با سلام و احترام خدمت شما مخاطبین عزیز وبلاگ بین جو (Binjo)، در این مقاله قصد داریم تا با زبانی ساده به بحث سلف یا القاگر در کتاب فیزیک یازدهم (۲) بپردازیم. سلف یا القاگر موضوعی مشترک در هر دو کتاب فیزیک ۲ رشته ریاضی و تجربی است.
فهرست مطالب این نوشته
سلف (القاگر)
همان‌طور که می‌دانید خازن به عنوان یکی از قطعات الکترونیکی اصلی، انرژی الکتریکی را در خود ذخیره می‌کند. ذخیره انرژی الکتریکی در یک خازن به واسطه ایجاد میدان الکتریکی بین دو صفحه باردار خازن است.
حال به نظر شما، آیا ساختار یا قطعه‌ای وجود دارد که بتوان با آن انرژی مغناطیسی را ذخیره کرد؟! پاسخ مثبت است. چنین قطعه‌ای در فیزیک و دنیای الکترونیک، سلف یا القاگر (سیم‌پیج) نام دارد. در واقع به واسطه سلف یا القاگر میتوان میدان مغناطیسی دلخواه را تولید و انرژی مغناطیسی را در این میدان ذخیره کرد.
در شکل زیر نمونه‌هایی از سلف یا القاگر نشان داده شده است. همان‌طور که مشاهده می‌کنید، سلف یا القاگر همان سیمی است که به طور یک هسته آهنی (بدون هسته نیز ممکن است) پیچیده شده است. به همین جهت به آن پیجه، سیم لوله یا سیم پیچ نیز می‌گویند.
خود القاوری
مداری ساده همچون شکل زیر را در نظر بگیرید. در این مدار، منبع نیرو محرکه، مقاومت متغیر رئوستا، آمپرسنج و سلف یا همان القاگر به طور متوالی (سری) قرار گرفته‌اند.
رئوستا قطعه‌ای است که می‌توانیم مقدار مقاومت آن را به دلخواه تغییر دهیم. پس با تغییر مقاومت رئوستا، مقدار جریان الکتریکی در مدار شکل فوق، تغییر می‌کند. وقتی که مقدار جریان الکتریکی در مدار تغییر کند، به دنبال آن اندازه میدان مغناطیسی سلف یا القاگر نیز تغییر می‌کند. با تغییر میدان مغناطیسی، بدیهی است که مقدار شار مغناطیسی عبوری از سلف نیز تغییر می‌کند.
حال به سراغ قانون لنز می‌رویم. قانون لنز بیان می‌کند که:
جریان حاصل از نیروی محرکهٔ القایی در یک مدار یا پیچه در جهتی است که آثار مغناطیسی ناشی از آن، با عامل به وجود آورندهٔ جریان القایی، یعنی تغییر شار مغناطیسی، مخالفت کند.
دیدیم که تغییر جریان الکتریکی به واسطه تغییر مقاومت رئوستا، سبب شد تا شار مغناطیسی عبوری از سلف تغییر کند. پس بر اساس قانون لنز، این کار سبب می‌شود که یک نیروی محرکه القایی در سلف به وجود آید که با تغییر جریان عبوری از آن مخالفت کند. یعنی اگر با افزایش مقاومت رئوستا، جریان الکتریکی کاهش پیدا کرد، جهت نیروی محرکه القایی به گونه‌ای است که نگذارد مقدار جریان کم شود.
چنین پدیده‌ای که در هر سلف یا القاگر (پیچه، سیم‌لوله، سیم‌پیچ) می‌تواند رخ دهد، به اثر خود القایی یا خود القاوری موسوم است.
دو کاربرد سلف یا القاگر در صنعت
سیستم انتقال برق
چنین خاصیتی در سلف‌ها باعث کاربردهای مهمی نظیر استفاده در سامانه‌های انتقال برق می‌شود. برخورد یک آذرخش به بخشی از یک سیستم انتقال توان (برق) الکتریکی موجب افزایش ناگهانی ولتاژ شده که می‌تواند به اجزای سیستم یا هر وسایل دیگری که به سیستم متصل است (نظیر لوازم خانگی) آسیب برساند. جهت کمینه کردن چنین آثاری، از سلف یا القاگر‌های بزرگی در مسیر سیستم‌های انتقال توان استفاده می‌شود. این کار بنابر توضیحاتی که در فوق دادیم، باعث می‌شود که القاگر با تغییرات سریع در جریان الکتریکی مخالفت کند.
لامپ‌های فلوئورسان
یکی از کاربردهای دیگر سلف‌ها در لامپ‌های فلوئورسان نظیر مهتابی است. همان طور که گفته شد، القاگرها با تغییرات سریع جریان در مدار مخالفت می کنند. به همین دلیل نقش مهمی در لامپ های فلوئورسان (نظیر مهتابی) دارند.
در این لامپ ها، جریان الکتریکی از گاز رقیقی که فضای درون لامپ را پر کرده است، می‌گذرد و گاز را یونیده و به پلاسما تبدیل می کند. 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 می تواند 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 می شود تا لامپ فلوئورسان بتواند با ولتاژ متناوب کار کند.
ضریب القاوری
میتوان گفت که ویژگی‌های فیزیکی یک القاگر توسط ضریبی موسوم به ضریب القاوری با نماد L تعیین می‌شود. این ضریب به عوامل زیر بستگی دارد.
- تعداد دور سیم پیچ
- طول سیم پیچ
- سطح مقطع سیم پیچ
- جنس هسته‌ای که به دور آن سیم پیچیده شده است.
با توجه به موارد فوق، می‌توانیم در ساده‌ترین حالت برای یک القاگر آرمانی بدون اتلاف و بدون هسته که دارای طول \(l\)، سطح مقطع A و N دور سیم (حلقه) نزدیک به هم است، ضریب القاوری را به فرم زیر بنویسیم.
\(L = \mu_{0} \frac{AN^{2}}{l}\:\:\: (\Omega . s \equiv H)\)
واحد یا یکای ضریب القاوری در سیستم SI، اهم.ثانیه است که به افتخار جوزف هانری، هانری با نماد H نشان داده می‌شود.
القای متقابل
منظور از القای متقابل ایجاد جریان الکتریکی در مداری ثانویه‌ای است که هیچ ارتباط سیمی با مدار اولیه ندارد. به همین منظور شکل مداری زیر را در نظر بگیرید.
همان‌طور که می‌دانید جریان الکتریکی در مدار یک با عبور از سیم‌پیج (سلف یا القاگر) یک، باعث ایجاد میدان مغناطیسی B می‌شود. این میدان مغناطیسی B باعث می‌شود تا شار مغناطیسی‌ای از پیچه (سلف یا القاگر) ۲ که در نزدیکی و مجاورت آن قرار دارد بگذرد.
حال جریان الکتریکی را به واسطه مقاومت رئوستا در مدار ۱ تغییر می‌دهیم. این تغییر جریان باعث تغییر میدان مغناطیسی پیچه ۱ و در نتیجه تغییر شار مغناطیسی در پیچه ۲ می‌شود. بنابر قانون القای فارادی که در مقالات پیشین بین جو با آن آشنا شدیم، این تغییر شار، باعث القای نیروی محرکه‌ای در پیچه ۲ (مدار ۲) شده که خود منجر به تولید جریان القایی در پیجه ۲ می‌شود.
همچنین تغییر جریان در پیچه ۲ که منجر به تغییر میدان مغناطیسی پیچه ۲ نیز می‌شود، سبب القای نیرو محرکه در پیچه ۱ می‌شود. چنین سازوکاری که در فوق شرح دادیم، به القای متقابل موسوم است. با کمک القای متقابل میتوان انرژی را از یک پیچه به پیچه دیگر منتقل کرد.
با توجه به سازوکار القای متقابل، حال باید بتوانید به چگونگی عملکرد پد‌های شارژ بیسیم تلفن همراه پی ببرید.
در برخی از مدارهایی که در آن‌ها از چندین القاگر استفاده می‌شود، ممکن است که اثر القای متقابل مطلوب نباشد. به همین جهت باید از القای نیرو محرکه‌های ناخواسته جلوگیری شود. یکی از راحت‌ترین کارها جهت حذف اثر القای متقابل تغییر چینش سلف‌هایی است که در نزدیکی یکدیگر قرار می‌گیرند.
به طور مثال به شکل زیر دقت کنید.
در مدار فوق، چینش القاگرها به گونه‌ای قرار دارد تا سطح مقطع حلقه‌های آن‌ها بر یکدیگر عمود باشد. به نظر شما با توجه به مقاله (القای الکترومغناطیسی) چرا با چنین چینشی اثر القای متقابل حذف یا بسیار کم رنگ می‌شود؟! پاسخ را در تغییرات شار مغناطیسی عبوری جست و جو کنید.
انرژی ذخیره شده در القاگر
هنگامی که یک سلف یا القاگر را به باتری متصل می‌کنیم جریان الکتریکی از القاگر عبور می‌کند. در واقع انرژی الکتریکی ذخیره شده در باتری به القاگر داده می‌شود. بخشی از این انرژی به دلیل وجود مقاومت سیم‌های القاگر به صورت گرما در القاگر تلف شده و باقی آن به فرم انرژی مغناطیسی در میدان مغناطیسی القاگر ذخیره می‌شود.
این انرژی رابطه مستقیمی با جریان عبوری و مقدار ضریب خودالقایی (القاوری) دارد.
\(U = \frac{1}{2} L I^{2}\)
یک نکته مهم که در اینجا وجود دارد، توجه به بحث انرژی است. در یک القاگر آرمانی (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 (سیم‌پیچ بدون مقاومت)، انرژی به آن وارد یا از آن خارج نمی‌شود.
اما در خصوص قطعه مقاومت، میتوان گفت که جریان چه متغیر باشد و چه پایا، انرژی به صورت گرما تلف می‌شود. مقاومت قطعه‌ای است که در آن انرژی به طور غیرقابل برگشت تلف می‌شود. برخلاف آن، انرژی ذخیره شده در القاگر حامل جریان را میتوان هنگام کاهش جریان، بازیافت.
از کاربردهای القای متقابل میتوان به شمع خودروهای بنزینی اشاره کرد.
امیدواریم تا این مقاله مورد پسند شما عزیزان واقع شده باشد. در ادامه پیشنهاد می‌کنیم تا نگاهی بر مقالات زیر نیز داشته باشید.
جریان متناوب – فیزیک دوازدهم (۳)
پرتوزایی یا رادیواکتیویته – فیزیک دوازدهم (۳)
دیدگاهتان را بنویسید