراگم بلندگو منتقل و سپس به صورت صدا به گوش ما میرسد. این یک مثال عالی و ملموس از تبدیل انرژی الکتریکی به حرکت مکانیکی است.
گالوانومتر (پایهٔ آمپرسنج و ولتسنج عقربهای): حساسترین و معروفترین کاربرد سیمپیچ متحرک است. گالوانومتر میتواند جریانهای بسیار ضعیف را هم تشخیص دهد. از آن به عنوان هستهٔ اصلی در ساخت آمپرسنج1 و ولتسنج2های عقربهای قدیمی استفاده میشود. فقط کافی است به طور مناسب، یک مقاومت کوچک (شنت) به موازات آن برای اندازهگیری جریان، یا یک مقاومت بزرگ به صورت سری برای اندازهگیری ولتاژ قرار داد.
رلههای حساس: در برخی رلههای الکترومغناطیسی بسیار دقیق که برای حفاظت از شبکههای برق استفاده میشوند، از یک سیمپیچ متحرک به عنوان بخش حسگر بهره میبرند. حساسیت بالای آن باعث میشود در برابر تغییرات جریان سریع و دقیق عکسالعمل نشان دهد.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. سیمپیچ متحرک خالص فقط برای جریان مستقیم (DC) مانند باتری طراحی شده است. دلیلش این است که جهت جریان در برق متناوب (AC) به سرعت تغییر میکند. اگر این جریان به سیمپیچ متحرک وصل شود، عقربه به جای اینکه در یک جهت منحرف شود، با فرکانس برق (مثلاً 50 بار در ثانیه) به چپ و راست میلرزد و میانگین آن صفر نشان داده میشود. برای اندازهگیری جریان متناوب معمولاً از نوع دیگری از وسایل به نام "سیمپیچ متحرک آهنربای الکتریکی" یا "سیمپیچ متحرک دینامومتری" استفاده میشود که در آن به جای آهنربای دائمی، از یک آهنربای الکتریکی دیگر استفاده میشود. البته با اضافه کردن یک مدار یکسوکننده3 میتوان از آن برای اندازهگیری جریان متناوب هم استفاده کرد.
پاسخ: عملکرد دستگاه کاملاً مختل میشود. چون نیروی محرکهٔ اصلی برای چرخش سیمپیچ، برهمکنش بین میدان سیمپیچ و میدان قوی و ثابت آهنربای دائمی است. اگر قدرت آهنربا کم شود، گشتاور حاصل نیز ضعیف شده و دستگاه یا عقربه را حرکت نمیدهد یا عددی کمتر از مقدار واقعی را نشان میدهد. از دست دادن خاصیت مغناطیسی میتواند به مرور زمان یا بر اثر ضربه و حرارت زیاد اتفاق بیفتد.
پاسخ: این به خاطر سیستم "میرایی"4 در سیمپیچ متحرک است. در طراحی این ابزارها، قاب آلومینیومی که سیمپیچ روی آن پیچیده شده، نقش یک میراگر را بازی میکند. وقتی این قاب در میدان مغناطیسی قوی میچرخد، در بدنهٔ آن جریانهای گردابی5 القا میشود. این جریانهای گردابی طبق قانون لنز در جهت مخالف حرکت قاب، نیرو وارد میکنند و مانند یک ترمز نامرئی عمل کرده، از نوسان اضافی عقربه جلوگیری میکنند و آن را سریع آرام میکنند.
پاورقی
1آمپرسنج (Ammeter): وسیلهای برای اندازهگیری شدت جریان الکتریکی.
2ولتسنج (Voltmeter): وسیلهای برای اندازهگیری اختلاف پتانسیل الکتریکی (ولتاژ).
3یکسوکننده (Rectifier): مدار الکترونیکی که جریان متناوب (AC) را به جریان مستقیم (DC) تبدیل میکند.
4میرایی (Damping): فرآیند کاهش تدریجی دامنه نوسانات یک سیستم.
5جریان گردابی (Eddy Current): جریانهای الکتریکی چرخشی که در یک هادی، هنگام قرارگیری در معرض یک میدان مغناطیسی متغیر ایجاد میشوند.
