القای الکترومغناطیسی

القای الکترومغناطیسی – فیزیک یازدهم (۲)

زمان مطالعه: ۵ دقیقه

با سلام و احترام خدمت شما مخاطبین عزیز وبلاگ بین جو (Binjo)، در این مقاله قصد داریم تا با زبانی ساده به مبحث القای الکترومغناطیسی از کتاب فیزیک (۲) پایه یازدهم بپردازیم. موضوع القای الکترومغناطیس مبحثی مشترک از کتاب فیزیک ۲ برای هر دو رشته ریاضی و تجربی است.

القای الکترومغناطیسی

در حدود سال ۱۸۳۱ میلادی، دانشمندی انگلیسی به نام مایکل فاراده با انجام آزمایشی دریافت که با دور و نزدیک کردن یک آهنربا به یک پیچه متصل به گالوانومتر (آمپرسنج حساس)، عقربه آن تغییر می‌کند. یعنی در پیچه (سیم‌پیچ) متصل به گالوانومتر جریان الکتریکی ایجاد یا به عبارتی القا می‌شود. شماتیکی از آزمایش فاراده در شکل زیر نشان داده شده است. لازم به ذکر است فاراده به هنگام این کشف، به جای آهنربای دائمی‌، از آهنربای الکتریکی استفاده کرد. پس باتری موجود در شکل، به پیچه و گالوانومتر متصل نیست.

القای الکترومغناطیس

شکل (۱) : انجام آزمایش القای الکترومغناطیسی توسط فاراده (فارادی)

با توجه به شکل فوق، مایکل فاراده (فارادی) مشاهده کرد که با عبور آهنربا A از درون سیملوله (پیچه یا سیم‌پیچ) B، که نتیجه آن تغییر میدان مغناطیسی در محل سیملوله است، عقربه گالوانومتر تغییر می‌کند (القای جریان الکتریکی در مدار). پس ما می‌توانیم به ایجاد تغییرات میدان مغناطیسی، در یک پیچه متصل به مدار (بدون منبع الکتریکی)، در آن مدار جریان الکتریکی ایجاد کنیم. این پدیده به القای الکترومغناطیسی و جریان تولید شده به جریان الکتریکی القایی موسوم است.

آزمایشات دیگر نشان می‌دهند که ایجاد تغییرات میدان مغناطیسی، همانند آزمایش فاراده، تنها راه برای ایجاد جریان القایی نیست. با توجه به شکل زیر، ایجاد تغییر در مساجت پیچه‌ای انعطاف‌پذیر که در میدان مغناطیسی قرار گرفته است، باعث تولید جریان الکتریکی القایی می‌شود. پس القای الکترومغناطیسی به واسطه ایجاد تغییرات مساحت نیز ممکن است.

القای الکترومغناطیسی

شکل (۲) : ایجاد تغییر در مساحت پیچه‌ی درون میدان مغناطیسی و القای الکترومغناطیسی (ایجاد جریان القایی)

همچنین چرخاندن پیجه یعنی ایجاد تغییرات در زاویه بین میدان مغناطیسی و سطح پیچه، همانند شکل زیر، باعث القای جریان الکتریکی می‌شود. پس القای الکترومغناطیسی با واسطه ایجاد تغییرات زاویه نیز ممکن است.

قانون فارادی

شکل (۳) : ایجاد تغییر در زاویه بین سطح پیچه‌ی درون میدان مغناطیسی با خطوط میدان مغناطیسی و القای الکترومغناطیسی (ایجاد جریان القایی)

قانون القای الکترومغناطیسی فاراده

در بخش قبل دیدیم که با ایجاد تغییرات در مقدار (اندازه) یا شدت میدان مغناطیسی در پیچه، یا ایجاد تغییرات در مساحت پیچه‌ی درون میدان مغناطیسی یا چرخش پیچه‌ی درون میدان مغناطیسی می‌توانیم در آن جریان القایی تولید کنیم. می‌توان گفت که عامل اساسی و مشترک در ایجاد جریان القایی در تمامی این موارد، تغییر شار مغناطیسی عبوری از پیچه است.

شار مغناطیسی کمیتی نرده‌ای است و برای میدان مغناطیسی B (میدان مغناطیسی کمیتی برداری است.) که از پیچه‌ای با مساحت A عبور می‌کند، به صورت زیر تعریف می‌شود:

\(\phi = B A \cos \theta\)

از رابطه شار مغناطیسی‌‌، نتیجه می‌شود که یکای شار مغناطیسی‌، تسلا متر مربع است که به وبر (با نماد Wb) موسوم است.

\(۱ \: Wb = 1\: T \: \times 1\: m^{2}\)

در رابطه فوق، کسینوس زاویه به دلیل در نظر گرفتن زاویه بین نیم خط عمود بر سطح پیچه و خطوط میدان مغناطیسی است که در شکل زیر نشان داده شده است. نیم خط عمود، به صورت خط چین نشان داده شده است.

شار مغناطیسی

شکل (۴) : نمایش زاویه بین نیم خط عمود بر سطح (مدار، پیچه و …) و خطوط میدان مغناطیسی

به طور کلی دیدیم که تغییرات میدان مغناطیسی، مساحت و یا زاویه همگی به معنی تغییر شار مغناطیسی در یک پیچه است‌، پس تغییر شار مغناطیسی منجر به ایجاد جریان الکتریکی القایی می‌شود.

تغییر میدان مغناطیسی

شکل (۵) : تغییر شار مغناطیسی با واسطه تغییر در اندازه میدان مغناطیسی

شار مغناطیسی مثبت یا منفی

همان‌طور که می‌دانید، همواره دو جهت برای رسم نیم خط عمود بر یک سطح معین وجود دارد. با توجه به شکل (۴)، علامت شار مغناطیسی به این جهت بستگی دارد. به عنوان مثال، در شکل (۴) اگر نیم خط عمود را در جهتی رسم کنیم که زاویه بین آن و خطوط میدان مغناطیسی، کمتر از ۹۰ درجه شود،‌ با توجه به رابطه شار مغناطیسی، علامت آن مثبت نتیجه می‌شود.

حال اگر نیم خط عمود را در آن طرف سطح انتخاب کنیم، در این حالت زاویه بین نیم خط عمود و میدان مغناطیسی بیشتر از ۹۰ درجه می‌شود که در نتیجه با توجه به علامت کسینوس در رابطه شار مغناطیسی، علامت شار منفی نتیجه می‌شود. لازم به ذکر است که هر دو انتخاب صحیح و به یک اندازه مفید هستند. نکته‌ای مهم که باید به آن توجه کرد، این است که در یک مسئله، جهت انتخابی نیم خط عمود تا انتهای حل باید ثابت بماند.

قانون فاراده برای سیملوله یا پیچه

همان‌طور که گفته شد، عامل مشترکی که باعث تولید جریان القایی در یک مدار می‌شود، تغییر شار مغناطیسی عبوری از سیملوله یا پیجه است. اما جریان القایی چگونه در یک مدار به وجود می‌آید؟ بر اساس رابطه \(V = RI\) ، به یک ولتاژ نیاز است! برای پاسخ به این سوال به سراغ قانون فاراده (قانون فارادی) می‌رویم. بر قانون فاراده در این مورد به صورت زیر بیان می‌شود:

هرگاه شار مغناطیسی ‌ای که از یک مدار بسته عبور می‌کند، دچار تغییر شود، نیروی محرکه‌ای در آن القا می‌شود که بزرگی آن، با آهنگ تغییرات شار مغناطیسی متناسب است. در واقع هرچه آهنگ تغییرات شار مغناطیسی بیشتر باشد، نیروی محرکه القایی و در نتیجه جریان القایی تولید شده در مدار بیشتر می‌شود.

منظور از آهنگ تغییرات شار مغناطیسی بیشتر این است که کارهایی که در شکل‌های (۱) ، (۲) و (۳) انجام دادیم با سرعت بیشتری رخ دهند، عقربه گالوانومتر بیشتر منحرف می‌شود که به معنی جریان القایی بزرگ‌تر است.

قانون القای الکترومغناطیسی فاراده را برای یک پیچه یا سیملوله که از N دور سیم (مشابه) تشکیل شده باشد، به صورت زیر بیان می‌شود.

\(\overline{\varepsilon } = – N \frac{\Delta \Phi}{\Delta t}\)

در رابطه فوق،\(\overline{\varepsilon }\) همان نیروی محرکه القایی متوسط است که بر حسب ولت (واحد ولتاژ) سنجیده می‌شود. \(\frac{\Delta \Phi}{\Delta t}\) نیز آهنگ تغییر شار مغناطیسی با واحد \(\frac{Wb}{s}\) است. N نیز تعداد دور سیم است (بدون واحد).

لازم به ذکر است که علامت منفی در رابطه فوق بیانگر قانون لنز بوده که پیشنهاد می‌کنیم تا نگاهی بر مقاله آن در زیر داشته باشید:

حال اگر مقاومت سیمی که سیملوله از آن پیچیده شده (سیم مدار) R باشد، جریان القایی متوسط طبق رابطه ساده زیر نتیجه می‌شود.

\(\overline{I} = \frac{\overline{\varepsilon }}{R}\)

بدیهی است که هرچه مقدار مقاومت سیم کمتر باشد، مقدار جریان القایی بیشتر است.

القای الکترومغناطیسی

شکل (۶) : القای الکترومغناطیسی

امیدواریم تا مقاله القای الکترومغناطیسی برای شما عزیزان مفید واقع شده باشد. در انتها پیشنهاد می‌کنیم تا نگاهی بر مقالات زیر نیز داشته باشید.

حرکت هماهنگ ساده – فیزیک دوازدهم (۳)

پرتوزایی یا رادیواکتیویته – فیزیک دوازدهم (۳)

طیف الکترومغناطیسی – فیزیک دوازدهم (۳)

مواد مغناطیسی و خواص مغناطیسی – فیزیک یازدهم (۲)

طیف الکترومغناطیسی – فیزیک دوازدهم (۳)

اشکان ابوالحسنی، مدیریت واحد وبلاگ بین جو، کارشناس ارشد فوتونیک (گرایش مخابرات نوری) و دانشجوی دکتری در رشته مهندسی برق مخابرات - گرایش میدان و موج است. در پی علاقه ایشان به مباحث آموزشی، به تولید محتوا در حوزه فیزیک پیش از دانشگاه در وبلاگ بین جو نیز می‌پردازد.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *