حلقه پران

شار مغناطیسی

تعداد خطوط مغناطیسی که به طور عمود از سطح مدار بسته می‌گذرد، شار مغناطیسی نام دارد. شار مغناطیسی یک کمیت نرده ای بوده و یکای آن در سیستم بین المللی وبر ($wb$) نام دارد. اگر یک مدار بسته را در میدان مغناطیسی حاصل از یک آهن ربا قرار دهیم، شار مغناطیسی عبوری از مدار بسته به عوامل زیر بستگی خواهد داشت:

1. مساحت مدار بسته؛ هرچه مساحت مدار بیشتر باشد، شار مغناطیسی عبوری از آن بیشتر خواهد بود.
2. شدت میدان مغناطیسی؛ هرچه شدت میدان مغناطیسی حاصل از آهنربا بیشتر باشد، به عبارت دیگر تراکم خطوط میدان مغناطیسی آهنربا بیشتر باشد، شار مغناطیسی عبوری از مدار بسته بیشتر خواهد شد.
3. کسینوس زاویه بین خط عمود بر صفحه مدار (بردار نرمال صفحه) و خطوط میدان مغناطیسی؛ اگرزاویه بین خطوط و خط عمود بر صفحه از صفر تا 90 درجه تغییر کند شار مغناطیسی از بیشنه مقدار به صفر خواهد رسید.

برای محاسبه شار عبوری از مدار بسته از رابطه زیر استفاده می‌کنیم:

$\varphi=BAcos\theta$

در این رابطه:

1. A مساحت مدار بر حسب متر مربع (m²)
2. B شدت میدان مغناطیسی بر حسب تسلا(T)
3. $\theta$ زاویه بین خطوط میدان مغناطیسی و خط عمود بر صفحه است.

قانون القای الکترومغناطیسی فارادی

مایکل فارادی نشان داد که هرگاه شار مغناطیسی که از یک مدار بسته می‌گذرد تغییر کند، نیروی محرکه‌ای در آن مدار بسته القا می‌شود که بزرگی آن با آهنگ تغییرات شار مغناطیسی متناسب است.

بنابراین اگر به نحوی یکی از سه عامل موثر بر شار مغناطیسی تغییر کند، در مدار بسته نیرویه محرکه‌ای القا می‌گردد:

مدار تک حلقه: $\epsilon=-|\frac{\Delta\varphi}{\Delta t}|$

مدار چند حلقه: $\epsilon=-N|\frac{\Delta\varphi}{\Delta t}|$

قانون لنز

با ایجاد نیروی محرکه در مدار بسته، جریانی القا خواهد شد که جهت جریان ایجاد شده در مدار بسته را با استفاده از قانون لنز تعیین می‌کنند. این قانون بیان می‌کند که جهت جریان القا شده در مدار بسته به گونه‌ای است که آثار مغناطیسی ناشی از آن، از تغییرات شار مغناطیسی جلوگیری کند. به این مفهوم که اگر نیروی محرکه القایی در اثر افزایش شار مغناطیسی باشد، جریانی القا خواهد شد که میدان مغناطیسی که در اثر عبور جریان ایجاد می‌شود از افزایش شار جلوگیری کند و برعکس.

نحوه کار با شبیه ساز

در این آزمایش که به منظور مطالعه قانون القای الکترومغناطیس فارادی و قانون لنز طراحی شده از یک پیچه با 600 دور سیم، هسته U شکل و نیز یک هسته میله‌ای که روی آن قرار می گیرد استفاده شده. هنگامی که از پیچه جریان عبور می‌کند در اطراف آن میدان مغناطیسی القا شده و این پیچه و هسته‌ای که داخل آن قرار دارد تبدیل به آهنربا می‌شوند. حال اگر قبل از بستن کلید حلقه کامل آلومنیومی را روی هسته میله‌ای($I$شکل) شکل قرار دهیم؛ با بستن کلید و عبور جریان، میدان مغناطیسی حاصل از پیچه در یک لحظه از صفر به مقدار بیشینه می رسد و همین امر سبب می‌شود شار عبوری از حلقه تغییر کرده و تغییر شار ایجاد شده باعث القای نیروی محرکه در حلقه خواهد شد.

نیروی محرکه جریانی را در حلقه ایجاد می‌کند که آثار مغناطیسی ناشی از آن، از تغییرات شار جلوگیری نماید. بنابراین میدان القایی حاصل از عبور جریان از حلقه، خلاف جهت میدان مغناطیسی پیچه خواهد بود و نیروی دافعه ایجاد شده باعث پرتاب حلقه به سمت بالا خواهد شد.

اگر بر روی دکمه زرد رنگ کلیک کنید، حلقه کامل جای خود را به حلقه ناقص خواهد داد. در صورتی که اگر حلقه ناقص را در روی هسته قرار داده شود، ملاحظه می‌کنیم با اینکه شدت میدان مغناطیسی باز هم از صفر به مقدار بیشینه رسیده اما چون مدار بسته‌ای وجود ندارد، تغییر شاری عملا وجود نداشته و حلقه ناقص پرتاب نمی‌شود.

پرسش ها:

1. در اثر عبور جریان از پیچه، چه عاملی باعث پرتاب حلقه می شود؟
2. چند روش را پیشنهاد کنید که باعث افزایش نیروی دافعه وارد به حلقه گردد.