درسنامه آموزشی فیزیک (2) کلاس یازدهم تجربی
فصل 3: القاگرها
در فصل 2 دیدیم که در فضای بین صفحههای یک خازن باردار، میدان الکتریکی ایجاد میشود و انرژی الکتریکی در این میدان ذخیره میشود. به همین ترتیب، میتوان از القاگر (سیم پیچ) برای تولید میدان مغناطیسی دلخواه و همچنین ذخیرهٔ انرژی در این میدان استفاده کرد. القاگر مانند مقاومت و خازن یکی از اجزای ضروری مدارهای الکترونیکی است.
شکل 3-29 تصویر چند القاگر را در اندازهها و شکلهای متفاوت نشان میدهد. نماد مداری القاگر، 
است. ویژگیهای فیزیکی هر القاگر، توسط ضریب القاوری آن تعیین میشود. ضریب القاوری که با نماد $L$ نمایش داده میشود به عواملی همچون تعداد دور، طول و سطح مقطع القاگر و جنس هستهای که داخل آن قرار میگیرد بستگی دارد. یکای $SI$ ضریب القاوری، هانری ($H$) نام دارد.
جوزف هانری (1878 - 1797):
یکی از فیزیکدانان تجربی قرن نوزدهم است که در آمریکا به دنیا آمد و کار خود را با آموزش علوم در یک مدرسه روستایی آغاز کرد. سپس به تحصیل در طب و مهندسی علاقهمند شد و سرانجام به فیزیک و ریاضیات روی آورد. هانری در سال 1831، همزمان و مستقل از فاراده، موفق به کشف پدیدهٔ القای الکترومغناطیسی شد. وی همچنین توانست نوعی موتور الکترومغناطیسی و یک تلگراف جدید و کارآمد اختراع کند. یکای $SI$ ضریب القاوری به احترام یک عمر فعالیتهای علمی وی، هانری $(H)$ انتخاب شده است.
خود - القاوری: مداری را مطابق شکل 3-30 درنظر بگیرید. این مدار شامل منبع نیروی محرکه، رئوستا، آمپرسنج و القاگری است که بهطور متوالی به یکدیگر بسته شدهاند. با تغییر مقاومت رئوستا، جریان در مدار تغییر میکند. تغییر جریان در مدار، سبب تغییر میدان مغناطیسی القاگر میشود و در نتیجه شار مغناطیسی عبوری از آن نیز تغییر میکند. این فرایند سبب القای نیروی محرکهای در القاگر میشود که بنابر قانون لنز با تغییر جریان عبوری از آن مخالفت میکند. این پدیده که میتواند در هر القاگری (از قبیل پیچه یا سیملوله) رخ دهد اثر خود - القاوری نامیده میشود.
آزمایش 3-5
هدف: بررسی اثر خود - القاوری
وسیلههای مورد نیاز: لامپ نئون (لامپ فازمتری)، القاگر (1000 دور یا بالاتر)، باتری قلمی (2 عدد) یا باتری 9 ولتی، سیم رابط، کلید
شرح آزمایش:
- مداری مطابق شکل الف ببندید.
- کلید را وصل کنید. آیا لامپ روشن است؟ اینک کلید را قطع کنید.
در لحظهٔ قطع کردن کلید چه چیزی مشاهده میکنید؟ دلیل آنچه را مشاهده میکنید در گروه خود به گفتوگو بگذارید و نتیجه را به کلاس ارائه دهید.
توجه: میتوانید مطابق شکل ب، به جای القاگر از القاگر لامپهای مهتابی (که به اشتباه ترانس نامیده میشود) نیز استفاده کنید.
خوب است بدانید: کاربرد القاگرها در سامانههای انتقال برق
برخورد آذرخش به بخشی از یک سامانهٔ انتقال توان الکتریکی موجب افزایش ناگهانی ولتاژ میشود که میتواند به اجزای سامانه و هر چیز دیگری که به آن وصل باشد (برای مثال، وسیلههای برقی خانگی) آسیب برساند. برای کمینه کردن این آثار، القاگرهای بزرگی را در مسیر سامانهٔ انتقال قرار میدهند. این کار باعث میشود که القاگر با هر تغییر سریع در جریان مخالفت کند و آن را فرو نشاند!
کاربرد القاگرها در لامپهای فلوئورسان
همان طور که در ابتدای این بخش دیدیم القاگرها با تغییرات سریع جریان در مدار مخالفت میکنند، به همین دلیل نقش مهمی در لامپهای فلوئورسان (مهتابی) دارند. در این لامپها، جریان الکتریکی از گاز رقیقی که فضای درون لامپ را پر کرده است میگذرد و گاز را یونیده و به پلاسما تبدیل میکند. پلاسما یک رسانای غیراهمی است و هرچه بیشتر یونیده شود مقاومت آن کمتر میشود. اگر ولتاژ به حدّ کافی بالایی به گاز اعمال شود، جریان میتواند بسیار زیاد شود و به مدار بیرونی لامپ فلوئورسان آسیب برساند. برای جلوگیری از این مسئله، یک القاگر را به طور متوالی با لامپ فلوئورسان میبندند تا مانع افزایش زیاد جریان شود. متعادل کننده همچنین باعث میشود تا لامپ فلوئورسان بتواند با ولتاژ متناوب کار کند.
القای متقابل
شکل زیر اسباب آزمایش سادهای را برای بررسی اثر القای متقابل نشان میدهد. جریان عبوری از پیچهٔ 1، میدان مغناطیسی $\overrightarrow{B}$ را به وجود میآورد. این میدان $\overrightarrow{B}$، شار مغناطیسیای را از پیچهٔ 2 میگذراند که در مجاورت آن قرار دارد. با تغییر دادن مقاومت رئوستا و تغییر جریان در پیچهٔ 1، میدان مغناطیسی پیچهٔ 1 و در نتیجه شار عبوری از پیچهٔ 2 نیز تغییر میکند؛ بنابر قانون فاراده، این تغییر شار، نیروی محرکهای را در پیچهٔ 2 القا میکند که به ایجاد جریان القایی در این پیچه میانجامد. همچنین تغییر جریان در پیچهٔ 2، سبب ایجاد نیروی محرکهٔ القایی در پیچهٔ 1 میشود. این فرایند، القای متقابل نامیده میشود و به کمک آن میتوان انرژی را از یک پیچه، به پیچهٔ دیگر منتقل کرد.
در برخی از مدارهایی که از چندین القاگر به وجود آمده است، تغییرات جریان در یک القاگر میتواند نیروهای محرکهٔ ناخواستهای را در القاگرهای مجاور القا کند. به همین دلیل، در برخی از مدارهای الکتریکی، القای متقابل میتواند مزاحم باشد. برای هرچه کمتر کردن این اثر ناخواسته، باید سطح حلقههای القاگرهای مجاور را به طور عمود بر یکدیگر قرار داد (شکل زیر). در این صورت، اثر القای متقابل تا حد امکان کوچک میشود. القای متقابل کاربردهای مفید بسیاری نیز دارد. مثلاً در مبدّلها که در پایان همین فصل با آنها آشنا خواهید شد، القای متقابل، نقش مهمی در مقدار ولتاژ خروجی مبدل ایفا میکند.
انرژی ذخیره شده در القاگر: وقتی توسط باتری جریانی در القاگر برقرار شود، مولد به القاگر انرژی میدهد. بخشی از این انرژی در مقاومت الکتریکی سیمهای القاگر به صورت گرما تلف و بقیهٔ آن در میدان مغناطیسی القاگر ذخیره میشود. مقدار انرژی ذخیره شده در میدان القاگر با ضریب القاوری $L$، از رابطهٔ زیر به دست میآید:
(8-3) $U=\frac{1}{2}L{{I}^{2}}$
لازم است رفتار مقاومت و القاگر را به لحاظ انرژی اشتباه نگیرید (شکل 3-31). هنگام عبور جریان از مقاومت، انرژی وارد آن میشود، جریان چه پایا باشد و چه تغییر کند، این انرژی در مقاومت به انرژی گرمایی تبدیل میشود؛ در حالی که در یک القاگر آرمانی (با مقاومت صفر) تنها وقتی انرژی وارد القاگر میشود که جریان در آن افزایش یابد. این انرژی تلف نمیشود؛ بلکه در میدان مغناطیسی القاگر ذخیره شده و هنگام کاهش جریان، آزاد میشود. هنگام عبور جریان پایا از یک القاگر آرمانی (سیم پیچ بدون مقاومت)، انرژی به آن وارد یا از آن خارج نمیشود.
فنّاوری و کاربرد: انرژی لازم برای جرقه زدن شمع خودرو
انرژی ذخیره شده در میدان مغناطیسی نقش مؤثری در دستگاههای احتراق خودروهای با موتور بنزینی دارد. پیچهٔ اولیه با حدود $250$ دور به باتری خودرو بسته شده است و میدان مغناطیسی قویای تولید میکند. این پیچه، درون یک پیچهٔ ثانویه با $2500$ دور سیم خیلی نازک قرار گرفته است. برای جرقه زدن شمع، جریان در پیچهٔ اولیه قطع میشود و میدان مغناطیسی به سرعت به صفر میرسد و نیروی محرکهٔ الکتریکی دهها هزار ولتی در پیچهٔ ثانویه القا میکند. درنتیجه انرژی ذخیره شده در میدان مغناطیسی همراه با جریانی لحظه ای از پیچهٔ ثانویه به طرف شمع میرود و جرقهای تولید میکند که سبب احتراق مخلوط سوخت و هوا در سیلندرهای موتور میشود (شکل زیر).
