القای الکتریکی: رازی به نام آهنربا و سیمپیچ
از کشف فارادی تا چراغ دوچرخهتان!
حدود 200 سال پیش، دانشمند انگلیسی مایکل فارادی3 کشف کرد که حرکت یک آهنربا در کنار یک حلقه سیم میتواند باعث جاری شدن الکتریسیته شود. او مشاهده کرد که تغییر عامل اصلی است. یعنی فقط وقتی جریان تولید میشود که میدان مغناطیسی اطراف سیم در حال تغییر باشد.
یک آزمایش ساده: اگر یک آهنربای قوی را به سرعت داخل و خارج یک سیمپیچ بزرگ (مثلاً 500 دور) حرکت دهید، میتوانید یک الایدی کوچک را روشن کنید! این دقیقاً کاری است که در دینام دوچرخه انجام میشود. چرخ دوچرخه، آهنرباهای داخل دینام را میچرخاند و این حرکتِ آهنرباها در کنار سیمپیچ، جریانی تولید میکند که چراغ جلو را روشن میکند.
چه عواملی بر جریان القایی تاثیر میگذارند؟
شدت جریان الکتریکی که از طریق القا تولید میشود، ثابت نیست. عوامل مختلفی میتوانند آن را قوی یا ضعیف کنند. این عوامل در جدول زیر دستهبندی شدهاند:
| عامل تاثیرگذار | نحوه تاثیر | مثال ملموس |
|---|---|---|
| سرعت حرکت آهنربا | هرچه آهنربا را سریعتر حرکت دهیم، جریان تولیدی قویتر میشود. | پدال زدن سریعتر با دوچرخه، چراغ جلو را پرنورتر میکند. |
| قدرت آهنربا | آهنربای قویتر، میدان مغناطیسی شدیدتری ایجاد میکند و جریان بیشتری تولید میکند. | استفاده از آهنربای نئودیمیوم در آزمایش، الایدی را درخشانتر از آهنربای آهنربای معمولی روشن میکند. |
| تعداد دور سیمپیچ | تعداد دور بیشتر سیم، جریان تولیدی را افزایش میدهد. | سیمپیچ 1000 دوری، جریان قویتری از سیمپیچ 100 دوری تولید میکند. |
| جنس هسته داخل سیمپیچ | قرار دادن یک هسته آهنی داخل سیمپیچ، میدان مغناطیسی را متمرکز و جریان را خیلی بیشتر میکند. | دینامها و ترانسفورماتورها همگی از هستههای آهنی استفاده میکنند. |
چگونه نیروگاهها برق میسازند؟ از توربین تا پریز دیوار
کاربرد عملی و بسیار مهم القای الکترومغناطیسی در تولید برق در مقیاس بزرگ است. در نیروگاههای برق (آبی، بادی، حرارتی و...)، یک وسیله غولپیکر به نام ژنراتور وجود دارد. درون ژنراتور، آهنرباهای بسیار قوی با سرعت بالا میچرخند. این آهنرباهای چرخان در کنار سیمپیچهای عظیمی که از مس ساخته شدهاند قرار دارند. حرکت دائم آهنرباها در کنار سیمپیچها، جریان الکتریکی زیادی را در سیمها القا میکند. این جریان از طریق کابلهای فشار قوی به شهرها و خانههای ما منتقل میشود.
یک مثال خانگی دیگر، اجاق گاز القایی است. زیر صفحه شیشهای این اجاقها، یک سیمپیچ مسی قرار دارد. وقتی اجاق را روشن میکنیم، جریان متناوب پرتوانی از سیمپیچ میگذرد و یک میدان مغناطیسی متغیر قوی ایجاد میکند. وقتی شما یک قابلمه مخصوص (که کف آن از آهن یا فولاد است) را روی اجاق میگذارید، این میدان مغناطیسی متغیر، در کف قابلمه جریان الکتریکی القا میکند. این جریان باعث گرم شدن سریع خود قابلمه میشود، نه صفحه اجاق! به همین دلیل است که به آن القایی میگویند.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر، لزوماً نه. اصل کار، تغییر میدان مغناطیسی است. اگر آهنربا ثابت باشد و شما سیمپیچ را به سرعت حرکت دهید، باز هم جریان القا میشود. مهم نسبی بودن حرکت بین آهنربا و سیمپیچ است.
پاسخ: زیرا برای ایجاد جریان، باید تغییر ایجاد شود. وقتی آهنربا ثابت است، میدان مغناطیسی در حال تغییر نیست و بنابراین جریانی القا نمیشود. جریان فقط در لحظههای شروع حرکت، توقف یا تغییر جهت حرکت آهنربا به وجود میآید.
پاسخ: از نظر ماهیت الکتریسیته، بله. اما باتری قلمی جریان مستقیم (DC)4 تولید میکند (همیشه از یک سمت خارج میشود). در حالی که جریان تولیدی با حرکت رفت و برگشتی آهنربا در سیمپیچ، متناوب (AC)5 است (جهت آن مرتباً عوض میشود). برق پریزهای خانه ما از نوع متناوب است.
پاورقی
1 القای الکترومغناطیسی (Electromagnetic Induction): پدیدهای که در آن تغییر میدان مغناطیسی در یک مدار بسته، باعث ایجاد نیروی محرکه الکتریکی (ولتاژ) و در نتیجه جریان الکتریکی میشود.
2 ژنراتور (Generator): وسیلهای مکانیکی-الکتریکی که انرژی مکانیکی (چرخش) را به انرژی الکتریکی تبدیل میکند.
3 مایکل فارادی (Michael Faraday): فیزیکدان و شیمیدان انگلیسی که اصول پایه الکترومغناطیس و القا را کشف کرد.
4 جریان مستقیم (Direct Current - DC): جریان الکتریکی که جهت آن همواره ثابت است، مانند خروجی باتریها.
5 جریان متناوب (Alternating Current - AC): جریان الکتریکی که اندازه و جهت آن به طور متناوب و دورهای تغییر میکند، مانند برق شهری.
